《材料性能學,》PPT課件

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1、1 第 五 章 材 料 的 疲 勞 性 能河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 2021-7-31 河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 The dog equally study, the gentleman equally plays. 中 國 就 有 這 么 一 群 奇 怪 的 人 ， 本 身 是 最 低 階 層 ，利 益 每 天 都 在 被 損 害 ， 卻 具 有 統(tǒng) 治 階 級 的 意 識 。在 動 物 世 界 里 找 這 么 弱 智 的 東 西 都 幾 乎 不 可 能 。 林 語 堂 (1895-1976) 2021-7-31 2 復 習應 力 強 度 因 子 KI斷 裂 韌

2、度 KIc影 響 材 料 斷 裂 的 因 素特 殊 改 性 處 理 提 高 斷 裂 韌 度 的 方 法 32021-7-31 河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 本 章 主 要 內(nèi) 容介 紹 材 料 的 疲 勞 破 壞 的 特 征 、 機 理 、 材料 疲 勞 性 能 的 測 定 、 影 響 材 料 或 機 件 疲勞 性 能 的 因 素 以 及 提 高 材 料 或 機 件 疲 勞性 能 的 措 施 。重 點 掌 握 疲 勞 破 壞 的 機 理 、 疲 勞 強 度 的測 定 方 法 和 影 響 材 料 或 機 件 疲 勞 性 能 的因 素 。 2021-7-31 河 海 大 學 機 電 工

3、程 學 院 4 第 一 節(jié) 疲 勞 破 壞 的 一 般 規(guī) 律什 么 是 疲 勞 ？變 動 載 荷 是 ？ 5 工 件 在 變 動 載 荷 和 應 變 的 長 期 作 用 下 ， 因 積 累 損 傷而 引 起 的 斷 裂 現(xiàn) 象 。載 荷 大 小 、 方 向 隨 時 間 變 化 的 載 荷 . 2021-7-31 河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 6變 動 應 力 ： 變 動 載 荷 在 單 位 面 積 上 的 平 均 值 。l規(guī) 則 周 期 變 動 應 力 ；（ 循 環(huán) 應 力 ）l無 規(guī) 則 隨 機 變 動 應 力2021-7-31 河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 變 動 應

4、 力 的 各 類 情 況 ： 循 環(huán) 應 力表 征 循 環(huán) 應 力 特 征 的 參 量 ： 72021-7-31 河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 8 循 環(huán) 應 力 的 類 型 ：循 環(huán) 應 力對 稱 循 環(huán) ：不 對 稱 循 環(huán) ：脈 動 循 環(huán) ：波 動 循 環(huán) ：隨 機 變 動 應 力 ：m 0， r 1m 0， 1 r 1 m a 0， r 0； m a 0， r m a ， 0 r 12021-7-31 河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 疲 勞 破 壞 的 概 念疲 勞 破 壞 的 過 程疲 勞 壽 命 9 在 變 動 應 力 作 用 下 薄 弱 區(qū) 域 逐 漸 萌 生

5、 裂 紋 ， 且 引 起 裂紋 的 擴 展 ， 當 裂 紋 擴 展 到 一 定 程 度 后 發(fā) 生 突 然 斷 裂 。疲 勞 破 壞 過 程 ： 從 局 部 區(qū) 域 開 始 的 損 傷 積 累 ， 最 終引 起 整 體 破 壞 的 過 程 。裂 紋 萌 生 和 擴 展 過 程 ： 疲 勞 源 、 疲 勞 裂 紋 擴 展 區(qū) 、瞬 時 斷 裂 區(qū)機 件 在 疲 勞 失 效 前 的 工 作 時 間 （ 次 數(shù) ） 。主 要 影 響 因 素 ： 循 環(huán) 應 力 2021-7-31 河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 疲 勞 破 壞 的 特 點與 靜 載 、 一 次 性 沖 擊 加 載 比 較 ：

6、疲 勞 的 分 類 ： 10 脆 性 斷 裂 潛 藏 的 、 突 發(fā) 性 破 壞(疲 勞 破 壞 前 無 塑 性 變 形 、 呈 脆 性 斷 裂 )低 應 力 循 環(huán) 延 時 斷 裂 有 壽 命 的 斷 裂應 力 狀 態(tài) ： 彎 曲 疲 勞 、 扭 轉(zhuǎn) 疲 勞 、 拉 壓 疲 勞 、 接 觸 疲 勞 ；應 力 高 低 和 斷 裂 壽 命 ： 高 周 疲 勞 （ 低 應 力 疲 勞 ， N105， =s ）2021-7-31 河 海 大 學 機 電 工 程 學 院對 缺 陷 十 分 敏 感 ： 缺 口 、 裂 紋 應 力 集 中 ；組 織 缺 陷 降 低 局 部 強 度 。 疲 勞 斷 口 的

7、宏 觀 特 征三 個 特 征 區(qū) ：疲 勞 源 光 亮來 源 ： 缺 口 、 裂 紋 ； 冶 金 缺 陷 ； 數(shù) 目 ： 應 力 大 小疲 勞 裂 紋 擴 展 區(qū) 光 滑 且 分 布 有 貝 紋 線貝 紋 線 形 狀 （ 凹 、 凸 ） 、 貝 紋 線 間 距 、 貝 紋 線 范 圍瞬 斷 區(qū)脆 性 材 料 ： 結(jié) 晶 狀 ；韌 性 材 料 ： 放 射 狀 或 人 字 紋 狀 ， 并 有 剪 切 唇位 置 ： 疲 勞 源 對 側(cè) ； 大 小 (名 義 應 力 、 材 料 韌 脆 性 ) 112021-7-31 河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 疲 勞 裂 紋 萌 生 的 策 源 地 ，

8、多 在 表 面 122021-7-31 河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 第 二 節(jié) 疲 勞 破 壞 的 機 理疲 勞 過 程 ： 疲 勞 裂 紋 萌 生 、 裂 紋 亞 穩(wěn) 擴 展 、 裂 紋 失 穩(wěn) 擴 展疲 勞 裂 紋 的 萌 生 ： 在 材 料 的 薄 弱 區(qū) 和 高 應 力 區(qū) ， 通 過 不 均 勻 滑 移 、 微 裂紋 形 成 和 長 大 而 完 成 。疲 勞 裂 紋 核 ： 一 般 0.050.10mm的 裂 紋裂 紋 萌 生 期 ： 形 成 裂 紋 疲 勞 核 的 循 環(huán) 周 期 2021-7-31 河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 13 疲 勞 微 裂 紋 的

9、形 式 ： 2021-7-31 河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 14 表 面 滑 移 帶 開 裂 ;第 二 相 、 夾 雜 物 與 基 體 界 面 或 夾 雜 物 本 身 開 裂 ;晶 界 或 亞 晶 界 開 裂 。循 環(huán) 滑 移 帶循 環(huán) 應 力駐 留 滑 移 帶 擠 出 脊 侵 入 溝1） 不 均 勻 滑 移 ；2） 顯 微 開 裂 . 疲 勞 裂 紋 的 擴 展 ： 2021-7-31 河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 15 第 階 段 ： 沿 最 大 切 應 力 方 向擴 展 速 度 極 慢 、 擴 展 總 量 小第 階 段 ： 沿 垂 直 拉 應 力 方 向穿 晶 擴

10、展擴 展 速 度 隨 循 環(huán) 周 次 增 加 而 增 加疲 勞 斷 口 最 典 型 的 微 觀 特 征 ：疲 勞 條 帶略 微 彎 曲 并 相 互 平 行 的 溝 槽 狀花 樣 ， 與 裂 紋 擴 展 方 向 垂 直 。 脆 性 疲 勞 條 帶 韌 性 疲 勞 條 帶相 互 平 行 的 弧 狀 條 紋 有 有解 理 臺 階 的 河 流 花 樣 ，大 致 垂 直 于 疲 勞 條 帶 有 無 2021-7-31 河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 16 疲 勞 條 帶 和 貝 紋 線 的 區(qū) 別 ： 疲 勞 斷 口 的 微 觀 、 宏 觀 特 征 ； 相 鄰 貝 紋 線 間 可 能 有 許 多

11、 疲 勞 條 帶 ； 既 可 同 時 出 現(xiàn) ， 也 可 不 同 時 出 現(xiàn) 。 2021-7-31 河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 17 疲 勞 條 帶 的 特 點 ：滑 移 系 多 的 面 心 立 方 金 屬 中 ， 較 明 顯 ；滑 移 系 較 少 或 組 織 狀 態(tài) 復 雜 的 鋼 鐵 材 料 中 ， 常 短 窄 而 紊 亂 第 三 節(jié) 疲 勞 抗 力 指 標疲 勞 強 度過 載 持 久 值疲 勞 缺 口 敏 感 度疲 勞 裂 紋 擴 展 速 度 2021-7-31 河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 18 從 0.67b到 0.4b選 擇 幾 個等 級 的 應 力 水 平

12、 ， 1、 2、 、 n， 測 定 每 個 應 力 水平 的 試 樣 從 加 載 到 斷 裂 所 需的 循 環(huán) 次 數(shù) N1、 N2、 、 Nn。繪 制 成 N曲 線 。 疲 勞 試 驗 方 法 2021-7-31 河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 19臨 界 應 力 -1疲 勞 強 度 -1： -1為 無 限 壽 命 的 疲 勞 應 力 判 據(jù) 。非 對 稱 循 環(huán) 應 力 的 疲 勞 強 度 r金 屬 材 料 的 疲 勞 曲 線 類 型 ： 有 水 平 線 ； 無 水 平 線 當 循 環(huán) 應 力 小 于 一 臨 界 值時 ， 試 樣 不 會 斷 裂 。 這 個臨 界 值 就 定 義

13、為 材 料 的 疲勞 強 度 ， 記 作 r。 此 時 ，-N曲 線 呈 水 平 線 。當 載 荷 應 力 r時 ， 工 件不 會 發(fā) 生 疲 勞 斷 裂 ， 認 為是 無 限 壽 命 。 2021-7-31 20河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 二 、 疲 勞 強 度 疲 勞 曲 線 類 型 ： 無 限 疲 勞 壽 命 :有 水 平 線 ， 如結(jié) 構(gòu) 鋼 和 球 墨 鑄 鐵 等 ； 有 限 疲 勞 壽 命 :沒 有 水 平 線 ，如 有 色 金 屬 、 不 銹 鋼 和 高 強度 鋼 。 根 據(jù) 材 料 使 用 要 求 ， 測 定N=106、 107或 108有 限 壽 命 的疲 勞 強

14、 度 。 同 一 材 料 在 不 同 的 試 驗 環(huán) 境下 ， 會 有 不 同 的 疲 勞 曲 線 。 2021-7-31 21河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 疲 勞 強 度定 義 ：在 指 定 疲 勞 壽 命 下 ， 材 料 能 承 受 的 上 限 循 環(huán) 應 力 。對 稱 循 環(huán) 疲 勞 強 度對 稱 彎 曲 -1 ； 對 稱 扭 轉(zhuǎn) -1 ； 對 稱 拉 壓 -1p不 對 稱 循 環(huán) 疲 勞 強 度max(min)m疲 勞 圖 2021-7-31 河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 22 最常用 機 件 承 受 不 對 稱 循 環(huán) 載 荷 ， 設(shè) 計 時 如 何 選 材 ？

15、理 論 上 可 以 模擬 試 驗 測 定 ， 實 際 上 很 難 實 現(xiàn) 。一 般 采 用 作 圖 法 ， 求 出 各 種 不 對 稱 循 環(huán) 載 荷 下 的 疲 勞 強 度 。 B、 C點 ： -1A點 ： bH點 ： 0AHB曲 線 為 max，AEC曲 線 為 min。圖 表 示 了 r = -11各 種狀 態(tài) 下 的 疲 勞 強 度 。 2021-7-31 23河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 求 不 對 稱 循 環(huán) 疲 勞 強 度 疲 勞 圖A點 表 示 靜 拉 伸 ；B點 表 示 對 稱 載 荷 AHB線 上 一 點 與 原 點 O的連 線 與 橫 坐 標 夾 角 存 在以

16、下 關(guān) 系 ： 根 據(jù) 已 知 r， 求 得 ， 用 作圖 法 求 出 在 AHB上 的 點 ，即 max 。 2021-7-31 24河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 求 不 對 稱 循 環(huán) 疲 勞 強 度 疲 勞 圖適 用 于 脆 性 材 料 最 早 的 疲 勞 圖 中 ， AHB和 AEC是 直 線 。Gerber建 議 將 AHB改 為 拋 物 線 ， 即 ： 2021-7-31 25河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 對 于 塑 性 材 料 ： B點 ： -1 A點 ： s H點 ： 0 只 要 知 道 -1、 s， 再 測 定一 個 0， 就 可 以 繪 制 出 塑性 材

17、 料 的 疲 勞 圖 。 疲 勞 圖 可 以 計 算 出 不 同 循環(huán) 應 力 狀 態(tài) 的 疲 勞 強 度 。 2021-7-31 26河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 彎 曲 、 扭 轉(zhuǎn) 和 抗 壓 疲 勞 強 度 存 在 以 下 經(jīng) 驗 關(guān) 系 對 稱 拉 壓 疲 勞 強 度 -1p 對 稱 扭 轉(zhuǎn) 疲 勞 強 度 -1 對 稱 彎 曲 疲 勞 強 度 -1 同 種 材 料 的 疲 勞 強 度 ：這 些 經(jīng) 驗 公 式 有 一 定 誤 差 ， 約 1030%。 彎 曲 時 ， 試 樣 截 面 上 應 力 分 布 不 均 勻 ， 表 面 應 力 最 大 ， 僅表 面 層 產(chǎn) 生 疲 勞

18、 損 傷 ； 拉 壓 時 ， 試 樣 截 面 的 應 力 分 布 均 勻 ， 整 個 截 面 都 有 可 能 疲勞 損 傷 ； 扭 轉(zhuǎn) 時 ， 切 應 力 大 ， 比 變 動 拉 應 力 更 易 使 材 料 發(fā) 生 滑 移 ，產(chǎn) 生 疲 勞 損 傷 。 2021-7-31 河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 27 疲 勞 強 度 與 靜 強 度 之 間 的 關(guān) 系 材 料 的 抗 拉 強 度 越 大 ， 其 疲 勞 強 度 也 越 大 中 低 強 度 鋼 ， 疲 勞 強 度 與 抗 拉 強 度 呈 線 形 關(guān) 系 對 于 高 強 度 材 料 ， 塑 性 和 斷 裂 韌 性 降 低 ， 裂

19、紋易 于 形 成 和 擴 展 ， 線 性 關(guān) 系 被 改 變 。 2021-7-31 河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 28 三 、 過 載 持 久 值 及 過 載 損 傷 界實 際 服 役 過 程 中 機 件 不 可 避 免 地 會 受 到 偶 然 的過 載 作 用 ， 如 緊 急 剎 車 、 突 然 啟 動 等 。有 的 機 件 不 需 要 無 限 壽 命 ， 如 按 疲 勞 強 度 來 設(shè)計 就 不 合 理 了 。 1、 過 載 持 久 值材 料 在 高 于 疲 勞 強 度 的 應 力 下 工 作 ， 發(fā) 生 疲 勞斷 裂 的 循 環(huán) 周 次 稱 為 材 料 的過載持久值， 也稱

20、為 材 料 的有限疲勞壽命。過 載 持 久 值 表 征 了 抗 過 載 能 力 ， 由 疲 勞 曲 線 傾斜 部 分 確 定 。 曲 線 傾 斜 越 陡 ， 持 久 值 就 越 高 。 2021-7-31 29河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 過 載 持 久 值 及 過 載 損 傷 界過 載 持 久 值 ， 有 限 疲 勞 壽 命 材 料 在 高 于 疲 勞 強 度 的 一 定 應 力 下 工 作 ， 發(fā) 生 疲 勞斷 裂 的 應 力 循 環(huán) 周 次 疲 勞 曲 線 的 傾 斜 部 分 確 定 過 載 應 力 ， 材 料 耐 久 強 度過 載 損 傷 界 短 期 過 載 對 材 料 性

21、能 的 影 響 ， 過 載 應 力 和 過 載 周 次 把 每 個 過 載 應 力 下 運 行 能 引 起 損 傷 的 最 少 循 環(huán) 周 次連 接 起 來 就 得 到 材 料 的 過 載 損 傷 界 。 過 載 損 傷 界 到 疲 勞 曲 線 間 的 影 線 區(qū) ， 過 載 損 傷 區(qū) 。 2021-7-31 河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 30 2、 過 載 損 傷 界實 際 機 件 往 往 受 短 期過 載 ， 如 啟 動 。過 載 對 疲 勞 強 度 的 影響 取 決 于 過 載 應 力 大小 和 過 載 周 次 。把 不 同 過 載 應 力 下 引起 損 傷 的 最 小 循

22、環(huán) 周次 連 接 起 來 就 得 到 材料 的 過 載 損 傷 界 。 2021-7-31 31河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 過 載 循 環(huán) 周 次 離 疲 勞 曲 線越 近 ， 對 疲 勞 強 度 或 壽 命的 損 傷 越 大 ； 應 力 越 高 ，開 始 發(fā) 生 過 載 損 傷 的 循 環(huán)周 次 就 越 少 。界 線 越 陡 ， 區(qū) 域 越 窄 ， 材料 抵 抗 疲 勞 過 載 的 能 力 就越 強 。寧 可 選 用 -1低 一 些 ， 也要 選 過 載 區(qū) 窄 的 材 料 。 2021-7-31 32河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 四 、 疲 勞 缺 口 敏 感 性靜

23、載 時 ， 應 力 集 中 使 局 部 應 力 超 過 材 料 的 屈 服 強度 產(chǎn) 生 塑 性 變 形 。 只 要 材 料 有 足 夠 的 塑 性 ， 缺 口造 成 的 應 力 集 中 作 用 就 不 明 顯 ； 只 要 塑 性 變 形 不太 大 ， 就 不 會 產(chǎn) 生 多 大 的 影 響 。動 載 時 ， 零 件 承 受 的 應 力 水 平 遠 低 于 屈 服 極 限 ，應 力 集 中 難 以 發(fā) 生 明 顯 的 塑 性 變 形 ， 但 在 交 變 應力 的 作 用 下 裂 紋 卻 不 斷 擴 展 。變 動 載 荷 下 ， 缺 口 的 影 響 遠 比 靜 載 時 大 。 2021-7-31

24、 33河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 疲 勞 缺 口 敏 感 性 缺 口 敏 感 性 用疲勞缺口敏感度qf來 表 示 ： 2021-7-31 34河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 疲 勞 缺 口 敏 感 度 qfKt理 論 應 力 集 中 系 數(shù) ， 1 。Kf疲 勞 缺 口 系 數(shù) ， 為 光 滑 試 樣 和 缺 口 試 樣 疲勞 強 度 之 比 , 1表 示 材 料 在 變 動 應 力 作 用 下 的 缺 口 敏 感 性 。 2021-7-31 河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 35 疲 勞 缺 口 敏 感 性 當 Kf =1時 ， qf為 零 ， 表 示 材料 對 缺

25、 口 完 全 不 敏 感 。Kf = Kt時 ， qf =1， 表 示 材 料對 缺 口 十 分 敏 感 。一 般 qf隨 著 材 料 強 度 的 增 加而 增 大 ： 結(jié) 構(gòu) 鋼 ： qf=0.60.8 球 鐵 ： qf=0.150.25 灰 鑄 鐵 ： qf=00.05 2021-7-31 36河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 五 、 疲 勞 裂 紋 擴 展 速 率 及 門 檻 值在 一 定 應 力 比 r和 應 力 幅 條 件 下 ， 試 樣 經(jīng) N次循 環(huán) 后 ， 測 裂 紋 長 度 a。作 出 aN的 關(guān) 系 曲 線 。當 裂 紋 長 大 到 臨 界 ac時， 裂 紋 失 穩(wěn)

26、擴 展 ， 試 樣斷 裂 。 2021-7-31 37河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 疲 勞 裂 紋 擴 展 速 率 曲 線 斜 率 da/dN就 是 疲勞 裂 紋 的 擴 展 速 率 ， 隨裂 紋 的 擴 展 ， da/dN不斷 增 大 。 da/dN與 裂 紋 尺 寸 a和 應力 幅 有 關(guān) 。 疲 勞 裂 紋 擴 展 速 率 是 指疲 勞 裂 紋 亞 穩(wěn) 擴 展 階 段的 速 率 ， 是 裂 紋 擴 展 的第 二 階 段 。 疲 勞 裂 紋 亞 穩(wěn) 擴 展 階 段 的 速 率 2021-7-31 38河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 疲 勞 裂 紋 擴 展 的 門 檻 值

27、引 入 應 力 強 度 因 子 幅 KI的 概 念 ， 可 將 a和 的結(jié) 合 在 一 起 ： KI是 裂 紋 尖 端 控 制 疲 勞 裂 紋 擴 展 的 力 學 參 量 。max min max minIK K K Y a Y a Y a 2021-7-31 39河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 對 a N曲 線 中 的 每 個 點 ：計 算 出 KI求 出 da/dN值作 出 lg(da/dN)lg KI曲 線 。 2021-7-31 40河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 max min max minIK K K Y a Y a Y a lg(da/dN) lg KI曲 線

28、。 2021-7-31 41河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 曲 線 分 3區(qū) 段 ： 區(qū) 是 疲 勞 裂 紋 的 初 始 擴 展 階 段 ， da/dN很 小 ， 約 10-8 10-6 mm/周 次 區(qū) 疲 勞 裂 紋 擴 展 的 主 要 階 段 ， 隨著 KI值 增 加 ， da/dN快 速 增 加 區(qū) da/dN急 劇 增 加 ， 材 料 失 穩(wěn) 斷裂 Kth代 表 裂 紋 不 擴 展 的 KI臨 界值 ， 稱 為疲勞裂紋擴展門檻值。 表 征 材 料 阻 止 疲 勞 裂 紋 開 始 擴 展 的 能 力 。 2021-7-31 42河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 區(qū) 是 疲

29、 勞 裂 紋 的 主 要 擴 展 階 段， 占 整 個 擴 展 壽 命 的 絕 大 部 分 。 該 區(qū) da/dN約 10-510-2mm/周 次 。da/dN與 KI 的 關(guān) 系 為 ： da/dN = C( KI)n 該 式 稱 為 Paris公 式 。C、 n為 材 料 常 數(shù) 。該 區(qū) 裂 紋 擴 展 進 程 較 快 ， KI的變 化 范 圍 大 ， 占 擴 展 壽 命 也 較 長 2021-7-31 43河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 疲 勞 裂 紋 擴 展 門 檻 值 的 應 用 裂 紋 體 不 發(fā) 生 疲 勞 裂 紋 擴 展 的 條 件 是 ： 在 Kth、 、 a三 個

30、 參 量 中 ， 只 要 知 道 兩 個 就可 以 求 出 第 三 個 ， Kth是 材 料 的 特 性 參 量 。已 知 Kth、 a， 求 出 該 件 在 無 限 疲 勞 壽 命 的 承 載能 力 ：已 知 Kth、 ， 求 出 允 許 的 裂 紋 尺 寸 ： I thK Y a K thKY a 2( )thKYa 2021-7-31 44河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 疲 勞 裂 紋 擴 展 門 檻 值 的 應 用 實 際 很 難 測 定 da/dN =0時 的 Kth值 。 工 程 上 常規(guī) 定 平 面 應 變 狀 態(tài) 下 ， da/dN =10-6 10-7mm /周 次

31、時 對 應 的 KI值 為 Kth， 并 稱 之 為 條 件 疲勞 裂 紋 擴 展 門 檻 值 。大 多 數(shù) 金 屬 材 料 的 Kth值 很 小 ， 約 為 (510%) KIC。 如 鋼 Kth 9MPa.m1/2、 鋁 合 金 Kth 4MPa.m1/2。 2021-7-31 45河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 疲 勞 裂 紋 擴 展 速 率 及 擴 展 門 檻 值 的 應 用 用 Paris公 式 計 算 疲 勞 剩 余 壽 命 0 0 ( )( ) c c nnda IdN a a daC Y aa aC KN dN2021-7-31 46河 海 大 學 機 電 工 程 學

32、院 復 習疲 勞 破 壞 的 特 點 是 什 么 ？疲 勞 破 壞 的 宏 觀 斷 口 特 征 ； 微 觀 斷 口 特 征； 韌 、 脆 材 料 在 微 觀 斷 口 特 征 上 的 差 別 ？疲 勞 抗 力 指 標 有 哪 些 ？疲 勞 強 度 ？過 載 持 久 值 ？疲 勞 缺 口 敏 感 度 qf ？疲 勞 裂 紋 擴 展 門 檻 值 Kth ？ 疲 勞 壽 命 ？ 2021-7-31 河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 47 作 圖 ： 不 對 稱 循 環(huán) 疲 勞 強 度某 種 鑄 鐵 的 b為 450MPa， 現(xiàn) 測 得 它 的 對稱 彎 曲 疲 勞 強 度 -1為 200MPa，

33、 請 問 在 應力 比 r為 1/3時 該 材 料 的 不 對 稱 循 環(huán) 疲 勞 強度 是 多 少 ？ （ 已 知 tan56.3 1.5） 2021-7-31 河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 48 第 四 節(jié) 影 響 材 料 疲 勞 強 度 的 因 素 工 作 條 件 表 面 狀 態(tài) 及尺 寸 因 素 表 面 處 理 及表 面 強 化 材 料 因 素應 力 狀 態(tài)應 力 比過 載 情 況平 均 應 力載 荷 頻 率環(huán) 境 溫 度環(huán) 境 介 質(zhì) 尺 寸 效 應表 面 粗 糙 度缺 口 效 應 表 面 噴 丸表 面 滾 軋表 面 熱 處 理表 面 涂 層 化 學 成 分組 織 結(jié) 構(gòu)纖

34、 維 方 向內(nèi) 部 缺 陷 2021-7-31 49河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 一 、 工 作 條 件 的 影 響1、 載 荷 條 件（ 1） 應 力 狀 態(tài) 、 平 均 應 力和 應 力 比 的 影 響 。（ 2） 次 載 鍛 煉 ： 在 低 于 疲勞 強 度 應 力 下 先 運 轉(zhuǎn) 一定 時 間 ， 可 提 高 材 料 的疲 勞 強 度 。 新 機 器 先 空運 轉(zhuǎn) 或 低 速 運 轉(zhuǎn) 一 定 時間 ， 既 能 跑 合 又 能 提 高零 部 件 的 疲 勞 壽 命 。 2021-7-31 50河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 （ 3） 在 過 載 損 傷 區(qū) 內(nèi) 的 過

35、載 將 降 低 疲 勞 強 度 。（ 4） 間 歇 效 應 ： 對應變時效材料， 在 循 環(huán) 加 載 運行 中 ， 若 間 隙 空 載 一 段 時 間 或 間 隙 時 適 當 加 溫， 可 提 高 疲 勞 強 度 或 延 長 疲 勞 壽 命 。（ 5） 載 荷 頻 率 ： 在 一 定 頻 率 范 圍 （ 1701000 Hz） 內(nèi) ， 材 料 的 疲 勞 強 度 隨 加 載 頻 率 的 提 高 而 提高 。 在 常 用 的 頻 率 50170Hz范 圍 內(nèi) ， 材 料 的 疲勞 強 度 基 本 不 受 頻 率 的 影 響 。 低 于 1Hz加 載 時 ，疲 勞 強 度 會 有 所 降 低 。

36、一 、 工 作 條 件 的 影 響 2021-7-31 51河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 一 、 工 作 條 件 的 影 響2、 溫 度 隨 著 溫 度 的 降 低 ， 疲 勞 強 度 升 高 ； 溫 度 升 高 ， 疲 勞強 度 降 低 。 注 意 ： 有 些 材 料 在 一 定 的 溫 度 范 圍 內(nèi) 有 時 效 和 熱 脆現(xiàn) 象 ， 疲 勞 強 度 會 出 現(xiàn) 峰 值 和 谷 值 。 結(jié) 構(gòu) 鋼 在 400 以 上 時 ， 疲 勞 強 度 急 劇 下 降 。 耐 熱鋼 在 550650 以 上 疲 勞 強 度 才 會 明 顯 下 降 。 高 溫 時 材 料 的 疲 勞 強 度

37、沒 有 水 平 段 ， 疲 勞 強 度 只 能按 規(guī) 定 的 循 環(huán) 周 次 確 定 。 2021-7-31 52河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 3、 腐 蝕 介 質(zhì) 腐 蝕 使 材 料 表 面 產(chǎn) 生 蝕 坑 ， 從 而 導 致 降 低 材 料的 疲 勞 強 度 。 一 般 腐 蝕 疲 勞 曲 線 沒 有 水 平 段 ， 只 能 按 規(guī) 定 的循 環(huán) 周 次 確 定 。一 、 工 作 條 件 的 影 響 2021-7-31 53河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 二 、 表 面 狀 態(tài) 和 尺 寸 因 素 的 影 響1、 機 件 表 面 的 缺 口 、 刀 痕 、 擦 傷 和 缺

38、 陷 等 ， 都 會引 起 應 力 集 中 ， 是 疲 勞 源 ， 使 疲 勞 強 度 降 低 。2、 尺 寸 因 素 機 件 尺 寸 增 大 ， 疲 勞 強 度 下 降 ， 稱 為 尺 寸 效 應 。 尺 寸 效 應 系 數(shù) ： = (-1)d / -1 (-1)d表 示 直 徑 為 d的 機 件 的 疲 勞 強 度 ， -1表 示 小試 樣 的 疲 勞 強 度 。 缺 口 試 樣 比 光 滑 試 樣 的 尺 寸 效 應 更 加 明 顯 。 2021-7-31 54河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 三 、 表 面 強 化 及 殘 余 應 力 的 影 響1、 提 高 材 料 表 面 力

39、學 性 能 。疲 勞 破 壞 往 往 是 從 工 件 的表 面 開 始 的 ， 提 高 表 面 強度 ， 就 能 提 高 工 件 的 疲 勞壽 命 。2、 產(chǎn) 生 表 面 壓 應 力 。 能 減 小工 件 表 面 的 拉 應 力 ， 能 提高 疲 勞 強 度 。3、 表 面 強 化 的 方 法 ： 噴 丸 、滾 壓 、 表 面 淬 火 和 化 學 熱處 理 ， 以 及 復 合 強 化 等 。 2021-7-31 55河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 四 、 材 料 成 分 和 組 織 的 影 響合 金 成 分結(jié) 構(gòu) 鋼 ； 碳 固 溶 /彌 散非 金 屬 夾 雜 物 和 冶 金 缺 陷

40、顯 微 組 織 (1)晶 粒 度 (2)各 組 分 的 相 對 量 回 火 馬 氏 體 疲 勞 強 度 最 好 ； 淬 火 組 織 中 鐵 素 體 、 奧 氏 體 易 引 發(fā) 疲 勞 裂 紋 應 力 狀 態(tài) ： 高 周 疲 勞 、 低 周 疲 勞 2021-7-31 56河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 第 五 節(jié) 熱 疲 勞由 周 期 變 化 的 熱 應 力 或 熱 應 變 引 起 的 材 料 破 壞稱 為 熱 疲 勞 。 如 熱 軋 輥 、 氣 輪 機 葉 片 、 熱 鍛 模、 柴 油 機 活 塞 、 制 動 盤 等 在 使 用 過 程 中 ， 都 受到 溫 度 變 化 而 引 起

41、的 膨 脹 和 收 縮 ， 當 這 種 膨 脹和 收 縮 受 到 制 約 時 就 會 在 機 件 內(nèi) 部 產(chǎn) 生 應 力 。工 件 產(chǎn) 生 熱 疲 勞 破 壞 必 須 具 備 兩 個 條 件 ：（ 1） 溫 度 循 環(huán) 變 化（ 2） 工 件 的 熱 變 形 受 到 約 束 。 2021-7-31 57河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 由 溫 差 T引 起 的 膨 脹 變 形 量 為 T， 若 該 變 形 完 全被 約 束 ， 則 產(chǎn) 生 的 熱 應 力 為 ： = ET經(jīng) 過 足 夠 的 溫 度 變 動 循 環(huán) 后 ， 這 種 變 形 造 成 的 損 傷累 積 將 引 發(fā) 疲 勞 裂

42、紋 ， 并 導 致 材 料 龜 裂 或 斷 裂 。當 熱 應 力 超 過 材 料 高 溫 屈 服 強 度 時 ， 將 會 發(fā) 生 局 部塑 性 變 形 。 加 熱 時 產(chǎn) 生 壓 應 力 ， 冷 卻 后 產(chǎn) 生 拉 應 力 2021-7-31 58河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 熱 疲 勞 性 能 以 在 一 定 溫 度 幅 下 、 產(chǎn) 生 一 定 尺 寸的 疲 勞 裂 紋 所 經(jīng) 歷 的 循 環(huán) 次 數(shù) ， 或 以 規(guī) 定 的 循環(huán) 周 次 下 產(chǎn) 生 裂 紋 的 長 度 來 表 示 。 對 于 急 熱 急 冷 材 料 ， 其 抗 熱 震 斷 裂 的 臨 界 溫度 波 動 值 為 ：

43、 f為 材 料 的 斷 裂 強 度 ； E、 、 分 別 為 材 料 的 彈性 模 數(shù) 、 泊 松 比 和 熱 膨 脹 系 數(shù) 。(1 ) C fET 2021-7-31 59河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 熱 疲 勞 破 壞 是 材 料 內(nèi) 部 損 傷 積 累 的 結(jié) 果 ， 屬 低周 疲 勞 ， 滿 足 Coffin-Manson公 式 ， 可 得 ：不 論 塑 性 應 變 幅 p如 何 ， 最 終 累 積 的 塑 性 變 形總 量 是 常 數(shù) 。2 (2 ) 2p c cf f fN N 或 （ ） 常 數(shù) 2021-7-31 60河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 影 響

44、材 料 熱 疲 勞 性 能 的 因 素金 屬 材 料 不 可 避 免 地 會 有 大 小 、 數(shù) 量 不 等 的 夾 渣 、氣 孔 和 裂 紋 等 缺 陷 ， 這 些 都 會 降 低 金 屬 材 料 的 熱 疲勞 強 度 和 壽 命 。陶 瓷 材 料 也 不 可 避 免 地 會 產(chǎn) 生 微 裂 紋 和 氣 孔 等 ， 氣孔 常 常 能 抑 制 微 裂 紋 ， 不 僅 鈍 化 了 裂 紋 尖 端 ， 降 低了 應 力 集 中 ， 能 提 高 熱 疲 勞 壽 命 。 但 氣 孔 有 隔 熱 作用 ， 使 局 部 溫 度 更 高 ， 產(chǎn) 生 更 高 的 熱 應 力 和 更 大 的熱 應 變 ， 降

45、低 疲 勞 壽 命 。 2021-7-31 61河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 影 響 材 料 熱 疲 勞 性 能 的 因 素導 熱 系 數(shù) ： 導 熱 系 數(shù) 高 ， 熱 疲 勞 性 能 好 。彈 性 模 數(shù) ： 彈 性 模 數(shù) 高 ， 熱 疲 勞 性 能 差 。塑 性 和 韌 性 ： 塑 性 和 韌 性 好 ， 熱 疲 勞 性 能 好 。組 織 穩(wěn) 定 性 ： 鐵 素 體 /珠 光 體 相 變 ， 體 積 變 化 ，產(chǎn) 生 相 變 應 力 。 2021-7-31 62河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 小 結(jié)疲 勞 破 壞 的 變 動 應 力疲 勞 破 壞 的 概 念 和 特 點疲 勞 破 壞 的 宏 觀 特 征 、 微 觀 特 征疲 勞 破 壞 的 機 理疲 勞 抗 力 指 標 ： 疲 勞 強 度 、 過 載 持 久 值、 過 載 損 傷 界 、 疲 勞 缺 口 敏 感 度 2021-7-31 河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 63 作 業(yè)P.108， 第 5題 ；P.109， 第 11題 。 2021-7-31 河 海 大 學 機 電 工 程 學 院 64