《材料性能学,》PPT课件

• 曲线斜率da/dN就是疲
劳裂纹的扩展速率，随
裂纹的扩展， da/dN不
断增大。
• da/dN与裂纹尺寸a和应 力幅△σ 有关。
• 疲劳裂纹扩展速率是指 疲劳裂纹亚稳扩展阶段
的速率，是裂纹扩展的 第二阶段。
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疲劳裂纹扩展的门槛值
• 引入应力强度因子幅△KI的概念，可将a和△σ的 结合在一起：
• 同一材料在不同的试验环境 下，会有不同的疲劳曲线。
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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。
最 • 对称循环疲劳强度
常 用
对称弯曲σ-1 ；对称扭转τ-1 ；对称拉压σ-1p
• 不对称循环疲劳强度
σmax(σmin)—σm疲劳图
机件承受不对称循环载荷，设计时如何选材？理论上可以模 拟试验测定，实际上很难实现。
有
有
解理台阶的河流花样，
有
无
大致垂直于疲劳条带
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疲劳条带的特点：
➢滑移系多的面心立方金属中，较明显； ➢滑移系较少或组织状态复杂的钢铁材料中，常短窄而紊乱
• 疲劳条带和贝纹线的区别：
➢ 疲劳断口的微观、宏观特征； ➢ 相邻贝纹线间可能有许多疲劳条带； ➢ 既可同时出现，也可不同时出现。
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变动应力的各类情况：
规则周期变动应力； （循环应力）
无规则随机变动应力
变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值。
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循环应力
• 表征循环应力特征的参量：
➢ ➢
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循环应力
• 循环应力的类型：
➢对称循环： σm ＝ 0，r ＝ －1
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求不对称循环疲劳强度——疲劳图
• AHB线上一点与原点O的 连线与横坐标夹角α存在 以下关系：
• 根据已知r，求得α，用作 图法求出在AHB上的点，
即σmax 。
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河海大学机电工程适学用院 于脆性材料 24
• 最早的疲劳图中，AHB和AEC是直线。 • Gerber建议将AHB改为抛物线，即：
➢不对称循环：σm ≠ 0， －1 ＜ r ＜ 1
➢脉动循环：σm ＝ σa ＞ 0， r ＝0； σm ＝ σa ＜ 0， r ＝ ∞
➢波动循环： σm ＞σa ， 0＜ r ＜ 1
➢随机变动应力：
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疲劳破坏的概念
• 疲劳破坏的过程
在变动应力作用下薄弱区域逐渐萌生裂纹，且引起裂 纹的扩展，当裂纹扩展到一定程度后发生突然断裂。
裂纹萌生期：
形成裂纹疲劳核的循环周期
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• 疲劳微裂纹的形式：
1）不均匀滑移； 2）显微开裂.
表面滑移带开裂;
挤出脊 侵入沟
第二相、夹杂物与基体界面或夹杂物本身开裂;
晶界或亚晶界开裂。
循环应力
循环滑移带
驻留滑202移0/1带1/25
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• 疲劳裂纹的扩展：
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• 疲劳缺口敏感性
• 当Kf =1时，qf为零，表示材 料对缺口完全不敏感。
• Kf = Kt时，qf =1，表示材料 对缺口十分敏感。
• 一般qf随着材料强度的增加 而增大： 结构钢：qf=0.6~0.8 球铁： qf=0.15~0.25 灰铸铁：qf=0~0.05
• 变动载荷下，缺口的影响远比静载时大。
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疲劳缺口敏感性 • 缺口敏感性用疲劳缺口敏感度qf来表示：
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• 疲劳缺口敏感度qf
• Kt理论应力集中系数，＞1 。 • Kf疲劳缺口系数，为光滑试样和缺口试样疲劳强度之比, ＞1 • 表示材料在变动应力作用下的缺口敏感性。
• 过载损伤界
• 短期过载对材料性能的影响，过载应力和过载周次 • 把每个过载应力下运行能引起损伤的最少循环周次
连接起来就得到材料的过载损伤界。
• 过载损伤界到疲劳曲线间的影线区，过载损伤区。
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2、过载损伤界
• 实际机件往往受短期 过载，如启动。
• 过载对疲劳强度的影 响取决于过载应力大 小和过载周次。
—— 林语堂 (1895-19
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复习
• 应力强度因子KI • 断裂韧度KIc • 影响材料断裂的因素 • 特殊改性处理提高断裂韧度的方法
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本章主要内容
• 介绍材料的疲劳破坏的特征、机理、材料疲劳性能的测定、影响材料或机件疲劳 性能的因素以及提高材料或机件疲劳性能的措施。
• 当载荷应力σ≤ σr时，工件 不会发生疲劳断裂，认为 是无限寿命。
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疲劳曲线类型：
• 无限疲劳寿命:有水平线，如 结构钢和球墨铸铁等；
• 有限疲劳寿命:没有水平线， 如有色金属、不锈钢和高强 度钢。
根据材料使用要求，测定N= 106、107或108有限寿命的疲 劳强度。
第五章 材料的疲劳性能
The dog equally study, the gentleman equally plays.
20河20/1海1/25大 学 机 电 工 河程海大学学院机电工程学院
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• 中国就有这么一群奇怪的人，本身是最低阶层， 利益每天都在被损害，却具有统治阶级的意识。 在动物世界里找这么弱智的东西都几乎不可能。
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对于塑性材料：
• B点：σ-1 • A点：σs • H点：σ0 • 只要知道σ-1、σs，再测定
一个σ0，就可以绘制出塑 性材料的疲劳图。
• 疲劳图可以计算出不同循 环应力状态的疲劳强度。
σmax
H B
σ-1 σ0
0 E
C
σmin
PA Q
σ0.2
R
σm
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s）
疲劳断口的宏观特征
• 三个特征区：
➢ 疲劳源
光亮
来疲源劳：裂缺纹口萌、生裂的纹策源；地冶，金多缺在陷表；面数目：应力大小
➢ 疲劳裂纹扩展区 光滑且分布有贝纹线
贝纹线形状（凹、凸）、贝纹线间距、贝纹线范围
➢ 瞬断区
脆性材料：结晶状； 韧性材料：放射状或人字纹状，并有剪切唇 位置：疲劳源对侧；大小(名义应力、材料韧脆性)
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三、过载持久值及过载损伤界
• 实际服役过程中机件不可避免地会受到偶然的 过载作用，如紧急刹车、突然启动等。
• 有的机件不需要无限寿命，如按疲劳强度来设 计就不合理了。
1、过载持久值
• 材料在高于疲劳强度的应力下工作，发生疲劳
断裂的循环周次称为材料的过载持久值，也 称为材料的有限疲劳寿命。
• 重点掌握疲劳破坏的机理、疲劳强度的测定方法和影响材料或机件疲劳性能的因 素。
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第一节 疲劳破坏的一般规律
• 什么是疲劳？
• 工变动件载在荷是变？ຫໍສະໝຸດ Baidu载荷和应变的长期作用下，因积累损伤 而引起的断裂现象。
载荷大小、方向随时间变化的载荷.
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• 疲➢劳低的分应类力：循环延时断裂——有寿命的断裂
➢对缺陷十分敏感：缺口、裂纹 组织缺陷 强度。
应力集中； 降低局部
➢应力状态：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳； ➢应力高低和断裂寿命：
高周疲劳（低应力疲劳，N>105，σ<σs）； 低周疲劳20（20/高11/应25 力疲劳、应河变海大疲学劳机电，工程N学=院 102 ~105 ， σ10>=σ
临界应力σ-1 疲劳强度σ-1： σ ≤ σ-1为无限寿命的疲劳应力判据。 非对称循环应力的疲劳强度 σr
金属材料202的0/1疲1/2劳5 曲线——类河海型大：学机有电工水程平学院线；无水平线 19
二、疲劳强度
• 当循环应力小于一临界值 时，试样不会断裂。这个 临界值就定义为材料的疲 劳强度，记作σr。此时， σ-N曲线呈水平线。
第Ⅰ阶段：沿最大切应力方向 扩展速度极慢、扩展总量小
第Ⅱ阶段：沿垂直拉应力方向 穿晶扩展 扩展速度随循环周次增加而增加
疲劳断口最典型的微观特征： 疲劳条带 略微弯曲并相互平行的沟槽状 花样，与裂纹扩展方向垂直。
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脆性疲劳条带 韧性疲劳条带
相互平行的弧状条纹
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四、疲劳缺口敏感性
• 静载时，应力集中使局部应力超过材料的屈服强 度产生塑性变形。只要材料有足够的塑性，缺口 造成的应力集中作用就不明显；只要塑性变形不 太大，就不会产生多大的影响。
• 动载时，零件承受的应力水平远低于屈服极限， 应力集中难以发生明显的塑性变形，但在交变应 力的作用下裂纹却不断扩展。
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五、疲劳裂纹扩展速率及门槛值
• 在一定应力比r和应力幅 △σ条件下，试样经N次 循环后，测裂纹长度a。
• 作出a—N的关系曲线。
• 当裂纹长大到临界ac时 ，裂纹失稳扩展，试样 断裂。
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疲劳裂纹扩展速率
疲劳裂纹亚稳扩展阶段的速率
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第二节 疲劳破坏的机理
• 疲劳过程：
疲劳裂纹萌生、裂纹亚稳扩展、裂纹失稳扩展
• 疲劳裂纹的萌生：
在材料的薄弱区和高应力区，通过不均匀滑移、微裂 纹形成和长大而完成。
疲劳裂纹核：
一般0.05~0.10mm的裂纹
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➢ 弯曲、扭转和抗压疲劳强度存在以下经验关系
➢ 同种材料的疲劳强度：
对称拉压疲劳强度σ-1p
对称扭转疲劳强度τ-1
对称弯曲疲劳强度σ-1
这些经验公式有一定误差，约10~30%。
• 弯曲时，试样截面上应力分布不均匀，表面应力最大，仅 表面层产生疲劳损伤；
• 拉压时，试样截面的应力分布均匀，整个截面都有可能疲 劳损伤；
• ➢疲劳疲寿劳命破坏过程：从局部区域开始的损伤积累，最终引 起整体破坏的过程。 ➢裂纹萌生和扩展过程：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬 时断裂区
机件在疲劳失效前的工作时间（次数）。
主要影响20因20/素11/2：5 循环应力 河海大学机电工程学院
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疲劳破坏的特点
• 与静载、一次性冲击加载比较：
➢脆性断裂——潜藏的、突发性破坏 (疲劳破坏前无塑性变形、呈脆性断裂)
• 过载持久值表征了抗过载能力，由疲劳曲线倾
斜部分确定。曲线倾斜越陡，持久值就越高。
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过载持久值及过载损伤界
• 过载持久值，有限疲劳寿命
• 材料在高于疲劳强度的一定应力下工作，发生疲劳 断裂的应力循环周次
• 疲劳曲线的倾斜部分确定
• 过载应力，材料耐久强度
一般采用作图法，求出各种不对称循环载荷下的疲劳强度。
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求不对称循环疲劳强度——疲劳图
• B、C点：σ-1 • A点：σb • H点：σ0 • AHB曲线为σmax，AE
C曲线为σmin。 • 图表示了r = -1~1各种
状态下的疲劳强度。
A点表示静拉伸；
B点表示对称载荷
• 把不同过载应力下引 起损伤的最小循环周 次连接起来就得到材 料的过载损伤界。
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• 过载循环周次离疲劳曲线 越近，对疲劳强度或寿命 的损伤越大；应力越高， 开始发生过载损伤的循环 周次就越少。
• 界线越陡，区域越窄，材 料抵抗疲劳过载的能力就 越强。
• 宁可选用σ-1低一些，也 要选过载区窄的材料。
• 扭转时，切应力大，比变动拉应力更易使材料发生滑移，
产生疲劳2损020伤/11/。25
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• 疲劳强度与静强度之间的关系
➢ 材料的抗拉强度越大，其疲劳强度也越大 ➢ 中低强度钢，疲劳强度与抗拉强度呈线形关系
➢ 对于高强度材料，塑性和断裂韧性降低，裂纹 易于形成和扩展，线性关系被改变。
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第三节 疲劳抗力指标
• 疲劳强度 • 过载持久值 • 疲劳缺口敏感度 • 疲劳裂纹扩展速度
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• 疲劳试验方法
从0.67σb到0.4σb选择几个 等级的应力水平，σ1、σ2、 ……、σn，测定每个应力水 平的试样从加载到断裂所需 的循环次数N1、N2、……、 Nn。 绘制成σ—N曲线。