工程材料力学性能第五章金属的疲劳.ppt

与过载程度以及材料性质有关：
名义应力较低或材料韧性较好→疲劳区较 大，贝纹线细而明显。
名义应力较高或材料韧性较差→疲劳区较 小，贝纹线粗而不明显。
有时在疲劳裂纹扩展区的后部还可看到沿 扩展方向的疲劳台阶，亦称疲劳沟线，这是在 高应力下，裂纹沿不同平面扩展最后形成的。
3、瞬断区
瞬断区是疲劳裂纹达到临界尺寸后发生失稳快 速扩展所形成的断口区域。其断口比疲劳区粗糙， 宏观特征同静载荷下的断口一样，脆性材料为结晶 状断口；若为韧性材料，则在中间平面应变区为放 射状或人字纹断口，边缘平面应力区出现剪切唇。
钢：σ-1P = 0.85σ-1 铸铁：σ-1P = 0.65σ-1 铜及轻合金：τ-1 = 0.55σ-1 铸铁：τ-1 = 0.8σ-1
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3、疲劳极限与静强度间的关系
试验表明：σb↑→σr↑，对于中低强度钢两者 大体呈线性关系。
当σb较低时， σ-1 = 0.5 σb 当σb较高时，偏离 对于对称循环下的疲劳极限，可采用以下经验公式：
疲劳或应变疲劳。
3、疲劳破坏的特点
（1）疲劳是低应力循环延时断裂,断裂寿命随应力不 同而变化。
（2）∵σ<σs；故不论是韧性材料，还是脆性材料， 疲劳断裂均是脆性断裂。
（3）疲劳对缺陷十分敏感，由于疲劳破坏是从局部 开始的，故对缺陷具有高度的选择性。
（4）疲劳断裂也是裂纹萌生和扩展过程。 ∵应力低，具有明显的裂纹萌生和亚稳扩展阶段。
二、疲劳曲线
疲劳应力和疲劳寿命之间的关系曲线统称疲劳曲线 （S－N曲线），分两种：有水平线段的疲劳曲线和 无水平线段的疲劳曲线。
三、疲劳极限
1、定义
疲劳极限—材料抵抗无限次应力循环也不疲劳断裂 的强度指标。
条件疲劳极限—材料抵抗规定应力循环周次而不疲 劳断裂的强度指标。
两者统称疲劳强度，常用σr 表示，r为应力比，如对 于对称应力循环：r = -1，则疲劳极限用σ-1 表示。
2、疲劳区——判断疲劳断裂的重要特征
该区是疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域。 宏观特征：断口比较光滑并分布有贝纹线（由载荷 变动引起）或海滩波纹状花样。 每个疲劳区的贝纹线如一簇以疲劳源为圆心的平行 弧线，其凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向。 贝纹线间距也不同，近疲劳源处贝纹线较细密，表 示裂纹扩展较慢；而远离疲劳源处贝纹线较稀疏， 表示裂纹扩展较快，留下的痕迹较粗糙。
常见的循环应力
（1）对称交变应力： σm=0 r = -1 （ 2 ） 脉 动 应 力 ： σm=σa>0, r = 0 或
σm=σa<0, r = - ∞ （3）波动应力：σm>σa 0<r<1 （4）不对称交变应力： -1<r<0
二、疲劳破坏的概念及特点
1、疲劳的定义
金属机件或构件在变动载荷和应变长期作用下，由于 累积损伤而引起的断裂现象称为疲劳。
2、疲劳的分类
（1）按应力状态不同分类
弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、复合疲劳等。
（2）按环境和接触情况不同分类
大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、接触疲劳、热 疲劳等。
（3）按断裂寿命和应力高低不同分类 高周疲劳：Nf > 105 ；σ<σs 亦称低应力疲劳。 低周疲劳：Nf = 102—105 ；σ≥σs 亦称高应力
三、疲劳宏观断口特征
典型的疲劳断口按照断裂过程可分为三个 区域，疲劳源、疲劳区和瞬断区。
1、疲劳源
疲劳源（或称疲劳核心），疲劳裂纹萌生的策源地，一 般总是产生在构件表面层的局部应力集中处，但如果构件 内部存在冶金缺陷或内裂纹，也可在构件内部或皮下产生 疲劳源。
疲劳源区光亮度最大，在断口上常能看到一个明显的亮斑。 疲劳源有时不止一个，尤其在低周疲劳下，其应力幅值较 大，断口上常有几个不同位置的疲劳源。可以根据源区的 光亮度、相邻疲劳区的大小，贝纹线的密度去确定各个疲 劳源的产生顺序。 源区光亮度↑；相邻疲劳区越大；贝纹线越多越密者→疲 劳源越先产生。
将相同尺寸的疲劳试样，从0.67σb～0.4σb范围内 选择几个不同的最大循环应力σ1、σ2、…σn，分别对 每个试样进行循环加载试验，测定它们从加载开始到 试样断裂所经历的应力循环次数N1、N2、…Nn，然 后将试验数据绘制成σmax－N曲线或σmax-lgN曲线， 即疲劳曲线。
旋转弯曲疲劳试验机
第五章 金属的疲劳
第一节 金属疲劳现象及特点 第二节 疲劳曲线及基本疲劳力学性能 第三节 疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 第四节 疲劳过程及机理 第五节 影响疲劳强度的因素 第六节 低周疲劳
第一节 金属疲劳现象及特点
一、变动载荷和循环应力
1、变动载荷和变动应力
变动载荷：载荷大小、甚至方向均随时间变化的载荷。
结构钢： 铸铁： 铝合金： 青铜：
σ-1P = 0.23 ( σs +σb ) σ-1 = 0.27 ( σs +σb ) σ-1P = 0.4 σb σ-1 = 0.45 σb σ-1P = 1/6σb + 7.5 MPa σ-1 = 1/6σb - 7.5 Mpa σ-1 = 0.21σb
变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值。分规则周 期变动应力和无规则随机变动应力两种。
2、循环应力
规则周期性变化的应力称循环应力，表征应力循环特征的几个
参量：
最大应力 σmax
最小应力 σmin
平均应力 σm=（σmax+σmin）/2
应力幅 σa=（σmax－σmin）/2
min 应力比 r= m ax
瞬断区位置应在疲劳源的对侧（旋转弯曲特殊）
瞬断区的大小和构件名义应力及材料性质有关。 若名义应力较高或材料韧性较差→则瞬断区↑，反 之则瞬断区↓。
第二节 疲劳曲线及基本疲劳力学性能
一、疲劳实验方法 原理：用小试样模拟实际机件的应力情况，在疲劳试验
机上系统测量材料的疲劳曲线，从而建立疲劳极限和 疲劳应力判据。 试验设备：最常用的旋转弯曲疲劳试验机 试验标准和方法： GB4337－84 金属旋转弯曲疲劳试验方法 GB3075－84 金属轴向疲劳试验方法
疲劳断裂应力判据 σ ≥σr 疲劳断裂
σ-1 的测定详见国家标准GB4377-84，而不对 称循环的疲劳极限可通过σ-1 来估算。
2、不同应力状态下的疲劳极限
同一材料在不同应力状态下测得的疲劳极限也不相 同，但它们之间存在一定的联系。
对称弯曲、对称扭转、对称拉压对应的疲劳极限 分别用σ-1 、τ-1及σ-1P 表示，根据试验确定：