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1、1第五章第五章 材料的疲劳性能材料的疲劳性能河 海 大 学 机 电 工 程 学 院河 海 大 学 机 电 工 程 学 院2023/3/12河海大学机电工程学院The dog equally study,the gentleman equally plays.中国就有这么一群奇怪的人,本身是最低阶层,中国就有这么一群奇怪的人,本身是最低阶层,利益每天都在被损害,却具有统治阶级的意识。利益每天都在被损害,却具有统治阶级的意识。在动物世界里找这么弱智的东西都几乎不可能。在动物世界里找这么弱智的东西都几乎不可能。林语堂林语堂(1895-1976)2023/3/122复复 习习应力强度因子应力强度因子K
2、I断裂韧度断裂韧度KIc影响材料断裂的因素影响材料断裂的因素特殊改性处理提高断裂韧度的方法特殊改性处理提高断裂韧度的方法32023/3/12河海大学机电工程学院本章主要内容本章主要内容介绍材料的疲劳破坏的特征、机理、材介绍材料的疲劳破坏的特征、机理、材料疲劳性能的测定、影响材料或机件疲料疲劳性能的测定、影响材料或机件疲劳性能的因素以及提高材料或机件疲劳劳性能的因素以及提高材料或机件疲劳性能的措施。性能的措施。重点掌握疲劳破坏的机理、疲劳强度的重点掌握疲劳破坏的机理、疲劳强度的测定方法和影响材料或机件疲劳性能的测定方法和影响材料或机件疲劳性能的因素。因素。2023/3/12河海大学机电工程学院4
3、第一节第一节 疲劳破坏的一般规律疲劳破坏的一般规律什么是疲劳?什么是疲劳?变动载荷是?变动载荷是?5工件在变动载荷和应变的长期作用下,因积累损伤工件在变动载荷和应变的长期作用下,因积累损伤而引起的断裂现象。而引起的断裂现象。载荷大小、方向随时间变化的载荷载荷大小、方向随时间变化的载荷.2023/3/12河海大学机电工程学院6变动应力:变动载荷在单位面积上的平均值。变动应力:变动载荷在单位面积上的平均值。l规则周期变动应力;规则周期变动应力;(循环应力)(循环应力)l无规则随机变动应力无规则随机变动应力2023/3/12河海大学机电工程学院变动应力的各类情况:变动应力的各类情况:循环应力循环应力
4、表征循环应力特征的参量:表征循环应力特征的参量:72023/3/12河海大学机电工程学院 8循环应力的类型:循环应力的类型:循环应力循环应力对称循环:对称循环:不对称循环:不对称循环:脉动循环:脉动循环:波动循环:波动循环:随机变动应力:随机变动应力:m 0,r 1m 0,1 r 1m a 0,r 0;m a 0,r m a,0 r 12023/3/12河海大学机电工程学院疲劳破坏的概念疲劳破坏的概念疲劳破坏的过程疲劳破坏的过程疲劳寿命疲劳寿命9在变动应力作用下薄弱区域逐渐萌生裂纹,且引起裂在变动应力作用下薄弱区域逐渐萌生裂纹,且引起裂纹的扩展,当裂纹扩展到一定程度后发生突然断裂。纹的扩展,当
5、裂纹扩展到一定程度后发生突然断裂。疲劳破坏过程:从局部区域开始的损伤积累,最终疲劳破坏过程:从局部区域开始的损伤积累,最终引起整体破坏的过程。引起整体破坏的过程。裂纹萌生和扩展过程:疲劳源、疲劳裂纹扩展区、裂纹萌生和扩展过程:疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区瞬时断裂区机件在疲劳失效前的工作时间(次数)。机件在疲劳失效前的工作时间(次数)。主要影响因素:循环应力主要影响因素:循环应力2023/3/12河海大学机电工程学院疲劳破坏的特点疲劳破坏的特点与静载、一次性冲击加载比较:与静载、一次性冲击加载比较:疲劳的分类:疲劳的分类:10脆性断裂脆性断裂潜藏的、突发性破坏潜藏的、突发性破坏(疲劳破坏前
6、无塑性变形、呈脆性断裂疲劳破坏前无塑性变形、呈脆性断裂)低应力循环延时断裂低应力循环延时断裂有寿命的断裂有寿命的断裂应力状态:弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳;应力状态:弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳;应力高低和断裂寿命:应力高低和断裂寿命:高周疲劳(低应力疲劳,高周疲劳(低应力疲劳,N105,=s)2023/3/12河海大学机电工程学院对缺陷十分敏感:对缺陷十分敏感:缺口、裂纹缺口、裂纹 应力集中;应力集中;组织缺陷组织缺陷 降低局部强度。降低局部强度。疲劳断口的宏观特征疲劳断口的宏观特征三个特征区:三个特征区:疲劳源疲劳源 光亮光亮来源:缺口、裂纹;冶金缺陷;数目:应力大小来
7、源:缺口、裂纹;冶金缺陷;数目:应力大小疲劳裂纹扩展区疲劳裂纹扩展区 光滑且分布有光滑且分布有贝纹线贝纹线贝纹线形状(凹、凸)、贝纹线间距、贝纹线范围贝纹线形状(凹、凸)、贝纹线间距、贝纹线范围瞬断区瞬断区脆性材料:脆性材料:结晶状结晶状;韧性材料:韧性材料:放射状或人字纹状,并有剪切唇放射状或人字纹状,并有剪切唇位置:疲劳源对侧;大小位置:疲劳源对侧;大小(名义应力、材料韧脆性名义应力、材料韧脆性)112023/3/12河海大学机电工程学院疲劳裂纹萌生的策源地,多在表面疲劳裂纹萌生的策源地,多在表面122023/3/12河海大学机电工程学院第二节第二节 疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理疲劳过程:
8、疲劳过程:疲劳裂纹萌生、裂纹亚稳扩展、裂纹失稳扩展疲劳裂纹萌生、裂纹亚稳扩展、裂纹失稳扩展疲劳裂纹的萌生:疲劳裂纹的萌生:在材料的薄弱区和高应力区,通过不均匀滑移、微裂在材料的薄弱区和高应力区,通过不均匀滑移、微裂纹形成和长大而完成。纹形成和长大而完成。疲劳裂纹核:疲劳裂纹核:一般一般0.050.10mm的裂纹的裂纹裂纹萌生期:裂纹萌生期:形成裂纹疲劳核的循环周期形成裂纹疲劳核的循环周期2023/3/12河海大学机电工程学院13疲劳微裂纹的形式:疲劳微裂纹的形式:2023/3/12河海大学机电工程学院14表面滑移带开裂表面滑移带开裂;第二相、夹杂物与基体界面或夹杂物本身开裂第二相、夹杂物与基体
9、界面或夹杂物本身开裂;晶界或亚晶界开裂。晶界或亚晶界开裂。循环滑移带循环滑移带循环应力循环应力驻留滑移带驻留滑移带挤出脊挤出脊 侵入沟侵入沟1)不均匀滑移;)不均匀滑移;2)显微开裂)显微开裂.疲劳裂纹的扩展:疲劳裂纹的扩展:2023/3/12河海大学机电工程学院15第第阶段:沿最大切应力方向阶段:沿最大切应力方向扩展速度极慢、扩展总量小扩展速度极慢、扩展总量小第第阶段:沿垂直拉应力方向阶段:沿垂直拉应力方向穿晶扩展穿晶扩展扩展速度随循环周次增加而增加扩展速度随循环周次增加而增加疲劳断口最典型的微观特征:疲劳断口最典型的微观特征:疲劳条带疲劳条带略微弯曲并相互平行的沟槽状略微弯曲并相互平行的沟
10、槽状花样,与裂纹扩展方向垂直。花样,与裂纹扩展方向垂直。脆性疲劳条带脆性疲劳条带韧性疲劳条带韧性疲劳条带相互平行的弧状条纹相互平行的弧状条纹有有有有解理台阶的河流花样,解理台阶的河流花样,大致垂直于疲劳条带大致垂直于疲劳条带有有无无2023/3/12河海大学机电工程学院16疲劳条带和贝纹线的区别:疲劳条带和贝纹线的区别:疲劳断口的微观、宏观特征;疲劳断口的微观、宏观特征;相邻贝纹线间可能有许多疲劳条带;相邻贝纹线间可能有许多疲劳条带;既可同时出现,也可不同时出现。既可同时出现,也可不同时出现。2023/3/12河海大学机电工程学院17疲劳条带的特点:疲劳条带的特点:滑移系多的面心立方金属中,较
11、明显;滑移系多的面心立方金属中,较明显;滑移系较少或组织状态复杂的钢铁材料中,常短窄而紊乱滑移系较少或组织状态复杂的钢铁材料中,常短窄而紊乱第三节第三节 疲劳抗力指标疲劳抗力指标疲劳强度疲劳强度过载持久值过载持久值疲劳缺口敏感度疲劳缺口敏感度疲劳裂纹扩展速度疲劳裂纹扩展速度2023/3/12河海大学机电工程学院18从从0.67b到到0.4b选择几个选择几个等级的应力水平,等级的应力水平,1、2、n,测定每个应力水,测定每个应力水平的试样从加载到断裂所需平的试样从加载到断裂所需的循环次数的循环次数N1、N2、Nn。绘制成绘制成N曲线。曲线。疲劳试验方法疲劳试验方法2023/3/12河海大学机电工
12、程学院19临界应力临界应力-1疲劳强度疲劳强度-1:-1为无限寿命的疲劳应力判据。为无限寿命的疲劳应力判据。非对称循环应力的疲劳强度非对称循环应力的疲劳强度 r金属材料的疲劳曲线金属材料的疲劳曲线类型:有水平线;无水平线类型:有水平线;无水平线当循当循环应环应力小于一力小于一临临界界值值时时,试样试样不会断裂。不会断裂。这这个个临临界界值值就定就定义为义为材料的疲材料的疲劳劳强强度,度,记记作作r。此。此时时,-N曲曲线线呈水平呈水平线线。当当载载荷荷应应力力 r时时,工件,工件不会不会发发生疲生疲劳劳断裂,断裂,认为认为是无限寿命。是无限寿命。2023/3/1220河海大学机电工程学院二、疲
13、劳强度二、疲劳强度疲劳曲线类型:疲劳曲线类型:无限疲劳寿命无限疲劳寿命:有水平线,如有水平线,如结构钢和球墨铸铁等;结构钢和球墨铸铁等;有限疲劳寿命有限疲劳寿命:没有水平线,没有水平线,如有色金属、不锈钢和高强如有色金属、不锈钢和高强度钢。度钢。根据材料使用要求,测定根据材料使用要求,测定N=106、107或或108有限寿命的有限寿命的疲劳强度。疲劳强度。同一材料在不同的试验环境同一材料在不同的试验环境下,会有不同的疲劳曲线。下,会有不同的疲劳曲线。2023/3/1221河海大学机电工程学院疲劳强度疲劳强度定定义义:在指定疲在指定疲劳劳寿命下,材料能承受的上限循寿命下,材料能承受的上限循环应环
14、应力。力。对对称循称循环环疲疲劳劳强强度度对对称弯曲称弯曲-1;对对称扭称扭转转-1;对对称拉称拉压压-1p不不对对称循称循环环疲疲劳劳强强度度max(min)m疲疲劳图劳图2023/3/12河海大学机电工程学院22最最常常用用机件承受不对称循环载荷,设计时如何选材?理论上可以模机件承受不对称循环载荷,设计时如何选材?理论上可以模拟试验测定,实际上很难实现。拟试验测定,实际上很难实现。一般采用作图法,求出各种不对称循环载荷下的疲劳强度。一般采用作图法,求出各种不对称循环载荷下的疲劳强度。B、C点:点:-1A点:点:bH点:点:0AHB曲曲线为线为max,AEC曲曲线为线为min。图图表示了表示
15、了r=-11各种各种状状态态下的疲下的疲劳劳强强度。度。2023/3/1223河海大学机电工程学院求不求不对对称循称循环环疲疲劳劳强强度度疲疲劳图劳图A点表示静拉伸;点表示静拉伸;B点表示对称载荷点表示对称载荷AHB线上一点与原点线上一点与原点O的的连线与横坐标夹角连线与横坐标夹角存在存在以下关系:以下关系:根据已知根据已知r,求得,求得,用作,用作图法求出在图法求出在AHB上的点,上的点,即即max。2023/3/1224河海大学机电工程学院求不求不对对称循称循环环疲疲劳劳强强度度疲疲劳图劳图适用于脆性材料适用于脆性材料最早的疲劳图中,最早的疲劳图中,AHB和和AEC是直线。是直线。Gerb
16、er建议将建议将AHB改为抛物线,即:改为抛物线,即:2023/3/1225河海大学机电工程学院对对于塑性材料:于塑性材料:B点:点:-1A点:点:sH点:点:0只要知道只要知道-1、s,再,再测测定定一个一个0,就可以,就可以绘绘制出塑制出塑性材料的疲性材料的疲劳图劳图。疲疲劳图劳图可以可以计计算出不同循算出不同循环应环应力状力状态态的疲的疲劳劳强强度。度。-1-1A AB BC CH HP PQ QR R0 0 0.20.2 0 0 mm maxmax minminE E2023/3/1226河海大学机电工程学院弯曲、扭转和抗压疲劳强度存在以下经验关系弯曲、扭转和抗压疲劳强度存在以下经验关
17、系 对称拉压疲劳强度对称拉压疲劳强度-1p 对称扭转疲劳强度对称扭转疲劳强度-1 对称弯曲疲劳强度对称弯曲疲劳强度-1 同种材料的疲劳强度:同种材料的疲劳强度:这这些些经验经验公式有一定公式有一定误误差,差,约约1030%。弯曲时,试样截面上应力分布不均匀,表面应力最大,仅弯曲时,试样截面上应力分布不均匀,表面应力最大,仅表面层产生疲劳损伤;表面层产生疲劳损伤;拉压时,试样截面的应力分布均匀,整个截面都有可能疲拉压时,试样截面的应力分布均匀,整个截面都有可能疲劳损伤;劳损伤;扭转时,切应力大,比变动拉应力更易使材料发生滑移,扭转时,切应力大,比变动拉应力更易使材料发生滑移,产生疲劳损伤。产生疲
18、劳损伤。2023/3/12河海大学机电工程学院27疲劳强度与静强度之间的关系疲劳强度与静强度之间的关系材料的抗拉强度越大,其疲劳强度也越大材料的抗拉强度越大,其疲劳强度也越大中低强度钢,疲劳强度与抗拉强度呈线形关系中低强度钢,疲劳强度与抗拉强度呈线形关系对于高强度材料,塑性和断裂韧性降低,裂纹对于高强度材料,塑性和断裂韧性降低,裂纹易于形成和扩展,线性关系被改变。易于形成和扩展,线性关系被改变。2023/3/12河海大学机电工程学院28三、过载持久值及过载损伤界三、过载持久值及过载损伤界实际服役过程中机件不可避免地会受到偶然的实际服役过程中机件不可避免地会受到偶然的过载作用,如紧急刹车、突然启
19、动等。过载作用,如紧急刹车、突然启动等。有的机件不需要无限寿命,如按疲劳强度来设有的机件不需要无限寿命,如按疲劳强度来设计就不合理了。计就不合理了。1 1、过载持久值、过载持久值材料在高于疲劳强度的应力下工作,发生疲劳材料在高于疲劳强度的应力下工作,发生疲劳断裂的断裂的循环周次循环周次称为材料的称为材料的过载持久值过载持久值,也称,也称为材料的为材料的有限疲劳寿命有限疲劳寿命。过载持久值表征了抗过载能力,由疲劳曲线倾过载持久值表征了抗过载能力,由疲劳曲线倾斜部分确定。斜部分确定。曲线倾斜越陡,持久值就越高曲线倾斜越陡,持久值就越高。2023/3/1229河海大学机电工程学院过载持久值及过载损伤
20、界过载持久值及过载损伤界过载持久值,有限疲劳寿命过载持久值,有限疲劳寿命材料在高于疲劳强度的一定应力下工作,发生疲劳材料在高于疲劳强度的一定应力下工作,发生疲劳断裂的应力循环周次断裂的应力循环周次疲劳曲线的倾斜部分确定疲劳曲线的倾斜部分确定过载应力,过载应力,材料耐久强度材料耐久强度过载损伤界过载损伤界短期过载对材料性能的影响,过载应力和过载周次短期过载对材料性能的影响,过载应力和过载周次把每个过载应力下运行能引起损伤的最少循环周次把每个过载应力下运行能引起损伤的最少循环周次连接起来就得到材料的连接起来就得到材料的过载损伤界过载损伤界。过载损伤界到疲劳曲线间的影线区,过载损伤界到疲劳曲线间的影
21、线区,过载损伤区过载损伤区。2023/3/12河海大学机电工程学院30 2 2、过载损伤界、过载损伤界实际机件往往受短期实际机件往往受短期过载,如启动。过载,如启动。过载对疲劳强度的影过载对疲劳强度的影响取决于过载应力大响取决于过载应力大小和过载周次。小和过载周次。把不同过载应力下引把不同过载应力下引起损伤的最小循环周起损伤的最小循环周次连接起来就得到材次连接起来就得到材料的过载损伤界。料的过载损伤界。2023/3/1231河海大学机电工程学院过载过载循循环环周次离疲周次离疲劳劳曲曲线线越近,越近,对对疲疲劳劳强强度或寿命度或寿命的的损伤损伤越大;越大;应应力越高,力越高,开始开始发发生生过载
22、损伤过载损伤的循的循环环周次就越少。周次就越少。界界线线越陡,区域越窄,材越陡,区域越窄,材料抵抗疲料抵抗疲劳过载劳过载的能力就的能力就越越强强。宁可宁可选选用用-1低一些,也要低一些,也要选过载选过载区窄的材料。区窄的材料。2023/3/1232河海大学机电工程学院四、疲劳缺口敏感性四、疲劳缺口敏感性静载时静载时,应力集中使局部应力超过材料的屈服强,应力集中使局部应力超过材料的屈服强度产生塑性变形。只要材料有足够的塑性,缺口度产生塑性变形。只要材料有足够的塑性,缺口造成的应力集中作用就不明显;只要塑性变形不造成的应力集中作用就不明显;只要塑性变形不太大,就不会产生多大的影响。太大,就不会产生
23、多大的影响。动载时动载时,零件承受的应力水平远低于屈服极限,零件承受的应力水平远低于屈服极限,应力集中难以发生明显的塑性变形,但在交变应应力集中难以发生明显的塑性变形,但在交变应力的作用下裂纹却不断扩展。力的作用下裂纹却不断扩展。变动载荷下,缺口的影响远比静载时大变动载荷下,缺口的影响远比静载时大。2023/3/1233河海大学机电工程学院 疲劳缺口敏感性疲劳缺口敏感性缺口敏感性用缺口敏感性用疲劳缺口敏感度疲劳缺口敏感度qf来表示:来表示:2023/3/1234河海大学机电工程学院疲疲劳劳缺口敏感度缺口敏感度qfKt理理论应论应力集中系数,力集中系数,1。Kf疲疲劳劳缺口系数,缺口系数,为为光
24、滑光滑试样试样和缺口和缺口试样试样疲疲劳劳强强度之比度之比,1表示材料在表示材料在变动应变动应力作用下的缺口敏感性。力作用下的缺口敏感性。2023/3/12河海大学机电工程学院35疲劳缺口敏感性疲劳缺口敏感性 当当Kf=1时时,qf为为零,表示材零,表示材料料对对缺口完全不敏感。缺口完全不敏感。Kf=Kt时时,qf=1,表示材料,表示材料对对缺口十分敏感。缺口十分敏感。一般一般qf随着材料随着材料强强度的增加度的增加而增大:而增大:结结构构钢钢:qf=0.60.8 球球铁铁:qf=0.150.25 灰灰铸铁铸铁:qf=00.05 2023/3/1236河海大学机电工程学院五、疲劳裂纹扩展速率及
25、门槛值五、疲劳裂纹扩展速率及门槛值在一定在一定应应力比力比r和和应应力幅力幅条件下,条件下,试样经试样经N次次循循环环后,后,测测裂裂纹长纹长度度a。作出作出aN的关系曲的关系曲线线。当裂当裂纹长纹长大到大到临临界界ac时时,裂裂纹纹失失稳扩稳扩展,展,试样试样断断裂。裂。2023/3/1237河海大学机电工程学院疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率曲线斜率曲线斜率da/dN就是疲就是疲劳裂纹的扩展速率,随劳裂纹的扩展速率,随裂纹的扩展,裂纹的扩展,da/dN不不断增大。断增大。da/dN与裂纹尺寸与裂纹尺寸a和应和应力幅力幅 有关。有关。疲劳裂纹扩展速率是指疲劳裂纹扩展速率是指疲劳裂纹亚稳扩展阶
26、段疲劳裂纹亚稳扩展阶段的速率,是裂纹扩展的的速率,是裂纹扩展的第二阶段。第二阶段。疲劳裂纹亚稳扩展阶段的速率疲劳裂纹亚稳扩展阶段的速率2023/3/1238河海大学机电工程学院 疲劳裂纹扩展的门槛值疲劳裂纹扩展的门槛值引入引入应力强度因子幅应力强度因子幅KI的概念,可将的概念,可将a和和的的结合在一起:结合在一起:KI是裂纹尖端控制疲劳裂纹扩展的力学参量。是裂纹尖端控制疲劳裂纹扩展的力学参量。2023/3/1239河海大学机电工程学院对对aN曲曲线线中的每个点:中的每个点:计计算出算出KI求出求出da/dN值值作出作出lg(da/dN)lgKI曲曲线线。2023/3/1240河海大学机电工程学
27、院lg(da/dN)lgKI曲曲线线。2023/3/1241河海大学机电工程学院曲曲线线分分3区段:区段:区是疲区是疲劳劳裂裂纹纹的初始的初始扩扩展展阶阶段,段,da/dN很小,很小,约约10-8 10-6 mm/周次周次区疲区疲劳劳裂裂纹扩纹扩展的主要展的主要阶阶段,随段,随着着KI值值增加,增加,da/dN快速增加快速增加区区da/dN急急剧剧增加,材料失增加,材料失稳稳断断裂裂Kth代表裂代表裂纹纹不不扩扩展的展的KI临临界界值值,称,称为为疲劳裂纹扩展门槛值疲劳裂纹扩展门槛值。表征材料阻止疲劳裂纹开始扩展的能力。表征材料阻止疲劳裂纹开始扩展的能力。2023/3/1242河海大学机电工程
28、学院区是疲区是疲劳劳裂裂纹纹的主要的主要扩扩展展阶阶段,段,占整个占整个扩扩展寿命的展寿命的绝绝大部分大部分。该该区区da/dN约约10-510-2mm/周次。周次。da/dN与与KI 的关系的关系为为:da/dN=C(KI)n 该该式称式称为为Paris公式公式。C、n为为材料常数。材料常数。该该区裂区裂纹扩纹扩展展进进程程较较快,快,KI的的变变化范化范围围大,占大,占扩扩展寿命也展寿命也较长较长2023/3/1243河海大学机电工程学院疲劳裂纹扩展门槛值的应用疲劳裂纹扩展门槛值的应用 裂裂纹纹体不体不发发生疲生疲劳劳裂裂纹扩纹扩展的条件是:展的条件是:在在Kth、a三个参量中,只要知道两
29、个就三个参量中,只要知道两个就可以求出第三个,可以求出第三个,Kth是材料的特性参量。是材料的特性参量。已知已知Kth、a,求出,求出该该件在无限疲件在无限疲劳劳寿命的承寿命的承载载能力:能力:已知已知Kth、,求出允,求出允许许的裂的裂纹纹尺寸:尺寸:2023/3/1244河海大学机电工程学院疲劳裂纹扩展门槛值的应用疲劳裂纹扩展门槛值的应用 实际实际很很难测难测定定da/dN=0时时的的Kth值值。工程上常。工程上常规规定平面定平面应变应变状状态态下,下,da/dN =10-6 10-7mm/周次周次时对应时对应的的KI值为值为Kth,并称之,并称之为为条件疲条件疲劳裂纹扩展门槛值劳裂纹扩展
30、门槛值。大多数金属材料的大多数金属材料的Kth值值很小,很小,约为约为(510%)KIC。如。如钢钢Kth 9MPa.m1/2、铝铝合金合金Kth 4MPa.m1/2。2023/3/1245河海大学机电工程学院疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值的应用疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值的应用 用用Paris公式计算疲劳剩余寿命公式计算疲劳剩余寿命 2023/3/1246河海大学机电工程学院复习复习疲疲劳劳破破坏坏的的特特点点是是什什么么?疲疲劳劳破破坏坏的的宏宏观观断断口口特特征征;微微观观断断口口特特征征;韧韧、脆脆材材料料在在微微观观断断口口特特征征上上的的差差别别?疲疲劳劳抗抗力力指指标标有有哪哪些些
31、?疲疲劳劳强强度度?过过载载持持久久值值?疲疲劳劳缺缺口口敏敏感感度度qf?疲疲劳劳裂裂纹纹扩扩展展门门槛槛值值Kth?疲疲劳劳寿寿命命?2023/3/12河海大学机电工程学院47作作图图:不:不对对称循称循环环疲疲劳劳强强度度某某种种铸铸铁铁的的b为为450MPa,现现测测得得它它的的对对称称弯弯曲曲疲疲劳劳强强度度-1为为200MPa,请请问问在在应应力力比比r为为1/3时时该该材材料料的的不不对对称称循循环环疲疲劳劳强强度度是是多多少少?(已已知知tan56.3 1.5)2023/3/12河海大学机电工程学院48第四节第四节 影响材料疲劳强度的因素影响材料疲劳强度的因素 工作条件工作条件
32、表面状表面状态态及及尺寸因素尺寸因素表面表面处处理及理及表面表面强强化化材料因素材料因素应力状态应力状态应力比应力比过载情况过载情况平均应力平均应力载荷频率载荷频率环境温度环境温度环境介质环境介质尺寸效应尺寸效应表面粗糙度表面粗糙度缺口效应缺口效应表面喷丸表面喷丸表面滚轧表面滚轧表面热处理表面热处理表面涂层表面涂层化学成分化学成分组织结构组织结构纤维方向纤维方向内部缺陷内部缺陷2023/3/1249河海大学机电工程学院一、工作条件的影响一、工作条件的影响1、载载荷条件荷条件(1)应应力状力状态态、平均、平均应应力力和和应应力比的影响。力比的影响。(2)次次载锻炼载锻炼:在低于疲:在低于疲劳劳强
33、强度度应应力下先运力下先运转转一一定定时间时间,可提高材料的,可提高材料的疲疲劳劳强强度。新机器先空度。新机器先空运运转转或低速运或低速运转转一定一定时时间间,既能跑合又能提高,既能跑合又能提高零部件的疲零部件的疲劳劳寿命。寿命。2023/3/1250河海大学机电工程学院(3)在)在过载损伤过载损伤区内的区内的过载过载将降低疲将降低疲劳劳强强度。度。(4)间间歇效歇效应应:对对应变时效材料应变时效材料,在循,在循环环加加载载运运行中,若行中,若间间隙空隙空载载一段一段时间时间或或间间隙隙时时适当加温,适当加温,可提高疲可提高疲劳劳强强度或延度或延长长疲疲劳劳寿命。寿命。(5)载载荷荷频频率:在
34、一定率:在一定频频率范率范围围(1701000 Hz)内,材料的疲内,材料的疲劳劳强强度随加度随加载频载频率的提高而提高。率的提高而提高。在常用的在常用的频频率率50170Hz范范围围内,材料的疲内,材料的疲劳劳强强度基本不受度基本不受频频率的影响。低于率的影响。低于1Hz加加载时载时,疲,疲劳劳强强度会有所降低。度会有所降低。一、工作条件的影响一、工作条件的影响2023/3/1251河海大学机电工程学院一、工作条件的影响一、工作条件的影响2、温度温度随着温度的降低,疲劳强度升高;温度升高,疲劳随着温度的降低,疲劳强度升高;温度升高,疲劳强度降低。强度降低。注意:有些材料在一定的温度范围内有时
35、效和热脆注意:有些材料在一定的温度范围内有时效和热脆现象,疲劳强度会出现峰值和谷值。现象,疲劳强度会出现峰值和谷值。结构钢在结构钢在400以上时,疲劳强度急剧下降。耐热以上时,疲劳强度急剧下降。耐热钢在钢在550650以上疲劳强度才会明显下降。以上疲劳强度才会明显下降。高温时材料的疲劳强度没有水平段,疲劳强度只能高温时材料的疲劳强度没有水平段,疲劳强度只能按规定的循环周次确定。按规定的循环周次确定。2023/3/1252河海大学机电工程学院3、腐蚀介质腐蚀介质腐蚀使材料表面产生蚀坑,从而导致降低材料腐蚀使材料表面产生蚀坑,从而导致降低材料的疲劳强度。的疲劳强度。一般腐蚀疲劳曲线没有水平段,只能
36、按规定的一般腐蚀疲劳曲线没有水平段,只能按规定的循环周次确定。循环周次确定。一、工作条件的影响一、工作条件的影响2023/3/1253河海大学机电工程学院二、表面状态和尺寸因素的影响二、表面状态和尺寸因素的影响1、机件表面的缺口、刀痕、擦、机件表面的缺口、刀痕、擦伤伤和缺陷等,都会和缺陷等,都会引起引起应应力集中,是疲力集中,是疲劳劳源,使疲源,使疲劳劳强强度降低。度降低。2、尺寸因素、尺寸因素机件机件尺寸增大,疲尺寸增大,疲劳劳强强度下降度下降,称,称为为尺寸效尺寸效应应。尺寸效尺寸效应应系数:系数:=(-1)d/-1 (-1)d表示直径表示直径为为d的机件的疲的机件的疲劳劳强强度,度,-1
37、表示小表示小试样试样的疲的疲劳劳强强度。度。缺口缺口试样试样比光滑比光滑试样试样的尺寸效的尺寸效应应更加明更加明显显。2023/3/1254河海大学机电工程学院三、表面强化及残余应力的影响三、表面强化及残余应力的影响1、提高材料表面力学性能。、提高材料表面力学性能。疲劳破坏往往是从工件的疲劳破坏往往是从工件的表面开始的,提高表面强表面开始的,提高表面强度,就能提高工件的疲劳度,就能提高工件的疲劳寿命。寿命。2、产生表面压应力。能减小、产生表面压应力。能减小工件表面的拉应力,能提工件表面的拉应力,能提高疲劳强度。高疲劳强度。3、表面强化的方法:喷丸、表面强化的方法:喷丸、滚压、表面淬火和化学热滚
38、压、表面淬火和化学热处理,以及复合强化等。处理,以及复合强化等。2023/3/1255河海大学机电工程学院四、材料成分和组织的影响四、材料成分和组织的影响合金成分合金成分结结构构钢钢;碳;碳固溶固溶/弥散弥散非金属非金属夹杂夹杂物和冶金缺陷物和冶金缺陷 显显微微组织组织 (1)晶粒度晶粒度 (2)各各组组分的相分的相对对量量 回火回火马马氏体疲氏体疲劳劳强强度最好;度最好;淬火淬火组织组织中中铁铁素体、奥氏体素体、奥氏体易引易引发发疲疲劳劳裂裂纹纹应应力状力状态态:高周疲高周疲劳劳、低周疲、低周疲劳劳2023/3/1256河海大学机电工程学院第五节第五节 热热 疲疲 劳劳由周期变化的热应力或热
39、应变引起的材料破坏由周期变化的热应力或热应变引起的材料破坏称为热疲劳称为热疲劳。如热轧辊、气轮机叶片、热锻模、。如热轧辊、气轮机叶片、热锻模、柴油机活塞、制动盘等在使用过程中,都受到柴油机活塞、制动盘等在使用过程中,都受到温度变化而引起的膨胀和收缩,当这种膨胀和温度变化而引起的膨胀和收缩,当这种膨胀和收缩受到制约时就会在机件内部产生应力。收缩受到制约时就会在机件内部产生应力。工件产生热疲劳破坏必须具备两个条件:工件产生热疲劳破坏必须具备两个条件:(1)温度循环变化)温度循环变化(2)工件的热变形受到约束)工件的热变形受到约束。2023/3/1257河海大学机电工程学院由温差由温差T引起的膨引起
40、的膨胀变胀变形量形量为为T,若,若该变该变形完全形完全被被约约束,束,则产则产生的生的热应热应力力为为:=ET经过经过足足够够的温度的温度变动变动循循环环后,后,这这种种变变形造成的形造成的损伤损伤累累积积将引将引发发疲疲劳劳裂裂纹纹,并,并导导致材料致材料龟龟裂或断裂。裂或断裂。当当热应热应力超力超过过材料高温屈服材料高温屈服强强度度时时,将会,将会发发生局部生局部塑性塑性变变形。加形。加热时产热时产生生压应压应力,冷却后力,冷却后产产生拉生拉应应力力2023/3/1258河海大学机电工程学院热热疲疲劳劳性能以在一定温度幅下、性能以在一定温度幅下、产产生一定尺寸生一定尺寸的疲的疲劳劳裂裂纹纹
41、所所经历经历的循的循环环次数,或以次数,或以规规定的循定的循环环周次下周次下产产生裂生裂纹纹的的长长度来表示。度来表示。对对于急于急热热急冷材料,其抗急冷材料,其抗热热震断裂的震断裂的临临界温度界温度波波动值为动值为:f为为材料的断裂材料的断裂强强度;度;E、分分别为别为材料的材料的弹弹性模数、泊松比和性模数、泊松比和热热膨膨胀胀系数。系数。2023/3/1259河海大学机电工程学院热热疲疲劳劳破坏是材料内部破坏是材料内部损伤积损伤积累的累的结结果,属低果,属低周疲周疲劳劳,满满足足Coffin-Manson公式,可得:公式,可得:不不论论塑性塑性应变应变幅幅p如何,最如何,最终终累累积积的塑
42、性的塑性变变形形总总量是常数。量是常数。2023/3/1260河海大学机电工程学院 影响材料热疲劳性能的因素影响材料热疲劳性能的因素金属材料不可避免地会有大小、数量不等的夹渣、金属材料不可避免地会有大小、数量不等的夹渣、气孔和裂纹等缺陷,这些都会降低金属材料的热疲气孔和裂纹等缺陷,这些都会降低金属材料的热疲劳强度和寿命。劳强度和寿命。陶瓷材料也不可避免地会产生微裂纹和气孔等,气陶瓷材料也不可避免地会产生微裂纹和气孔等,气孔常常能抑制微裂纹,不仅钝化了裂纹尖端,降低孔常常能抑制微裂纹,不仅钝化了裂纹尖端,降低了应力集中,能提高热疲劳寿命。但气孔有隔热作了应力集中,能提高热疲劳寿命。但气孔有隔热作
43、用,使局部温度更高,产生更高的热应力和更大的用,使局部温度更高,产生更高的热应力和更大的热应变,降低疲劳寿命。热应变,降低疲劳寿命。2023/3/1261河海大学机电工程学院 影响材料热疲劳性能的因素影响材料热疲劳性能的因素导热系数导热系数:导热系数高,热疲劳性能好。:导热系数高,热疲劳性能好。弹性模数弹性模数:弹性模数高,热疲劳性能差。:弹性模数高,热疲劳性能差。塑性和韧性塑性和韧性:塑性和韧性好,热疲劳性能好。:塑性和韧性好,热疲劳性能好。组织稳定性组织稳定性:铁素体:铁素体/珠光体相变,体积变化,珠光体相变,体积变化,产生相变应力。产生相变应力。2023/3/1262河海大学机电工程学院小结疲劳破坏的变动应力疲劳破坏的变动应力疲劳破坏的概念和特点疲劳破坏的概念和特点疲劳破坏的宏观特征、微观特征疲劳破坏的宏观特征、微观特征疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理疲劳抗力指标:疲劳强度、过载持久值、疲劳抗力指标:疲劳强度、过载持久值、过载损伤界、疲劳缺口敏感度过载损伤界、疲劳缺口敏感度2023/3/12河海大学机电工程学院63作业作业P.108,第5题;P.109,第11题。2023/3/12河海大学机电工程学院64
限制150内