5材料力学性能__第五章

材料的力学性能材料与化工学院•1850-1860，Wöhler先生用试验方法研究了车轴的断裂事故，提出了应力-寿命图（S-N)和疲劳极限概念。•1870-1890，Gerber研究了平均应力对寿命的影响，Goodman提出了完整的平均应力影响理论。•1920，Griffith用能量法研究了含裂纹体的有关材料强度理论，初步奠定了事隔20年后由Irwin发展起来的断裂力学理论基础。•1945年，由Miner提出的线性累计损伤理论问世。•1960年，Manson-Coffin提出了塑性应变与疲劳寿命的关系。•1961年，Paris提出了疲劳裂纹扩展速率的概念。•1974年美国军方采用了损伤容损设计方法。•目前，材料的疲劳研究方兴未艾，断裂力学、损伤力学和材料物理学结合，已从宏观、细观和微观领域对疲劳问题进行着广泛的研究。前言材料的疲劳问题研究从近150多年开始一直受到人们的关注，原因之一就是工程中的零件或构件的破坏80%以上是由于疲劳引起。前言疲劳破坏表现的形式：机械疲劳—外加应力/应变波动造成的。蠕变疲劳—循环载荷与高温联合作用下的疲劳。热机械疲劳—循环受载部件的温度变动时材料的疲劳。腐蚀疲劳、接触疲劳、微动疲劳、电致疲劳等等。前言1、变动载荷→疲劳断裂。前言2、研究疲劳的一般规律、疲劳破坏过程及机理、疲劳力学性能及其影响因素等。第五章材料的疲劳性能§5.1金属疲劳现象及特点§5.2疲劳曲线及基本疲劳力学性能§5.3疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值§5.4疲劳过程及机理（简述）§5.5影响疲劳强度的主要因素(自学)§5.6低周疲劳(自学)§5.1金属疲劳现象及特点一、变动载荷和循环应力二、疲劳现象及特点三、疲劳宏观断口特征一、变动载荷和循环应力1、疲劳：变动载荷和应变→长期作用→累积损伤→断裂。2、变动载荷：载荷大小，甚至方向随时间而变化的载荷。3、变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值。4、变动应力分类：规则周期变动应力(或称循环应力)；无规则随机变动应力。5、循环应力：周期性变化的应力。有正弦波、矩形波和三角波等。最常见的为正弦波。一、变动载荷和循环应力6、表征应力循环特征的参量①最大循环应力σmax，最小循环应力σmin；②平均应力σm＝(σmax+σmin)/2；③应力幅σα或应力范围Δσ：σα=Δσ/2=(σmax-σmin)/2；④应力比r＝σmin/σmax。⑤载荷谱：载荷-时间历程曲线一、变动载荷和循环应力7、循环应力类型（按应力比和平均应力）：(1)对称循环：σm＝0，r＝-1。(2)不对称循环：σm≠0，-1r1。(3)脉动循环：σm＝σα0，r＝0或σm＝σα0，r＝∞。(4)波动循环（重复载荷）：σmσα，0＜r＜1。(5)随机变动应力：循环应力呈随机变化。二、疲劳现象及特点1、疲劳破坏的概念：(1)疲劳的破坏过程：变动应力→薄弱区域的组织→逐渐发生变化和损伤累积、开裂→裂纹扩展→突然断裂。(2)疲劳破坏：循环应力引起的延时断裂，其断裂应力水平往往低于材料的抗拉强度，甚至低于其屈服强度。(3)疲劳寿命：机件疲劳失效前的工作时间。(4)疲劳断裂：经历了裂纹萌生和扩展过程。断口上显示出疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂区的特征。二、疲劳现象及特点2．疲劳破坏的特点：(1)一种潜藏的突发性破坏，呈脆性断裂。(2)疲劳破坏属低应力循环延时断裂。(3)对缺陷具有高度的选择性。(4)可按不同方法对疲劳形式分类。按应力状态分，有弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳及复合疲劳。按应力高低和断裂寿命分，有高周疲劳(低应力疲劳，σ＜σs)和低周疲劳(高应力疲劳或应变疲劳)。三、疲劳宏观断口特征1、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。2、疲劳源：(1)多出现在机件表面，常和缺口、裂纹等缺陷及内部冶金缺陷(夹杂、白点等)有关。(2)疲劳源区比较光亮，该区表面硬度有所提高。(3)疲劳源可以是一个，也可以是多个。三、疲劳宏观断口特征3、疲劳区：(1)断口较光滑并分布有贝纹线(或海滩花样)，有时还有裂纹扩展台阶。(2)断口光滑是疲劳源区的延续，其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱；(3)贝纹线是疲劳区的最典型特征，一般认为是因载荷变动引起的。每组贝纹线好像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。三、疲劳宏观断口特征4、瞬断区：(1)KⅠ≥KⅠc时，裂纹就失稳快速扩展，导致机件瞬时断裂．断口粗糙，脆性断口呈结晶状；韧性断口在心部平面应变区呈放射状或人字纹状，边缘平面应力区则有剪切唇区存在。(2)瞬断区一般应在疲劳源对侧。§5.2疲劳曲线及基本疲劳力学性能一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限二、疲劳图和不对称循环疲劳极限三、抗疲劳过载能力四、疲劳缺口敏感度一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限1850-1860，维勒（Wöhler）先生用试验方法研究了车轴的断裂事故，提出了疲劳曲线【应力-寿命图（S-N)】和疲劳极限概念。车轴工作状态是旋转弯曲，因此属于旋转弯曲疲劳。【按应力状态分，有弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳及复合疲劳。】一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限1、旋转弯曲疲劳试验：(1)四点弯曲，对称循环(σm＝0，r＝-1)。(2)测定方法：①试样（若干--1,2,3,…n）旋转弯曲疲劳试验机；②选择最大循环应力σmax(0.67σb～0.4σb)（σ1，σ2，σ3…～σn）；③对每个试样进行循环加载试验,直至断裂；④测定应力循环数N(N1,N2,N3…～Nn)；⑤得到(σ1,N1),(σ2,N2)……⑥绘制σ(σmax)-N(lgN)曲线。一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限2、疲劳S-N曲线其他不对称循环应力,也可作出相应的疲劳曲线，它们统称为S-N曲线，一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限3、金属材料疲劳曲线类型：一类有水平线（典型）→σr；(材料的疲劳强度或极限)疲劳应力判据：σ≤σr一类无水平线→条件疲劳强度或极限。一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限（二）疲劳曲线的测定升降法和成组法。一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限（三）不同应力状态下的疲劳极限(1)同种材料→不同应力状态→应力—寿命曲线不同→疲劳极限也不相同。(2)经验关系式：钢：σ-1p=0.85σ-1铸铁：σ-1p=0.65σ-1铜及轻合金：τ-1=0.55σ-1铸铁：τ-1=0.80σ-1(3)同种材料：σ-1σ-1pτ-1。一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限（四）疲劳强度与静强度间关系：材料的抗拉强度愈大,其疲劳强度也愈大。二、疲劳图和不对称循环疲劳极限①最大循环应力σmax，最小循环应力σmin；②平均应力σm＝(σmax+σmin)/2；③应力幅σα或应力范围Δσ：σα=(σmax-σmin)/2；④应力比r＝σmin/σmax⑤以及疲劳极限σrσmax=σr=σm+σα1.σα-σm疲劳图σmax=σr=σm+σα在不同应力比r条件下，将σmax表示的疲劳极限σr分解为σα和σm，并在该坐标系中作ABC曲线，则得到σα-σm疲劳图。OB:σr与r的几何关系：所以只要知道应力比r，代入上式就可求出α，在图上作角度α的直线，与AC交于点B，即可求出相应r的疲劳极限1.σα-σm疲劳图2、σmax(σmin)-σm疲劳图(1)脆性材料σmax(σmin)-σm疲劳图:①AHB曲线就是在不同应力比r下的σmax值；AEC在不同应力比r下的σmin值；AO在不同应力比r下的σm值。②AHB曲线上各点σmax值即表示由-1r1各状态下的疲劳强度。其r值与AHB线上任一点与原点O的连线与横坐标夹角α存在以下关系：③r→tanα→α→σmax。2、σmax(σmin)-σm疲劳图(2)塑性材料σmax(σmin)-σm疲劳图：三、抗疲劳过载能力过载分类：长久过载(σσ-1)→有限寿命服役；偶然过载。1、过载持久值(长久过载、有限疲劳寿命)：(1)材料在高于疲劳强度的一定应力(σσ-1)下工作，发生疲劳断裂的应力循环周次。(2)由疲劳曲线倾斜部分确定。(3)材料耐久强度：即过载应力。三、过载持久值及过载损伤界2、过载损伤界（偶然过载）(1)过载损伤界:短期过载对材料性能的影响，取决于过载应力及过载周次。实验证明，材料在过载应力水平下只有运转一定周次后，疲劳强度或疲劳寿命才会降低，造成过载损伤。把在每个过载应力下,运行能引起损伤的最少循环周次,连接起来,就得到该材料的过载损伤界．(2)过载损伤区：过载损伤界到疲劳曲线间的影线区。(3)材料的过载损伤界越陡直，损伤区愈窄，则其抵抗疲劳过载能力就愈强。四、疲劳缺口敏感度qfqf=(Kf-1)/(Kt-1)Kt理论应力集中系数；Kf为疲劳缺口系数；Kf=σ-1/σ-1N；0qf1;qf随材料强度增高而增大。同时，缺口形状对qf有一定影响。•（1）Kf=Kt，即缺口试样疲劳过程中应力分布与弹性状态完全一样，没有发生应力重新分布，这时缺口降低疲劳极限最严重，疲劳缺口敏感度qf=1，材料的缺口敏感性最大。•（2）Kf=1，σ-1=σ-1N，缺口不降低疲劳极限，说明疲劳过程中应力产生了很大的重分布，应力集中效应完全被消除，qf=0，材料的缺口敏感性最小。•所以qf值能反映在疲劳过程中材料发生应力重新分布，降低应力集中的能力。•高周疲劳时：大多数金属都对缺口十分敏感；•低周疲劳时：大多数金属都对缺口不太敏感，这是因为后者缺口根部区域已处于塑性区内，发生应力松弛，使应力集中降低所致。根据疲劳缺口敏感度评定材料时，可能会出现两种极端情况：四、疲劳缺口敏感度qf二、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。1、对称循环(r=-1)疲劳强度弯曲(σ-1)、扭转(τ-1)、拉压(σ-1p)等。§5.3疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值疲劳过程是由裂纹萌生、亚稳扩展及最后失稳扩展所组成的。亚稳扩展最为重要。§5.3疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值一、疲劳裂纹扩展曲线二、疲劳裂纹扩展速率三、疲劳裂纹扩展寿命的估算一、疲劳裂纹扩展曲线(3)预制疲劳裂纹（裂纹长度a0）；(4)循环加载（固定r及Δσ）；(5)记录裂纹长度a随N循环增长情况；(6)一定的N对应一定的a，直到断裂；(7)疲劳裂纹扩展（N-a）曲线;(8)疲劳裂纹扩展速率da/dN。(1)试样（SENB3或CCT或CT）；(2)高频疲劳试验机(疲劳裂纹长度测量装置)；一、疲劳裂纹扩展曲线二、疲劳裂纹扩展速率3、疲劳裂纹扩展速率曲线da/dN-ΔKⅠ（lgda/dN-lgΔKⅠ）将a-N曲线上各点的da／dN值用图解微分法或递增多项式计算法计算出来;利用应力强度因子幅(ΔKⅠ)公式将相应各点的ΔKⅠ值求出，在双对数坐标系上描点连接即得lgda/dN-lgΔKⅠ曲线。1、疲劳裂纹扩展速率（da/dN）与应力及裂纹尺寸有关。2、应力强度因子幅(ΔKⅠ)：二、疲劳裂纹扩展速率4、lg(da/dN)-lgΔKⅠ曲线：I区是疲劳裂纹的初始扩展阶段:da/dN=10-8～10-6mm/周次；Ⅱ区是疲劳裂纹扩展的主要阶段:da/dN=10-5～10-2mm/周次;Paris公式：da/dN=C(ΔKⅠ)nⅢ区是疲劳裂纹扩展的最后阶段。5、疲劳裂纹扩展门槛值(ΔKth)：代表疲劳裂纹不扩展的ΔKⅠ临界值。da/dN=06、裂纹件不疲劳断裂（无限寿命）的校核公式：二、疲劳裂纹扩展速率7、工程（条件）疲劳门槛值(ΔKth)：平面应变，da/dN=10-6～10-7mm/周次所对应的ΔK为ΔKth。二、疲劳裂纹扩展速率8、Paris公式：da/dN=C(ΔK)n三、疲劳裂纹扩展寿命的估算定性说明：也称疲劳剩余寿命：初始裂纹长a0扩展到临界长ac所需的循环周次N。无损探伤确定a0、形状、位置、取向→确定ΔKⅠ；已知KⅠC及Δσ→确定ac；根据疲劳裂纹扩展速率表达式，计算从a0到ac所需的循环周次N。疲劳裂纹扩展速率表达式常选用Paris公式da/dN=C(ΔKⅠ)n三、疲劳裂纹扩展寿命的估算二、疲劳裂纹扩展速率1、疲劳裂纹扩展速率(da/dN