材料力学行为-第三章-孙巧艳主讲pdfbob客户端下载

　　bob客户端下载第三章金属的疲劳 一 疲劳断裂的基本概念 1 疲劳断裂 零件（构件）在交变载荷长期作用下发生的破坏称为疲劳。 2 交变载荷 指的是载荷的大小和方向随时间发生周期变化。 如何描述交变应力呢？ Δσ σ − σ max min 最大应力σmax 、 σ min 最小应力σmin 、 R σ 应力半幅σ 、 max a 平均应力σm 、 σ + σ 应力比R σ max min m 2 Δσ σ a 2 几种典型零件的交变应力 3 疲劳破坏的特点 （1）突然破坏，没有明显的塑性变形 （2 ）在低于屈服强度的应力作用下断裂 （3 ）疲劳断口可以显示裂纹萌生、扩展和最后断裂过程 4 疲劳断口形貌特征 疲劳断口 疲劳断口 拉伸断口 疲劳断口的三部分 (1) 疲劳源：疲劳裂纹萌生地， 一般位于表面或者次表面 (2) 疲劳裂纹扩展区 疲劳裂纹缓慢扩展的区 域，呈现海滩状或者贝壳 状花纹 (3) 最终断裂区：呈放射状花样 疲劳断口为我们提供裂纹源的位置和疲劳裂纹扩展的方向。 疲劳断口为我们提供名义应力和应力集中程度的信息 疲劳裂 纹源 名义应力降低，最后断裂区减小 最后断 裂区 应力集中增加，最后断裂区移向中心 （1）疲劳裂纹扩展区面积的大小反映应力集中程度的大小 面积大 应力集中程度小 名义应力低 面积小 应力集中程度大 （2 ）裂纹源数反映了名义应力大小 低名义应力 1个疲劳源 高名义应力 多个疲劳源 （3 ）最终断裂区的位置 位于中心：说明高应力、应力集中大 位于近表面：低应力应变集中小 5 疲劳种类 高周疲劳 Nf

　　105次 （2 ）按照零件受力和工作环境分类（特种疲劳） 1）接触疲劳：在滚动、反复压应力下工作的零件发生的疲劳。 火车车轮与钢轨、齿轮等 形式：麻点剥落 表面麻点 2 ）微动疲劳 两个接触表面之间发生的小振幅反 疲劳+微动磨损 复相对运动。 20-30μm 比如红套配合的轮毂和轴，汽轮机 压缩机叶片根部，轴和键 失效形式是磨损、氧化和疲劳三者联合作用下产生的。 3 ）多轴疲劳 在双轴和三轴应力状态下的疲劳。 管道系统、传动轴 4 ）冲击疲劳 零件承受反复冲击载荷而发生的疲劳断裂。 风动工具，锻模和锤杆等 这些零件在服役过程中承受连续或者间歇冲击载荷。 5）热疲劳 由于温度周期变化引起零件或者构件的自由膨胀和收缩，这种膨胀和 收缩收到约束，产生了交变热应力，bob客户端下载有这种交变热应力产生的破坏叫 做热疲劳。 零件中的温度差 产生热疲劳的原因 产生了交变热应力 不同材质的膨胀系数 二疲劳抗力指标 1 s-n曲线）用旋转弯曲疲劳试验 2 ）应力幅恒定，频率在3000-10000次/min 疲劳极限 3) 试样要求：表面光滑，过度圆倒角，多根试样 4 ）测试方法采用降载法 σ

　　σ ,不会发生疲劳断裂 r 2 疲劳极限 疲劳极限：材料不发生疲劳断裂的最高应力，一般记为σ 或者σ 。 -1 r 几种典型金属材料的s-n 曲线 对于无水平段的s- 两种类型的s-n 曲线 n 曲线，如何确定 疲劳极限？ s-n 曲线水平段对 应的应力就是疲 劳极限。 条件疲劳极限 条件疲劳极限根据零件或者材料种类以及疲劳种类而定 8 火车轴：n 7 超高强度钢：n0=5×10 次 0=5×10 次 7 7 钛合金：n0=10 次 汽轮机曲轴：n =12×10 次 0 10 6 汽轮机叶片：n0=25×10 次 腐蚀疲劳：n0=10 次 3 疲劳极限与抗拉强度的关系 疲 劳 过高的抗拉强 极 度，偏离直线mpa 抗拉强度σb 4 弯曲疲劳极限与与扭转疲劳强度、拉-压疲劳强度的关系 它们之间有近似线 不对称应力下循环下的疲劳强度 不对称载荷 δσ σ − σ max min 对称 载荷 σ 平均应力σm≠0 r min σ max σ + σ max min σ m 2 δσ σ a 2 引起疲劳破坏的主要作用力 （1）平均应力、应力比对s-n 曲线的影响 σmax一定 σa一定 给定半应力幅σa ， 给定最高应力 σm增加，疲劳寿命 σ ，r增加， max 降低。 疲劳寿命增加 （2 ）对称应力循环疲劳极限与不对称应力循环疲劳极限的经验关系 企图建立σ 与材料静拉伸强度σs、σ 之间的关系 -1 b gerber关系 σ m 2 σ [(1σ ( − ) ] 按照这个公式设计不能保证安全 a −1 σ b σ σ [(σ1 −( )] m goodman关系 a −1 σ b σ σ [(σ1 −( )] m soderberg关系 a −1 σ s 设计者乐于采用，结果偏于保守 2 疲劳缺口敏感度 考虑应力集中对疲劳性能的影响 σ （1）疲劳缺口系数kf 光滑试样的疲劳极限和缺 k f −1 口试样的疲劳极限的比值 σ −1n 影响κ 的因素 f 一般来讲，应力集中系数 kt大于疲劳缺口系数κf （2 ）疲劳缺口敏感度q k f − 1 q趋近于0,表明材料疲劳强度对缺口不敏感 q 0

　　Δ th 第二步：确定最终裂纹长度af （临界裂纹长度） 用断裂韧性 K s ⋅ a=⋅α K π IC 1 K IC 2 (a ) 裂纹长度等于a 时零件断裂 π f α S ⋅ f max 第三步：用积分法计算裂纹从a 扩展到a 时的循环周次 0 f da C⋅ Δ( K ) n dN da n ⋅ =Δ C K ⋅ Δ C⋅ =⋅ s a ⋅ Δ C ⋅( s ) ⋅ a ( n ) α ( π) ( )n π n α 2 n dN Nf af 1 N dN da f ∫ ∫ n C0 s a 0 a n 2 n ⋅ Δ ( ) ( ⋅ )π α − n − n +1 +1 2 2 a a − f 0 N f 1 1 n − + ⋅ ⋅ Δ ⋅ (⋅ C1) S π α 2 2 2 四 提高疲劳寿命和防止疲劳断裂的途径 1 正确设计 （1）正确分析零件的工作应力 （2 ）充分考虑缺口、尺寸以及表面状态对疲劳强度的影响 2 合理选材 根据载荷大小、疲劳破坏的类型选材。 尺寸小、形状光滑的零件，选择高强度材料 尺寸大，则要考虑疲劳门扩展速率和门槛值 制定冷热加工工艺时，尽 3 提高表面质量 量消除表面缺陷，提高光 洁度，防止刀痕和划伤 残余压应力可以提高疲劳寿命 4 合理使用残余应力 残余拉应力可以降低疲劳寿命 5 加强对缺陷和裂纹的监测 定期检测裂纹 “带伤运行” 的典型案例 下面援引中央电力局（CEGB ）的一个特别值得注意的例子 （Neate等人，1979；Stewart等人，1977 ）。一个50万千瓦发电 机转子在一次例行检查中发现有大量的疲劳裂纹，裂纹从24个槽 的两侧发生，bob客户端下载有的扩展到100mm以上。转子的长度6.5m ，直径 1.1m，重量65吨，在氢气氛中以每秒50转的转速运行。当时没有 可用的多余转子。而制造一根替换品至少要两年。如果此台设备 在这期间不用，大约将需1600万英镑的设备更换费用（效率高的 大机组用几台效率较低、bob客户端下载容量较小的机组来代替）。在进行了冶 金学考察和断裂分析以后，判定转子可继续安全运行，在提供更 换品以前，这根转子仍能服役两年而不会有问题。 这是一个现在有充分把握应用断裂力学的十分值得注意的例 子，这也已成为最近30年的经验教训中一个经典性的案例分析， 它包括了疲劳裂纹扩展、疲劳门槛和平均应力水平、氢对裂纹扩 展的影响等，也用到断口分析技术，把断口上的辉纹和海滩标志 与服役寿命联系起来。 方面称去年(2002年）华航主因是飞机空中解体 金属疲劳引起的 中国网6月3 日消息台行政院飞安会今天上午公布去年华航ΧΙ611澎湖外海事故 调查事实资料报告，确定飞机是空中解体，但未发现任何外力介入或与天候、人为、 机械相关证据。 据媒体报道，根据台飞安会公布的事实资料报告，经过检视ΧΙ611