第八章 金属疲劳试验.docx

1、第八章 金属疲劳试验第八章 金属疲劳试验1、实际工作中的许多机件均是在变动载荷下工作的。2、失效形式：主要为疲劳断裂，占80以上。3、表现为突然断裂，危害极大。无论材料为韧材还是脆材均表现为突然断裂。第一节 金属疲劳现象及特点一、变动载荷和循环应力变动载荷是引起疲劳破坏的外力，所以有必要在研究疲劳时首先研究变动载荷的特点和表示方法。1、定义：是指载荷大小，甚至方向均随时间变化的载荷。2、分类：分 循环应力：大小或大小和方向随时间变化按一定规律呈周期性变化。 交变应力：载荷大小、方向均随时间作周期性变化。重复载荷：载荷大小呈周期性变化，但方向不变。 随机变动应力：载荷大小、方向呈无规则随机变化。

2、3、循环应力表示的表示方法：常用以下几个参量来表示：最大应力；最小应力；平均应力；应力半幅；应力循环对称系数（应力比）r(R)。见上图。4、常见的几种循环应力有：对称循环应力（r=-1）；脉动应力（r0；r）；波动应力（0r1）；不对称交变应力r105，属低应力疲劳。 低周疲劳：循环周次102105， 高应力疲劳或应变疲劳2、疲劳断裂的特点疲劳断裂与静载荷断裂或一次冲击加载断裂相比，具有以下特点：1疲劳断裂是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂。2疲劳断裂是突然断裂，即脆性断裂。断裂前没有明显的征兆。对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感。三、疲劳宏观断口特征疲劳断裂和其它断裂一样，其断口上保

3、留了整个断裂过程的所有痕迹，记载着很多断裂信息，具有明显的特征；这些特征还受材料性质、应力状态、应力大小及环境因素影响。因此，疲劳断口分析是研究疲劳过程和失效原因的重要方法之一。典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区。1、疲劳源：是疲劳裂纹萌生的策源地。1特征：一般在表面；光亮；一个或几个2形成原因经常在机件表面缺陷处：缺口、裂纹、刀痕、台肩、键槽等；脱碳、夹杂物、软点。光亮：形成裂纹后的断面，在应力循环过程中不断摩擦挤压的结果（光亮、平滑）。一个或多个：与应力状态有关。例单向弯曲有一个；双向弯曲有二个。2、疲劳裂纹扩展区：1特征： 贝纹线（海滩花样）贝纹线是以

4、疲劳源为圆心的一簇同心圆弧；间距不同，近源者密，远源者疏。贝纹线的宽窄不同。与过载程度、材质有关，过载大、韧性差的线粗而不明显。垂线为裂纹扩展方向。2形成原因：载荷变化引起的。如：开启和停歇、改变频率、偶然过载等。（实验室的断口因载荷平稳而难以看到）。3影响：拉压变动载荷：无应力集中时，裂纹等速扩展，平行的圆弧 有应力集中时，贝纹线沿表面扩展快。弯曲循环载荷：因表面应力高，贝纹线与缺口机件类似。当材料脆性增加时，贝纹线不明显，甚至消失。3、瞬时断裂区：1特征：同静载断口。脆材为结晶状，韧材为纤维状、暗灰色、边沿有剪切唇。2形成原因：随裂纹扩展，当aac时，K= KC,裂纹将失稳扩展，形成瞬断区

5、。3影响：一般在疲劳源对侧旋转弯曲时，瞬断区的位置沿逆旋转方向偏转一定角度。应力大，瞬断区便大。材质韧性差，为结晶状断口；韧性好则在中间平面应变区为放射状或人字纹，边沿为剪切唇。扭转循环载荷：均看不见贝纹线正断：与轴线呈45角，锯齿状或星形状。 切断：轴向综上所述，对于韧性材料，一般三个区均可较明显；脆性材料，整个断口齐平光亮，三个区用肉眼难以观察到。四、疲劳断口的微观特征 疲劳辉纹（疲劳条带、疲劳条纹）疲劳辉纹主要有：塑性辉纹和脆性辉纹（解理辉纹）两种。两种辉纹的区别：脆性辉纹出现在解理平面上，河流花样的放射线和辉纹相交并近似垂直。有些疲劳断口上看不到疲劳辉纹。贝纹线和疲劳辉纹的区别：贝纹线

6、是交变应力的频率、幅度变化或载荷停歇等原因造成的。 形成原因不同。疲劳辉纹是一次交变应力循环使裂纹尖端塑性钝化形成的。 二者可以同时出现，也可以不同时出现。 有时在宏观断口上看不到贝纹线； 在电子显微镜下也不一定看到疲劳辉纹。第二节 高周疲劳试验疲劳抗力指标主要有：疲劳极限、过载持久值、过载损伤界、疲劳缺口敏感度。一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限（一）疲劳曲线和疲劳极限金属承受的最大交变应力与断裂时应力交变次数（循环次数，即疲劳寿命）有直接关系。为此用maxlogN之间的关系曲线，称为疲劳曲线。是疲劳应力与疲劳寿命之间的关系曲线，即S-N曲线。又称维勒曲线。分两类：曲线上有明显的水平部分。碳钢、

7、合金钢、球铁等属于此类。试样可以经受无限次应力循环也不发生疲劳断裂的最大应力称为疲劳极限。记为-1。试验时常用循环周次为107也不断裂的应力。没有水平部分。铝合金、不锈钢、高强度钢。（条件疲劳强度）（二）疲劳曲线及疲劳极限的测定1、方法及特点：常用旋转弯曲疲劳试验。试验机结构简单、操作方便，应用广泛。2、试验方法：用成组试验法，用升降法测定疲劳极限。即分侧斜线部分（每应力水平有56个试样）和水平部分（用升降法，不少于13个试样）。 数据处理二、抗疲劳过载能力实际机件在服役过程中不可避免地要受到短时偶然过载荷的作用，如汽车、拖拉机的紧急刹车、突然启动等。过载持久值和过载损伤界过载损伤界越陡直，过

8、载损伤区越窄，材料抵抗过载的能力越好。过载持久值即疲劳曲线上的斜线，表示高于疲劳极限的应力下直到断裂所能经受最大的应力循环周次。此曲线越陡直，表示在相同的过载荷下能经受的应力循环周次多，即过载抗力越高。第四节 低周疲劳一、热疲劳1、定义：温度循环变化时产生的循环热应力及热应变作用下发生的疲劳，称为热疲劳。若温度循环和机械应力循环叠加所引起的疲劳，称为热机械疲劳。2、产生热应力的条件：温度变化：温度变化使材料产生膨胀。机械约束： 内部约束：机件截面存在温度差，一部分约束另一部分，产生热应力。 外部约束：如管道温度升高时，刚性支撑约束管道膨胀。3、原因：热疲劳和热机械疲劳破坏也是塑性应变累积损伤的

9、结果。4、裂纹的形成与扩展：热疲劳裂纹在表面应力最大处形成，裂纹源有几个，裂纹的扩展方向垂直于表面，并向纵深方向扩展导致断裂。热疲劳的特点是：龟裂。5、影响因素：材料的热性能（热传导、比热容等）、力学性能（弹性模量、屈服强度等）、密度、几何因素。简介热锻模具钢的化学成分要求。6、提高热疲劳的抗力的主要途径：尽可能地减少，甚至消除应力集中和应变集中。提高高温强度。减小线膨胀系数，增加导热系数。提高局部塑性，以迅速消除应力集中。二、冲击疲劳1、定义：是机件在重复冲击载荷作用下的疲劳断裂。实际工作中，很少有仅经过一次或几次冲击就断裂的机件，即便是通常认为承受剧烈冲击载荷的机件，大多数是承受小能量的多

10、次冲击才断裂。试验表明，当试样于破坏前承受的冲击次数较少时（5001000次），试样断裂的原因与一次冲击相同；当冲击次数105次时。破坏具有典型的疲劳断口，属于疲劳断裂，即为冲击疲劳。2、冲击疲劳曲线与一般疲劳曲线相似，可以用冲击疲劳曲线确定冲击疲劳极限。材料的冲击疲劳抗力可用冲击疲劳极限和冲击能量下的冲断周次N或用要求的冲断次数时的冲击能量表示。因用冲击能量表示材料的冲击疲劳抗力简便，故应用广泛。冲击疲劳试验是在多次冲击试验机上进行的。根据试验结果绘制冲击吸收功A冲断次数N之间的关系曲线，如图5-35所示。可以看出，此曲线与低周疲劳曲线相似。3、冲击疲劳的特点试验表明，冲击疲劳抗力是一个取决

11、于强度和塑性的综合性能，具有以下特点：冲击能量高时，材料的冲击疲劳抗力主要取决于塑性；冲击能量低时，材料的冲击疲劳抗力主要取决于强度。从此可以看出，不能仅根据工件承受冲击就要求高的冲击吸收功。不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合。淬火回火钢的冲击疲劳抗力随回火温度的变化有一峰值，该峰值随冲击能量的增加向高温方向移动（见图5-36）。3冲击韧度对冲击疲劳抗力的影响因材料的强度水平不同而异。高强度钢和超高强度钢的塑性和冲击韧度对冲击疲劳抗力有较大影响。 （因其强度高、冲击韧度低，适当提高韧度对提高冲击疲劳抗力的影响较突出）中、低强度钢的塑性和冲击韧度对冲击疲劳抗力的影响较小。 （因其冲击韧度已经

12、比较高，在增加Ak值对提高冲击疲劳抗力已影响较不大）当我被上帝造出来时，上帝问我想在人间当一个怎样的人，我不假思索的说，我要做一个伟大的世人皆知的人。于是，我降临在了人间。我出生在一个官僚知识分子之家，父亲在朝中做官，精读诗书，母亲知书答礼，温柔体贴，父母给我去了一个好听的名字：李清照。小时侯，受父母影响的我饱读诗书，聪明伶俐，在朝中享有“神童”的称号。小时候的我天真活泼，才思敏捷，小河畔，花丛边撒满了我的诗我的笑，无可置疑，小时侯的我快乐无虑。“兴尽晚回舟，误入藕花深处。争渡，争渡，惊起一滩鸥鹭。”青春的我如同一只小鸟，自由自在，没有约束，少女纯净的心灵常在朝阳小，流水也被自然洗礼，纤细的手

13、指拈一束花，轻抛入水，随波荡漾，发髻上沾着晶莹的露水，双脚任水流轻抚。身影轻飘而过，留下一阵清风。可是晚年的我却生活在一片黑暗之中，家庭的衰败，社会的改变，消磨着我那柔弱的心。我几乎对生活绝望，每天在痛苦中消磨时光，一切都好象是灰暗的。“寻寻觅觅冷冷清清凄凄惨惨戚戚”这千古叠词句就是我当时心情的写照。最后，香消玉殒，我在痛苦和哀怨中凄凉的死去。在天堂里，我又见到了上帝。上帝问我过的怎么样，我摇摇头又点点头，我的一生有欢乐也有坎坷，有笑声也有泪水，有鼎盛也有衰落。我始终无法客观的评价我的一生。我原以为做一个着名的人，一生应该是被欢乐荣誉所包围，可我发现我错了。于是在下一轮回中，我选择做一个平凡的

14、人。我来到人间，我是一个平凡的人，我既不着名也不出众，但我拥有一切的幸福：我有温馨的家，我有可亲可爱的同学和老师，我每天平凡而快乐的活着，这就够了。天儿蓝蓝风儿轻轻，暖和的春风带着春的气息吹进明亮的教室，我坐在教室的窗前，望着我拥有的一切，我甜甜的笑了。我拿起手中的笔，不禁想起曾经作诗的李清照，我虽然没有横溢的才华，但我还是拿起手中的笔，用最朴实的语言，写下了一时的感受：人生并不总是完美的，每个人都会有不如意的地方。这就需要我们静下心来阅读自己的人生，体会其中无尽的快乐和与众不同。“富不读书富不久，穷不读书终究穷。”为什么从古到今都那么看重有学识之人？那是因为有学识之人可以为社会做出更大的贡献

15、。那时因为读书能给人带来快乐。自从看了丑小鸭这篇童话之后，我变了，变得开朗起来，变得乐意同别人交往，变得自信了因为我知道：即使现在我是只“丑小鸭”，但只要有自信，总有一天我会变成“白天鹅”的，而且会是一只世界上最美丽的“白天鹅”我读完了这篇美丽的童话故事，深深被丑小鸭的自信和乐观所折服，并把故事讲给了外婆听，外婆也对童话带给我们的深刻道理而惊讶不已。还吵着闹着多看几本名着。于是我给外婆又买了几本名着故事，她起先自己读，读到不认识的字我就告诉她，如果这一面生字较多，我就读给她听整个一面。渐渐的，自己的语文阅读能力也提高了不少，与此同时我也发现一个人读书的乐趣远不及两个人读的乐趣大，而两个人读书的

16、乐趣远不及全家一起读的乐趣大。于是，我便发展“业务”带动全家一起读书现在，每每遇到好书大家也不分男女老少都一拥而上，争先恐后“抢书”，当我说起我最小应该让我的时候，却没有人搭理我。最后还把书给撕坏了，我生气地哭了，妈妈一边安慰我一边对外婆说：“孩子小，应该让着点。”外婆却不服气的说：“我这一把年纪的了，怎么没人让我呀？”大家人你一言我一语，谁也不肯相让读书让我明白了善恶美丑、悲欢离合，读一本好书，犹如同智者谈心、谈理想，教你辨别善恶，教你弘扬正义。读一本好书，如品一杯香茶，余香缭绕。读一本好书，能使人心灵得到净化。书是我的老师，把知识传递给了我；书是我的伙伴，跟我诉说心里话；书是一把钥匙，给我

17、敞开了知识的大门；书更是一艘不会沉的船，引领我航行在人生的长河中。其实读书的真真乐趣也就在于此处，不是一个人闷头苦读书；也不是读到好处不与他人分享，独自品位；更不是一个人如痴如醉地沉浸在书的海洋中不能自拔。而是懂得与朋友，家人一起分享其中的乐趣。这才是读书真正之乐趣呢！这所有的一切，不正是我从书中受到的教益吗？我阅读，故我美丽；我思考，故我存在。我从内心深处真切地感到：我从读书中受到了教益。当看见有些同学宁可买玩具亦不肯买书时，我便想到培根所说的话：“世界上最庸俗的人是不读书的人，最吝啬的人是不买书的人，最可怜的人是与书无缘的人。”许许多多的作家、伟人都十分喜欢看书，例如毛泽东主席，他半边床上

18、都是书，一读起书来便进入忘我的境界。书是我生活中的好朋友，是我人生道路上的航标，读书，读好书，是我无怨无悔的追求。一个人的谈吐有没有“味道”，完全要看他的读书方法。如果读者获得书中的“味”，他便会在谈吐中把这种风味表现出来；如果他的谈吐中有风味，他在写作中也免不了会表现出风味来。所以，我认为风味或嗜好是阅读一切书籍的关键。这种嗜好跟对食物的嗜好一样，必然是有选择性的，属于个人的。吃一个人所喜欢吃的东西终究是最合卫生的吃法，因为他知道吃这些东西在消化方面一定很顺利。读书跟吃东西一样，“此人吃来是蜜糖，他人吃来是砒霜”。教师不能以其所好强迫学生去读，父母也不能希望子女的嗜好和他们一样。如果读者对他

19、所读的东西感不到趣味，那么所有的时间全都浪费了。所以，永远记得，这世间上没有什么一个人必读的书，只有在某时某地，某种环境，和生命中的某个时期必读的书。读书和婚姻一样，是命运注定的或阴阳注定的。纵使某一本书，如圣经之类，是人人必读的，读这种书也一定应当在合适的时候。当一个人的思想和经验还没有达到阅读一本杰作的程度时，那本杰作只会留下不好的滋味。孔子曰：“五十以学易。”便是说，四十五岁时候尚不可读易经。孔子在论语中的训言的冲淡温和的味道，以及他的成熟的智慧，非到读者自己成熟的时候是不能欣赏的。四十学易是一种味道，到五十岁，看过更多的人世变故的时候再去学易，又是一种味道。所以，一切好书重读起来都可以

20、获得益处和新乐趣。 多读书，可以让你觉得有许多的写作灵感。可以让你在写作文的方法上用的更好。在写作的时候，我们往往可以运用一些书中的好词好句和生活哲理。让别人觉得你更富有文采，美感。 多读书，可以让你全身都有礼节。俗话说：“第一印象最重要。”从你留给别人的第一印象中，就可以让别人看出你是什么样的人。所以多读书可以让人感觉你知书答礼，颇有风度。 多读书，可以让你多增加一些课外知识。培根先生说过：“知识就是力量。”不错，多读书，增长了课外知识，可以让你感到浑身充满了一股力量。这种力量可以激励着你不断地前进，不断地成长。从书中，你往往可以发现自己身上的不足之处，使你不断地改正错误，摆正自己前进的方向

21、。所以，书也是我们的良师益友。 多读书，可以让你变聪明，变得有智慧去战胜对手。书让你变得更聪明，你就可以勇敢地面对困难。让你用自己的方法来解决这个问题。这样，你又向你自己的人生道路上迈出了一步。 多读书，也能使你的心情便得快乐。读书也是一种休闲，一种娱乐的方式。读书可以调节身体的血管流动，使你身心健康。所以在书的海洋里遨游也是一种无限快乐的事情。用读书来为自己放松心情也是一种十分明智的。读书能陶冶人的情操，给人知识和智慧。所以，我们应该多读书，为我们以后的人生道路打下好的、扎实的基础！“书籍是全世界的营养品, 生活里没有书籍, 就好象没有阳光; 智慧里没有书籍, 就好象鸟儿没有翅膀。”（英 莎

22、士比亚）。“一本新书象一艘船, 带领着我们从狭隘的地方, 驶向生活的无限广阔的海洋。”（瑞士 凯勒）。“不读书就没有真正的学问,没有也不可能有欣赏能力、文采和广博的见识。不读书的人就不是一个完人。”（俄 赫尔岑）。多读书, 可以开阔视野, 增长见识, 启迪智慧, 可以使自己在工作中有所创造, 有所成就; 多读书, 可以丰富自己的知识宝库, 进一步懂得生活, 可以提高自己的文采和对艺术的欣赏能力, 可以变“下里巴人”为“阳春白雪”, 从而使自己的生活更加丰富多采, 充满情趣。 “书是随时在近旁的顾问, 随时都可以供给你所需要的知识, 而且可以按照你的心意, 重复这顾问的次数。”（凯勃司）。知识就

23、是力量, 科学技术就是生产力。要想建设一个具有高度精神文明的社会主义强国, 没有一定的科学技术水平是不行的; 科学技术仅为少数人所掌握, 也是不行的, 尤其是在科学技术高度发达的今天, 更是如此。而要想让所有的人都上学学习, 是不可能的。那么, 就只有在工作中学习,利用一切可以利用的时间和条件自学。在自学过程中, 不可能人人都能得到指导老师, 那么, 最好的老师就是书籍。 “书籍蜿蜒伸入我们的心灵, 诗人的诗句在我们的血流里舒缓地滑行。我们年轻时诵读它们, 年老时仍然铭记它们。我们读到他人的遭遇, 却感到身历其境。书籍到处可得, 而且价廉物美。我们就象呼吸空气中的氧一样吸收书中的营养。”(英

24、哈慈利特)。读书有这样多的好处, 而书籍又可随时随地买到, 并且花钱不多; 时间, 工作之余也是足够的; 精力, 20岁左右的小伙子和姑娘们是充沛的。这种年龄, 记忆力旺盛, 分析判断能力也已达到一定程度, 且无家室之累, 正是集中精力学习知识的黄金时代, 千万不要白白地浪费掉。中国有句古话: “少壮不努力,老大徒伤悲”。待到自己在曲折的人生中悟出应该多学本事的道理, 想学的时候, 由于年龄的增长, 记忆力衰退, 由于家庭的重负, 精力集中不起来, 那时想学也学不好了。与其那时悔恨终生, 倒不如现在就努力学习。 “学海无涯勤是岸, 云程有路志是梯”, “勤奋能点燃智慧的火苗, 懒惰是埋葬天才的

25、坟墓”。“业精于勤, 荒于嬉; 行成于思, 毁于随。”（唐 韩愈）。成功的喜悦, 永远都是只属于那些勤奋好学, 勇于攀登的人们。“如果你们, 年轻的人们, 真正希望过很宽阔, 很美好的生活, 就创造它吧, 和那些正在英勇地建立空前未有的、宏伟的事业的人手携手地去工作吧。”（苏 高尔基）。为了能够工作得更好和生活得更美好, 读书学习吧, 年轻的朋友! 古人云：“书中自有黄金屋，书中自有颜如玉。”可见，古人对读书的情有独钟。其实，对于任何人而言，读书最大的好处在于：它让求知的人从中获知，让无知的人变得有知。读史蒂芬?霍金的时间简史和果壳中的宇宙，畅游在粒子、生命和星体的处境中，感受智慧的光泽，犹如

26、攀登高山一样，瞬间眼前呈现出仿佛九叠画屏般的开阔视野。于是，便像李白在诗中所写到的“庐山秀出南斗旁，屏风九叠云锦张，影落明湖青黛光”。 对于坎坷曲折的人生道路而言，读书便是最佳的润滑剂。面对苦难，我们苦闷、彷徨、悲伤、绝望，甚至我们低下了曾经高贵骄傲的头。然而我们可否想到过书籍可以给予我们希望和勇气，将慰藉缓缓注入我们干枯的心田，使黑暗的天空再现光芒？读罗曼?罗兰创作、傅雷先生翻译的名人传，让我们从伟人的生涯中汲取生存的力量和战斗的勇气，更让我们明白：唯有真实的苦难，才能驱除罗曼谛克式幻想的苦难；唯有克服苦难的悲剧，才能帮助我们担当起命运的磨难。读海伦?凯勒一个个真实而感人肺腑的故事，感受遭受不济命运的人所具备的自强不息和从容豁达，从而让我们在并非一帆风顺的人生道路上越走越勇，做命运真正的主宰者。在书籍的带领下，我们不断磨炼自己的意志，而我们的心灵也将渐渐充实成熟。 读书能够荡涤浮躁的尘埃污秽，过滤出一股沁人心脾的灵新之气，甚至还可以营造出一种超凡脱俗的娴静氛围。