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

min

)/2

④应力幅σ

a 或应力围Δσ:Δσ=σ

max

min

σ

a

=Δσ/2=(σ

max

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。