1-材料性能学(5-1,2)

*第五章材料的疲劳性能河海大学机电工程学院*河海大学机电工程学院Thedogequallystudy,thegentlemanequallyplays.河海大学机电工程学院* 中国就有这么一群奇怪的人，本身是最低阶层，利益每天都在被损害，却具有统治阶级的意识。在动物世界里找这么弱智的东西都几乎不可能。 ——林语堂(1895-1976)**复习 应力强度因子KI 断裂韧度KIc 影响材料断裂的因素 特殊改性处理提高断裂韧度的方法**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院本章主要内容 介绍材料的疲劳破坏的特征、机理、材料疲劳性能的测定、影响材料或机件疲劳性能的因素以及提高材料或机件疲劳性能的措施。 重点掌握疲劳破坏的机理、疲劳强度的测定方法和影响材料或机件疲劳性能的因素。*河海大学机电工程学院*河海大学机电工程学院第一节疲劳破坏的一般规律 什么是疲劳？ 变动载荷是？*工件在变动载荷和应变的长期作用下，因积累损伤而引起的断裂现象。载荷大小、方向随时间变化的载荷.*河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院*变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值。*河海大学机电工程学院变动应力的各类情况：河海大学机电工程学院循环应力 表征循环应力特征的参量：**河海大学机电工程学院 河海大学机电工程学院* 循环应力的类型：循环应力 对称循环： 不对称循环： 脉动循环： 波动循环： 随机变动应力：σm＝0，r＝－1σm≠0，－1＜r＜1σm＝σa＞0，r＝0；σm＝σa＜0，r＝∞σm＞σa，0＜r＜1*河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院疲劳破坏的概念 疲劳破坏的过程 疲劳寿命*在变动应力作用下薄弱区域逐渐萌生裂纹，且引起裂纹的扩展，当裂纹扩展到一定程度后发生突然断裂。 疲劳破坏过程：从局部区域开始的损伤积累，最终引起整体破坏的过程。 裂纹萌生和扩展过程：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区机件在疲劳失效前的工作时间（次数）。主要影响因素：循环应力*河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院疲劳破坏的特点 与静载、一次性冲击加载比较： 疲劳的分类：* 脆性断裂——潜藏的、突发性破坏(疲劳破坏前无塑性变形、呈脆性断裂) 低应力循环延时断裂——有寿命的断裂 应力状态：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳； 应力高低和断裂寿命：高周疲劳（低应力疲劳，N>105，σ<σs）；低周疲劳（高应力疲劳、应变疲劳，N=102~105，σ>=σs）*河海大学机电工程学院 对缺陷十分敏感：河海大学机电工程学院疲劳断口的宏观特征 三个特征区：疲劳源光亮来源：缺口、裂纹；冶金缺陷；数目：应力大小疲劳裂纹扩展区光滑且分布有贝纹线贝纹线形状（凹、凸）、贝纹线间距、贝纹线范围瞬断区脆性材料：结晶状；韧性材料：放射状或人字纹状，并有剪切唇位置：疲劳源对侧；大小(名义应力、材料韧脆性)**河海大学机电工程学院疲劳裂纹萌生的策源地，多在表面河海大学机电工程学院**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院第二节疲劳破坏的机理 疲劳过程：疲劳裂纹萌生、裂纹亚稳扩展、裂纹失稳扩展 疲劳裂纹的萌生：在材料的薄弱区和高应力区，通过不均匀滑移、微裂纹形成和长大而完成。疲劳裂纹核：一般0.05~0.10mm的裂纹裂纹萌生期：形成裂纹疲劳核的循环周期*河海大学机电工程学院*河海大学机电工程学院 疲劳微裂纹的形式：*河海大学机电工程学院*表面滑移带开裂;第二相、夹杂物与基体界面或夹杂物本身开裂;晶界或亚晶界开裂。1）不均匀滑移；2）显微开裂.河海大学机电工程学院 疲劳裂纹的扩展：*河海大学机电工程学院*第Ⅰ阶段：沿最大切应力方向扩展速度极慢、扩展总量小第Ⅱ阶段：沿垂直拉应力方向穿晶扩展扩展速度随循环周次增加而增加疲劳断口最典型的微观特征：疲劳条带略微弯曲并相互平行的沟槽状花样，与裂纹扩展方向垂直。河海大学机电工程学院*河海大学机电工程学院* 脆性疲劳条带 韧性疲劳条带 相互平行的弧状条纹 有 有 解理台阶的河流花样，大致垂直于疲劳条带 有 无河海大学机电工程学院 疲劳条带和贝纹线的区别： 疲劳断口的微观、宏观特征； 相邻贝纹线间可能有许多疲劳条带； 既可同时出现，也可不同时出现。*河海大学机电工程学院*疲劳条带的特点： 滑移系多的面心立方金属中，较明显； 滑移系较少或组织状态复杂的钢铁材料中，常短窄而紊乱河海大学机电工程学院第三节疲劳抗力指标 疲劳强度 过载持久值 疲劳缺口敏感度 疲劳裂纹扩展速度*河海大学机电工程学院*河海大学机电工程学院 从0.67σb到0.4σb选择几个等级的应力水平，σ1、σ2、……、σn，测定每个应力水平的试样从加载到断裂所需的循环次数N1、N2、……、Nn。 绘制成σ—N曲线。 疲劳试验方法*河海大学机电工程学院*临界应力σ-1疲劳强度σ-1：σ≤σ-1为无限寿命的疲劳应力判据。非对称循环应力的疲劳强度σr金属材料的疲劳曲线——类型：有水平线；无水平线河海大学机电工程学院 当循环应力小于一临界值时，试样不会断裂。这个临界值就定义为材料的疲劳强度，记作σr。此时，σ-N曲线呈水平线。 当载荷应力σ≤σr时，工件不会发生疲劳断裂，认为是无限寿命。**河海大学机电工程学院二、疲劳强度河海大学机电工程学院疲劳曲线类型： 无限疲劳寿命:有水平线，如结构钢和球墨铸铁等； 有限疲劳寿命:没有水平线，如有色金属、不锈钢和高强度钢。根据材料使用要求，测定N=106、107或108有限寿命的疲劳强度。 同一材料在不同的试验环境下，会有不同的疲劳曲线。**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院疲劳强度 定义：在指定疲劳寿命下，材料能承受的上限循环应力。 对称循环疲劳强度对称弯曲σ-1；对称扭转τ-1；对称拉压σ-1p 不对称循环疲劳强度σmax(σmin)—σm疲劳图*河海大学机电工程学院* 机件承受不对称循环载荷， 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 时如何选材？理论上可以模拟试验测定，实际上很难实现。 一般采用作图法，求出各种不对称循环载荷下的疲劳强度。河海大学机电工程学院 B、C点：σ-1 A点：σb H点：σ0 AHB曲线为σmax，AEC曲线为σmin。 图表示了r=-1~1各种状态下的疲劳强度。**河海大学机电工程学院求不对称循环疲劳强度——疲劳图A点表示静拉伸；B点表示对称载荷河海大学机电工程学院 AHB线上一点与原点O的连线与横坐标夹角α存在以下关系： 根据已知r，求得α，用作图法求出在AHB上的点，即σmax。**河海大学机电工程学院求不对称循环疲劳强度——疲劳图适用于脆性材料河海大学机电工程学院 最早的疲劳图中，AHB和AEC是直线。 Gerber建议将AHB改为抛物线，即：**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院对于塑性材料： B点：σ-1 A点：σs H点：σ0 只要知道σ-1、σs，再测定一个σ0，就可以绘制出塑性材料的疲劳图。 疲劳图可以计算出不同循环应力状态的疲劳强度。σ-1ABCHPQR0σ0.2σ0σmσmaxσminE**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院弯曲、扭转和抗压疲劳强度存在以下经验关系对称拉压疲劳强度σ-1p对称扭转疲劳强度τ-1对称弯曲疲劳强度σ-1同种材料的疲劳强度：这些经验公式有一定误差，约10~30%。 弯曲时，试样截面上应力分布不均匀，表面应力最大，仅表面层产生疲劳损伤； 拉压时，试样截面的应力分布均匀，整个截面都有可能疲劳损伤； 扭转时，切应力大，比变动拉应力更易使材料发生滑移，产生疲劳损伤。*河海大学机电工程学院*河海大学机电工程学院 疲劳强度与静强度之间的关系材料的抗拉强度越大，其疲劳强度也越大中低强度钢，疲劳强度与抗拉强度呈线形关系对于高强度材料，塑性和断裂韧性降低，裂纹易于形成和扩展，线性关系被改变。*河海大学机电工程学院*河海大学机电工程学院三、过载持久值及过载损伤界 实际服役过程中机件不可避免地会受到偶然的过载作用，如紧急刹车、突然启动等。 有的机件不需要无限寿命，如按疲劳强度来设计就不合理了。1、过载持久值 材料在高于疲劳强度的应力下工作，发生疲劳断裂的循环周次称为材料的过载持久值，也称为材料的有限疲劳寿命。 过载持久值表征了抗过载能力，由疲劳曲线倾斜部分确定。曲线倾斜越陡，持久值就越高。**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院过载持久值及过载损伤界 过载持久值，有限疲劳寿命 材料在高于疲劳强度的一定应力下工作，发生疲劳断裂的应力循环周次 疲劳曲线的倾斜部分确定 过载应力，材料耐久强度 过载损伤界 短期过载对材料性能的影响，过载应力和过载周次 把每个过载应力下运行能引起损伤的最少循环周次连接起来就得到材料的过载损伤界。 过载损伤界到疲劳曲线间的影线区，过载损伤区。*河海大学机电工程学院*河海大学机电工程学院2、过载损伤界 实际机件往往受短期过载，如启动。 过载对疲劳强度的影响取决于过载应力大小和过载周次。 把不同过载应力下引起损伤的最小循环周次连接起来就得到材料的过载损伤界。**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院 过载循环周次离疲劳曲线越近，对疲劳强度或寿命的损伤越大；应力越高，开始发生过载损伤的循环周次就越少。 界线越陡，区域越窄，材料抵抗疲劳过载的能力就越强。 宁可选用σ-1低一些，也要选过载区窄的材料。**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院四、疲劳缺口敏感性 静载时，应力集中使局部应力超过材料的屈服强度产生塑性变形。只要材料有足够的塑性，缺口造成的应力集中作用就不明显；只要塑性变形不太大，就不会产生多大的影响。 动载时，零件承受的应力水平远低于屈服极限，应力集中难以发生明显的塑性变形，但在交变应力的作用下裂纹却不断扩展。 变动载荷下，缺口的影响远比静载时大。**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院疲劳缺口敏感性 缺口敏感性用疲劳缺口敏感度qf来表示：**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院 疲劳缺口敏感度qf Kt理论应力集中系数，＞1。 Kf疲劳缺口系数，为光滑试样和缺口试样疲劳强度之比,＞1 表示材料在变动应力作用下的缺口敏感性。*河海大学机电工程学院*河海大学机电工程学院 疲劳缺口敏感性 当Kf=1时，qf为零，表示材料对缺口完全不敏感。 Kf=Kt时，qf=1，表示材料对缺口十分敏感。 一般qf随着材料强度的增加而增大：结构钢：qf=0.6~0.8球铁：qf=0.15~0.25灰铸铁：qf=0~0.05**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院五、疲劳裂纹扩展速率及门槛值 在一定应力比r和应力幅△σ条件下，试样经N次循环后，测裂纹长度a。 作出a—N的关系曲线。 当裂纹长大到临界ac时，裂纹失稳扩展，试样断裂。**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院疲劳裂纹扩展速率 曲线斜率da/dN就是疲劳裂纹的扩展速率，随裂纹的扩展，da/dN不断增大。 da/dN与裂纹尺寸a和应力幅△σ有关。 疲劳裂纹扩展速率是指疲劳裂纹亚稳扩展阶段的速率，是裂纹扩展的第二阶段。疲劳裂纹亚稳扩展阶段的速率**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院疲劳裂纹扩展的门槛值 引入应力强度因子幅△KI的概念，可将a和△σ的结合在一起： △KI是裂纹尖端控制疲劳裂纹扩展的力学参量。**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院对a－N曲线中的每个点： 计算出△KI 求出da/dN值 作出lg(da/dN)—lg△KI曲线。**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院 lg(da/dN)—lg△KI曲线。**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院曲线分3区段： Ⅰ区是疲劳裂纹的初始扩展阶段，da/dN很小，约10-8~10-6mm/周次 Ⅱ区疲劳裂纹扩展的主要阶段，随着△KI值增加，da/dN快速增加 Ⅲ区da/dN急剧增加，材料失稳断裂 △Kth代表裂纹不扩展的△KI临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值。表征材料阻止疲劳裂纹开始扩展的能力。**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院 Ⅱ区是疲劳裂纹的主要扩展阶段，占整个扩展寿命的绝大部分。该区da/dN约10-5~10-2mm/周次。 da/dN与△KI的关系为：da/dN=C(△KI)n该式称为Paris公式。C、n为材料常数。 该区裂纹扩展进程较快，△KI的变化范围大，占扩展寿命也较长**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院疲劳裂纹扩展门槛值的应用 裂纹体不发生疲劳裂纹扩展的条件是： 在△Kth、△σ、a三个参量中，只要知道两个就可以求出第三个，△Kth是材料的特性参量。 已知△Kth、a，求出该件在无限疲劳寿命的承载能力： 已知△Kth、△σ，求出允许的裂纹尺寸： **河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院疲劳裂纹扩展门槛值的应用 实际很难测定da/dN=0时的△Kth值。工程上常规定平面应变状态下，da/dN=10-6~10-7mm/周次时对应的△KI值为△Kth，并称之为条件疲劳裂纹扩展门槛值。 大多数金属材料的△Kth值很小，约为(5~10%)△KIC。如钢△Kth≤9MPa.m1/2、铝合金△Kth≤4MPa.m1/2。**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值的应用 用Paris公式计算疲劳剩余寿命**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院复习 疲劳破坏的特点是什么？ 疲劳破坏的宏观断口特征；微观断口特征；韧、脆材料在微观断口特征上的差别？ 疲劳抗力指标有哪些？ 疲劳强度？ 过载持久值？ 疲劳缺口敏感度qf？ 疲劳裂纹扩展门槛值△Kth？疲劳寿命？*河海大学机电工程学院*河海大学机电工程学院作图：不对称循环疲劳强度 某种铸铁的σb为450MPa，现测得它的对称弯曲疲劳强度σ-1为200MPa，请问在应力比r为1/3时该材料的不对称循环疲劳强度是多少？（已知tan56.3º≈1.5）*河海大学机电工程学院*河海大学机电工程学院第四节影响材料疲劳强度的因素**河海大学机电工程学院 工作条件 表面状态及尺寸因素 表面处理及表面强化 材料因素 应力状态应力比过载情况平均应力载荷频率环境温度环境介质 尺寸效应表面粗糙度缺口效应 表面喷丸表面滚轧表面热处理表面涂层 化学成分组织结构纤维方向内部缺陷河海大学机电工程学院一、工作条件的影响1、载荷条件（1）应力状态、平均应力和应力比的影响。（2）次载锻炼：在低于疲劳强度应力下先运转一定时间，可提高材料的疲劳强度。新机器先空运转或低速运转一定时间，既能跑合又能提高零部件的疲劳寿命。**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院（3）在过载损伤区内的过载将降低疲劳强度。（4）间歇效应：对应变时效材料，在循环加载运行中，若间隙空载一段时间或间隙时适当加温，可提高疲劳强度或延长疲劳寿命。（5）载荷频率：在一定频率范围（170~1000Hz）内，材料的疲劳强度随加载频率的提高而提高。在常用的频率50~170Hz范围内，材料的疲劳强度基本不受频率的影响。低于1Hz加载时，疲劳强度会有所降低。一、工作条件的影响**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院一、工作条件的影响2、温度 随着温度的降低，疲劳强度升高；温度升高，疲劳强度降低。注意：有些材料在一定的温度范围内有时效和热脆现象，疲劳强度会出现峰值和谷值。 结构钢在400℃以上时，疲劳强度急剧下降。耐热钢在550~650℃以上疲劳强度才会明显下降。 高温时材料的疲劳强度没有水平段，疲劳强度只能按规定的循环周次确定。**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院3、腐蚀介质 腐蚀使材料表面产生蚀坑，从而导致降低材料的疲劳强度。 一般腐蚀疲劳曲线没有水平段，只能按规定的循环周次确定。一、工作条件的影响**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院二、表面状态和尺寸因素的影响1、机件表面的缺口、刀痕、擦伤和缺陷等，都会引起应力集中，是疲劳源，使疲劳强度降低。2、尺寸因素 机件尺寸增大，疲劳强度下降，称为尺寸效应。尺寸效应系数：ε=(σ-1)d/σ-1(σ-1)d表示直径为d的机件的疲劳强度，σ-1表示小试样的疲劳强度。 缺口试样比光滑试样的尺寸效应更加明显。**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院三、表面强化及残余应力的影响1、提高材料表面力学性能。疲劳破坏往往是从工件的表面开始的，提高表面强度，就能提高工件的疲劳寿命。2、产生表面压应力。能减小工件表面的拉应力，能提高疲劳强度。3、表面强化的方法：喷丸、滚压、表面淬火和化学热处理，以及复合强化等。**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院四、材料成分和组织的影响 合金成分结构钢；碳——固溶/弥散 非金属夹杂物和冶金缺陷 显微组织(1)晶粒度(2)各组分的相对量回火马氏体疲劳强度最好；淬火组织中铁素体、奥氏体——易引发疲劳裂纹应力状态：高周疲劳、低周疲劳**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院第五节热疲劳 由周期变化的热应力或热应变引起的材料破坏称为热疲劳。如热轧辊、气轮机叶片、热锻模、柴油机活塞、制动盘等在使用过程中，都受到温度变化而引起的膨胀和收缩，当这种膨胀和收缩受到制约时就会在机件内部产生应力。 工件产生热疲劳破坏必须具备两个条件：（1）温度循环变化（2）工件的热变形受到约束。**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院 由温差ΔT引起的膨胀变形量为αΔT，若该变形完全被约束，则产生的热应力为：Δσ=EαΔT 经过足够的温度变动循环后，这种变形造成的损伤累积将引发疲劳裂纹，并导致材料龟裂或断裂。 当热应力超过材料高温屈服强度时，将会发生局部塑性变形。加热时产生压应力，冷却后产生拉应力**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院 热疲劳性能以在一定温度幅下、产生一定尺寸的疲劳裂纹所经历的循环次数，或以规定的循环周次下产生裂纹的长度来表示。对于急热急冷材料，其抗热震断裂的临界温度波动值为：σf为材料的断裂强度；E、ν、α分别为材料的弹性模数、泊松比和热膨胀系数。**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院 热疲劳破坏是材料内部损伤积累的结果，属低周疲劳，满足Coffin-Manson公式，可得： 不论塑性应变幅εp如何，最终累积的塑性变形总量是常数。**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院影响材料热疲劳性能的因素 金属材料不可避免地会有大小、数量不等的夹渣、气孔和裂纹等缺陷，这些都会降低金属材料的热疲劳强度和寿命。 陶瓷材料也不可避免地会产生微裂纹和气孔等，气孔常常能抑制微裂纹，不仅钝化了裂纹尖端，降低了应力集中，能提高热疲劳寿命。但气孔有隔热作用，使局部温度更高，产生更高的热应力和更大的热应变，降低疲劳寿命。**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院影响材料热疲劳性能的因素 导热系数：导热系数高，热疲劳性能好。 弹性模数：弹性模数高，热疲劳性能差。 塑性和韧性：塑性和韧性好，热疲劳性能好。 组织稳定性：铁素体/珠光体相变，体积变化，产生相变应力。**河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院小结 疲劳破坏的变动应力 疲劳破坏的概念和特点 疲劳破坏的宏观特征、微观特征 疲劳破坏的机理 疲劳抗力指标：疲劳强度、过载持久值、过载损伤界、疲劳缺口敏感度*河海大学机电工程学院*河海大学机电工程学院作业 P.108，第5题； P.109，第11题。*河海大学机电工程学院*河海大学机电工程学院*