材料的疲劳性能.docx
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材料的疲劳性能
材料的疲劳性能
材料的疲劳性能
一、疲劳破坏的变动应力
材料在变动载荷和应变的长期作用下,因累积损伤而引起的断裂现象,称为疲劳。
变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。
变动载荷在单位面积上的平均值称为变动应力,分为规则周期变动应力(或称循环应力)和无规则随机变动应力两种。
1、表征应力循环特征的参量有:
①最大循环应力:
σmax;
②最小循环应力:
σmin;
③平均应力:
σm=(σmax+σmin)/2;
④应力幅σa或应力范围Δσ:
Δσ=σmax-σmin,σa=Δσ/2=(σmax-σmin)/2;
⑤应力比(或称循环应力特征系数):
r=σmin/σmax。
2、按平均应力和应力幅的相对大小,循环应力分为:
①对称循环:
σm=(σmax+σmin)/2=0,r=-1,大多数旋转轴类零件承受此类应力;
②不对称循环:
σm≠0,-1 发动机连杆或结构中某些支撑杆、螺栓承受此类应力,σa>σm>0,-1 (1)疲劳破坏与静载或一次性冲击加载破坏比较具有以下特点: ①该破坏为一种潜藏的突发性破坏,在静载下显示韧性或脆性破坏的材料,在疲劳破坏前均不会发生明显的塑性变形,呈脆性断裂,易引起事故造成经济损失; ②疲劳破坏属于低应力循环延时断裂,对于疲劳寿命的预测显得十分重要和必要; ③疲劳对缺陷(缺口、裂纹及组织)十分敏感,即对缺陷具有高度的选择性。 因为缺口或裂纹会引起应力集中,加大对材料的损伤作用;组织缺陷(夹杂、疏松、白点、脱碳等)将降低材料的局部强度。 二者综合更加速疲劳破坏的起始与发展。 ④可以按不同方法对疲劳形式分类。 按应力状态分有弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳及复合疲劳;按应力高低和断裂寿命分有高周疲劳和低周疲劳。 三、疲劳断口的宏观特征 1、典型疲劳断口具有3个特征区: 疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬断区。 (1)疲劳源 疲劳裂纹萌生区,多出现在零件表面,与加工刀痕、缺口、裂纹、蚀坑等相连。 特征是光亮,因为疲劳源区裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多。 疲劳源可以是一个,也可以有多个。 如: 单向弯曲,只有一个疲劳源;双向弯曲,可出现两个疲劳源。 (2)疲劳裂纹扩展区(亚临界扩展区) 疲劳裂纹扩展区特征为断口较光滑并分布有贝纹线或裂纹扩展台阶。 贝纹线是疲劳区最典型的特征,是一簇以疲劳源为圆心的平行弧线,凹侧指向疲劳源,凸侧指向裂纹扩展方向。 近疲劳源区贝纹线较细密(裂纹扩展较慢),远疲劳源区贝纹线较稀疏、粗糙(裂纹扩展较快)。 贝纹线区的大小取决于过载程度及材料的韧性,高名义应力或材料韧性较差时,贝纹线区不明显;反之,低名义应力或高韧性材料,贝纹线粗且明显,范围大。 (3)瞬断区 瞬断区是裂纹失稳扩展形成的区域。 该区断口粗糙,脆性材料断口呈结晶状;韧性材料断口在心部平面应变区呈放射状或人字纹状;表面平面应力区则有剪切唇区存在。 瞬断区一般在疲劳源对侧,大小与名义应力、材料性质有关。 高名义应力或脆性材料,瞬断区大;反之,瞬断区小。 四、金属材料疲劳破坏的机理 1.疲劳裂纹的萌生(形核) 裂纹萌生常在材料薄弱区或高应力区,通过不均匀滑移、微裂纹形成及长大而完成。 通常将长0.05-0.10mm的裂纹定为疲劳裂纹核,对应的循环周期N为裂纹萌生期。 疲劳微裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起,主要方式有: 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,晶界或亚晶界处开裂。 在循环载荷作用下,即使循环载荷未超过材料屈服强度,也会在材料表面形成循环滑移带—不均匀滑移,其与静拉伸形成的均匀滑移不同,循环滑移带集中于某些局部区域,用电解抛光法也难以去除,即使去除了,再重新循环加载,还会在原处再现。 称这种永留或再现的循环滑移带为驻留滑移带。 驻留滑移带在表面加宽过程中,会形成挤出脊和侵入沟,从而引起应力集中,形成疲劳微裂纹。 (1)表面易产生疲劳裂纹的原因: ①在许多载荷方式下,如扭转疲劳,弯曲和旋转弯曲疲劳等,表面应力最大。 ②实际构件表面多存在类裂纹缺陷,如缺口,台阶,键槽,加工划痕等,这些部位极易由应力集中而成为疲劳裂纹萌生地。 ③相比于晶粒内部,自由表面晶粒受约束较小,更易发生循环塑性变形。 ④自由表面与大气直接接触,因此,如果环境是破坏过程中的一个因素,则表面晶粒受影响较大。 2、疲劳裂纹的扩展 疲劳裂纹萌生后开始扩展,第Ⅰ阶段沿着最大切应力方向向内扩展。 大多数微裂纹不继续扩展,成为不扩展裂纹,个别微裂纹可延伸几十μm长。 随即疲劳裂纹进入第Ⅱ阶段,沿垂直拉应力方向向前扩展形成主裂纹,直至最后形成剪切唇为止。 在室温及无腐蚀条件下,第Ⅱ阶段呈穿晶扩展,扩展速率da/dN随N的增加而增大。 在多数韧性材料的第Ⅱ阶段,断口用电子显微镜可看到韧性条带而脆性材料中可看到脆性条带。 疲劳条带(辉纹)呈略弯曲并相互平行的沟槽状花样,与裂纹扩展方向垂直。 与贝纹线不同,疲劳条带是疲劳断口的微观特征。 疲劳条带形成的原因: 裂纹尖端的塑性张开,钝化和闭合钝化,使裂纹向前延续扩展疲劳裂纹的形成与扩展模型。 五、非金属材料疲劳破坏机理 1、陶瓷材料的疲劳破坏机理 静态疲劳相当于金属中的延迟断裂,即在一定载荷作用下,材料耐用应力随时间下降的现象。 动态疲劳在恒定加载条件下,研究材料断裂失效对加载速率的敏感性。 循环疲劳在长期变动应力作用下,材料的破坏行为。 陶瓷材料断口呈现脆性断口的特征。 2.高分子聚合物的疲劳破坏机理 (1)非晶态聚合物 ①高循环应力时,应力很快达到或超过材料银纹的引发应力,产生银纹,随后转变成裂纹,扩展后导致材料疲劳破坏。 ②中循环应力也会引发银纹,形成裂纹,但裂纹扩展速率较低(机理相同)。 ③低循环应力,难以引发银纹,由材料微损伤累积及微观结构变化产生微孔及微裂纹,最终裂纹扩展导致宏观破坏。 (2)结晶态高聚合物或低应力循环的非晶态高聚合物,疲劳过程有以下现象: ①整个过程,疲劳应变软化而不出现硬化。 ②分子链间剪切滑移,分子链断裂,结晶损伤,晶体结构变化。 ③产生显微孔洞,微孔洞合并成微裂纹,并扩展成宏观裂纹。 ④断口呈裂纹扩展形成的肋状形态,断口呈丛生簇状结构(拉拔)。 (3)高聚物的热疲劳 由于聚合物为粘弹性材料,具有较大面积的应力滞后环,所以在应力循环过程中,外力所做的功有相当一部分转化为热能;而聚合物导热性能差,因此温度急剧升高,甚至高于熔点或玻璃化转变温度,从而产生热疲劳。 热疲劳常是聚合物疲劳失效的主要原因。 因此疲劳循环产生的热量,使聚合物升温,可以修补高分子、的微结构损伤,使机械疲劳裂纹形核困难。 (4)聚合物疲劳断口可观察到两种特征的条纹: ①疲劳辉纹: 每周期的裂纹扩展值为10μm(间距)。 聚合物相对分子量较高时,在所有应力强度因子条件下,皆可形成疲劳辉纹。 ②疲劳斑纹: 对应着不连续、跳跃式的裂纹扩展,间距有50μm。 相对分子量较低时,在较低应力强度因子条件下,易形成疲劳斑纹。 3、复合材料的疲劳破坏机理 (1)复合材料疲劳破坏的特点: ①多种疲劳损伤形式: 界面脱粘、分层、纤维断裂、空隙增长等。 ②不发生瞬断,其疲劳破坏的标准与金属不同,常以弹性模量下降的百分数1%-2%),共振频率变化(1-2HZ)作为破坏依据。 ③聚合物基复合材料,以热疲劳为主,对加载频率感。 ④较大的应变引起纤维与基体界面开裂形成疲劳源(纤维、基体的变形量不同)压缩应变使复合材料纵向开裂,故对压缩敏感。 ⑤复合材料的疲劳性能与纤维取向有关纤维是主要承载组分,沿纤维方向具有很好的疲劳强度;而沿纤维垂直方向,疲劳强度较低。 对于复合材料,界面结合非常重要,因为基体与纤维的E不同,变形量不同,故界面产生很大的剪切应力。
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