4-材料的疲劳与断裂

Fatigue&Fracture4.1疲劳概述(introduction)什么是疲劳？4.1.1扰动（变动）应力疲劳断裂破坏的严重性4.1.2疲劳破坏的特点4.1.3疲劳宏观断口2012-4-19wzhuoyt14材料的疲劳与断裂何谓疲劳？2012-4-19wzhuoyt2·疲劳:特指材料或构件在应力或应变反复作用下发生损伤和断裂的现象。·疲劳断裂是最常见的破坏形式。各类机件破坏中80%~90%属于疲劳断裂。·疲劳断裂通常发生在远低于材料静强度的变动应力条件下出现，而且破坏前不发生明显塑性变形，难以检测和预防。造成的危害大。什么是材料的疲劳？2012-4-19wzhuoyt3·1939年法国工程师ponceletJ.V·在巴黎大学讲课时首先使用“疲劳”这一术语，用来描述材料在循环载荷作用下承载能力逐渐耗尽以致最后突然断裂的现象。什么是材料的疲劳？2012-4-19wzhuoyt4在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹(损伤)或完全断裂的材料中所发生的局部的永久性结构变化的发展过程，称为疲劳。（P.143，第一段)疲劳断裂的表现形式2012-4-19wzhuoyt5·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：在侵蚀性化学介质或致脆介质环境中施加变动载荷引起的疲劳。·磨损疲劳：接触疲劳、微动疲劳、·电致疲劳2012-4-19wzhuoyt6疲劳的分类（细化）2012-4-19wzhuoyt7·1．按试样破断时应力（应变）循环周次高低分：低周疲劳试验、高周疲劳试验。失效循环周次大于5X104的称为高周疲劳试验，小于5X104的称为低周疲劳试验。·2．按试验环境分：室温疲劳试验、低温疲劳试验、高温疲劳试验、热疲劳试验、腐蚀疲劳试验、接触疲劳试验、微动磨损疲劳试验等。·3．按应力的加载方式分：拉-压疲劳试验、弯曲疲劳试验、扭转疲劳试验、复合应力疲劳试验。疲劳的分类裂纹扩展试验。2012-4-19wzhuoyt8·4．按应力循环的类型分：等幅疲劳试验、变频疲劳试验、程序疲劳试验、随机疲劳试验等。·5．按应力比分：对称疲劳试验，非对称疲劳试验。非对称疲劳试验又可以分为单向、双向加载疲劳试验。单向加载疲劳试验又可以分为脉动疲劳试验、波动疲劳试验。·6．按试验目的分：性能测试疲劳试验、影响系数疲劳试验、对比疲劳试验、筛选疲劳试验、验证疲劳试验等。·7．按试样有无预制裂纹分：常规疲劳试验、疲劳0St0三角波St正弦波0St矩形波频率(f=N/t)f=100Hz,t=100h,波形N=ft=3.6107(次循环)0St梯形波4.1.1扰动（变动）应力（P.144）2012-4-19wzhuoyt9·1、变动载荷·大小、方向或者大小和方向均随时间而变化。·变化分为周期性，无规则性，·相对应的应力，称为变动应力·2、循环应力·循环应力的波形一般近似为正弦波、矩形波和三角形波等。·（1）循环应力的描叙·σmax，σmin；·平均应力σm=1/2（σmax+σmin）·应力幅σa=1/2（σmax-σmin）·应力比γ=σmin/σmax·（2）循环应力的种类·对称交变应力；脉动应力；波动应力；不对称交变应力。2012-4-19wzhuoyt10变动载荷和循环应力主要控制参量σa，重要影响参量R·平均应力2012-4-19wzhuoyt11σm=(σmax+σmin)/2σa=(σmax-σmin)/2Δσ=σmax-σmin·应力半幅·应力变程·应力比(循环特性参数)R=σmin/σmax0t对称循环Smax=-SmintSmax=Smin静载SSSR=-1R=0R=100t脉冲循环Smin=0主要控制参量：σa，重要影响参量：R频率(f=N/t)和波形的影响是较次要的。应力比R反映了载荷的循环特性。如2012-4-19wzhuoyt12断裂(包括疲劳、腐蚀引起的断裂)使美国一年损失1190亿美元,为其1982年国家总产值的4%。损失最严重的是：车辆业(125亿/年)，建筑业(100亿/年)，航空业(67亿/年)，金属结构及制品业(55亿/年)。疲劳断裂破坏的严重性2012-4-19wzhuoyt13国际民航组织(ICAO)发表的“涉及金属疲劳断裂的重大飞机失事调查”指出：80年代以来，由金属疲劳断裂引起的机毁人亡重大事故，平均每年100次。(不包括中、苏)Int.J.Fatigue,Vol.6,No.1,1984工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破坏的50-90%，是机械、结构失效的最常见形式。因此，工程技术人员必须认真考虑可能的疲劳断裂问题。疲劳断裂引起的空难达每年100次以上2012-4-19wzhuoyt14按静强度设计，满足[b]，为什么还发生破坏？19世纪30-40年代，英国铁路车辆轮轴在轴肩处（应力仅为0.4ys）多次发生破坏；1954年1月,英国慧星(Comet)号喷气客机坠入地中海（机身在舱门拐角处开裂）；2012-4-19wzhuoyt15大型汽轮机转子2012-4-19wzhuoyt16轴疲劳断裂破坏wzhuoyt2012-4-1917叶轮转子轴疲劳断裂破坏wzhuoyt2012-4-1918疲劳开裂叶片击穿厂房房顶wzhuoyt2012-4-1919飞机整机结构强度实验机翼破坏实验wzhuoyt2012-4-1920飞机整机结构强度实验机身破坏实验wzhuoyt2012-4-1921上海东方电视塔高300m球径45m2012-4-19wzhuoyt22抗震模型试验（破坏部位、破坏形式、抗震能力）静强度失效、断裂失效和疲劳失效，是工程中最为关注的基本失效模式。控制疲劳强度、断裂强度的是什么？2012-4-19wzhuoyt231998德国高铁884出轨車輪乃雙殼夾層式車輪因金屬疲勞導致損壞2012-4-19wzhuoyt244.1.2疲劳破坏特点2012-4-19wzhuoyt25·书上P.144，（１）-（４）1.疲劳断裂是低应力脆断。应力远低于弹性极限。2.疲劳断裂是延时断裂。循环应力作用下产生。3.疲劳过程是损伤累积的过程。内部组织变化引起---损伤---累积---疲劳断裂。4.微观：裂纹萌生、稳态扩展、加速扩展。疲劳断口特征，有三个典型的形貌区域：1疲劳源：裂纹萌生的地方。表面，缺口、裂纹、刀痕、蚀坑。2疲劳扩展区：裂纹稳态扩展形成的。3瞬时断裂区：裂纹失稳快速扩展形成的。详解：2012-4-19wzhuoyt264.1.3疲劳宏观断口（p.145）疲劳断口的三个典型形貌区2012-4-19wzhuoyt271疲劳源特点2012-4-19wzhuoyt281）多在机件表面缺陷处，也可在内部缺陷严重处2）疲劳源区比较光滑（因摩擦引起）3）因加工硬化，表面硬度提高；4）可以有多个疲劳源。疲劳源实物及示意图１左图为实物断口，其中１，２，３为为疲劳源2012-4-19wzhuoyt29实物案例曲轴的弯曲疲劳，疲劳源在圆根处2012-4-19wzhuoyt302：疲劳扩展区特征1）断口光滑并有贝纹线（海滩条带、海滩花样），有时还有裂纹扩展台阶；2）贝纹线凹面指向疲劳源，凸面指向裂纹扩展方向；3）贝纹线刚开始较细密，表明裂纹扩展较慢，而后变稀疏，粗糙，表明裂纹扩展较快；2012-4-19wzhuoyt31疲劳断口观察工具与观察内容的关系:1-10×10-1000×1000×以上裂纹源，滑移，条纹，微解理夹杂，缺陷；微孔聚合放大倍数观察工具肉眼，放大镜金相显微镜电子显微镜观察对象宏观断口，海滩条带；2012-4-19wzhuoyt32疲劳断口的三个典型形貌区2012-4-19wzhuoyt333：疲劳瞬断区特征2012-4-19wzhuoyt341）是裂纹失稳扩展形成的区域；2）断口比疲劳区粗糙，宏观特征如同静载3）脆性材料断口呈结晶状；4）韧性材料断口，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存在。5）高名义应力或低韧性材料，瞬断区大2012-4-19wzhuoyt354.2疲劳的宏观表征-疲劳强度（书P.146）2012-4-19wzhuoyt36·疲劳强度（材料性能学-王从曾-书P.97）1.对称循环疲劳强度2.不对称循环疲劳强度3.不同应力状态下的疲劳强度4.疲劳曲线……2012-4-19wzhuoyt37☆变应力的种类☆变应力的特征参数平均应力应力半幅循环特征（应力比）2minmaxm2minmaxamaxrmin稳定循环变应力非稳定循环变应力随机性非稳定变应力规律性非稳定变应力变应力的种类对称循环变应力脉动循环变应力非对称循环变应力2012-4-19wzhuoyt38☆稳定循环变应力的分类——σmax=σminσa=0σm=σmaxr=+1σmaxmaxmin012mar=0σmax=-σmin=σaσminamaxminm0r=-1σaσaσmaxσminσm22maxminminmaxmama-1＜r＜1静应力脉动循环变应力对称循环变应力任意不对称循环变应力σmin=0tσ0σaσm=σaσaσm=0疲劳实验到底多大的载荷（10KN~100KN）循环多少次（Ｎ）才能使一根火车车轴出现疲劳现象呢？2012-4-19wzhuoyt394.2.1疲劳曲线（书P.146）2012-4-19wzhuoyt40·德国铁路工程师沃勒Wohler开始作疲劳实验·疲劳曲线：S-N曲线（扭转疲劳、拉-压疲劳）实际是σT-N（寿命）曲线分两种：·1.逐点描绘法·2.直线拟合法1.逐点描绘法2012-4-19wzhuoyt412.直线拟合法2012-4-19wzhuoyt42直线拟合法S-N曲线2012-4-19wzhuoyt43直线拟合法，在有限寿命区2012-4-19wzhuoyt444.2.2疲劳极限--疲劳抗力指标（P.148）·定义：材料能经受无限次应力循环而不发生断裂的最大应力。即下图中疲劳曲线的水平部分对应的应力。·低于这个应力材料不会发生疲劳断裂。这个应力强度值表征材料对疲劳断裂的抗力。2012-4-19wzhuoyt45条件疲劳极限·条件疲劳极限：某些疲劳曲线没有水平部分，此时规定能达到某一循环周次(N=107)而不断裂的最大应力为条件疲劳极限。（如下图的铝合金材料）2012-4-19wzhuoyt46疲劳极限的测定2012-4-19wzhuoyt47·疲劳极限必须由实验来测定。·旋转弯曲方法疲劳极限：σ-1、·扭转方法测的疲劳极限：τ-1、·单轴拉-压方法疲劳极限：σ-1p·同一种材料在不同应力状态下测定的疲劳极限是不同的，但它们之间有如下经验关系：（书P.149）σ-1p=0.85σ-1（钢）σ-1p=0.65σ-1（铸铁）τ-1=0.55σ-1（钢及轻合金）τ-1=0.8σ-1（铸铁）·旋转弯曲方法疲劳极限：σ-1、·扭转τ-1、拉压σ-1p·对于同种材料有：σ-1σ-1pτ-12012-4-19wzhuoyt48材料抗拉强度越高--其疲劳极限越高2012-4-19wzhuoyt49·疲劳极限是十分重要的力学性能，但实验测定费时、费力，在要求不高的情况下，可以根据材料的静强度来估算。·材料抗拉强度越高--其疲劳极限越高·抗拉强度：σb疲劳极限与静强度（P.150）2012-4-19wzhuoyt50结构钢：σ-1p=0.23（σs+σb)σ-1=0.27（σs+σb)铸铁：σ-1p=0.4σbσ-1=0.45σb铝合金：σ-1p=0.17σb+7.5σ-1=0.17σb-7.5青铜：σ-1=0.21σb大量研究表明，材料的强度越高，疲劳极限也越高。因此可以通过合金化、适度的冷变形、细化晶粒和组织等强化方法提高材料的疲劳极限。但应注意，若强度过高、硬度过大，使材料脆性过大，则适得其反。σ-1p单轴拉-压；σ-1旋转弯曲；σb抗拉强度4.2.3疲劳过载（P.154）