材料的力學(xué)行為及性能

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1、第六章材料的疲勞§6.1材料疲勞概述一、疲勞的概念在此以前討論的構(gòu)件強(qiáng)度，大都是靜應(yīng)力條件下的問題，然而，工程中，特別是機(jī)械工程中的許多構(gòu)件，受到的并非是靜應(yīng)力，它們或者受到隨時(shí)間變化的載荷的作用（蒸汽輪機(jī)活塞桿，時(shí)而受壓，時(shí)而受拉），或載荷雖不變化而構(gòu)件本身在轉(zhuǎn)動(dòng)（齒輪軸）；或者構(gòu)件的環(huán)境溫度在反復(fù)地變化。這稱為變動(dòng)或交變載荷。本質(zhì)地講，這類構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變是變動(dòng)的或交變的；如曲軸、連桿、齒輪、葉片以及橋梁等，在這種載荷作用下，即使所受的應(yīng)力低于斷裂強(qiáng)度，甚至屈服強(qiáng)度，也會(huì)發(fā)生微裂紋的萌生和擴(kuò)展，最終發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷

2、裂。疲勞：當(dāng)結(jié)構(gòu)在循環(huán)和交變應(yīng)力下，裂紋可以萌生并增長到臨界尺寸而發(fā)生失穩(wěn)斷裂的過程?；颍阂蜓h(huán)應(yīng)力和交變應(yīng)力而使材料抵抗裂紋擴(kuò)展和斷裂能力減弱的現(xiàn)象。二、疲勞斷裂的特點(diǎn)1）疲勞是低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂，即具有壽命的斷裂；（斷裂壽命隨應(yīng)力不同而變化，應(yīng)力高壽命短，應(yīng)力低壽命長，當(dāng)應(yīng)力低于某一臨界值時(shí)，壽命可達(dá)無限長）2）疲勞斷裂是脆性斷裂；（應(yīng)力水平低，斷裂前沒有明顯的宏觀塑性變形預(yù)兆，突發(fā)的脆性斷裂）3）疲勞對(duì)缺陷（缺口、裂紋及組織缺陷）十分敏感。據(jù)統(tǒng)計(jì)，疲勞斷裂在整個(gè)失效件中占70％～80％左右，危害性極大。本章研究金屬疲勞的一般規(guī)

3、律、疲勞破壞過程及機(jī)理、疲勞力學(xué)性能及其影響因素、疲勞裂紋擴(kuò)展壽命估算及延壽技術(shù)，以便為疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)和選用材料、改進(jìn)工藝提供基礎(chǔ)知識(shí)。（疲勞又可分為機(jī)械疲勞、熱疲勞、沖擊疲勞等）8§6.2變動(dòng)載荷與循環(huán)應(yīng)力一、變動(dòng)載荷變動(dòng)載荷是引起疲勞破壞的外力，它是指載荷大小甚至方向均隨時(shí)間變化的載荷，它在機(jī)件內(nèi)部引起的效應(yīng)之一就是出現(xiàn)變動(dòng)應(yīng)力。變動(dòng)應(yīng)力可以分為規(guī)則周期變動(dòng)應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）和無規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力兩種。生產(chǎn)中機(jī)件正常工作時(shí)，其變動(dòng)應(yīng)力多為循環(huán)應(yīng)力，而且試驗(yàn)時(shí)也容易模擬，所以研究較多。二、循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力的波型有正弦波、矩形波和三角

4、波等，其中最常見的為正弦波。循環(huán)應(yīng)力可以用以下幾個(gè)參量來表示：①最大應(yīng)力σmax②最小應(yīng)力σmin③平均應(yīng)力：④應(yīng)力幅值：⑤應(yīng)力比：常見的循環(huán)應(yīng)力有以下幾種：①對(duì)稱交變應(yīng)力：σm=0；R=-1；②不對(duì)稱交變應(yīng)力：0<σm<σa；-10；R=0；④波動(dòng)應(yīng)力：σm>σa；0

5、e），在很高的應(yīng)力作用下，在很少的循環(huán)次數(shù)后，試件即發(fā)生斷裂，并有較為明顯的塑性變形；（1/4~104或105Cycles）②高循環(huán)疲勞區(qū)（高周疲勞，HighCycleFatigue），循環(huán)應(yīng)力低于彈性極限，疲勞壽命Nf>105循環(huán)，且隨循環(huán)應(yīng)力降低而延長。試件在整體斷裂前，整體上無明顯的塑性變形，宏觀上表現(xiàn)為脆性斷裂；（前兩者合稱有限壽命區(qū)）③無限壽命區(qū)（安全區(qū)），試件在低于某一臨界應(yīng)力幅σac，可以經(jīng)受無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂，疲勞壽命趨于無窮，稱為材料的理論疲勞極限。二、疲勞極限在工程實(shí)踐中，將疲勞極限定義為：在給定的疲勞壽命下

6、，試件所能承受的上限應(yīng)力幅值。也稱疲勞強(qiáng)度對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼，指定壽命通常取Nf＝107Cycles。在應(yīng)力比R=-1時(shí)測定的疲勞極限記為σ-1。（光滑試樣的疲勞極限和材料的抗拉強(qiáng)度有一定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：鋼，σb<1200~1400MPa，σ-1=0.5σb，且組織成分對(duì)其影響不大；鋁，σ-1=(0.3~0.35）σb)三、缺口對(duì)疲勞壽命曲線的影響疲勞曲線和疲勞極限因缺口存在和應(yīng)力集中（Kt）而降低。8四、非對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力下的疲勞壽命曲線研究非對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力下的疲勞，實(shí)際是研究平均應(yīng)力（σm）或應(yīng)力比（R）對(duì)疲勞壽命、疲勞極限的影響。（拉應(yīng)力是對(duì)疲

7、勞裂紋擴(kuò)展起推動(dòng)作用的；壓應(yīng)力是對(duì)其起阻礙或者不起作用的）如圖所示，在給定的應(yīng)力幅下，隨著平均應(yīng)力的升高（或隨著應(yīng)力比R的增加，或循環(huán)曲線上移），疲勞壽命縮短；對(duì)于給定的疲勞壽命，平均應(yīng)力升高，材料所能承受的應(yīng)力幅降低，相應(yīng)的，疲勞極限降低。五、疲勞曲線的局限性?沒有把疲勞的發(fā)生和擴(kuò)展區(qū)分開來；?沒能揭示疲勞裂紋擴(kuò)展的各個(gè)階段；?沒有考慮原材料中具有一定長度的初始裂紋，而不同長度的初始裂紋將對(duì)疲勞壽命有很大影響；?由于沒有引入斷裂力學(xué)的計(jì)算方法，難以對(duì)疲勞壽命難以做定量的預(yù)測。因此必須引入斷裂力學(xué)的一些概念，來對(duì)材料的疲勞行為進(jìn)行進(jìn)

8、一步探討。而在此之前，必須對(duì)疲勞裂紋的萌生及擴(kuò)展機(jī)制做一初步分析?！?.4疲勞失效過程及機(jī)制疲勞過程由疲勞裂紋萌生、裂紋亞穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展以及失穩(wěn)擴(kuò)展三個(gè)階段，其疲勞壽命Nf由疲勞裂紋萌生期Ni和裂紋亞穩(wěn)態(tài)（亞臨界）擴(kuò)展期Np所組成，即Nf=