材料力学性能教学课件PPT材料的疲劳.ppt

1 主讲人: 张宁 2 v 一、金属疲劳现象及特点 v 二、疲劳曲线及基本疲劳力学性能 v 三、疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 v 四、疲劳过程及机理 v 五、影响疲劳强度的主要因素 v 六、低周疲劳 第五章 金属的疲劳 3 3 v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，其断裂应力水平往 往105周次，断裂应力 水平较低，-1）长期作用下，即使其 应力低于屈服应力，也会发生循环位移并形成循环滑移带 。 v 与静载荷时均匀滑移带相比，循环滑移不均匀，总是集中 分布于某些局部薄弱区域。 第四节 疲劳过程及机理 47 v 用电解抛光方法很难将已产生的表面循环滑移带去除，即使能去除 ，当对试样重新循环加载时，则循环滑移带又在原处出现，这种永 留或再现的循环滑移带称为驻留滑移带。 v 随着加载循环周次的增加，循环滑移带不断加宽，当加宽到一定程 度时，由于位错的塞积和交割作用，便在驻留滑移带形成微裂纹。 v 驻留滑移带在加宽过程中，还会出现挤出脊和侵入沟，于是产生应 力集中和空洞，经过一定循环后也会产生微裂纹。 v 只要提高材料的滑移抗力，如采用固溶强化、细晶强化等手段，均 可以阻止疲劳裂纹的萌生，提高疲劳强度。 第四节 疲劳过程及机理 4848 PSB处萌生裂纹 4949 5050 51 （二）相界面开裂产生裂纹 v 在疲劳失效分析中，常常发现很多疲劳源都是由材料 中的第二相或夹杂物引起的，因此提出了第二相、夹 杂物本身开裂的疲劳裂纹萌生机理。 v 只要能降低第二相或夹杂物的脆性，提高相界面强度 ，控制第二相或夹杂物的数量、形态、大小和分布， 使之“少、圆、小、匀”，均可抵制或延缓裂纹在第二 相或夹杂物附近萌生，提高疲劳强度。 第四节 疲劳过程及机理 52 （三）晶界开裂产生裂纹 v 多晶材料由于晶界的存在和相邻晶粒的不同取向性，位 错在某一晶粒内部运动时会受到晶界的阻碍作用，在晶 界处发生位错塞积和应力集中现象， v 在应力不断循环，晶界处的应力集中得不到松弛时，则 应力峰越来越高，当超过晶界强度时就会在晶界上产生 裂纹。 v 凡是使晶界弱化和晶粒粗化的因素，如晶界有低熔点夹 杂物等有害元素和成分偏析、晶界析氢及晶粒粗化等， 均易产生晶界裂纹，降低疲劳强度。 第四节 疲劳过程及机理 5353 沿晶界的疲劳裂纹 5454 5555 疲劳裂纹其他萌生方式 疲劳裂纹在表面疏松处生成 5656 疲劳裂纹在表面和次表面处生成 5757 疲劳裂纹在次表面夹杂物处生成 5858 疲劳裂纹在表面腐蚀坑处生成 5959 第四节 疲劳过程及机理 6060 第四节 疲劳过程及机理 61 二、疲劳裂纹扩展过程及机理 v 根据裂纹扩展方向，裂纹扩 展可分为两个阶段： v 第一阶段：从表面个别侵入 沟（或挤出脊）先形成微裂 纹，然后裂纹主要沿主滑移 系方向，以纯剪切方式向内 扩展。 v 第一阶段时的断口，类似于 解理的形貌。没有塑性行为 的痕迹，也没有疲劳辉文， 扩展深度极浅晶粒范 围。所以第一阶段常常难以 分辨。 第四节 疲劳过程及机理 62 二、疲劳裂纹扩展过程及机理 v 此阶段，裂纹扩展速率很低 ，每个应力循环约有0.1微米 数量级的扩展率， v 许多铁合金、铝合金中可观 察到此阶段裂纹扩展，但缺 口试样中可能观察不到。 v 第一阶段裂纹扩展时，由于 晶界的不断阻碍作用，裂纹 扩展逐渐转向垂直拉应力方 向，进入第二阶段扩展。 第四节 疲劳过程及机理 6363 第四节 疲劳过程及机理 64 v 在室温和无腐蚀的条件下疲劳裂纹 扩展为穿晶状态，此阶段的大部分 循环周期内，裂纹扩展速率约为10 -510-2mm/次，第二阶段是疲劳裂 纹亚稳扩展的主要部分。 v 电镜分析表明：第二阶段的断口特 征是具有略呈弯曲并相互平行的沟 槽花样，称为疲劳条带（条纹）。 v 它是裂纹扩展时留下的微观痕迹， 每条带可以视为应力循环的扩展痕 迹，裂纹的扩展方向与条带垂直。 v 一般来讲，材料强度越低，裂纹扩 展越快，疲劳条带越宽。 第四节 疲劳过程及机理 6565 第四节 疲劳过程及机理 6666 第四节 疲劳过程及机理 6767 第四节 疲劳过程及机理 68 第五节 影响疲劳强度的主要因素 69 一、表面状态的影响 v （一）应力集中 v 机件表面的缺口应力集中，往往是引起疲劳破坏的主 要原因。 v （二）表面粗糙度 v 表面的微观几何形状，如刀痕、擦伤和磨裂等，都能 像微小而锋利的缺口一样，引起应力集中，降低疲劳 极限。 v 表面粗糙度越低，材料的疲劳极限越高； v 表面粗糙度越高，材料的疲劳极限越低； v 材料强度越高，表面粗糙度对疲劳极限的影响越显著 。 v 表面脱碳、氧化等缺陷也会降低疲劳强度。 第五节 影响疲劳强度的主要因素 70 二、残余应力及表面强化的影响 v 残余应力可以与外加工作应力叠加，构成合成总应力： v 叠加残余压应力，总应力减小，叠加残余拉应力，总应 力增大。 v 因此，机件表面残余应力状态对疲劳强度（主要低应力 高周疲劳强度）有显著影响。 v 残余压应力提高疲劳强度； v 残余拉应力降低疲劳强度。 第五节 影响疲劳强度的主要因素 71 表面强化处理可在机件表面产生有利的残余压应力，同 时还能提高机件表面的强度和硬度，从而提高疲劳强度 。 表面强化方法包括： v （1）表面喷丸及滚压 v 喷丸是用压缩空气将坚硬的弹丸高速喷打向机件表面，使机 件表面产生局部形变强化，同时因塑变层周围的弹性约束， 又在塑变层内产生残余压应力。 v 喷丸强化的效果与被喷的材料强度有关，材料强度越高，喷 丸效果越好，所以一般机件的喷丸总是在热处理强化后进行 。 v 表面滚压和喷丸的作用相似，但是其压应力层深度较大，很 适用于大工件，而且表面粗糙度低时，强化效果更好。 第五节 影响疲劳强度的主要因素 72 （2）表面热处理及化学热处理 v 表面淬火包括火焰加热淬火、感应加热淬火和低淬透性钢的 整体加热薄壳淬火等。 v 表面化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗等。它们都是利用 组织相变获得表面强化的工艺方法，也是常用的表面强化方 法。 v 在有效提高疲劳强度和疲劳寿命的同时，可提高表面耐磨性 和耐蚀性。 第五节 影响疲劳强度的主要因素 73 三、材料成分及组织的影响 v （一）合金成分 v 合金成分是决定材料组织结构的基本要素。在各种结构工程材料中 ，结构钢的疲劳强度最高，所以应用十分广泛，这类钢中碳是影响 疲劳强度的重要元素。 v 碳既可间隙固溶形成基体，又可形成弥散碳化物进行弥散强化，提 高材料的形变抗力，阻止循环滑移带的形成和开裂，从而阻止疲劳 裂纹的萌生和提高疲劳强度。 v （二）显微组织 v 细化晶粒可以提高材料的疲劳强度。 v 结构钢的热处理组织也影响疲劳强度。正火组织因碳化物为片状， 其疲劳强度最低，淬火回火组织因碳化物为粒状，其疲劳强度比正 火的高。 v （三）非金属夹杂物及冶金缺陷 v 非金属夹杂物是钢在冶炼时形成的，它对疲劳强度有明显的影响， 减少夹杂物的数量及尺寸都能有效提高疲劳强度； v 气孔、缩孔、偏析、折叠等冶金缺陷，会降低机件的疲劳强度。 第五节 影响疲劳强度的主要因素 74 四、材料延寿技术 v1细化晶粒随着晶粒尺寸的减小，合金的裂纹 形成寿命和疲劳总寿命延长。 v2减少和细化合金中的夹杂物细化合金中的夹 杂物颗粒，可以延长疲劳寿命。 v3微量合金化向低碳钢中加铌，大幅度地提高 钢的强度和裂纹形成门槛值，大幅度地延长裂纹 形成寿命。 第五节 影响疲劳强度的主要因素 75 四、材料延寿技术 v4减少高强度钢中的残余奥氏体将高强度马氏 体纲中的残余奥氏体由12减少到5左右. v5改善切口根部的表面状态切削加工会引起零 件表面层的几何、物理和化学的变化。 v6表面喷丸强化是既能延长裂纹形成寿命，又 能延长裂纹扩展寿命的有效方法。 第五节 影响疲劳强度的主要因素 76 v一、低周疲劳 v 研究飞机、舰船、桥梁、原子反应堆装置及建筑设备 的断裂时发现：在较高应力和较少循环次数下也会发 生疲劳断裂。 v 材料在循环载荷作用下，疲劳寿命为102105次的疲劳 断裂称为低周疲劳。 v 机件受循环应力作用，缺口根部则受循环塑性应变作 用，疲劳裂纹总在缺口根部形成，所以这种疲劳也称 塑性疲劳或应变疲劳。 第六节 低周疲劳 77 （一）低周疲劳的特点 v （1）低周疲劳时，因局部区 域产生宏观塑性变形，故循 环应力与应变之间不再呈直 线关系，形成滞后回线。 v 开始加载时，曲线沿OAB进行，卸 载时沿BC进行； v 反向加载时沿CD进行，从D点卸载 时沿DE进行，再次拉伸时沿EB进 行； v 如此循环经过一定周次（通常不超 过100周次）后，就达到了图中所 示的稳定状态滞后回线。 第六节 低周疲劳 78 v （2）低周疲劳试验时，控制总应变范围或者塑性应变 范围，测定疲劳寿命。 v （3）低周疲劳破坏有几个裂纹源，这是由于应力比较 大，裂纹容易形核，形核期较短，只占总寿命的10% 。 v 微观断口的疲劳条带较粗，间距也宽一些，常常不连 续。 v （4）低周疲劳寿命取决于塑性应变幅，而高周疲劳寿 命则决定于应力幅或应力场强度因子范围，但两者都 是循环塑性变形累积损伤的结果。 第六节 低周疲劳 79 （二）低周疲劳的金属循环硬化与循环软化 v 定义：如果金属材料在恒定应变范围循环作用下，随着循环 周次的增加，其应力（形变抗力）不断增加，称为循环硬化 ， v 如果在循环过程中，应力逐渐减小，则为循环软化。 v 不论是产生循环硬化还是循环软化的材料，它们的应力-应变 滞后回线只有在应力循环周次达到一定周次才闭合，此时即 达到循环稳定状态。 第六节 低周疲劳 80 v金属材料产生循环硬化还是循环软化取决于材料 的初始状态，结构特性以及应变幅和温度等。 v退火状态的塑性材料往往表现为循环硬化，而加 工硬化的材料则往往是循环软化。 第六节 低周疲劳 8181 描述循环硬化、软化的方法 第六节 低周疲劳 8282 循环硬化、软化的形成原因 加工硬化指数n0.1，循环硬化或循环稳定 抗拉强度/屈服强度1.4，循环硬化； 抗拉强度/屈服强度105次时，破坏后具有典型的疲劳断口，属于疲劳断 裂，为冲击疲劳。 v 试验表明冲击疲劳曲线与一般疲劳曲线相似，可以由冲 击疲劳曲线确定冲击疲劳极限。 v 材料的冲击疲劳抗力除可用冲击疲劳极限表示外，也可 用一定冲击能量下的冲断周次N或用要求的冲断次数时的 冲断能量来表示。 v 直接用冲击能量表示材料的冲击疲劳抗力简便易行，故 应用较广。 第六节 低周疲劳 85 金属的冲击疲劳是一个取决于强度和塑性的综合力学性 能指标，具有如下特点： v （1）与低周疲劳相似，在冲击能量高时，材料的冲击疲 劳抗力主要取决于塑性，冲击能量低时，冲击疲劳强度主 要取决于强度。 v （2）淬火回火钢的冲击疲劳抗力随着回火温度的不同不 是单调变化的，而是在某一温度下有一个峰值，该峰值随 着冲击能量增加向高温方向移动。 v （3）高强度钢、超高强度钢的塑性和冲击韧度对提高冲 击疲劳抗力有较大的影响； v 中、低强度钢的塑性和冲击韧度对提高冲击疲劳抗力作用 不大。 第六节 低周疲劳 86 四、热疲劳 v 定义：机件在由温度循环变化时产生的循环