材料的疲劳.ppt
- 文档编号:2761687
- 上传时间:2022-11-12
- 格式:PPT
- 页数:84
- 大小:10.09MB
材料的疲劳.ppt
《材料的疲劳.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《材料的疲劳.ppt(84页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
55材料在变动载荷下的力学性能材料在变动载荷下的力学性能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“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。
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。
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。
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。
材料设计应用中的问题:
如材料力学(抗拉强度)、断裂力学(断裂韧性)等日常生活和工程应用上许多材料虽然满足上述条件但在使用过程中仍然发生断裂,这种情况多发生在多次加载的基础上。
也就是说动与静的问题。
动就是说变动问题疲疲劳劳通通常常指指材材料料在在受受到到变变动动(载载荷荷)应应力力(一一般般低低于于屈屈服服应应力力)作作用用下下的的行行为为。
在在变变动动载载荷荷下下工工作作的的机机件件,如如轴轴、齿齿轮轮和和弹弹簧簧等等,其其主主要要的的破破坏坏形形式式是是疲疲劳劳断断裂裂。
疲疲劳劳断断裂裂是是指指机机件件在在变变动动载载荷荷作作用用下下经经过过长长时时间间工工作作发发生生的的断断裂裂现现象象。
疲疲劳劳寿寿命命在在循循环环加加载载下下,产产生生疲疲劳劳破破坏坏所所需需应应力或应变的循环次数。
力或应变的循环次数。
在在各各类类机机件件破破坏坏中中有有80-90%80-90%是是疲疲劳劳断断裂裂,而而且且疲疲劳劳断断裂裂多多是是在在没没有有征征兆兆的的情情况况下下突突然然发发生生的的,所所以以危危害害性性很很大大。
金金属属的的疲疲劳劳断断裂裂是是材材料料科科学学的的重重要要领领域域之之一一,一一直直受受到到材材料科学工作者的极大关注料科学工作者的极大关注。
二、疲劳种类及特点二、疲劳种类及特点1、分类分类(Classification)1)按应力状态分有:
a)弯曲疲劳b)扭转疲劳c)拉压疲劳d)复合疲劳2)按环境分有:
a)大气疲劳b)腐蚀疲劳c)高温疲劳d)接触疲劳e)热疲劳5.15.1金属疲劳现象金属疲劳现象变动载荷变动载荷机机件件承承受受的的变变动动载载荷荷(应应力力)是是指指载载荷荷大大小小或或大大小小和和方方向向随随时时间间按按一一定定规规律律变变化化或或呈呈无无规规则则随随机机变变化化的的载载荷荷,前前者者称称为为周期变动载荷,后者称为随即变动载荷。
周期变动载荷,后者称为随即变动载荷。
周周期期变变动动载载荷荷又又分分交交变变载载荷荷和和重重复复载载荷荷两两类类。
交交变变载载荷荷是是大大小小、方方向向均均随随时时间间作作周周期期变变化化的的变变动动载载荷荷;重重复复载载荷荷是是载载荷荷大小作周期变化,但载荷方向不变的变动载荷。
大小作周期变化,但载荷方向不变的变动载荷。
5.1.1变动载荷变动载荷周期变动载荷又称为循环应力。
它可以看成是由恒定的平均应力周期变动载荷又称为循环应力。
它可以看成是由恒定的平均应力ssm和变动的应力和变动的应力半幅半幅ssa叠加而成,即在应力变化过程中,应力叠加而成,即在应力变化过程中,应力ss与时间与时间t存在如下关系:
存在如下关系:
s=sm+saf(t)最大应力最大应力ssmax循环应力中数值最大的应力;最小应力最小应力ssmin循环应力中数值最小的应力;平均应力平均应力ssm循环应力中的应力不变部分:
sm=(smax+smin)/2应力半幅应力半幅ssa循环应力中的应力变动部分的幅值:
sa=(smaxsmin)/2应力循环对称系数(应力比)应力循环对称系数(应力比)r应力循环的部对称程度:
r=smin/smax5.15.1疲劳现象疲劳现象5.1.2疲劳断裂的特点疲劳断裂的特点11、疲劳断裂是低应力脆性断裂,一般是在低于屈服应力之下发生的,断、疲劳断裂是低应力脆性断裂,一般是在低于屈服应力之下发生的,断裂是突然的,没有预先征兆,看不到宏观塑性变形,危害性比较大。
裂是突然的,没有预先征兆,看不到宏观塑性变形,危害性比较大。
22、疲劳对缺口十分敏感。
在疲劳断裂过程中,金属材料的内部组织在局、疲劳对缺口十分敏感。
在疲劳断裂过程中,金属材料的内部组织在局部区域内逐渐发生变化。
这种变化使材料受到损伤,并逐渐积累起来,当部区域内逐渐发生变化。
这种变化使材料受到损伤,并逐渐积累起来,当其达到一定程度后便发生疲劳断裂。
因此疲劳断裂是一个损伤积累过程,其达到一定程度后便发生疲劳断裂。
因此疲劳断裂是一个损伤积累过程,并且损伤是从局部区域开始的。
并且损伤是从局部区域开始的。
33、疲劳破坏是长期的过程,在交变应力作用下,金属材料往往要经过几、疲劳破坏是长期的过程,在交变应力作用下,金属材料往往要经过几百次,甚至几百万次循环才能产生破坏。
当应力循环对称系数一定时,金百次,甚至几百万次循环才能产生破坏。
当应力循环对称系数一定时,金属材料所受的最大交变应力属材料所受的最大交变应力(或交变应力半幅或交变应力半幅)愈大,则断裂前所能承受的愈大,则断裂前所能承受的应力循环次数愈少。
当应力循环中的最大应力应力循环次数愈少。
当应力循环中的最大应力(或交变应力半幅或交变应力半幅)降到某一降到某一数值时,金属材料可以经受无限次应力循环而不发生疲劳断裂数值时,金属材料可以经受无限次应力循环而不发生疲劳断裂5.15.1疲劳现象疲劳现象5.1.2疲劳断裂的特点疲劳断裂的特点44、疲劳断裂也包括裂纹形成和扩展两个阶段,但是由于承受的应力小,、疲劳断裂也包括裂纹形成和扩展两个阶段,但是由于承受的应力小,并且是循环应力,故疲劳裂纹的裂纹在未达到临界尺寸之前扩展很慢,这并且是循环应力,故疲劳裂纹的裂纹在未达到临界尺寸之前扩展很慢,这就是我们熟知的裂纹亚临界扩展阶段。
疲劳裂纹的亚临界扩展期很长。
当就是我们熟知的裂纹亚临界扩展阶段。
疲劳裂纹的亚临界扩展期很长。
当疲劳裂纹尺寸达到临界值后,便迅速失稳扩展而断裂。
可见,疲劳裂纹扩疲劳裂纹尺寸达到临界值后,便迅速失稳扩展而断裂。
可见,疲劳裂纹扩展包括亚临界扩展期和失稳扩展期。
展包括亚临界扩展期和失稳扩展期。
55、金属的疲劳按照机件所受应力的大小可分为高周疲劳和低周疲劳。
所、金属的疲劳按照机件所受应力的大小可分为高周疲劳和低周疲劳。
所受应力较低、断裂时应力循环周次很多的情况下产生的疲劳断裂称为高周受应力较低、断裂时应力循环周次很多的情况下产生的疲劳断裂称为高周疲劳。
所受应力较高、断裂时应力循环周次较少的情况下产生的疲劳断裂疲劳。
所受应力较高、断裂时应力循环周次较少的情况下产生的疲劳断裂称为低周疲劳。
称为低周疲劳。
5.15.1疲劳现象疲劳现象5.1.3疲劳宏观断口疲劳宏观断口疲疲劳劳断断口口有有其其些些独独特特的的特特征征,是是研研究究疲疲劳劳断断裂裂过过程程和和进进行行机机件件疲疲劳劳失失效效分分析析的的基基础础。
疲疲劳劳断断口口的的宏宏观观结结构构取取决决于于材材料料的的性性质质、加载方式、载荷大小等因素。
加载方式、载荷大小等因素。
高高周周疲疲劳劳断断口口从从宏宏观观来来看看,一一般般可可以以分分为为三三个个区区,即即疲疲劳劳源源区区、疲疲劳劳裂裂纹纹扩扩展展区区(疲疲劳劳断断裂裂区)和瞬时断裂区(静断区)。
区)和瞬时断裂区(静断区)。
5.15.1疲劳现象疲劳现象5.1.3疲劳宏观断口疲劳宏观断口疲劳源区疲劳源区:
即即疲疲劳劳裂裂纹纹策策源源地地,是是疲疲劳劳破破坏坏的的起起始始点点。
疲疲劳劳源源一一般般在在机机件件的的表表面面,因因为为表表面面常常常常存存在在各各种种缺缺陷陷及及台台阶阶,例例如如加加工工痕痕迹迹,非非金金属属夹夹杂杂,淬淬火火裂裂纹纹等等应应力力集集中中点点比比较较多多。
如如果果机机件件内内部部存存在在有有夹夹杂杂、孔孔洞洞或或成成分分偏偏析析等等缺缺陷陷时时,它它们们也也可可能能成成为为内内部部或或亚亚表表面面的的疲疲劳劳源源。
疲疲劳劳裂裂纹纹形形成成后后,由于经受反复挤压摩擦,疲劳源区比较光亮。
由于经受反复挤压摩擦,疲劳源区比较光亮。
5.15.1疲劳现象疲劳现象5.1.3疲劳宏观断口疲劳宏观断口疲劳区疲劳区:
疲劳裂纹亚稳扩展形成的断口区域。
疲劳裂纹亚临界扩展部分。
它的典型特征是具有“贝壳”一样的花样,一般称为贝贝壳壳线线,也也称称为为疲疲劳劳辉辉纹纹、海海滩滩状状条条纹纹、疲疲劳劳停停歇歇线线或或疲疲劳劳线线。
一个疲劳源的贝壳线是以疲劳源为中心的近于平行的一簇向外凸的同心圆。
它们是疲劳裂纹扩展时前沿线的痕迹。
贝纹线是由于载荷大小或应力状态变化、频率变化或机器运行中停车起动等原因,裂纹扩展产生相应的微小变化所造成的。
因此,这种花样常出现在机件的疲劳断口上,并且多数是高周疲劳。
贝纹线从疲劳源向四周推进,与裂纹扩展方向垂直,因而在与贝纹线垂直的相反方向,对着同心圆的圆心可以找到疲劳源所在地。
通常在疲劳源附近,贝纹线较密集,而远离疲劳源区,由于有效面积减少,实际应力增加,裂纹扩展速率增加,故贝纹线较为稀疏。
表5-1p1605.15.1疲劳现象疲劳现象5.1.3疲劳宏观断口疲劳宏观断口瞬断区瞬断区:
疲疲劳劳裂裂纹纹快快速速扩扩展展直直至至断断裂裂的的区区域域。
随随着着应应力力循循环环周周次次增增加加,疲疲劳劳裂裂纹纹不不断断扩扩展展,当当其其尺尺寸寸达达到到相相应应载载荷荷下下的的临临界界值值时时,裂裂纹纹将将失失稳稳快速扩展,从而形成瞬时断裂区。
快速扩展,从而形成瞬时断裂区。
瞬瞬时时断断裂裂区区的的断断口口形形状状:
靠靠近近中中心心为为平平面面应应变变状状态态的的平平滑滑断断口口,与与疲疲劳劳裂裂纹纹扩扩展展区区处处于于同同一一个个平平面面上上;边边缘缘处处则则变变为为平平面面应应力力状状态态的的剪切唇。
韧性材料断口为纤维状,暗灰色;脆性材料为结晶状。
剪切唇。
韧性材料断口为纤维状,暗灰色;脆性材料为结晶状。
5.15.1疲劳现象疲劳现象高周疲劳(高循环疲劳)是指小型试样在变动载荷试验时,疲劳寿命不小于105周次的疲劳过程(低循环疲劳(低周疲劳低周疲劳)。
作用于零件、构件构件的应力水平较高,破坏循环次数一般低于104105的疲劳,如压压力容器力容器、燃气轮机燃气轮机零件等的疲劳。
)疲劳是央视在控制应力条件下以材料的最大应力或应力振幅循环N次和疲劳极限来表征材料疲劳特性和指标。
5.2高周疲劳高周疲劳5.2.1SN曲线与疲劳极限曲线与疲劳极限5.25.2疲劳强度指标疲劳强度指标当应力循环对称系数一定时,金属材料断裂前所能承受的应力循环次当应力循环对称系数一定时,金属材料断裂前所能承受的应力循环次数与所受的最大交变应力数与所受的最大交变应力max(或交变应力半幅或交变应力半幅a)存在对应关系,这种存在对应关系,这种max(或或a)以对疲劳断裂周次以对疲劳断裂周次N作图绘成的曲线,称为疲劳曲线,经常简写作图绘成的曲线,称为疲劳曲线,经常简写为为SN曲线,因为它是德国人维勒曲线,因为它是德国人维勒(Wholer)在在1860年首先发现的,故又称年首先发现的,故又称为维勒曲线。
为维勒曲线。
5.2.1SN曲线与疲劳极限曲线与疲劳极限5.25.2疲劳强度指标疲劳强度指标疲劳极限是材料能经受无限次应力循环而不发生疲劳断裂的最大应力,疲劳极限是材料能经受无限次应力循环而不发生疲劳断裂的最大应力,对称循环载荷
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 材料 疲劳