疲劳试验.ppt

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第四章疲劳试验,引言材料构件在变动应力和应变的长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂的现象疲劳。

疲劳属低应力循环延时断裂。

不产生明显的塑性变形，呈现突然的脆断。

疲劳断裂是一种非常危险的断裂。

工程中研究疲劳的规律、机理、力学性能指标、影响因素等，就具有重要的意义。

第一节疲劳的基本概念,一、变动载荷和循环应力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，称为循环应力。

（P94-图5-1）2、循环应力

（1）循环应力的特性平均应力m=1/2（max+min）应力幅a=1/2（max-min）应力循环对称系数=min/max

（2）循环应力的种类（P95-图5-2）对称；脉动；不对称循环应力。

二、疲劳分类及特点1、分类

（1）按试样的加载方式分为：

弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、复合疲劳等。

（2）按试验环境可分为：

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）按机件所受应力的大小和加载频率的高低可分为：

高周疲劳（Nf105周次）,因断裂应力低（s），所以也叫低应力疲劳；低周疲劳（Nf102105周次），由于断裂应力水平高，s，往往伴有塑性变形，故称为高应力疲劳（或应变疲劳）。

2、特点

（1）断裂应力b，甚至s；

（2）出现脆性断裂；（3）对材料的缺陷十分敏感；（4）疲劳破坏能清楚显示裂纹的萌生和扩展，断裂。

（一）疲劳曲线1、对称循环疲劳曲线（N曲线）P96-图5-3

（1）有水平段的疲劳曲线（钢）

（2）无水平段的疲劳曲线（有色金属，不锈钢等）,三、疲劳曲线和疲劳极限,

（二）疲劳极限1、对称疲劳极限97循环载荷，r=-1。

-1，-1，-1p（对称拉压）,2、不对称循环疲劳极限（r）利用已知的对称循环疲劳极限，用工程作图法求得各种不对称循环疲劳极限。

或者采用回归的公式求得。

（1）应力幅a平均应力m图y轴上的边界点为0和-1x轴上的边界点为0和b将max分解成不同应力比r时的a和m，作图。

运用时，已知r，r=a+m。

（2）maxm图y轴上的边界点为-1和-1，x轴则同前图。

max=b，利用不同的应力比r来作图。

若为韧性材料max=0.2（3）公式法上两图中的曲线可用数学公式表示可以很方便利用b，-1，0.2和r，求得r。

第二节疲劳抗力指标及其测定,二、不同应力状态下的疲劳极限根据大量的实验结果，弯曲与拉压、扭转疲劳极限之间的关系：

钢：

-1p=0.85-1，铸铁-1p=0.65-1铜及轻合金：

-1=0.55-1，铸铁-1=0.8-1-1-1p-1,一、疲劳极限的测定第一步采用升降法测定条件疲劳极限，第二步用成组法测定一N曲线有限寿命段上各点的数据，第三步绘制一N曲线。

三、疲劳极限与静强度之间的关系钢：

-1p=0.23（s+b）-1=0.27（s+b）铸铁：

-1p=0.4b-1=0.45b铝合金：

-1p=b/6+7.5（MPa）-1p=b/6-7.5（MPa）,第三节疲劳破坏机理,（疲劳过程：

裂纹萌生、亚稳扩展、失稳扩展、断裂。

）一、裂纹萌生及机理常将0.050.1mm的裂纹定为疲劳裂纹核。

引起裂纹萌生的原因：

应力集中、不均匀塑性形变。

方式为：

表面滑移带开裂；晶界或其他界面开裂。

1、滑移带开裂

（1）驻留滑移带在交变载荷作用下，永留或能再现的循环滑移带，称为驻留滑移带。

通过位错的交滑移，使驻留滑移带加宽。

（2）挤出峰和挤入槽滑移带在表面加宽过程中，还会向前或向后移动，形成挤出峰和挤入槽。

循环过程中，峰、槽不断增加，增高（或变深）。

（柯垂耳-赫尔模型）。

孪晶处也易出现挤出峰和挤入槽。

2、晶界处开裂晶界就是面缺陷；位错运动易发生塞积，出现应力集中，晶界开裂。

3、相界面开裂两相（包括第二相、夹杂）间的结合力差，各相的形变速率不同，易在相结合处或弱相内出现开裂。

只有首先达到临界尺寸的裂纹核，才能继续长大。

二、疲劳裂纹扩展过程及机理1、裂纹扩展的两个阶段第一阶段沿主滑移系，以纯剪切方式向内扩展；扩展速率仅0.1nm数量级。

第二阶段II区。

晶界的阻碍作用，使扩展方向逐渐垂直于主应力方向；扩展速率m级；可以穿晶扩展。

形成疲劳条纹（疲劳辉纹）（见书上图4-22）。

一条辉纹就是一次循环的结果。

2、疲劳裂纹扩展模型

（1）Laird塑性钝化模型裂纹不再扩展的过程，称为“塑性钝化”该模型对韧性材料的疲劳扩展很有用。

材料的强度越低，裂纹扩展越快，条带越宽,

（2）再生核模型疲劳裂纹的扩展是断续的。

主裂纹前方是弹塑性交界点（三向拉应力区）可形成新裂纹核。

主裂纹和裂纹核之间发生相向长大、桥接，使主裂纹向前扩展。

强度高的材料，可形成解理裂纹。

返回,三、疲劳宏观断口的特征断口拥有三个形貌不同的区域：

疲劳源、疲劳区、瞬断区。

随材质、应力状态的不同，三个区的大小和位置不同。

（P107图5-24）,1、疲劳源裂纹的萌生地；裂纹处在亚稳扩展过程中。

由于应力交变，断面摩擦而光亮。

加工硬化。

随应力状态及其大小的不同，可有一个或几个疲劳源。

2、疲劳区（贝纹区）断面比较光滑，并分布有贝纹线。

循环应力低，材料韧性好，疲劳区大，贝纹线细、明显。

3、瞬断区一般在疲劳源的对侧。

脆性材料为结晶状断口；韧性材料有放射状纹理；边缘为剪切唇。

返回,第四节低周疲劳与热疲劳,疲劳寿命为102-105次的疲劳断裂，称为低周疲劳。

一、低周疲劳的特点1、局部产生宏观变形，应力与应变之间呈非线性。

总应变t=e+p2、裂纹成核期短，有多个裂纹源。

3、断口呈韧窝状、轮胎花样状。

4、疲劳寿命取决于塑性应变幅。

二、金属的循环硬化与循环软化1、定义与特点恒应变幅（塑性应变幅或总应变幅）循环加载过程中，材料的形变抗力不断增加，则称为循环硬化；反之为循环软化。

应力应变滞后回线，只有在应力循环达到一定周期后，才是闭合的，即：

达到循环稳定态。

循环应力应变曲线高于单次应力应变曲线，则是循环硬化，反之为循环软化。

2、循环软化的危害使材料的形变抗力下降，导致工件产生过量的塑性变形而失效。

3、原因决定于材料的初始状态，工件结构特性；应变幅，温度等。

b/s1.4循环硬化b/s1.2循环软化微观原因：

位错的循环运动；相变强化；应力松驰。

三、低周疲劳的应变寿命曲线低周疲劳的N曲线，数据离散。

1、总应变幅tN曲线e/22Nf，p/22Nf，t/22Nf，两不同斜率的曲线叠放，必然会出现一个交点。

提高强度，交点左移；提高塑性，交点右移。

2、N关系式曼森公式断裂真实伸长率曼森柯芬关系式pNfz=CZ、C材料常数Z=0.20.7;C0.5ef1.0ef用上述关系式可估算材料的低周疲劳寿命。

返回,四、热疲劳1、基本概念在循环热应力和热应变作用下，产生的疲劳称为热疲劳。

热疲劳属低周疲劳（周期短；明显塑性变形）。

由温度和机械应力叠加引起的疲劳，称为热机械疲劳。

2、热应力的产生外部约束不让材料自由膨胀；内部约束温度梯度，相互约束，产生热应力。

热应变导致裂纹的萌生，扩展。

3、衡量标准一定温度幅，产生一定尺寸疲劳裂纹的循环次数。

4、提高热疲劳寿命的途径材料减小热膨胀系数，提高，均匀性，高温强度。

工件状况减小应力集中。

使用减小热冲击。