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2020/8/8,.,1,第五章 材料的疲劳性能,据统计,在断裂失效中,疲劳失效约占80%以上,造成了巨大的经济损失和人员伤亡。 第一节 疲劳破坏的一般规律 1、疲劳的定义 材料在变动载荷和应变的长期作用下,因累积损伤而引起的断裂现象,称为疲劳。 2、变动载荷:指大小或方向随着时间变化的载荷。 变动应力:变动载荷在单位面积上的平均值。 分为:规则周期变动应力和无规则随机变动应力,2,.,3,.,交变应力(应力大小或方向呈周期性变化),4,.,3、循环载荷(应力)的表征 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a或应力范围 : =max- min a=/2=(max- min)/2 应力比(或称循环应力特征系数): r= min/max,5,.,5、循环应力分类 按平均应力、应力幅、应力比的不同,循环 应力分为: 对称循环 m=(max + min)/2=0, r=-1, 即max与min大小相等, 方向相反。 属于此类的有:大多数 旋转轴类零件。,6,., 不对称循环 m0 如:发动机连杆、螺栓, (a)a m0,-1r0,(b)a 0,m0,r-1,7,., 脉动循环 m= a0,r=0( min=0) 如:齿轮的齿根、压力容器。 m=a0,r=( max=0) 如:轴承(压应力)。,8,., 波动循环 m a,00(方向不变) 如:发动机气缸盖、螺栓。,9,., 随机变动应力 应力大小、方向随机变化,无规律性。 如:汽车、飞机零件、轮船。,10,.,二、疲劳破坏的特点 在变动载荷作用下,材料薄弱区域, 逐渐发生损伤,损伤累积到一定程度产生 裂纹,裂纹不断扩展失稳断裂。 特点:从局部区域开始的损伤,不断累积, 最终引起整体破坏。 1、潜藏的突发性破坏,脆性断裂 (即使是塑性材料)。 2、属低应力循环延时断裂(滞后断裂)。 3、对缺陷十分敏感(可加速疲劳进程)。,11,.,三、疲劳破坏的分类 弯曲疲劳 扭转疲劳 1、按应力状态 拉压疲劳 接触疲劳 复合疲劳 2、按应力大小和断裂寿命 高周疲劳低应力疲劳 N105,s 低周疲劳高应力疲劳 N=102105,s,12,.,四、疲劳破坏的表征疲劳寿命 疲劳寿命:材料疲劳失效前的工作时间, 即循环次数N。,N, -1,0,疲劳曲线: 应力,N,13,.,五、疲劳断口的宏观特征 疲劳断口分析是研究疲劳过程,分析 疲劳失效原因的重要方法。典型疲劳断口 具有3个特征区:疲劳源、疲劳裂纹扩展区 、瞬断区。 1、疲劳源 疲劳裂纹萌生区,多出现在零件表面,与 加工刀痕、缺口、裂纹、蚀坑等相连。 特征:光亮,因为疲劳源区裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多。,14,.,15,.,疲劳源可以是一个,也可以有多个。 如:单向弯曲,只有一个疲劳源;双向弯曲,可出现两个疲劳源。 2、疲劳裂纹扩展区(亚临界扩展区) 特征:断口较光滑并分布有贝纹线或裂 纹扩展台阶。 贝纹线是疲劳区最典型的特征,是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,近疲劳源区贝纹线较细密(裂纹扩展较慢),远疲劳源区贝纹线较稀疏、粗糙(裂纹扩展较快)。,16,.,贝纹线(海滩花样): 贝纹线区的大小取决于过载程度及材料的韧性,高 名义应力或材料韧性较差时,贝纹线区不明显;反 之,低名义应力或高韧性材料,贝纹线粗且明显, 范围大。,17,.,名义载荷:根据额定功率用力学公式计算出 作用在零件上的载荷。即机器平 稳工作条件下作用于零件上的载 荷。 计算载荷=载荷系数*名义载荷 3、瞬断区:裂纹失稳扩展形成的区域 断口特征:断口粗糙,脆性材料断口 呈结晶状;韧性材料断口在心部平面应变区呈放射状或人字纹状;表面平面应力区则有剪切唇区存在。,18,.,瞬断区一般在疲劳源对侧。 瞬断区大小与名义应力、材料性质有关: 高名义应力或脆性材料,瞬断区大;反之, 瞬断区小。,19,.,20,.,21,.,22,.,第二节 疲劳破坏的机理 一、金属材料疲劳破坏的机理 1、疲劳裂纹的萌生(形核) 第阶段 在循环应力作用下,裂纹萌生常在材料薄 弱区或高应力区。通过不均匀滑移或显微 开裂 (如第二相、夹杂物、晶界或亚晶 界)等方式完成。 通常将长0.05-0.10mm的裂纹定为疲劳裂纹核,对应的循环周期N,为微裂纹萌生期。,23,.,驻留滑移带: 在循环载荷作用下,即使循环载荷未超过材料屈服强度,也会在材料表面形成循环滑移带不均匀滑移,其与静拉伸形成的均匀滑移不同,循环滑移带集中于某些局部区域,用电解抛光法也难以去除,即使去除了,再重新循环加载,还会在原处再现。 不均匀滑移: 驻留滑移带在表面加宽过程中,会形成挤 出脊和侵入沟,从而引起应力集中,形成 疲劳微裂纹形核(萌生)。,24,.,挤出和侵入模型:,25,.,表面易产生疲劳裂纹的原因: (1)在许多载荷方式下,如扭转疲劳,弯曲和旋转弯曲疲劳等,表面应力最大。 (2)实际构件表面多存在类裂纹缺陷,如缺口,台阶,键槽,加工划痕等,这些部位极易由应力集中而成为疲劳裂纹萌生地。 (3)相比于晶粒内部,自由表面晶粒受约束较小,更易发生循环塑性变形。 (4)自由表面与大气直接接触,因此,如果环境是破坏过程中的一个因素,则表面晶粒受影响较大。,26,.,2、疲劳裂纹的扩展 第阶段 疲劳裂纹形核后,在室温及无腐蚀条件下 第阶段属于微裂纹扩展 第阶段呈穿晶扩展,扩展速率da/dN 随 N的增加而增大。在多数韧性材料的第 阶段,断口用电子显微镜可看到韧性条带 而脆性材料中可看到脆性条带。疲劳条带(辉纹)呈略弯曲并相互平行的沟槽状花样,与裂纹扩展方向垂直。与贝纹线不同,疲劳条带是疲劳断口的微观特征。 疲劳条带形成的原因塑性钝化模型:裂纹尖端的塑性张开,钝化和闭合钝化,使裂纹向前延续扩展,27,.,疲劳裂纹的形成与扩展模型:,28,.,韧性疲劳条带与脆性疲劳条带形貌:,29,.,疲劳条带的形成模型(Laird-Smith模型):,30,.,疲劳条带的形成模型再生核模型(F-R),31,.,韧性条带与脆性条带的区别:,32,.,二、非金属材料疲劳破坏机理 1、陶瓷材料的疲劳破坏机理 静态疲劳:相当于金属中的延迟断裂,即在一定载荷作用下,材料耐用应力随时间下降的现象。 动态疲劳:是在恒定加载条件下,研究材料断裂失效对加载速率的敏感性。 循环疲劳:在长期变动应力作用下,材料的破坏行为。 陶瓷材料断口呈现脆性断口的特征。,33,.,2、高分子聚合物的疲劳破坏机理, 非晶态聚合物,a、高循环应力时,应力很快达到或超过 材料银纹的引发应力,产生银纹,随 后转变成裂纹,扩展后导致材料疲劳 破坏。,b、中循环应力也会引发银纹,形成裂纹 但裂纹扩展速率较低(机理相同)。,34,.,c、低循环应力,难以引发银纹,由材料 微损伤累积及微观结构变化产生微孔及微裂纹,最终裂纹扩展导致宏观破坏。, 结晶态高聚合物或低应力循环的非晶态 高聚合物,疲劳过程有以下现象:,整个过程,疲劳应变软化而不出现硬化。,分子链间剪切滑移,分子链断裂,结晶 损伤,晶体结构变化。,35,.,产生显微孔洞,微孔洞合并成微裂纹, 并扩展成宏观裂纹。 断口呈裂纹扩展形成的肋状形态,断口 呈丛生簇状结构(拉拔)。,36,., 高聚物的热疲劳,由于聚合物为粘弹性材料,具有较大 面积的应力滞后环,所以在应力循环过程 中,外力所做的功有相当一部分转化为热 能;而聚合物导热性能差,因此温度急剧 升高,甚至高于熔点或玻璃化转变温度, 从而产生热疲劳。,37,.,热疲劳常是聚合物疲劳失效的 主要原因。因此疲劳循环产生的热 量,使聚合物升温,可以修补高分 子的微结构损伤,使机械疲劳裂纹 形核困难。,38,.,聚合物疲劳断口可观察到两种特征的条纹,A、疲劳辉纹 每周期的裂纹扩展10m(间距)。,B、疲劳斑纹 不连续、跳跃式的裂纹扩展,50m间距。,39,.,聚合物相对分子量较高时,在 所有应力强度因子条件下,皆可形 成疲劳辉纹。 而相对分子量较低时,在较低 应力强度因子时,易形成疲劳斑纹。,40,.,3、复合材料的疲劳破坏机理, 复合材料疲劳破坏的特点,a、多种疲劳损伤形式:界面脱粘、分层、 纤维断裂、空隙增长等。,b、不发生瞬断,其疲劳破坏的标准与金属 不同,常以弹性模量下降的百分数 (1%-2%),共振频率变化(1-2HZ)作 为破坏依据。,41,.,c、聚合物基复合材料,以热疲劳为主,对 加载频率敏感。,d、较大的应变引起纤维与基体界面开裂形 成疲劳源(纤维、基体的变形量不同) 压缩应变使复合材料纵向开裂,故对压缩 敏感。,42,.,e、复合材料的疲劳性能与纤维取向有关 纤维是主要承载组分,沿纤维方向具 有很好的疲劳强度;而沿纤维垂直方 向,疲劳强度较低。,对于复合材料,界面结合非常重要, 因为:基体与纤维的E不同,变形量不 同,故界面产生很大的剪切应力。,43,.,第三节 疲劳抗力指标,一、疲劳试验方法,实验设备:,旋转弯曲疲劳试验机,实验方法:,用一组光滑试样,测量N曲 线,即疲劳应力疲劳寿命曲 线。,实验标准:,GB433784,44,.,旋转弯曲疲劳试验机:,45,.,46,.,实验结果:,N, -1,0,47,.,临界值1:材料的疲劳强度 1 ,有限循环 1 ,无限循环 金属材料的疲劳曲线有两类: 碳钢、低合金钢、球铁等有水平线;而 有色合金、不锈钢、高强度的无水平线 取N=106,107或108下的疲劳强度条件 疲劳强度。,48,.,二、疲劳强度,在指定疲劳寿命下,材料能承受的 上限循环应力。,指定的疲劳寿命:无限周次;有限周次,1、对称循环疲劳强度,对称弯曲:-1,对称扭转:-1,对称拉压:-1p,其中,-1最常用,49,.,2、不对称循环疲劳强度,不对称循环疲劳强度难以用实验方法直接测定。一般用工程作图法,由疲劳图求出各种不对称循环应力下的疲劳强度。,A,B,C,E,H,b,b,m,max,min,-1,-1,0,450,max,min,50,.,AHB曲线上各点max值即表示由r=-11个状态下的疲劳强度。,图中满足:,由此即可根据已知循环应力比r求出值 作图,在AHB上对应点的纵坐标值即为相 应的疲劳强度。,51,.,这种疲劳图也可以利用Gerber关系绘制,52,.,注意:上述疲劳图仅适合于脆性材料,对 于塑性材料,应该用屈服强度s进行修正。,53,.,3、不同应力状态下的疲劳强度,同种材料在不同应力状态下,相应 的疲劳强度也不同,存在如下关系:,钢: -1p=0.85 -1 铸铁: -1p=0.65 -1 钢及轻合金:-1=0.55-1 铸铁: -1=0.80-1,-1p为对称拉压疲劳强度,-1为对称扭转疲劳强度,-1为对称弯曲疲劳强度,54,.,同种材料的疲劳强度: 1 1P1,因为弯曲疲劳时,试样表面应力最大,只有表面层才产生疲劳损伤。而拉压疲劳时,应力分布均匀,整个截面都可产生疲劳损伤,故1 1P。扭转疲劳时,切应力大,更容易使材料发生滑移,产生疲劳损伤,故1最小。,55,.,4、疲劳强度与静强度间的关系,试验表明,材料的抗拉强度越大,其 疲劳强度也越大。对于中、低强度钢, 1与 b大致成线性关系, 1=0.5b。 随着抗拉强度增大,材料的塑性、断裂韧 性降低,裂纹易于形成和扩展,疲劳强度 降低。,56,.,经验公式:,结构钢: 1P=0.23( s+ b) 1=0.27( s + b) 铸铁: 1P=0.4 b 1=0.45 b 铝合金: 1P=1/6 b +7.5MPa 1=1/6 b -7.5Mpa 青铜: 1=0.21 b,57,.,en,58,.,三、过载持久值及过载损伤界,1、过载持久值,材料在高于疲劳强度的一定应力下工 作,
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