《疲勞強度及》PPT課件

第二講 疲勞強度及影響因素,一、基本概念： 1、疲勞破壞的特征 （1）疲勞的定義 材料在循環(huán)應力或循環(huán)應變的作用下，由于產生了局部永久性結構變化，從而在一定循環(huán)次數(shù)以后形成裂紋或發(fā)生斷裂的過程。 （2）交變載荷（循環(huán)載荷、疲勞載荷） 載荷的大小、方向隨時間作周期性或不規(guī)則、隨機性的變化。 疲勞載荷包括隨機載荷和確定性載荷,（3）疲勞破壞的特征 a、交變應力水平低：應力遠小于強度極限或屈服極限，破壞就又可能發(fā)生。 b、脆性斷裂： C、具有局部性： d、疲勞過程是一個累計損傷的過程： 裂紋形成裂紋擴展失穩(wěn)斷裂 e、疲勞斷口在宏觀和微觀上有特征： 2、疲勞壽命 （1）概念 疲勞失效以前所經歷的應力或應變的循環(huán)次數(shù)叫疲勞壽命。用N表示,（2）計算表達式 N=N0+Np 其中，N-總壽命 N0裂紋起始壽命 Np裂紋擴展壽命 二、金屬疲勞破壞機制 金屬的疲勞破壞可分為疲勞裂紋萌生、疲勞裂紋擴展和失穩(wěn)斷裂三個階段。 1、疲勞裂紋的萌生 疲勞裂紋的萌生 都是由局部塑性應變集中所引起。常見的裂紋萌生方式有：滑移帶開裂、晶界和孿晶界開裂、夾雜物或第二相與基體的界面開裂。,（1）滑移帶開裂（裂紋產生的基本方式） 純金屬和單相金屬的疲勞裂紋萌生方式多為滑移帶開裂。 滑移帶開裂過程： 金屬在循環(huán)載荷作用下 在薄弱的晶粒間沿著晶面產生塑性應變金屬晶粒產生滑移（不可恢復）金屬表面產生滑移線隨著循環(huán)次數(shù)的增加而匯集成表面滑移帶發(fā)展成駐留滑移帶形成裂紋 （2）晶界開裂： （3）夾雜物或第二相與基體的界面開裂 疲勞裂紋一般在金屬表面萌生。,2、疲勞裂紋的擴展： 分兩個階段 （1）第一階段：沿剪應力最大的活性面向內擴展，形成很多微裂紋。 （2）第二階段：裂紋沿拉伸應力垂直方向擴展 3、失穩(wěn)斷裂： 三、疲勞破壞斷口分析 （ 一）、宏觀分析： 疲勞源：很小，宏觀看不到。在顯微鏡下可見 疲勞斷裂擴展區(qū)：細晶粒，深色、平滑，海灘狀 失穩(wěn)斷裂區(qū)：粗晶粒，凹凸不平，白色，撕裂或臺階狀,（二）、微觀分析： 1、疲勞裂紋的形成： a、一般發(fā)生在表面 b、結構受交變載荷的影響 c、塑性變形的積累 d、表面缺陷 2、疲勞裂紋的形貌 第一階段，斷口光滑，具有結晶性質。 第二階段疲勞裂紋擴展區(qū)有如下特征： a、疲勞區(qū)宏觀賞平坦光滑，微觀凹凸不平。 b、具有疲勞條文 c、輪胎壓痕和脊骨壓痕特征 d、在疲勞裂紋擴展時，還可能出現(xiàn)二次裂紋，往往成掃帚狀。,（三）、構件的斷口分析 現(xiàn)場調查 斷口宏觀分析,四、疲勞試驗試樣及其制備,（一）、試樣類型 根據(jù)施加載荷的類型，試樣形狀可分為彎曲試樣、軸向加載試樣和扭轉試樣。同時它們又有光滑試樣和缺口試樣之分。如書中圖2-4-2-10（p19-20）,旋轉彎曲光滑圓柱形試樣尺寸,軸向加載光滑試樣尺寸見表2-2（p21） （二）、試樣制備 試樣的制備對所測材料的疲勞性能有直接影響，從切取毛坯到進行試驗要經過取樣、機械加工、熱處理、尺寸測量、探傷檢驗及貯存等工序。 1、取樣（p2223） 2、機加工 3、熱處理 4、測量、探傷與貯存,五、材料的S-N曲線 （一）應力循環(huán),a,m,max,min,T,m-平均應力 a 應力幅 max最大應力 min最小應力 它們之間的關系: max= m+ a min= m- a,應力循環(huán)特征 用應力比R表示 R= min/ max R在1 -之間 載荷可變系數(shù):A= a/ m A=(1-R)/(1+R) R=(1-A)/(1+A) 幾種典型的應力循環(huán)特征.(p24表) (二)描述材料疲勞性能的SN曲線 概念:表示外加應力水平和標準試樣疲勞壽命之間關系的曲線稱為材料的SN曲線.它是由實驗測定的. 1、試樣種類：試樣由三部分組成：試驗段、夾持段、過渡段。 2、 SN曲線：用一組標準試件在一定平均應力（或一定循環(huán)特征應變）下，施加不同的應力幅，測出試件斷裂時的循環(huán)次數(shù)。 3、SN曲線形狀和表達式,（1）SN曲線的形狀 當N較大時近似為水平直線，它對應的應力為持久應力。 （2）SN曲線的簡化 （3） SN曲線的表達式 （4）疲勞破壞的三個階段（如圖）,a,b,LCF,HCF,SF,-1,LCF段，低循環(huán)疲勞段，宏觀屈服。 HCF段，高循環(huán)疲勞段，線性段，N=1萬百萬次。 疲勞極限段SF段，N10的7次方。 （三）SN曲線的測定方法 1、單點法：一個應力水平下只測一根試樣，然后將縮測得的點連成一條關畫的曲線，稱為SN曲線。 2、成組法：應力水平一般取46級，可在0.6b與1之間選取，每一應力水平下用48根試樣進行試驗和數(shù)據(jù)處理。取其對數(shù)壽命的平均值。曲線的繪制用描點法或直線擬合法。,六、材料的疲勞極限 （一）定義 1、疲勞極限：疲勞壽命無窮大時的中值疲勞強度。 2、條件疲勞極限：在S-N曲線上，與非水平段對應的最大應力max稱為條件疲勞極限。 3、疲勞極限的表示方法 材料的對稱彎曲疲勞極限用1表示。 對稱拉壓疲勞極限用1t表示。 對稱扭轉疲勞極限用1表示。 符號中的1表示應力比R1（ min/ max） 我們常用對稱彎曲疲勞極限來表征材料的基本疲勞性能,（二）材料疲勞極限的測定方法 （三）材料疲勞極限與強度極限及其它機械性能的關系 一般疲勞極限與強度極限之間有如下關系： 1a+b b 我國對國產材料一般是： 圓柱光滑試樣：10.44b 漏斗形試樣： 10.52b 珠光體球墨鑄鐵：10.34b 鐵素體球墨鑄鐵：10.48b 疲勞極限與強度極限的關系見表25（p34）,七、對數(shù)疲勞壽命的正態(tài)分布 由于金屬是多晶體，各個晶體的位向和性質及其所受的應力各不相同，而疲勞破壞是在應力最大的薄弱晶粒或缺陷處起始，并逐漸積累損傷的過程。 疲勞壽命是一個隨機變量，會受到各種因素的影響，但其分布規(guī)律符合正態(tài)分布。 （一）統(tǒng)計分析基礎知識 1、母體、個體、子樣、子樣容量 母體：研究對象的整體 個體：母體中的一個單元 子樣：從母體中抽取的一部分個體 子樣容量：子樣所包含的個體數(shù)量。,子樣也是一個隨機變量，為了根據(jù)子樣觀察的結果推斷母體的特性，子樣必須： （1）、具有代表性 （2）、具有獨立性 2、試驗數(shù)據(jù)的特征值 （1）均值：平均數(shù) （2）中值中位數(shù) （3）子樣偏差：di=xix x:平均值 （4）子樣方差： （5）子樣標準差：子樣方差的均方根 （二）、對數(shù)疲勞壽命的正態(tài)分布 1、對數(shù)疲勞壽命 2、成活率為P時的疲勞壽命計算公式： ,八、材料的P-S-N曲線 將各級應力水平下疲勞壽命分布曲線上存活率相等的點用曲線連接起來，就得到存活率的一組S-N曲線，稱為P-S-N曲線。,中值,壽命為99%,P-S-N曲線的測定方法,以書中40頁為例：講述數(shù)據(jù)的處理方法和公式的應用。 1、列表,2、均值、標準差、變異系數(shù)：,均值的計算： 標準差（均方根差）： 變異系數(shù)：vxi=sxi/xi xi :均值 計算具有指定成活率P的對數(shù)疲勞壽命：p42,