h-疲勞現(xiàn)象及其一般規(guī)律

1、2.4 疲勞現(xiàn)象及其一般規(guī)律2.4.1 疲勞問題的工程意義1編輯ppt2編輯ppt3編輯ppt2.4.2 變動載荷和疲勞失效2.4.2.1 變動載荷4編輯ppt變應力的種類穩(wěn)定循環(huán)變應力非穩(wěn)定循環(huán)變應力變應力的種類 隨機性非穩(wěn)定變應力規(guī)律性非穩(wěn)定變應力對稱循環(huán)變應力脈動循環(huán)變應力非對稱循環(huán)變應力5編輯ppt材料疲勞的兩種類別一、變應力的特征參數(shù)sm平均應力； sa應力幅值smax最大應力； smin最小應力r 應力比（循環(huán)特性） 描述規(guī)律性的交變應力可有5個參數(shù)，但其中只有兩個參數(shù)是獨立的。平均應力應力幅循環(huán)特征（應力比）6編輯ppt穩(wěn)定循環(huán)變應力的分類max=mina=0m=maxr= +1

2、maxr = 0max= -min=aminr= -1aamaxminm-1 r1靜應力脈動循環(huán)變應力對稱循環(huán)變應力任意不對稱循環(huán)變應力min=0t0am=aam=07編輯ppt2.4.2 疲勞曲線及疲勞抗力 疲勞曲線是疲勞應力和疲勞壽命之問關系的曲線，而疲勞應力是疲勞設計的基木理論依據(jù)。表示疲勞抗力的力學性能指標有疲勞極限、過載持久值和疲勞缺口敏感度等，它們在選材、制定工藝和安全設計中都是十分重要的力學性能數(shù)據(jù)。2.4.2.1 疲勞曲線 1860年維勒( Vohler)最早提出疲勞曲線及疲勞極限的概念，所以后人也稱疲勞曲線為維勒曲線。疲勞曲線通常用旋轉彎曲疲勞試驗測定。8編輯ppt9編輯pp

3、t10編輯ppt11編輯ppt彎曲疲勞加載示意圖循環(huán)應力12編輯ppt 測定疲勞曲線時，預先準備若干個相同試樣，一般從0. 4b0.7b之間選擇幾個不同的最大循環(huán)應力1， 2， 3（Smax）分別對每個試樣進行循環(huán)加載試驗，測出它們的疲勞壽命N1、N2、N3，然后在直角坐標圖中將這些數(shù)據(jù)繪制成max 或 max lg疲勞曲線，如圖2. 19所示。同樣，用其他的不對稱循環(huán)應力也可作出相應的疲勞曲線，如拉壓疲勞、脈動疲勞及扭轉疲勞曲線等。這些疲勞曲線統(tǒng)稱為疲勞應力與疲勞壽命曲線，即S-N曲線。其中S為應力，可以是最大應力或應力幅。13編輯ppt循環(huán)應力越高，疲勞壽命越短;而循環(huán)應力越低，疲勞壽命就

4、越長；循環(huán)應力-1（臨界值），曲線成為水平線段，表明此時試樣經無眼次循環(huán)也不發(fā)生疲勞。疲勞曲線有水平線段可標定無限壽命的疲勞極限無水平線段不可標定無限壽命的疲勞極限，可測定有限壽命(如107、108所對應的條件疲勞極限）SN14編輯ppt材料不同，疲勞曲線不同：同樣的材料，循環(huán)特性不同，疲勞曲線不同：可靠度不同，疲勞曲線不同：通常，未加說明的疲勞曲線，均指循環(huán)特性 r = -1、可靠度R=50%的疲勞曲線。15編輯ppt 通常所說的S-N曲線是指將不同應力(或應力水平)下疲勞壽命的平均值用曲線進行擬合得到的中值S-N曲線。根據(jù)概率理論，疲勞壽命平均值所對應的失效概率為50，顯然這對于工程應用來

5、說是不安全的。 由于疲勞試驗時試驗數(shù)據(jù)分散性較大，因此從破壞幾率和可靠性考慮，需要在每一個應力水平下選用一組試樣.測定每個試樣的疲勞壽命，然后用概率統(tǒng)計方法（正態(tài)分布、威布爾分布）將這些數(shù)據(jù)進行處理，繪制不同破壞幾率率的一簇疲勞曲線，稱為P-S-N,其中P表示破壞幾率。16編輯ppt 如P=90%的疲勞曲線，表示破壞幾率為90%，即安全可靠性為10% ；顯然P值越小， P-S-N曲線越向下，安全性就越好;反之，曲線越靠上，安全可靠性越差。一般在測定P-S-N曲線時，常作P=50%的中值疲勞曲線，由它標定的疲勞極限稱中值疲勞極限.17編輯pptSlgN18編輯ppt2.4.2.2 疲勞極限 疲勞

6、極限是材料抵抗無限次應力循環(huán)也不產生疲勞斷裂的強度指標，條件疲勞極限是材料抵抗規(guī)定循環(huán)次數(shù)而不產生疲勞斷裂的強度指標，二者統(tǒng)稱為疲勞強度。疲勞強度是保證機件疲勞壽命的重要性能指標。由于應力比對疲勞極限有較大影響.故在測定和應用疲勞極限時，應從實際循環(huán)應力出發(fā)去測定疲勞極限。(1)對稱循環(huán)疲勞極限19編輯ppt20編輯ppt 通常與測定S-N曲線同時進行。具體力方法為:準備7 10個相同試樣;根據(jù)材料抗拉強度值，在0. 4b0.7b之間從高到低選擇幾個應力水平1， 2， 3分別對每個試樣進行循環(huán)加載試驗，其中低應力的數(shù)值間距小一些，高應力的數(shù)值問距大一些;測出它們的疲勞壽命N1、N2、N3，最后

7、以N=107周次作為無限壽命的循環(huán)基數(shù)去標定。當施加應力為n-1的試樣其疲勞壽命Nn-1107周次，而施加應力為n的試樣其疲勞壽命Nn107周次，且n-1n 10MPa時，即可認為-1在n-1、n之間，可近似用二者的平均值表示。21編輯pptOAam不對稱循環(huán)疲勞極限BE45 曲線AC上方區(qū)域內坐標點所對應的最大應力值，都超過材料的疲勞極限。曲線AC下方區(qū)域內坐標點所對應的最大應力值，均低于材料的疲勞極限。C 1.疲勞極限應力圖疲勞壽命一定時，應力比r不同，材料的疲勞極限rN亦不同，它們之間的關系可用平均應力（rm ）和應力幅（ra ）繪成的曲線圖表示。0/20/2對稱循環(huán)應力點靜應力點（脆性

8、材料）脈動循環(huán)應力點 1曲線AC上任一坐標點的變應力值代表材料在某一循環(huán)特性下的疲勞極限。B22編輯ppt 因此，只要知道應力比r，代人上式即可求得tan和，然后從坐標原點引直線，令其與橫坐標的夾角等于，該直線和曲線ABC的交點B即為所求點，其縱橫坐標之和即為相應的疲勞極限。 為了在疲勞圖A BC曲線上建立疲勞極限和應力比r間的關系，可在ABC曲線上任取一點B與原點O連線，其幾何關系為:23編輯ppt(2)不同應力狀態(tài)的疲勞極限 同一材料在不同應力狀態(tài)下測得的疲勞極限是不同的，但是它們之問存在一定聯(lián)系。根據(jù)試驗測定，彎曲疲勞極限與拉壓、扭轉疲勞極限之間存在以下關系:24編輯ppt 以上關系表明

9、，對于同種材料有 。這是因為彎曲疲勞時，試樣截面上應力分布不均勻，表而應力最大，只有表面層易于產生疲勞損傷;拉壓疲勞時，試樣截面應力分布均勻，整個試樣產生疲勞損傷的幾率較大，易于疲勞損傷。因而-1-1p。扭轉疲勞時切應力較大，交變切應力比拉應力更易于使材料發(fā)生滑移，即更易引起疲勞損傷，所以-1最小。25編輯ppt (3)疲勞極限與靜強度間的關系 材料的疲勞極限是通過疲勞試驗獲得的。另外，可以根據(jù)材料的靜強度來近似估算。試驗表明，材料的抗拉強度越大，其疲勞極限也越大（定性規(guī)律性）。 對于中、低強度鋼，疲勞極限與抗拉強度之間大致呈線性關系，可近似認為， -1=0.5b。當b較高時，這種關系偏離較大

10、。26編輯ppt2.4.3 過載持久值 材料在高于疲勞極限的應力下運行時，發(fā)生疲勞斷裂的應力循環(huán)周次稱為材料的過載持久值，也稱有限疲勞壽命。過載持久值表征材料對過載負荷的抵抗能力。根據(jù)疲勞曲線傾斜部分可以確定過載持久值。 疲勞曲線傾斜部分愈陡，則持久值愈高，說明材料在相同過載負荷下能經受的應力循環(huán)周次愈多，即材料對過載負荷抗力愈高。疲勞曲線傾斜部分上任一點所對應的應力，稱為材料的持久極限。27編輯ppt2.5 疲勞裂紋的形成和擴展2.5.1 疲勞裂紋的形成 疲勞裂紋的形成是由微觀裂紋開始的。微觀裂紋的形成、長大及連接將導致宏觀疲勞裂紋的產生.而微觀裂紋是由不均勻的局部滑移和顯微開裂所引起的，其

11、主要方式有表面滑移帶開裂、相界面開裂和晶界開裂等。28編輯ppt1. 滑移帶開裂產生裂紋 材料在循環(huán)應力長期作用下，即使應力小于屈服應力，也會產生循環(huán)滑移并形成循環(huán)滑移帶，與靜載荷時均勻滑移帶不同，循環(huán)滑移是不均勻的，總是集中分布于某些薄弱區(qū)域。這種循環(huán)滑移帶具有持久駐留性，很難去除。駐留滑移帶一般只在材料表面形成，深度較淺。隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加，循環(huán)滑移帶會不斷加寬，當達到一定程度時，將在駐留滑移帶處形成微裂紋。29編輯ppt 駐留滑移帶在表面的加寬過程中，還會出現(xiàn)擠出脊和侵入溝，于是此處出現(xiàn)應力集中和空洞，經過一定循環(huán)后就會產生微裂紋30編輯ppt31編輯ppt2.5.2 疲勞裂紋的擴展

12、32編輯ppt33編輯ppt疲勞裂紋的擴展過程可以用Laird模型說明34編輯ppt2. 5.3 影響疲勞強度的因素 疲勞斷裂一般是從機件表面應力集中處或材料缺陷處發(fā)生的，或者是從二者結合處發(fā)生的。因此材料和機件的疲勞強度不僅和材料成分、組織結構及夾雜物有關，而且還受載荷條件、工作環(huán)境及加工處理條件的影響。一、加載條件二、表面狀態(tài)的影響三、殘余應力及表面強化的影響四、材料成分及組織的影響35編輯ppt加載頻率: 機器的開停機、轉速變化等；通常載荷交變頻率高于104次/分（約170Hz），隨頻率增加，疲勞強度提高；低于60次/分，疲勞強度有所降低（蠕變）；在3000 10000次/分（50170

13、Hz）時，無明顯影響。次載鍛煉：金屬在低于或接近于疲勞極限的應力下運轉一定循環(huán)次數(shù)后，會使其疲勞極限提高的現(xiàn)象。通常越接近疲勞強度，對提高疲勞壽命越好。 如新機器在空載或不滿載條件下跑合一段時間，一方面可使運動配合部分嚙合的更好，另一方面利用次載鍛煉提高機件的疲勞極限，延長使用壽命。一、 加載條件36編輯ppt間歇：對具有強烈應變時效的鋼如20、4540Cr等在零載下間歇的疲勞壽命表明，每隔25000周次不加載間歇5分鐘后的疲勞曲線與連續(xù)實驗相比，向右下方移動，即疲勞壽命提高。適當?shù)拈g歇時間和間隔周次可相應得到最高的疲勞壽命。溫度：溫度由+20下降到-180 ，結構鋼的疲勞強度增加一倍；溫度升

14、高到300 以上時，每升高100 ，鋼的疲勞強度降低1520%。 溫度升高，疲勞強度下降。37編輯ppt缺口（應力集中） 機件表面的缺口應力集中，往往是引起疲勞破壞的主要原因。 當材料的qf越大和疲勞缺口系數(shù)Kf越大時，越易在缺口處產生疲勞裂紋，疲勞強度越低。表面粗糙度 表面的微觀幾何形狀如刀痕、擦傷和磨裂等，都像微小而鋒利的缺口樣，引起應力集中。表面粗糙度愈低，材料的疲勞極限愈高；表面粗糙度愈高，疲勞極限愈低。材料強度愈高，表面粗糙度對疲勞極限的影響愈顯著。二、 表面狀態(tài)的影響38編輯ppt 彎曲疲勞和扭轉疲勞試驗時，隨試樣尺寸因素增加，疲勞極限下降，強度越高，疲勞極限下降得愈多尺寸效應。

15、原因：試樣表面拉應力相等情況下，尺寸大的試樣，從表面到心部的應力梯度小，處于高應力區(qū)的體積大，在交變載荷下受損傷區(qū)域大，存在缺陷的幾率也高，因而疲勞極限下降。尺寸因素39編輯ppt三、殘余應力及表面強化的影響 機件表面殘余壓應力狀態(tài)對疲勞強度有顯著影響，殘余壓應力提高疲勞強度，殘余拉應力則降低疲勞強度。表面強化的方法通常有表面噴丸和滾壓，表面淬火及表面化學熱處理等。表面強化處理可在機件表面產生有利的殘余壓應力，降低機件表面所承受的有效拉應力，同時還能提高機件表面的強度和硬度（即提高表面抗塑性變形能力）表面強化處理的雙重作用。40編輯ppt表面強化提高疲勞極限示意圖 應力高于材料的疲勞強度，故該區(qū)域內會過早產生疲勞裂紋表面強化處理能有效消除缺口所產生的應力集巾，提高疲勞強度。41編輯ppt四、材料成分及組織的影響疲勞強度也是對材料組織結構敏感的力學性能。 1.合金成分在各類結構工程材料中，結構鋼的疲勞強度最高，故應用廣泛。碳是影響疲勞強度的重要元素，既可間隙固溶強化基體，又可形成彌散碳化物進行彌散強化，提高材料形變抗力，阻止塑性滑移帶的形成