材料基本性能和测试 2 第五章材料的疲劳性能 3 1998年6月3日上午11时 一辆由德国慕尼黑开往汉堡的ICE1型884次高速列车 在行驶至距莱比锡东北方约60公里的小镇埃舍德 Eschede 附近时 列车脱轨并以200公里时速撞断一座立交桥后解体 事故造成101人死亡 88人重伤 酿成世界高速铁路历史上最为惨重的事故 德国铁路机构经过调查后认为 事故因列车第一节车厢后部的一个车轮轮箍由于金属疲劳断裂引起 轮箍在断裂后变形成一根弧形钢条 一头戳破车厢地板 另一头随着200公里时速高速运行的列车 与钢轨产生剧烈摩擦 并发出刺耳的尖啸 3分钟后 列车在行经一个道岔钢轨接口处时 轮箍钢条又铲断一组道岔护轨 使之插入车厢 巨大的冲击力导致第一节车厢后轮脱轨 并与车头脱钩 连带着将后面两节车厢甩离轨道 虽然列车采取了紧急制动措施 但强大的惯性依然推动车厢向前滑行 最终在撞断了300多米外的一座混凝土立交桥墩后完全解体 就这样 一个并不起眼的轮箍夺走了上百条人命 引言 1850 1860 W hler先生用试验方法研究了车轴的断裂事故 提出了应力 寿命图 S N 和疲劳极限概念 1870 1890 Gerber研究了平均应力对寿命的影响 Goodman提出了完整的平均应力影响理论 1920 Griffith用能量法研究了含裂纹体的有关材料强度理论 初步奠定了事隔20年后由Irwin发展起来的断裂力学理论基础 1945年 由Miner提出的线性累计损伤理论问世 1960年 Manson Coffin提出了塑性应变与疲劳寿命的关系 1961年 Paris提出了疲劳裂纹扩展速率的概念 1974年美国军方采用了损伤容损设计方法 目前 材料的疲劳研究方兴未艾 断裂力学 损伤力学和材料物理学结合 已从宏观 细观和微观领域对疲劳问题进行着广泛的研究 4 在变动载荷下工作的工件 如曲轴 连杆 齿轮 弹簧 辊子 叶片及桥梁等 其失效形式主要是疲劳断裂 据统计 疲劳破坏在整个失效中约占80 左右 5 疲劳破坏的形式 机械疲劳 外加应力 应变波动造成的 蠕变疲劳 循环载荷与高温联合作用下的疲劳 热机械疲劳 循环受载部件的温度变动时材料的疲劳 腐蚀疲劳 接触疲劳 微动疲劳 电致疲劳等 6 5 1疲劳破坏的一般规律 5 2疲劳破坏的机理 5 3疲劳性能指标和测试 5 4影响疲劳断裂的因素 目录 5 5热疲劳 工件在变动载荷和应变长期作用下 因累计损伤而引起的断裂现象 变动载荷 载荷大小方向随时间变化 变动应力 变动载荷除以单位面积的平均值 分为循环应力和随机应力 循环应力 周期性变化的应力 变化的波形有正弦波 矩形波 三角波等 循环应力分为对称循环 旋转轴 不对称循环 发动机连杆 螺栓 脉动循环 齿轮齿根 压力容器 波动循环 发动机气缸盖 螺栓 随机应力 随机变化 如因道路气候因素 运行时的汽车 拖拉机 飞机的零件 工作应力随时间随机变化 7 5 1疲劳破坏的一般规律 一 疲劳破坏的变动应力 8 图5 1应力循环特性表征参数 表征应力循环特征的参量 最大循环应力 max 最小循环应力 min 平均应力 m max min 2 应力幅 或应力范围 2 max min 2 应力比r min max 载荷谱 载荷 时间历程曲线 2 疲劳的分类按应力状态不同 弯曲疲劳 扭转疲劳 拉压疲劳及复合疲劳 按接触和环境情况不同 分大气疲劳 腐蚀疲劳 高温疲劳 接触疲劳 热疲劳等 按断裂寿命和应力高低不同 分高周疲劳 Nf 105 s 也称低应力疲劳 低周疲劳 Nf 102 105 s 有塑性应变发生 也称高应力疲劳 9 二 疲劳破坏的概念和特点 1 疲劳破坏的概念 疲劳的破坏过程 变动应力 薄弱区域的组织 逐渐发生变化和损伤累积 开裂 裂纹扩展 突然断裂 疲劳破坏 循环应力引起的延时断裂 其断裂应力水平往往低于材料的抗拉强度 甚至低于其屈服强度 疲劳寿命 机件疲劳失效前的工作时间 10 3 疲劳破坏的特点 1 一种潜藏的突发性破坏 呈脆性断裂 2 疲劳破坏属低应力循环延时断裂 是具有寿命的断裂 3 对缺陷 缺口 裂纹等 具有高度的敏感性 4 疲劳断裂也是裂纹萌生和扩展过程 但因应力水平低 故有明显的裂纹萌生和缓慢亚稳扩展阶段 相应的断口上有明显的疲劳源和疲劳扩展区 这是疲劳断裂的主要断口特征 11 1 典型疲劳断口具有3个特征区 疲劳源 疲劳裂纹扩展区 疲劳区 瞬断区 2 疲劳源特点 多出现在机件表面 常和缺口 裂纹等缺陷及内部冶金缺陷 夹杂 白点等 有关 疲劳源区比较光亮 该区表面硬度有所提高 疲劳源可以是一个 也可以是多个 图5 2疲劳断口的示意图和旋转弯曲疲劳断口形貌 4 疲劳宏观断口分析 12 1 断口较光滑并分布有贝纹线 或海滩花样 有时还有裂纹扩展台阶 2 断口光滑是疲劳源区的延续 其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱 3 贝纹线是疲劳区的最典型特征 一般认为是因载荷变动引起的 每组贝纹线好像一簇以疲劳源为圆心的平行弧线 凹侧指向疲劳源 凸侧指向裂纹扩展方向 疲劳区特点 图5 3疲劳断口的疲劳区和贝纹线 13 1 K K c时 裂纹就失稳快速扩展 导致机件瞬时断裂 断口粗糙 脆性断口呈结晶状 韧性断口在心部平面应变区呈放射状或人字纹状 边缘平面应力区则有剪切唇区存在 2 瞬断区一般应在疲劳源对侧 瞬断区特点 图5 4疲劳断口的瞬断区和形貌 14 图5 5各类疲劳断口的示意图 15 1 疲劳微裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起 表面滑移带开裂 第二相 夹杂物与基体相界面或夹杂物本身断裂 晶界或亚晶界处开裂 在环载荷作用下 即使循环应力不超过屈服强度 也会在试件表面形成滑移带 称为循环滑移带 拉伸时形成的滑移带分布较均匀 而循环滑移带则集中于某些局部区域 而且在循环滑移带中会出现挤出与挤入 从而在试件表面形成微观切口 5 2疲劳破坏的机理 一 金属材料疲劳破坏的机理 疲劳裂纹的萌生和扩展CrackInitiationandPropagation 16 2 疲劳裂纹的扩展 疲劳裂纹扩展可分为两个阶段 第I阶段 裂纹沿着最大切应力方向向内扩展 即在切应力最大的滑移面内扩展 第I阶段裂纹扩展的距离一般都很小 约为2 3个晶粒 第II阶段 裂纹沿垂直拉应力方向向前扩展形成 在电子显微镜下可显示出疲劳条带 疲劳带是每次循环加载形成的 疲劳条带和贝纹线区别疲劳条带是微观形貌 贝纹线是宏观形貌 在相邻贝纹线间可能有成千上万条疲劳条带 二者既可在断口上同时出现 也可不同时出现 图5 6疲劳裂纹扩展和疲劳条带 17 研究属于起步阶段 陶瓷材料常温下难以塑性变形 裂纹尖端不存在循环应力的疲劳效应 裂纹同样经历了萌生 扩展和瞬时断裂过程 对材料表面的缺陷十分敏感 强烈依赖于最大应力强度因子KI 环境 成分 组织结构 断口上不易观测到疲劳贝纹和条带 没有明显的疲劳区和瞬断区 分为静态疲劳 动态疲劳 循环疲劳 热疲劳静态疲劳 静载荷作用下 陶瓷承载能力随时间延长而下降 断裂 对应于金属材料中的应力腐蚀和高温蠕变断裂 动态疲劳 恒定载荷速率加载 陶瓷承载能力随时间延长而下降 断裂 对应于金属材料中慢应变速率拉伸 循环疲劳 循环载荷下的低应力断裂 慢速龟裂扩展 热疲劳 温度周期下产生的疲劳断裂 二 陶瓷材料疲劳破坏的机理 18 图5 7Zr basedBMG的疲劳断口和疲劳条带 19 三 高分子材料疲劳破坏的机理 高分子材料在拉应力作用下 由于非晶态聚合物的表面和内部出现银纹 craze 高循环应力时 银纹转变为裂纹 扩展导致材料疲劳破坏 对于低应力或者不产生银纹的晶态聚合物 疲劳过程特点是疲劳应变软化而不硬化 分子链间剪切滑移 分子链断裂 结晶损伤 产生显微孔洞 微孔洞聚合成微裂纹 宏观裂纹 由于聚合物为粘弹性材料 具有较大的应力滞后环 所以在应力循环中部分机械能转化为热能 温度升高 产生热疲劳失效 聚合物疲劳断口有两种特征条纹 疲劳辉纹 fatiguestriation10微米左右 疲劳斑纹 fatiguemarking50微米左右 图5 8高分子材料的疲劳断口 20 四 复合材料疲劳破坏的机理 图5 9复合材料的疲劳断口 和金属材料相比 复合材料具有良好的疲劳性能 有以下特点 1 有多种疲劳损伤形式 如界面脱粘 分层 纤维断裂等 2 不会发生瞬时的疲劳破坏 常用疲劳过程中材料弹性模量下降的百分数等判据3 较大的应变会使纤维基体变形不协调引起纤维基体界面开裂形成疲劳源 对应变尤其是压缩应变特别敏感 4 疲劳性能和纤维取向有关 沿纤维方向好 21 一 旋转弯曲疲劳试验 GB4337 84 1 四点弯曲 对称循环 m 0 r 1 2 测定方法 试样 若干 旋转弯曲疲劳试验机 选择最大循环应力 max 0 67 b 0 4 b 1 2 3 n 对每个试样进行循环加载试验直至断裂 测定应力循环数N 1 N1 2 N2 绘制 max N lgN 曲线 5 3疲劳性能指标和测试 1 图5 10旋转弯曲疲劳试验机和曲线 22 图5 11旋转弯曲疲劳试验机的示意图 试样受铅垂力作用而承受纯弯矩 当电机拖动试样高速旋转时 试样上的应力值拉压对称交变 使材料承受对称应力疲劳考验 23 依靠共振特性对试样加力 应力交变频率高 可进行拉压疲劳 弯曲疲劳 甚至扭转疲劳 对称循环与非对称循环均可 是一种使用广泛 适用科研 教学工作的试验机 因其共振工作特性 不能进行橡胶 塑料和进入塑性范围的金属材料的疲劳实验 高频疲劳实验机 24 电液伺服疲劳实验机 用电信号控制电液伺服阀 并利用精密的负荷 变形 位移等测量和反馈信息 实现对试样的载荷 变形 位移等的数值 波形和频率控制 可以进行常幅 变幅和随机疲劳试验 是科研工作中理想的力学设备 25 3 疲劳S N曲线其他不对称循环应力也可作出相应的疲劳曲线 它们统称为S N曲线 4 金属材料疲劳曲线类型 一类有水平线 1 材料的疲劳强度 无限寿命疲劳应力判据 1一类无水平线 条件疲劳强度 条件寿命下的疲劳强度 图5 12常用材料的疲劳曲线 26 1 疲劳强度 定义 在指定疲劳寿命下 材料能承受的上限循环应力 常用的对称循环 r 1 疲劳强度可以分为 弯曲 1 扭转 1 拉压 1p 等 二 疲劳性能指标 27 疲劳强度和静强度的关系经验式 1P为对称拉压疲劳强度 1为对称弯曲疲劳强度 28 2 过载持久值 长久过载 有限疲劳寿命 1 材料在高于疲劳强度的一定应力 1 下工作 发生疲劳断裂的应力循环周次 2 由疲劳曲线倾斜部分确定 3 材料耐久强度 即过载应力 29 3 过载损伤界和过载损伤区 偶然过载 1 过载损伤界 短期过载对材料性能的影响 取决于过载应力及过载周次 实验证明 材料在过载应力水平下只有运转一定周次后 疲劳强度或疲劳寿命才会降低 造成过载损伤 把在每个过载应力下运行能引起损伤的最少循环周次连接起来就得到该材料的过载损伤界 2 过载损伤区 过载损伤界到疲劳曲线间的影线区 3 材料的过载损伤界越陡直 损伤区愈窄 则其抵抗疲劳过载能力就愈强 图5 12疲劳过载损伤界 30 4 疲劳缺口敏感度 qf Kf 1 Kt 1 Kt 理论应力集中系数 可查表 Kf 为疲劳缺口系数 光滑试样除以缺口试样的疲劳强度 大于1 Kf 1 1N 0 qf 1 qf随材料强度增高而增大 图5 13缺口半径和疲劳强度对缺口敏感度影响 31 1 疲劳裂纹扩展速率 da dN 用有裂纹的试样模拟实际机件的裂纹扩展情况 在疲劳试验机上测定疲劳扩展曲线 先预制疲劳裂纹 随后在试验机上 观察裂纹长度a随N循环扩展情况 裂纹的长度可用显微镜法测量 每循环一定周次N 测量a 直到断裂为止 作出裂纹长度a和循环周次N的关系曲线 曲线斜率就是疲劳扩展速率 当裂纹长度a接近临界尺寸ac时 da dN无限增大 裂纹将失稳扩展 试样断裂 5 疲劳裂纹扩展速率 前面所述的疲劳强度是用小试样测定的 未能反映裂纹的亚稳扩展问题 不能全面体现实际机件的结构疲劳强度 疲劳裂纹扩展性能是对疲劳强度的重要补充 图5 14疲劳裂纹