金属疲劳PPT课件

“彗星号”客机悲剧是世界航空史上首次发生的因金属 疲劳而导致飞机失事的事件，从此，在飞机设计中将结 构疲劳极限正式列入强度规范加以要求。
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三、金属疲劳分类
▪ 按应力状态：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳及 复合疲劳。
▪ 按环境和接触情况：大气疲劳、腐蚀疲劳、热疲 劳、接触疲劳.
▪ 按断裂寿命和应力高低：高周疲劳（低应力疲劳， 105次以上循环）、低周疲劳（高应力疲劳， 102～105次循环之间）。
1998年6月3日，德国艾舍德高速列车脱轨事故中的车轮轮缘疲劳断口
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金属疲劳裂纹大多产生于零件或构件表面的薄弱区。由于 材料质量、加工缺陷或结构设计不当等原因，在零件或试 样的局部区域造成应力集中，这些区域便是疲劳裂纹核心 产生的策源地。在金属零件或构件中可能有一个疲劳裂纹 源，也可能出现两个或多个。
▪ 脉动应力 σmin＝0，有二种情况。σm＝σa＞o，R＝0，为 脉动拉应力，如齿轮齿根的循环弯曲应力；σm＝σa＜0， R＝-∞，为脉动压应力，如滚动轴承应力则为循环脉动压 应力。
▪ 波动应力 σm ＞σa，0＜R＜1，如发动机缸盖螺栓的循环
应力为“大拉小拉”, 。
▪ 不对称交变应力 R＜0，如发动机连杆的循环应力为“小 拉大压” 。
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想一想
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能力知识点2 金属疲劳现象
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一、金属疲劳现象
▪ 金属材料在受到交变应力或重复循环应力时，经 一定循环次数后，往往在工作应力小于屈服强度 的情况下突然断裂，这种现象称为疲劳。
▪ 疲劳断裂是金属零件或构件在交变应力或重复循 环应力长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂 现象。
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二、金属疲劳断裂特点
▪ 疲劳破坏需要经过一定数量的应力循环；是有寿命的。 ▪ 破坏时，名义应力值远低于材料的静载强度极限；破坏前没
有明显的塑性变形，即使塑性很好的材料，也会呈现脆性断 裂；如 Q275钢，Rm=520 MPa ，但当σmax=220 MPa时, 弯曲对称循环不到107 次即发生疲劳断裂。 ▪ 疲劳对缺陷(缺口、裂纹及组织缺陷)十分敏感 。 ▪ 疲劳断口一般都有明显的特征，能清楚地显示出裂纹的发 生、发展和最后断裂3个组成部分 。
第5单元 金属的疲劳
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整体概况
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概况2
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概况3
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人工作久了就会感 到疲劳，难道金属 工作久了也会疲劳 吗？ 金属的疲劳能得到 恢复吗？
▪金属材料在受到交变应力或重复循环应力时，经一定循环 次数后，往往在工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂， 这种现象称为疲劳。
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能力知识点2 金属疲劳断口
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▪ 尽管疲劳失效的最终结果是部 件的突然断裂,但实际上它们是 一个逐渐失效的过程，从开始 出现裂纹到最后破断需要经过 很长的时间。因此，疲劳断裂 的宏观断口一般由三个区域组 成，即疲劳裂纹产生区（裂纹 源）、裂纹扩展区和最后断裂 区。
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m “彗星”号是世界上第一种正式投入航线运营的民用喷
气客机。然而从1953年5月至1954年4月的11个月中， 竟有３架“彗星号”客机在空中解体，机毁人亡。事故 分析表明，其中两次空难的原因是飞机密封座舱结构发 生疲劳所致，飞机在多次起降过程中，其增压座舱壳体 经反复增压与减压，在矩形舷窗窗框角上出现了裂纹引 起疲劳断裂。针对这个问题，英国德·哈维兰公司对“彗 星”号飞机进行了改进设计，加固了机身，采用了椭圆 形航窗，使疲劳问题得到很好的解决。
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模块一 金属疲劳现象
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一、变动载荷和循环应力
金属疲劳产生的原因
▪ 1.变动载荷 ▪ ——引起疲劳破坏的外力，指载荷大小、甚至方
向均随时间变化的载荷，其在单位面积上的平均 值即为变动应力。 ▪ 变动应力可分为规则周期变动应力(也称循环应力) 和无规则随机变动应力两种。
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a)应力大小变化 b)c）应力大小和方向都变化 d) 应力大小和方向无规则变化
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二、循环应力
▪ 生产中工件正常工作时其变动应力多为循环应力， 而实验室也容易模拟也比较方便，所以研究较多。
▪ 循环应力的波形有正弦被、矩形波和三角形被等， 其中常见者为正弦波。
▪ 循环应力中大小和方向都时间发生周期性变化的 应力称交变应力，只有大小变化而方向不变的循 环应力称为重复循环应力。
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2007年11月2日，一架美军 F-15C鹰式战斗机在做空中缠
斗飞行训练时，飞机突然凌空解体，一份调查结果表明，
飞机的关键支撑构件——桁梁出现了金属疲劳问题。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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本单元导读
▪ 本单元主要介绍金属疲劳产生的原因、特点，金属疲劳试 验、疲劳极限、提高金属抗疲劳破坏的措施等，同时对低 周疲劳、热疲劳等其他形式的疲劳现象也作了介绍。
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▪ 金属疲劳是十分普遍的现象，例如火车的车轴是 典型的承受弯曲疲劳，汽车的传动轴主要是承受 扭转疲劳等。
▪ 据150多年来的统计，金属部件中有80％以上的 断裂是由于疲劳而引起的，极易造成人身事故和 经济损失，因此认识疲劳现象、研究疲劳破坏规 律、提高疲劳抗力、防止疲劳失效是非常重要的。
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▪1998年6月3日，德国发生了战后最惨重的一起铁路交通 事故。一列高速列车脱轨，造成100多人遇难。
一个应力循环
σ
min
t
1.平均应力
a
2.应力幅
max
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循环特征（应力比）
对称循环 R = －1
脉动循环 R = 0 （－∞）
静应力 R = 1
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常见的循环应力
▪ 对称交变应力 σmax与σmin的绝对值相等而符号相反，σm＝ 0，R＝－1。大多数轴类零件，如火车轴的弯曲对称交变 应力、曲轴的扭转交变应力。
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▪ 金属“疲劳”一词，最早是由法国学者J-V彭赛（Panelet） 于1839年提出来的。
▪ 1850年德国工程师沃勒（A.Woler)设计了第一台用于机 车车轴的疲劳试验机，用来进行全尺寸机车车轴的疲劳试 验。
▪ 1871年沃勒系统论述了疲劳寿命和循环应力的关系，提 出了S-N曲线和疲劳极限的概念，确立了应力幅是疲劳破 坏的决定因素，奠定了金属疲劳的基础。