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1、疲劳一、交变应力一、交变应力：构件内一点处的应力随时间作周期性变化，这 种应力称为交变应力。折铁丝折铁丝PP金属疲劳造成的事故金属疲劳造成的事故金属疲劳造成的事故金属疲劳造成的事故1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成100多人遇难身亡的严重后果。事后经过调查，人们发现，造成事故的原因竟然是因为一节车厢的车轮内部疲劳断裂而引起。从而导致了这场近50年来德国最惨重铁路事故的发生。据150多年来的统计，金属部件中有80以上的损坏是由于疲劳而引起的。在人们的日常生活中，也同样会发生金属疲劳带来危害的现象。一辆正在马路上行走的自行车突然前叉折断，造成车翻人伤的后果。炒菜时铝铲折断、
2、挖地时铁锨断裂、刨地时铁镐从中一分为二等现象更是屡见不鲜。金属疲劳造成的事故金属疲劳造成的事故金属疲劳造成的事故金属疲劳造成的事故交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏PPmntA1234t12341A A点应力：点应力：1-2-3-4-11-2-3-4-1交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏交变应力的特点交变应力的特点：1 1、交变应力下构件的强度远小于静载荷作用下的强度极限交变应力下构件的强度远小于静载荷作用下的强度极限 ，甚至小于屈服极限甚至小于屈服极限 。2 2、破坏时，不论是脆性材料和塑性材料，均无明显的塑性变形，
3、、破坏时，不论是脆性材料和塑性材料，均无明显的塑性变形，且为突然断裂，通常称疲劳破坏。且为突然断裂，通常称疲劳破坏。3 3、疲劳破坏的断口，可分为光滑区及晶粒粗糙区。在光滑区可、疲劳破坏的断口，可分为光滑区及晶粒粗糙区。在光滑区可 见到微裂纹的起始点（疲劳源），周围为中心逐渐向四周扩见到微裂纹的起始点（疲劳源），周围为中心逐渐向四周扩 展的弧形线。展的弧形线。交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏三、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。1、疲劳源裂纹的萌生地；裂纹处在亚稳扩展过程
4、中。由于应力交变，断面摩擦而光亮。加工硬化。随应力状态及应力大小的不同，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。有时在疲劳区的后部，还可看到沿扩展方向 的疲劳台阶（高应力作用）。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。(c)2003 Brooks/Cole,a division of Thomson Learning,Inc.Thomson Learning is a trademark used herein under license.Figure 6 S
5、chematic representation of a fatigue fracture surface in a steel shaft,showing the initiation region,the propagation of fatigue crack(with beam markings),and catastrophic rupture when the crack length exceeds a critical value at the applied stress第十二章第十二章 交变应力交变应力交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏
6、交变应力超过一定的限度，在构件上应力集中处，产生微裂交变应力超过一定的限度，在构件上应力集中处，产生微裂纹，再向四周扩展，形成宏观裂纹，而不断扩展。扩展中裂纹表纹，再向四周扩展，形成宏观裂纹，而不断扩展。扩展中裂纹表面摩擦，形成光滑区；随着裂纹的扩展，形成弧形。当表面被削面摩擦，形成光滑区；随着裂纹的扩展，形成弧形。当表面被削弱至不能承受所加载荷而断裂，即为脆断粗糙区。弱至不能承受所加载荷而断裂，即为脆断粗糙区。疲劳破坏产生的过程可概括为：疲劳破坏产生的过程可概括为：裂纹形成裂纹形成 裂纹扩展裂纹扩展 断裂断裂第十二章第十二章 交变应力交变应力交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳
7、破坏交变应力与疲劳破坏Figure 6.47 Fatigue fracture surface.(a)At low magnifications,the beach mark pattern indicates fatigue as the fracture mechanism.The arrows show the direction of growth of the crack front,whose origin is at the bottom of the photograph.(Image(a)is from C.C.Cottell,Fatigue Failures with Sp
8、ecial Reference to Fracture Characteristics,Failure Analysis:The British Engine Technical Reports,American Society for Metals,1981,p.318.)(b)At very high magnifications,closely spaced striations(条痕条痕,条纹状条纹状)formed during fatigue are observed (x 1000)交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏交变应力与疲劳破坏 交变应力的几个名词术语交变
9、应力的几个名词术语一、循环特征：一、循环特征：三、应力幅：三、应力幅：二、平均应力：二、平均应力：mminmaxaTt应力循环应力循环:一点的应力由某一数值开始，一点的应力由某一数值开始，经过一次完整的变化又回到这一数值的一个过程。经过一次完整的变化又回到这一数值的一个过程。mt四、几种特殊的交变应力：四、几种特殊的交变应力：1.对称循环：minmaxaTt2.脉动循环：3.静循环：五、稳定交变应力：循环特征及周期不变。五、稳定交变应力：循环特征及周期不变。minmaxatmmminmax例例1 1 发动机连杆大头螺钉工作时最大拉力Pmax=58.3kN，最小拉力Pmin=55.8kN，螺纹内
10、径为d=11.5mm，试求a、m和r。解：例例1 1 发动机连杆大头螺钉工作时最大拉力Pmax=58.3kN，最小拉力Pmin=55.8kN，螺纹内径为d=11.5mm，试求a、m和r。交变应力的循环特性和应力幅值交变应力的循环特性和应力幅值交变应力的循环特性和应力幅值交变应力的循环特性和应力幅值以上五个特征值中，只有二个是独立的。满足以上五个特征值中，只有二个是独立的。满足具体描述一种叫变应力，可用最大应力具体描述一种叫变应力，可用最大应力 和循环应力和循环应力r r，或用平均应力或用平均应力 和应力幅值和应力幅值 。几种典型的交变应力情况几种典型的交变应力情况不稳定的交变应力：不稳定的交变
11、应力：、不是常量，不是常量，变化变化 （不等幅情况）。（不等幅情况）。稳定的交变应力：稳定的交变应力：、均不变，均不变，为常数为常数 （等幅情况）；（等幅情况）；第十二章第十二章 交变应力交变应力交变应力的循环特性和应力幅值交变应力的循环特性和应力幅值交变应力的循环特性和应力幅值交变应力的循环特性和应力幅值（1 1）对称循环对称循环：如受弯的车轴：如受弯的车轴t（2 2）脉动循环脉动循环：如齿轮：如齿轮t交变应力的循环特性和应力幅值交变应力的循环特性和应力幅值交变应力的循环特性和应力幅值交变应力的循环特性和应力幅值（3 3）静应力静应力：如拉压杆：如拉压杆tt（4 4）非对称循环：非对称循环：
12、，材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定疲劳寿命疲劳寿命：材料在交变应力作用下产生疲劳破坏时所经历的应：材料在交变应力作用下产生疲劳破坏时所经历的应 力循环次数，记作力循环次数，记作 N N，与与 及及 r r 有关。有关。在一定的循环特征在一定的循环特征 r r 下：下：疲劳极限或有限寿命持久极限疲劳极限或有限寿命持久极限：材料在规定的应力循环次数材料在规定的应力循环次数N N下，不发生疲劳破环的最大应力下，不发生疲劳破环的最大应力值，记作值，记作 。无限寿命疲劳极限或持久极限无限寿命疲劳极限或持久极限 ：当当 不超过某一极限值，材料可以经受
13、不超过某一极限值，材料可以经受“无数次无数次”应力应力循环而不发生破坏，此极限值称为无限寿命疲劳极限或持久极限。循环而不发生破坏，此极限值称为无限寿命疲劳极限或持久极限。交变应力交变应力材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定 值是工程材料最常见、最基本的材料性能指标之一。值是工程材料最常见、最基本的材料性能指标之一。测定该值的方法为：测定该值的方法为：试件试件：d=7-10mmd=7-10mm，表面磨光的小试件，表面磨光的小试件6-10 6-10 根。根。机器机器：疲劳试验机（简支梁式或悬臂梁式）：疲劳试验机（简支梁式或悬臂梁式）循环基数循环基
14、数：钢钢：（出现水平渐近线）（出现水平渐近线）有色金属有色金属：规定：规定 （名义疲劳极限），（名义疲劳极限），疲劳曲线不出现水平渐近线。疲劳曲线不出现水平渐近线。步骤步骤：第十二章第十二章 交变应力交变应力材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定第十二章第十二章 交变应力交变应力材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定第十二章第十二章 交变应力交变应力材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定先取先取 ，经过，经过 次循环后断裂次循环后断裂;再取再取
15、（比（比 减少减少20-40MPa20-40MPa），经过，经过 次循环后断裂次循环后断裂;如果第七根试件在如果第七根试件在 下经历了下经历了 次循环次数次循环次数 而不断裂，并而不断裂，并 或或 ，则则 即为该材料的疲劳极限即为该材料的疲劳极限 。否则，进行下一根试件的试。否则，进行下一根试件的试 验。验。材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定材料的疲劳极限及其测定(c)2003 Brooks/Cole,a division of Thomson Learning,Inc.Thomson Learning is a trademark used herein un
16、der license.Figure 6.50 The stress-number of cycles to failure(S-N)curves for a tool steel and an aluminum alloy1、对称循环疲劳曲线 （N曲线）（1）有水平段的疲劳曲线（钢、QT）（2）无水平段的疲劳曲线（有色金属，不锈钢等）2、N曲线的测定常用旋转弯曲疲劳试验机，有效试样13根以上。用升降法测定-1。再用概率统计方法处理数据。（取可信度）最后确定点的位置、联线。二、疲劳极限 1、对称疲劳极限 循环载荷，一般取周期N=107。-1-1，-1-1，-1p-1p（对称拉压）2、不同应力状
17、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-1p=0.85-1-1，铸铁-1p-1p=0.65-1-1 铜及轻合金：-1-1=0.55-1-1，铸铁-1-1=0.8-1-1 -1-1-1p-1p-1-1 3、疲劳极限与静强度之间的关系 钢：-1p-1p=0.23（s s+b b）-1-1=0.27（s s+b b）铸铁：-1p-1p=0.4b b -1-1=0.45b b 铝合金：-1p-1p=b b/6+7.5(MPa)-1p-1p=b b/6-7.5(MPa)三、抗疲劳过载能力过载持久值材料在高于疲劳极限的应力下运行，发生疲劳断裂的应力循环周次，称
18、为过载持久值，也称有限疲劳寿命。过载损伤界过载损伤界由实验测定疲劳过载损伤是由裂纹的亚稳扩展造成。过载损伤界到疲劳曲 线间的影线区，称为曲线的过载损伤区。疲劳曲线倾斜部分越陡直，即损伤区窄，则持久值越高，抗疲劳过载的能力越好。影响疲劳极限的因素影响疲劳极限的因素影响疲劳极限的因素影响疲劳极限的因素构件的持久极限构件的持久极限是指构件可以经受是指构件可以经受“无数次无数次”应力循环而不发生应力循环而不发生破坏的最大交变应力值。与破坏的最大交变应力值。与材料的持久极限材料的持久极限相比必须考虑一下因相比必须考虑一下因素：素：1 1、构件外形引起的影响、构件外形引起的影响应力集中应力集中K K 称为
19、弯曲（或拉压）时的有效应力集中系数；称为弯曲（或拉压）时的有效应力集中系数；K K 称为扭转时的称为扭转时的有效应力集中系数。有效应力集中系数。K K 与与K Kr r均是大于均是大于1 1的数值。有效应力集中系数的数值。有效应力集中系数K K 或或K Kr r与材料性质有关与材料性质有关:四、疲劳缺口敏感性 疲劳缺口敏感度 0qKthth K，da/dN，裂纹扩展但不快。II区（主要段）K，da/dN，裂纹亚 稳扩展，是决定疲劳裂纹扩展寿命的主要段III区（最后段）K，da/dN，裂纹 失稳扩展。Example 6.19 Design of a Fatigue-Resistant Plate
20、A high-strength steel plate(Figure 6.52),which has a plane strain fracture toughness of 80 MPa ,is alternately loaded in tension to 500 MPa and in compression to 60 MPa.The plate is to survive for 10 years,with the stress being applied at a frequency of once every 5 minutes.Design a manufacturing an
21、d testing procedure that assures that the component will serve as intended.Figure 6.52 Crack growth rate versus stress-intensity factor range for a high-strength steel.For this steel,C=1.62 1012 and n=3.2 for the units shownExample 6.19 SOLUTION1963年Paris首先把断裂力学引入了疲劳裂纹的扩展，并认为扩展速率受控于裂纹尖端的应力强度因子幅度K，K=
22、KmaxKminY(a)1/2。Paris得出的关系式可表达为式中c与m均为与材料有关的常数，m通常在2-4之间。Paris的这一发现，在随后的许多学者的重复试验中得到了验证。同时，试验表明，m随循环屈服强度0.2和循环应变硬化指数n的增加而减小疲劳裂纹扩展的三个阶段及其影响因素疲劳裂纹扩展的三个阶段及其影响因素更仔细地研究疲劳裂纹扩展速率，发现da/dN和K的关系曲线可分成三个阶段，Paris方程所表示的只是裂纹扩展的第二阶段，在双对数的坐标中这一阶段为直线关系。在裂纹扩展的第一阶段中，当Kth小于某一临界值时，疲劳裂纹不扩展，叫作疲劳门槛值疲劳门槛值。当Kth时裂纹扩展较快，很快进入第二阶
23、段。在第一阶段中，应力比、显微组织、环境的影响很大。在裂纹扩展的第二阶段，其扩展速率受应力比、组织类型和环境的影响很小。当过渡到第三阶段，裂纹又加速扩展，当Kmax达到K1c时试样就断裂了。这一阶段受应力比、组织和断裂韧性的影响较大。研究疲劳裂纹门槛值在理论上和实际工程应用上都是有意义的。十分明显，一般的机械零件和工程构件是不会以来作为设计指标的。因为数值很低，如以来作为设计标准，这无疑是要求工作应力很低或者容许的裂纹尺寸很小。疲劳门槛值除了因应力比R的增加而减小外，还和组织有关。-1-1与KthKth代表裂纹试样的无限寿命疲劳强度。代表疲劳裂纹不扩展的临界值，称为疲劳裂纹扩展的门槛值，表征材
24、料阻止疲劳裂纹开始扩展的能力。该值越大，材料的疲劳裂纹受阻越大，材料抗疲劳裂纹扩展的能力就越强。-1-1代表光滑试样的无限寿命疲劳强度。二、疲劳分类及特点 1、分类（1）按应力状态 弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、复合疲劳等。（2）按环境 腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳等。（3）按循环周期 高周疲劳、低周疲劳。（4）按破坏原因 机械疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳 2、特点（1）断裂应力b b，甚至105,具有典型的疲劳断口。AkN2、影响冲击疲劳的因素 小能量多冲击 主要为强度。较大能量时 冲击作用下，材料易出塑性 变形，即易出现低周疲劳。能量再大时 则冲击疲劳退居次要地位，应考虑材料的断裂韧性。三、接触疲
25、劳1、基本概念 对偶件（如轴承、齿轮等）在交变接触压应力长期 作用下，而在材料表面产生的疲劳损伤。形貌：点蚀，浅层剥落和深层剥落。（轴承、齿轮表面、钢轨等）接触疲劳曲线两种 接N，接1/N。2、接触应力（赫兹应力）两物体接触，表面上产生局部的压应力，称为接触 应力。接触处的接触应力为三向压应力。接触疲劳破坏方式（1）麻点剥落 局部塑性变形，产生裂纹、扩展（滑移带开裂）润滑剂气蚀（高压冲击波）剥落下一块金属而形成一凹坑（2）浅层剥落 最大切应力处，塑化变形最剧烈，非金属夹杂物附 近萌生裂纹。表层、次表层产生了加工硬化。（3）深层剥落 过渡区是薄弱区，萌生裂纹，先平行于表面扩展，后垂直于表面扩展，最后形成大的剥落坑。此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢