材料地疲劳性能
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材料的疲劳性能
一.本章的教学目的与要求
本章主要介绍材料的疲劳性能,要求学生掌握疲劳破坏的定义和特点,疲劳断口的宏观特征,金属以及非金属材料疲劳破坏的机理,各种疲劳抗力指标,例如疲劳强度,过载持久值,疲劳缺口敏感度,疲劳裂纹扩展速率以及裂纹扩展门槛值,影响材料疲劳强度的因素和热疲劳损伤的特征及其影响因素,目的是为疲劳强度设计和选用材料建立基本思路。
二.教学重点与难点
1. 疲劳破坏的一般规律(重点)
2.金属材料疲劳破坏机理(难点)
3. 疲劳抗力指标(重点)
4.影响材料及机件疲劳强度的因素(重点)
5热疲劳(难点)
三.主要外语词汇
疲劳强度:fatigue strength 断口:fracture 过载持久值:overload of lasting value疲劳缺口敏感度:fatigue notch sensitivity 疲劳裂纹扩展速率:fatigue crack growth rate 裂纹扩展门槛值:threshold of crack propagation 热疲劳:thermal fatigue
四. 参考文献
1.帆,周伟敏.材料性能学.:交通大学,2009
2.束德林.金属力学性能.:机械工业,1995
3.石德珂,金志浩等.材料力学性能.:交通大学,1996
4.修麟.材料的力学性能.:西北工业大学,1994
5.伟之,时熙等.工程材料力学性能.:航空航天大学,1991
6.朱有利等.某型车辆扭力轴疲劳断裂失效分析[J]. 装甲兵工程学院学报,2010,24(5):78-81
五.授课容
第五章材料的疲劳性能
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
3、循环载荷(应力)的表征
①最大循环应力:σ
max
②最小循环应力:σ
min
③平均应力:σ
m =(σ
max
+σ
min
)/2
④应力幅σ
a 或应力围Δσ:Δσ=σ
max
-σ
min
σ
a
=Δσ/2=(σ
max
-σ
min
)/2
⑤应力比(或称循环应力特征系数): r= σ
min /σ
max
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
①对称循环σ
m =(σ
max
+ σ
min
)/2=0 r=-1
属于此类的有:大多数旋转轴类零件。
②不对称循环
σ
m
≠0
如:发动机连杆、螺栓
(a)σ
a > σ
m
>0,-1 (b)σa> 0,σm<0,r<-1 ③脉动循环 σ m =σ a >0,r=0(σ min =0)如:齿轮的齿根、压力容器。 σ m =σ a <0,r=∞(σ max =0)如:轴承(压应力) ④波动循环 σ m > σ a 0 min >0 如:发动机气缸盖、螺栓。 ⑤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。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)。 三、疲劳破坏的分类 1、按应力状态:弯曲疲劳 扭转疲劳 拉压疲劳 接触疲劳 复合疲劳 2、按应力大小和断裂寿命 N>105,б <бs 高周疲劳→低应力疲劳 N=102~105,б≥бs 低周疲劳→高应力疲劳 四、疲劳破坏的表征—疲劳寿命 疲劳曲线: 应力б↑,N ↓ 五、疲劳断口的宏观特征 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。 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)。 σ N σ 0 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,围大。 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。 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。