《材料性能學(xué)》5章電子教案

《《材料性能學(xué)》5章電子教案》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《《材料性能學(xué)》5章電子教案（80頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、第五章材料的疲勞性能 ■概述： 工程中許多的機(jī)件和構(gòu)件都承受交變載荷的 作用，如曲軸、連桿、齒輪、葉片和軸承等等, 這些構(gòu)件的主要破壞形式是疲勞破壞，據(jù)統(tǒng)計(jì), 斷裂中有80%以上是疲勞破壞，因而造成了重 大的經(jīng)濟(jì)損失。 疲勞失效是機(jī)件的主要失效形式。研究疲 勞失效有重要實(shí)際意義。研究主要體現(xiàn)在兩個(gè) 方面：定壽和延壽。 一類載何. 交變應(yīng) Z是單位面 積上的平均 載荷. 第一節(jié) 交變載荷與疲勞破壞的一般規(guī)律 交變載荷及其描述 1、 :是指大小 方向或大小和 方向都隨時(shí)間作周期性變化或非周期性變化的 圖變動(dòng)應(yīng)力示意圖 (a)應(yīng)力大小變化 (b) (c)應(yīng)力大小及方向

2、都變化 (d)應(yīng)力大小及方向無(wú)規(guī)則變化 交變載荷及其描述 a \7 a )MM ? —十 \ / R 1. V T ,J £ I 1 循環(huán)應(yīng)力的類型 (b) (c) (d)重復(fù)循環(huán)應(yīng)力 —0 .⑹ 圖5?2 (a) (e)交變應(yīng)力

3、 交變載荷及其描述 a 5-3農(nóng)用掛車前軸的載荷譜 (1) (2) (3) (4) 最小循環(huán)應(yīng)力Qmin max + CTmin) /2 max_CTmin)宀 r = Q min/Q max ■、交變載荷及其描述 2、交變載荷的描述方法 最大循環(huán)應(yīng)力o-max 平均應(yīng)力am= (a 應(yīng)力半幅CT a= (CT 應(yīng)力循環(huán)比 ,r= —1 A對(duì)稱循環(huán)：a m =0 B不對(duì)稱循環(huán)：e皿工0 ,—lVtVl； a 叭 >0 lVrVO ?、交變載荷及其描述 C脈動(dòng)循環(huán)：a m = a a >0

4、, r = 0； a m = a a <0，r=—oo ■ D波動(dòng)循環(huán)：a m > a a , 0<r<l E隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力：應(yīng)力大小、方向都作無(wú)規(guī)則 的變化 9 :、疲勞破壞的概念和特點(diǎn) ?材料聽環(huán)載荷的長(zhǎng)期作用下，即使受到 的應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，也會(huì)因?yàn)閾p傷的積累而 弓I發(fā)斷裂的現(xiàn)象叫做疲勞。 疲勞過(guò)程是指材料在小于屈服強(qiáng)度的變動(dòng) 載荷作用下，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)而逐漸發(fā)生損傷累 積和開裂，當(dāng)裂紋擴(kuò)展達(dá)到一定程度后發(fā)生突 然斷裂的過(guò)程。 ■ 2.疲勞曲線 （1）疲勞壽命的概念和兩種定義 疲勞壽命:機(jī)件疲勞失效前的工作時(shí)間 兩種定義：A.按循環(huán)次數(shù)B.到

5、破壞所需 ■ 的時(shí)間 （2）疲勞曲線（S-N曲線） A?底循環(huán)疲勞區(qū)：高應(yīng)力，明顯塑變，應(yīng)力 超出彈性極限，循環(huán)次數(shù)低于105 B?高循環(huán)疲勞區(qū)：低應(yīng)力，無(wú)明顯塑變，應(yīng)力 未超出彈性極限,循環(huán)次數(shù)高于105 C.無(wú)限壽命區(qū)（安全區(qū)）：應(yīng)力低于材料的 疲勞強(qiáng)度. :、疲勞破壞的概念和特點(diǎn) ■ 3.疲勞破 疲勞破壞與靜載或一次性沖擊加載破壞比較具 有以下特點(diǎn)： （1） 該破壞是一種潛藏的突發(fā)性破壞 在靜載下顯示韌性或脆性破壞的材料，在疲勞 破壞前均不會(huì)發(fā)生明顯的塑性變形，呈脆性斷裂， 身引魁安仝事故和造成經(jīng)濟(jì)抜失. （2） 疲勞破壞屬低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂 對(duì)于疲勞壽命

6、的預(yù)測(cè)就顯得十分重要和必要 （訂壽）? ° C 3 ）波勞對(duì)邂陥（缺」、裂紋及組織）十分敏感— 即對(duì)缺陷具有篙度的選擇性. 因?yàn)槿笨诨蛄鸭y會(huì)引起應(yīng)力集中，加大對(duì)材料的 損傷作用；組織缺陷（夾雜、疏松、白點(diǎn)、脫碳等）， 將降低材料的局部強(qiáng)度，二者綜合更加速疲勞破壞的 ■ （4）可按不同方法對(duì)疲勞形式分類 按應(yīng)力狀態(tài)分，有彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲 勞、接觸疲勞及復(fù)合疲勞； 按應(yīng)力高低和斷裂壽命分，有高周疲勞（N>105） 和低周疲勞（N二IO??105） 三、疲勞斷口的宏觀特征 疲勞斷口保留了整個(gè)斷裂過(guò)程的所有痕跡， 記載著很多斷裂信息，具有明顯的形貌特征，

7、而 這些特征又受材料性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力大小及 環(huán)境因素的影響，因此對(duì)疲勞斷口的分析是研究 疲勞過(guò)程、分析疲勞失效原因的一種重要方法. 如圖5 —4所示，典型疲勞斷口具有3個(gè)特征 區(qū)一一疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū). # 三、疲勞斷口的宏觀特征 三、疲勞斷口的宏觀特征 三、疲勞斷口的宏觀特征 B最終斷裂 圖5-4帶鍵的軸旋轉(zhuǎn)彎曲 疲勞斷口，40鋼 三、疲勞斷口的宏觀特征 ■疲勞源 是疲勞

8、裂紋萌生的策源地，多出現(xiàn)在機(jī)件表面， 常和缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺陷相連.但若材料 內(nèi)部存在嚴(yán)重冶金缺陷（夾雜、縮孔、偏析、白點(diǎn) 等），也會(huì)因局部材料強(qiáng)度降低而在機(jī)件內(nèi)部引發(fā)出 疲勞源.疲勞源可以是一個(gè)也可以是多個(gè)，其多少與 工程應(yīng)力狀態(tài)及過(guò)載程度有關(guān)。 疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)： 是疲勞裂紋亞晶界擴(kuò)展形成的區(qū)域. ■其宏觀特征： 斷口較光滑并分布有貝紋線（或海灘花 樣），有時(shí)還有裂紋擴(kuò)展臺(tái)階.斷口光滑是疲 勞源區(qū)的延續(xù)，其程度隨裂紋向前擴(kuò)展逐漸減 弱，反映裂紋擴(kuò)展快慢、擠壓摩擦程度上的差 異.貝紋線是疲勞區(qū)的最典型特征，一般認(rèn)為 是因載荷變動(dòng)引起的，因?yàn)闄C(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不可避 免地常有啟動(dòng)、停歇、

9、偶然過(guò)載等，均要在裂 紋擴(kuò)展前沿線留下弧狀貝紋線痕跡.疲勞區(qū)的 每組貝紋線好像一簇以疲勞源為圓心的平行弧 線，凹側(cè)指向疲勞源，凸側(cè)指向裂紋擴(kuò)展方 向. ■瞬斷區(qū) 是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域.在疲勞亞臨 界擴(kuò)展階段，隨應(yīng)力循環(huán)增加，裂紋不斷增長(zhǎng), 當(dāng)增加到臨界尺寸時(shí)，裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度 因子K［達(dá)到材料斷裂韌性時(shí)，裂紋就失穩(wěn)快 速擴(kuò)農(nóng)，導(dǎo)致機(jī)件瞬時(shí)斷套.該區(qū)的斷口比疲 勞區(qū)粗糙，宏觀特征如同靜載，隨材料性質(zhì)而 變.脆性材料斷口呈結(jié)晶狀；韌性材料斷口， 在心部平面應(yīng)變區(qū)呈放射狀或人字紋狀，邊緣 平面應(yīng)力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在. 19 第二節(jié)疲勞破壞的機(jī)理 材料的疲勞失效過(guò)程大致可以分

10、為三個(gè)主要階段： 疲勞裂紋形成，疲勞裂紋擴(kuò)展，和斷裂。 一、金屬材料疲勞破壞機(jī)理 1、疲勞裂紋的萌生 金屬材料的疲勞過(guò)程也是裂紋萌生和擴(kuò)展的過(guò)程.因 變動(dòng)應(yīng)力的循環(huán)作用，裂紋萌生往往在材料薄弱區(qū)或高應(yīng) 力區(qū)，通過(guò)不均勻滑移、微裂紋形成及長(zhǎng)大而完成.目前 尚無(wú)統(tǒng)一的尺度標(biāo)準(zhǔn)確定裂紋萌生期，低應(yīng)力時(shí)，疲勞的 萌生期可占整個(gè)壽命的大半以上. 大量研究表明：疲勞微裂紋由不均勻滑移和顯微開裂引 起.且通常形成于試件或零件的表面。 ?、金屬材料疲勞破壞機(jī)理 主要方式有： ■ (1)表面滑移帶開裂； (2) 第二相、夾雜物與基體界面或夾雜物本身開裂; (3) 晶界或亞晶界處開裂?如

11、圖5 —5所示. 裂紋 圖5?5疲勞微裂紋的3種形式 一、金屬材料疲勞破壞機(jī)理 駐留滑移帶: 在循環(huán)載荷的作用下，即使循環(huán)應(yīng)力未超過(guò)材料 屈服強(qiáng)度，也會(huì)在試件表面形成循環(huán)滑移帶，它與靜 拉伸形成的均勻滑移帶不同?循環(huán)滑移帶集中于某些 局部區(qū)域（高應(yīng)力或薄弱區(qū)），用電解拋光法也很難 將其去除，即使去除了，再重新循環(huán)加載后，還會(huì)在 原處再現(xiàn). 故稱這種永留或再現(xiàn)的循環(huán)滑移帶為駐 滑移帶（持久滑移帶Persist Slip Band）. ＞駐留滑移帶一般只在表面形成，深度較淺?隨著加載 循環(huán)次數(shù)的增加，循環(huán)滑移帶會(huì)不斷地加寬. 駐留滑移帶在表面加寬過(guò)程中，還會(huì)

12、出現(xiàn)擠出脊 和侵人溝，于是就在這些地方引起應(yīng)力集中，經(jīng)過(guò)一 定循環(huán)后會(huì)引發(fā)微裂紋. 一、金屬材料疲勞破壞機(jī)理 ■ 2.疲勞裂紋的擴(kuò)展 疲勞裂紋萌生后便開始擴(kuò)展，其擴(kuò)展一般分 為兩個(gè)階段，如圖5 —8所示. 第1階段是沿著最大切應(yīng)力方向向內(nèi)擴(kuò)展.其 中多數(shù)微裂紋并不繼續(xù)擴(kuò)展，成為不擴(kuò)展裂紋， 只有個(gè)別微裂紋可延伸幾十p m （即2—5個(gè)晶粒） 長(zhǎng).并且隨著名義應(yīng)力范圍的生高而減小。隨即 疲勞裂紋便入第2階段，沿垂直拉應(yīng)力方向向前擴(kuò) 展形成主裂紋，直至最后形成剪切唇為止.此過(guò) 程在顯微鏡下可以顯示岀疲勞帶 ?、金屬材料疲勞破壞機(jī)理 表 ■ ■ a ®5-8疲

13、勞裂紋擴(kuò)展的兩個(gè)階段 二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理 由于陶瓷、高分子、復(fù)合材料等結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用遠(yuǎn) 暫驕聽緒臥劉餅探黑r破壞過(guò) 1.陶瓷材料的疲勞破壞機(jī)理 ■常溫下陶瓷材料的疲勞與金屬有所不同，其含義更 廣，分為： 靜態(tài)疲勞、循環(huán)疲勞和動(dòng)態(tài)疲勞. 循環(huán)疲勞：與金屬疲勞具有相同含義，同屬長(zhǎng)期變動(dòng) 應(yīng)力作用下，材料的破壞行為； 靜態(tài)疲勞二萍皇于金隅屮放延遲撕裂，邛卩在一定載荷 牖用下，材瘋耐用應(yīng)力隨時(shí)f可下降葩現(xiàn)象； ?瓣蠶癮艇率加載條件下研究材料斷裂失效 二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理 陶瓷材料疲勞破壞還有特征： ■ (1)、常溫時(shí)，在應(yīng)力作用下不發(fā)生或很難發(fā)生塑性 變形，裂紋

14、尖端根本不存在循環(huán)應(yīng)力的疲勞效應(yīng)，因 此金屬材料的損傷累積及疲勞機(jī)理對(duì)陶瓷材料并不適 用.但是：疲勞破壞也同樣經(jīng)歷了裂紋萌生、疲勞裂 紋擴(kuò)展、瞬時(shí)斷裂的過(guò)程； 二(2)、疲勞裂紋萌生對(duì)表面材料的缺陷或裂縫大小十 分敏感; (3) 、陶瓷材料疲勞裂紋對(duì)裂尖的應(yīng)力強(qiáng)度因子不敏 感，而是強(qiáng) 烈依賴裂紋尖端的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子； 二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理 (4) 、裂紋擴(kuò)展速率還明顯依賴于環(huán)境、材 料成分、組織結(jié)構(gòu)等，其程度遠(yuǎn)比金屬材料高, 擴(kuò)展的壽命過(guò)程遠(yuǎn)比金屬材料要短，并呈龜裂 狀； (5) 、在陶瓷材料斷口上不易觀測(cè)到疲勞貝 紋和疲勞條帶，循環(huán)疲勞斷口與快速斷裂斷口 形貌之間差異十分

15、微小，均呈現(xiàn)脆性斷口特 征. 二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理 29 2.高分子聚合物的疲勞破壞機(jī)理 在拉應(yīng)力作用下，由于非晶態(tài)聚合物的表面和 勰銚If賢因此’不同結(jié)構(gòu)的聚合物疲勞破 易產(chǎn)生銀紋的非晶態(tài)聚合物的疲勞破壞過(guò)程主要 決定于外加名義應(yīng)力. (1)高循環(huán)應(yīng)力時(shí)：應(yīng)力很快便達(dá)到或超過(guò)材料銀 紋的引發(fā)應(yīng);6,奔生銀紋，弄隨之轉(zhuǎn)變成裂紋，護(hù) 展后導(dǎo)效材料疲勞破壞； 二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理 (2) 中應(yīng)力循環(huán)時(shí)：也會(huì)引發(fā)銀紋，并轉(zhuǎn)變?yōu)?裂紋，裂紋擴(kuò)展速度比高應(yīng)力區(qū)低； (3) 低應(yīng)力循環(huán)時(shí)：因難以引發(fā)銀紋，由材料 微損傷累積及微觀結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生微孔洞及微裂 紋，并導(dǎo)

16、致宏觀破壞. 二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理 對(duì)于因應(yīng)力低或本身不易產(chǎn)生銀紋的結(jié)晶 態(tài)聚合物，其疲勞過(guò)程可岀現(xiàn)以下現(xiàn)象： ① 整個(gè)過(guò)程，疲勞應(yīng)變軟化而不岀現(xiàn)硬化； ② 分子鏈間剪切滑移，分子鏈斷裂，結(jié)晶損 傷及晶體精細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化; ③ 產(chǎn)生顯微孔洞，微孔洞聚合成微裂紋，并 擴(kuò)展成宏觀裂紋； 1、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理 薜繃鶴纂鷗裝籠材料不同’熱疲勞常 （4）、熱疲勞：由于聚合物為粘彈性材料，具有 較大面積的應(yīng)力滯后環(huán)，所以在應(yīng)力循環(huán)過(guò)程中部 分機(jī)械能會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，使導(dǎo)熱性差的試樣本身溫 度急劇上升，甚至高于熔點(diǎn)溫度或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度, III 熱疲勞的益處：疲勞循環(huán)產(chǎn)生的熱

17、量，有時(shí)也可用 來(lái)修補(bǔ)高分子的微結(jié)構(gòu)損傷.如聚乙烯晶片中鑲嵌 晶塊毎疲勞初期會(huì)變小，隨后的疲勞可使其得到修 復(fù)芨彳急定. 二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理 聚合物疲勞斷口上可有兩種特征的條紋： 疲勞輝紋：對(duì)應(yīng)的是每周期變動(dòng)應(yīng)力作用時(shí)裂 紋擴(kuò)展值； 疲勞斑紋：對(duì)應(yīng)著不連續(xù)的、跳躍式的裂紋擴(kuò) 展. 需要指明的是：高分子聚合物的疲勞過(guò)程 并不總有疲勞輝紋和斑紋岀現(xiàn).它們的形成與 高分子聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量、相對(duì)分子質(zhì)量 分希文加載彙件肴關(guān). 35 二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理 3.復(fù)合材料的疲勞 破壞機(jī)理 與金屬材料比 較，復(fù)合材料具有 良好的疲勞性能， 如圖5-13. 到斷裂時(shí)

18、循環(huán)次數(shù)欣 圖5?13復(fù)合材料與金屬材料 拉■拉疲勞的比循環(huán)應(yīng)力一循環(huán)次數(shù)圖 合金4一復(fù)合材料 合金4一復(fù)合材料 1 一鋁合金 2—合金鋼 3—鈦 合金4一復(fù)合材料 二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理 疲勞破壞有以下特點(diǎn). （1）有多種疲勞損傷形式 如界面脫粘、分層、纖維斷裂、空隙增長(zhǎng) 等.實(shí)際上，每種損傷模型都是由多種微觀裂 紋（或微觀破壞）構(gòu)成的；由于增強(qiáng)纖維的牽 制，裂紋擴(kuò)展可減緩或停止，以及疲勞損傷緩 和了切口（裂紋和缺陷）附近應(yīng)力集中，而使 復(fù)合材料疲勞較金屬材料有較大安全壽命.

19、 37 咬:妙::劉;姣: 39 咬:妙::劉;姣: 二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理 （2）復(fù)合材料不會(huì)發(fā)生瞬時(shí)的疲勞破壞，常 常難以確認(rèn)破壞與否，故不能沿用金屬材料的 判斷準(zhǔn)則.常以疲勞過(guò)程中材料彈性模量下降 的百分?jǐn)?shù)（如下降1%?2%）、共振頻率變化 （如1?2 Hz）作為破壞依據(jù)； 二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理 ~（3）復(fù)合材料的疲勞性能對(duì)加載頻率敏感 聚合物基復(fù)合材料承受循環(huán)應(yīng)力時(shí)，因材 料導(dǎo)熱性能差，吸收機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，且?易逸散，因此溫度明顯升高，

20、導(dǎo)致材料性能下 降； （4）蠹|材料的疲勞性能對(duì)應(yīng)變尤其壓縮應(yīng) 變特另顒感. 與金屬材料不同，較大的應(yīng)變會(huì)使纖維與 基體變形不協(xié)調(diào)引起纖維與基體界面的開裂形 成疲勞源，壓縮應(yīng)變會(huì)使復(fù)合材料縱向開裂而 提前破壞； # 咬:妙::劉;姣: :、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理 （5）復(fù)合材料的疲勞性能與纖維取向有關(guān). 纖維是主要承載組分，抗疲勞性能又好, 故沿纖維方向具有很好的疲勞強(qiáng)度. 第二節(jié)疲勞抗力指標(biāo) 概述： 在機(jī)械設(shè)計(jì)中，疲勞應(yīng)力判據(jù)和斷裂疲勞 判據(jù)是疲勞設(shè)計(jì)的基本依據(jù)，其中作為材料疲 勞抗力指標(biāo)的疲勞強(qiáng)度、過(guò)載持久值、疲勞缺 口敏感度等都是材料的基本力學(xué)性能指標(biāo).長(zhǎng) 期

21、以來(lái)，人們對(duì)它們與材料及工藝間關(guān)系的研 究，積累了大量數(shù)據(jù)和規(guī)律，有利于指導(dǎo)材料 的疲勞設(shè)計(jì) ■、疲勞曲線 1、 疲勞曲線 在交變載荷下，金屬所承受的最大交變應(yīng) 力（° max或S）與斷裂循環(huán)周次（N）之間的關(guān) 系曲線稱為疲勞曲線，如下圖所示。 43 36 ■、疲勞曲線 36 循環(huán)應(yīng)力高時(shí)，經(jīng) 歷的疲勞壽命短； 循環(huán)應(yīng)力低時(shí)，經(jīng) 歷的疲勞壽命就長(zhǎng) 36 ?、疲勞曲線 有水平線 36

22、 無(wú)水平線 No logN 37 ■、疲勞曲線 # 2、疲勞曲線的種類 大量試驗(yàn)表明，金屬材料疲勞曲線有兩種類型: 一類有水平線，如一般結(jié)構(gòu)鋼和球墨鑄鐵的 疲勞曲線，據(jù)此可標(biāo)定出無(wú)限壽命的疲勞強(qiáng)度 ° -p 另一類無(wú)水平線，如有色合金、不銹鋼和高強(qiáng) 鋼的疲勞曲線，只能根據(jù)材料的使用要求測(cè)定 有限壽命No = lO\ 107或IO*的條侔疲勞強(qiáng)度。 ?、疲勞曲線 3、疲勞強(qiáng)度或疲勞極限9 r或＜r_]) 當(dāng)。噺低于Or時(shí)，應(yīng)力交變到無(wú)數(shù)次也不 會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，則稱O「為材料的疲勞強(qiáng)度或 疲勞極限。對(duì)于對(duì)稱應(yīng)力

23、循環(huán)，丫為-1, ° 廠 ° -1 1、疲勞極限的測(cè)定方法 1、設(shè)備 常用的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)原理如圖5-15所 刀J 電動(dòng)機(jī) 試樣 計(jì)數(shù)器 拿 圖5J5旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)裝置 二、疲勞極限的測(cè)定方法 2、測(cè)試原理 二、疲勞極限的測(cè)定方法 對(duì)一定的材料，％取定值，對(duì)若干組試樣， ■第一組：0 1 = 0. 6o b， 測(cè)得 N=N] 第二組：a 2 = 0. 6a b—0. 2a b,測(cè)得 N=% ■第三組：o 3=0. 6o b —0. 4o b,測(cè)得 N=% 若N3>N0時(shí)未斷，說(shuō)明o 3取的太低, 則取第四組， 二、疲勞極限

24、的測(cè)定方法 三、過(guò)載（負(fù)荷）持久值及過(guò)載（負(fù)荷） 損傷界 第四組：O4在（。2?。3）之間進(jìn)行取值試驗(yàn), 測(cè)得n=n4 若N4<No ,說(shuō)明CF 4取大了，再于（O 3~ O 4）之間取第五組 第五組：o 5在（O 3?O 4）之間再取值， 這樣，不斷地插入下去，直到斷與不斷的 應(yīng)力差為lkgf/min2,此時(shí)不斷的應(yīng)力即為材料 的疲勞極限（<r _］） 過(guò)去認(rèn)為按疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)機(jī)械零件是安全 的，但實(shí)際上服役過(guò)程中機(jī)件不可避兔要受到 偶然的過(guò)載作用，如設(shè)備緊急剎車、突然起動(dòng) 等；又有的機(jī)件并不要求無(wú)限壽命，常在高于 疲勞強(qiáng)度的應(yīng)力下進(jìn)行有限壽命服役.顯然僅 依據(jù)

25、材料的疲勞強(qiáng)度并不能評(píng)定上述兩種情況 下的材料抗疲勞性能，為此提岀過(guò)載持久值和 過(guò)載損傷界的概念. 三、過(guò)載（負(fù)荷）持久值及過(guò)載（負(fù)荷） 損傷界 T過(guò)負(fù)荷持幻I 一一一 一一一 過(guò)負(fù)荷持久值：材料在高于疲勞強(qiáng)度的 一定應(yīng)力下工作，發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán)周 次稱為材料的過(guò)載持久值，也稱為有限疲勞壽 過(guò)載持久值表征了材料對(duì)過(guò)載荷疲勞的抗 力，該值可由疲勞曲線傾斜部分確定.曲線傾 斜得愈陡直，持久值就愈高，表明材料在相同 的過(guò)載條件（縱坐標(biāo)值）下能經(jīng)受的應(yīng)力循環(huán) 周次愈妾，材斡對(duì)過(guò)截荷的撓另愈高.過(guò)載血 力又稱為材料耐久強(qiáng)度. 三、過(guò)載（負(fù)荷）持久值及過(guò)載（負(fù)荷） ■損傷界 ???

26、 ■ 2.過(guò)載損傷界 實(shí)際上，機(jī)件往往預(yù)先受短期過(guò)載，而后再在正 常的工作應(yīng)力下運(yùn)行.這種短期的過(guò)載對(duì)材料的性能 是否產(chǎn)生影響，取決于過(guò)載應(yīng)力及過(guò)載周次. 實(shí)驗(yàn)證明，材料在過(guò)載應(yīng)力水平下只有運(yùn)轉(zhuǎn)一定周次 后，疲勞強(qiáng)度或疲勞壽命才會(huì)降低，造成過(guò)載損傷. 過(guò)載損傷界：把在每個(gè)過(guò)載應(yīng)力下運(yùn)行能 引起損傷的最少循環(huán)周次連接起來(lái)就得到該材 料的過(guò)載損傷界.如圖5-20o 47 過(guò)載（負(fù)荷）持久值及過(guò)載（負(fù)荷） 損傷界 lgN。 IgN 圖

27、5?20過(guò)載損傷界 49 三、過(guò)載（負(fù)荷）持久值及過(guò)載（負(fù)荷） 損傷界 ■ 3、過(guò)載損傷區(qū)： III 載損傷區(qū):過(guò)載損傷界到疲勞曲線間的影 線區(qū)，稱為材料的過(guò)載損傷區(qū). 凡是機(jī)件過(guò)載運(yùn)轉(zhuǎn)到這個(gè)區(qū)內(nèi)都會(huì)不同程度地降 低材料的疲勞壽命（疲勞強(qiáng)度），離疲勞曲線愈近， 降低的程度越厲害.過(guò)載應(yīng)力越大，開始發(fā)生過(guò)載損 傷的循環(huán)周次愈少，能造成過(guò)載損傷區(qū)的周次范圍就 越廣. 材料的過(guò)載損傷界越陡直，損傷區(qū)愈窄, 則其抵抗疲勞過(guò)載能力就愈強(qiáng). 第四節(jié) 影響材料及機(jī)件疲勞強(qiáng)度的因素 一、工作條件的影響 ■ 1、載荷條件 (1) 應(yīng)力狀態(tài)和平均應(yīng)力 (2) 在過(guò)載損傷區(qū)內(nèi)的

28、過(guò)載將降低材料的疲 勞強(qiáng)度或壽4 (3)次載鍛煉: 材料特別是金屬在低于疲勞強(qiáng)度 的應(yīng)力先運(yùn)轉(zhuǎn)一定周次，即經(jīng)過(guò)次載鍛煉，可以提高 材料的疲勞強(qiáng)度，如圖5 —24所示. 49 工作條件的影響 490- 45鋼200°C回火 缺口試樣 460 430 經(jīng) 0 ? 9—]2X106 次載荷鍛煉 未經(jīng)次載荷鍛煉 105~3X105 10s~3 x 106 N/周次 |5?24次載鍛煉對(duì) 疲勞曲線的影響 ?、工作條件的影響 次載應(yīng)力越接近材料的疲勞強(qiáng)度，鍛煉效 果越明顯，次載鍛煉的循環(huán)期越長(zhǎng)，鍛煉效果 越好，但過(guò)度鍛煉效果就不明顯了. 新安

29、裝的機(jī)器，按次載鍛煉的作用，?？?載或低載運(yùn)行一段時(shí)間，既能跑合機(jī)器，又能 提高機(jī)件疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)疲勞壽命 (4)間歇效應(yīng) 實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)應(yīng)變時(shí)效材料，在循環(huán)加載的運(yùn) 行中，若間歇空載一段時(shí)間或間隙時(shí)適當(dāng)加溫, 可提高疲勞強(qiáng)度，并延長(zhǎng)疲勞壽命. ?、工作條件的影響 （5）載荷頻率 ① 在一定的頻率范圍（170?1000 Hz）內(nèi), 材料的疲勞強(qiáng)度會(huì)隨加載頻率的增加而提高. ② 在常用的頻率間（50?170 Hz）,材料的 疲勞強(qiáng)度基本不受頻率變化影響， 低于1Hz的加載，疲勞強(qiáng)度有所降低. # 、 工作條件的影響 ■ 2.溫度 溫度對(duì)材料疲勞強(qiáng)度的影響和靜強(qiáng)

30、度的影 響規(guī)律相似，即隨溫度降低，疲勞強(qiáng)度升高， 溫度升高，疲勞強(qiáng)度降低，但在某些溫度范圍 因時(shí)效、熱脆等現(xiàn)象，疲勞強(qiáng)度會(huì)岀現(xiàn)峰值或 谷值. 女恥 結(jié)構(gòu)鋼在400°C以上時(shí)，疲勞強(qiáng)度急劇下降.耐熱 鋼在550?650°C以上溫度時(shí)疲勞強(qiáng)度才會(huì)明顯下降， 當(dāng)溫復(fù)繼絨升高超過(guò)材料的再結(jié)晶溫度，材料的失效 方式轉(zhuǎn)變?yōu)槿渥兤诼?lián)合作用. 、高溫時(shí)材料的疲勞曲線沒有水平段，疲勞強(qiáng)度只 能按規(guī)定的宿球?yàn)榇纹矶? 3. 腐蝕介質(zhì) 腐蝕性介質(zhì)因使材料表面腐蝕產(chǎn)生蝕坑， 而降低材料的疲勞強(qiáng)度導(dǎo)致腐蝕疲勞.一般腐 蝕疲勞曲線無(wú)水平段，只能按規(guī)定循環(huán)周次確 定疲勞強(qiáng)度。 腐蝕疲勞強(qiáng)度與

31、材料的靜強(qiáng)度之間無(wú)正比 關(guān)系. 53 二、表面狀態(tài)及尺寸因素的影響 ■ 1.表面狀態(tài) 機(jī)件表血缺口因應(yīng)力集中往往是疲勞策源 地，引起疲勞斷裂。且這種影響隨材料強(qiáng)度的 增高而更加顯著. 因此，受循環(huán)應(yīng)力作用的機(jī)件選用高強(qiáng)材 料制造時(shí)，表面須經(jīng)過(guò)仔細(xì)的加工，不允許有 刀痕、擦傷或大的缺陷，否則材料疲勞強(qiáng)度會(huì) 顯著降低。 :、表面狀態(tài)及尺寸因素的影響 ■ 2.尺寸因素 在變動(dòng)載荷作用下，隨機(jī)件尺寸增大使疲 勞強(qiáng)度下降的現(xiàn)象，稱為尺寸效應(yīng)。 55 、表面強(qiáng)伙尺律余應(yīng)力的彫響 05-25表面強(qiáng)化提高疲勞 三、表面強(qiáng)化及殘余應(yīng)力的影響 提高機(jī)件表面塑變抗力

32、（硬度和強(qiáng)度）， 降低表面的有效拉應(yīng)力，即可抑制材料表面疲 勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，有效地提高承受彎曲與 扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷下材料的疲勞強(qiáng)度，如圖前圖. 由于表層疲勞強(qiáng)度的提高及表面殘余壓應(yīng) 力的作用，使表層總應(yīng)力降低至強(qiáng)化層疲勞強(qiáng) 度以下，便會(huì)制止疲勞斷裂. 這種表面強(qiáng)化處理產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力，因 在表面缺口處產(chǎn)生壓應(yīng)力集中，可有效地降低 缺口根部的拉應(yīng)力集中，對(duì)帶缺口機(jī)件的有利 影響更為顯著. # &力巧?廿■■工禺工.. 三、表面強(qiáng)化及殘余應(yīng)力的影響 59 表面強(qiáng)化方法有表面噴丸和滾壓、表面淬 火及表面化學(xué)熱處理等. ■ 1.表面噴丸及滾壓 表面噴丸可使金屬機(jī)件

33、表面形變強(qiáng)化，并 在塑變層內(nèi)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力.既提高了表層材 料強(qiáng)度；又能抵消部分表層工作的拉應(yīng)力；還 可降低缺口應(yīng)力集中系數(shù)和疲勞缺口敏感度， 降低疲勞損傷，提高材料疲勞抗力. 表面滾壓與噴丸的作用相似，其壓應(yīng)力層 深更大，適于大工件.一般來(lái)說(shuō)，形狀復(fù)雜的 機(jī)件采用噴丸強(qiáng)化；形狀簡(jiǎn)單的回轉(zhuǎn)機(jī)件采用 表面滾壓強(qiáng)化.如經(jīng)滾壓加工的螺栓較切削制 造的螺栓疲勞壽命可提高1?5倍. 三、表面強(qiáng)化及殘余應(yīng)力的影響 2.表面熱處理和化學(xué)熱處理 表面淬火及表面化學(xué)熱處理，既能獲得表 硬心韌的綜合力學(xué)性能，又能在機(jī)件表層獲得 殘余壓應(yīng)力，從而能有效地提高機(jī)件疲勞強(qiáng)度 和壽命. ■ 3.復(fù)合強(qiáng)化

34、 它是將上述各種表面強(qiáng)化工藝重復(fù)結(jié)合的 一種強(qiáng)化工藝. # 咬:妙::劉;姣: 三、表面強(qiáng)化及殘余應(yīng)力的影響 如滲氮十表面淬火，滲碳十噴丸，表面淬 火十噴丸（滾壓）等，以更進(jìn)一步提高表面強(qiáng) 度及表面表層殘余壓應(yīng)力，從而更有效地提高 疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命. 四、材料成分及組織的影響 材料的疲勞斷裂經(jīng)歷了裂紋萌生與擴(kuò)展過(guò)程.材料 的疲勞強(qiáng)度應(yīng)是這兩過(guò)程中材料性能的綜合反映，兩 者都與材料的成分、組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān). ■ 1.合金成分 結(jié)構(gòu)鋼的疲勞強(qiáng)度o_i = 0.5Ob，應(yīng)用也最 廣泛.結(jié)構(gòu)鋼中碳是影響疲勞強(qiáng)度的重要因素, 它既可間隙固溶強(qiáng)化基體，又可形成彌散碳

35、化 物進(jìn)行彌散強(qiáng)化，提高材料形變抗力和疲勞強(qiáng) 度. 圖5 —26示出幾種低合金結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)不同淬火回火后 的疲勞強(qiáng)度。 # 四、材料成分及組織的影響 硬度的關(guān)系曲線 63 四、材料成分及組織的影響 275 I I i X 20~30 40 50 65 HRC 5-26 幾種鋼的疲勞極限與 硬度的關(guān)系曲線 # 四、材料成分及組織的影響 65 四、材料成分及組織的影

36、響 2.非金屬夾雜物及冶金缺陷 # 四、材料成分及組織的影響 脆性?shī)A雜物如Al.Or硅酸鹽等在鋼中易產(chǎn)生疲勞裂 紋，降低材料的疲券艶度。材料的冶金、軋制、鑄造、 焊接、熱處理等工藝中產(chǎn)生的氣孔、縮孔、偏析、白 點(diǎn)等缺陷都可能是裂紋源，導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度的降低。 3.顯微組織 # 四、材料成分及組織的影響 晶粒大小對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，經(jīng)對(duì)碳鋼及鈦合金的 研究發(fā)現(xiàn)存在Hall-Petch關(guān)系. 即：o _i = o i+kd—I/? 式中：o ［為位錯(cuò)在晶格中運(yùn)動(dòng)摩擦阻力；k為材料 常數(shù)；d為晶粒平均直徑. (1) 片狀碳化物的正火組織不如粒狀碳化物的調(diào) 質(zhì)組織的疲勞強(qiáng)度高； (2) 回火馬氏體疲勞強(qiáng)度最高，回火屈氏體次 之，回火索氏體最低； (3) 等溫淬火與淬火回火較，相同硬度時(shí)，前者 有較高的的疲勞強(qiáng)度； 淬火組織中若存在未溶鐵素體和未轉(zhuǎn)變殘余奧 氏體或非馬氏體組織，則因它們易引發(fā)疲勞裂 紋，而使材料疲勞強(qiáng)度降低.如鋼中存在10% 殘余奧氏體時(shí)，o 可降低10%?15%. # 五、材料的延壽技術(shù) 具體辦法： ■ 1.細(xì)化晶粒 2.減少和細(xì)化合金中的夾雜物 ■ 3.微量合金化 ■ 4.減少高強(qiáng)度鋼中的殘余奧氏體 5. 改善切口根部的表面狀態(tài) 6. 表面噴丸強(qiáng)化 67