第五章--材料的疲劳性能

材料科学与工程学院1十五863子课题验收汇报第五章材料的疲劳性能重点：概念:疲劳、贝纹线、疲劳条带、疲劳寿命、次载锻炼、过载损伤、驻留滑移带、过载持久值、疲劳缺口敏感度、热疲劳；疲劳强度疲劳宏观断口特征和疲劳微观断口特征；疲劳曲线（脆性材料）及影响疲劳强度的因素。难点：三大材料的疲劳破坏机理2）疲劳破坏的机理3）疲劳抗力指标4）影响材料及机件疲劳强度的因素1）疲劳破坏的基本概念和一般规律本章主要内容5）热疲劳材料科学与工程学院2十五863子课题验收汇报前言材料在交变应力的作用下，经过一段时间，而发生断裂的现象，叫疲劳（定义）。疲劳破坏时的最大应力σb，甚至σs；不产生明显的塑性变形，呈现脆性的突然断裂。∴疲劳断裂是一种非常危险的断裂。∴要研究疲劳的规律、机理、力学性能指标、影响因等。疲劳断裂，一般不发生明显的塑性变形，难以检测和预防，因而机件的疲劳断裂会造成很大的经济以至生命的损失。疲劳研究的主要目的：为防止机械和结构的疲劳失效。材料科学与工程学院3十五863子课题验收汇报第一节疲劳破坏的一般规律一疲劳破坏的变动应力1、变动载荷（概念）大小、方向或者大小和方向均随时间而变化的载荷。变化分为周期性，无规则性，可用应力一时间曲线描述，如图5-1示.变动载荷在单位面积上的平均值称为变动应力材料科学与工程学院4十五863子课题验收汇报2、循环应力循环应力的波形一般近似为正弦波、矩形波和三角形波等。（1）表征循环应力的参量最大循环应力σmax，最小循环应力σmin平均应力σm=1/2（σmax+σmin）应力幅σa或应力范围Δσσa=1/2Δσ=1/2（σmax-σmin）应力比γ=σmin/σmax材料科学与工程学院5十五863子课题验收汇报（2）循环应力的种类(3)脉动循环：σm＝σa0，r＝0，齿轮的齿根及某些压力容器承受此类应力；σm＝σa0，r＝∞，轴承承受脉动循环压应力。(4)波动循环：σmσa，0r1。发动机气缸盖、螺栓承受这种应力。(1)对称循环,σm=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，-1r1。发动机连杆或结构中某些支撑杆、螺栓承受此类应力，σaσm0，-1r0。材料科学与工程学院6十五863子课题验收汇报疲劳破坏是循环应力引起的延时断裂，其断裂应力水平往往低于材料的抗拉强度，甚至低于其屈服强度．疲劳断裂寿命随循环应力不同而改变。应力高，寿命短；应力低，寿命长．当应力低于材料的疲劳强度时，寿命可无限长。二、疲劳分类及特点(5)随机变动应力：循环应力呈随机变化，如运行时因道路或云层的变化，汽车、拖拉机及飞机等的零件，工作应力随时间随机变化，如图5-3所示。材料科学与工程学院7十五863子课题验收汇报1.分类（1）按应力状态:弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、复合疲劳等。（2）按环境:腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳等。（3）按循环周期:高周疲劳(低应力疲劳)、低周疲劳(高应力疲劳)。（4）按破坏原因:机械疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳等。材料科学与工程学院8十五863子课题验收汇报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)是一种潜藏的突发性破坏，即出现脆性断裂；(2)疲劳破坏属低应力循环延时断裂。断裂应力σb，甚至σs；(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.（4）疲劳破坏能清楚显示裂纹的萌生和扩展，断裂。2．疲劳破坏的特点材料科学与工程学院9十五863子课题验收汇报三、疲劳断口的宏观特征如图5-4所示，典型疲劳断口具有3个特征区——疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区。(1)疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地；裂纹处在亚稳扩展过程中。多出现在机件表面，常和缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相连。因应力交变，断面摩擦而疲劳源区光亮，而且因加工硬化，该区表面硬度会有所提高。材料科学与工程学院10十五863子课题验收汇报(2)疲劳区是疲劳裂纹亚临界扩展形成的区域。其宏观特征：断口较光滑并分布有贝纹线(或海滩花样)，有时还有裂纹扩展台阶（高应力作用）。断口光滑是疲劳源区的延续，其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱，反映裂纹扩展快慢、挤压摩擦程度上的差异。贝纹线是疲劳区的最典型特征，一般认为是因载荷变动引起的，因为机器运转时不可避免地常有启动、停歇、偶然过载等，均要在裂纹扩展前沿线留下弧状贝纹线痕迹。材料科学与工程学院11十五863子课题验收汇报材料科学与工程学院12十五863子课题验收汇报(3)瞬断区该区的断口比疲劳区粗糙，宏观特征如同静载，随材料性质而变．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，边缘区则有剪切唇。瞬断区大小与机件承受名义应力及材料性质有关，高名义应力或低韧性材料，瞬断区大；反之，瞬断区则小。是裂纹失稳扩展形成的区域材料科学与工程学院13十五863子课题验收汇报材料科学与工程学院14十五863子课题验收汇报第二节疲劳破坏的机理主要方式有：A表面滑移带开裂；B第二相、夹杂物与基体界面或夹杂物本身开裂；C晶界或亚晶界处开裂。如图5-5所示。一、金属材料疲劳破坏机理1．疲劳裂纹的萌生裂纹萌生：通过不均匀滑移、微裂纹形成及长大而完成。大量研究表明：疲劳微裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起．常将0.05～0.1mm的裂纹认定为疲劳裂纹核。材料科学与工程学院15十五863子课题验收汇报（1）滑移带开裂在循环载荷的作用下，即使循环应力未超过材料屈服强度，也会在试件表面形成循环驻留滑移带。驻留滑移带一般只在表面形成，深度较浅。随着加载循环次数的增加，循环滑移带会不断地加宽。驻留滑移带定义：在交变载荷作用下，永留或能再现的循环滑移带。滑移带在表面加宽过程中，还会向前或向后移动，形成挤出峰和侵入沟。循环过程中，峰、槽不断增加，增高（或变深）。孪晶处也易出现挤出峰和侵入沟。柯垂尔(A．H．Cottrell)和赫尔(D．Hull)曾提出一个交叉滑移模型说明挤出峰和侵入沟的形成过程。材料科学与工程学院16十五863子课题验收汇报柯垂耳-赫尔模型拉应力的上半周初期，位错源S1被激活，当位错滑动到表面时，便在P处留下一个滑移台阶，如图5-7(b)随着拉应力的增大，另一个滑移面上的位错源S2也被激活，当位错滑动到表面时，在Q处留下一个滑移台阶，同时还使第一个滑移面错开，如图5-7(c)在压应力的前半周期，位错源S1又被激活，但位错向反向滑动，并在晶体表面留下一个反向滑移台阶P'，结果P处形成一个侵入沟，同时也使位错源S2与滑移台阶Q错开，如图5-7(d)材料科学与工程学院17十五863子课题验收汇报（2）晶界处开裂晶界就是面缺陷；位错运动易发生塞积，出现应力集中，晶界开裂。两相（包括第二相、夹杂）间的结合力差，各相的形变速率不同，易在相结合处或弱相内出现开裂。只有首先达到临界尺寸的裂纹核，才能继续长大。（3）相界面开裂随着压应力增加，位错源S2又被激活，位错沿相反方向运动，滑出表面后留下一个反向的滑移台阶Q’，并在此处形成一条挤出脊，如图5-7(e)。随着应力如此不断循环，挤出脊高度与侵入沟深度将不断增加．疲劳微裂纹也就易在此处萌生。材料科学与工程学院18十五863子课题验收汇报2．疲劳裂纹的扩展沿垂直拉应力方向扩展形成主裂纹→剪切唇,多数韧性材料的第Ⅱ阶段断口→韧性疲劳条带，脆性材料→脆性条带。（1）裂纹扩展的两个阶段裂纹扩展极慢，扩展的总量很小，所以该阶段的断口很难辨析，不易观察到其形貌特征，只有某些擦伤的痕迹。第Ⅰ阶段是沿着最大切应力方向向内扩展第Ⅱ阶段疲劳裂纹穿晶扩展材料科学与工程学院19十五863子课题验收汇报材料科学与工程学院20十五863子课题验收汇报疲劳条带(疲劳辉纹)定义：是略呈弯曲并相互平行的沟槽状花样，与裂纹扩展方向垂直，是裂纹扩展时留下的微观痕迹，为疲劳断口最典型的微观特征。材料科学与工程学院21十五863子课题验收汇报在失效分析中，常利用疲劳微观断口中疲劳条带间宽和裂纹尖端的应力强度因子幅KI间关系分析破坏原因。疲劳条带和贝纹线区别：1）疲劳条带是疲劳断口的微观特征，贝纹线是断口的宏观特征。2）在相邻贝纹线间可能有成千上万条疲劳条带。3）二者既可同时在断口上出现，也可在断口上不同时出现。这种不完全对应的现象在对疲劳断口分析时值得注意。材料科学与工程学院22十五863子课题验收汇报二、非金属材料疲劳破坏机理常温下陶瓷材料的疲劳含义更广：静态疲劳、循环疲劳和动态疲劳。循环疲劳与金属疲劳具有相同含义，同属长期变动应力作用下，材料的破坏行为；静态疲劳则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；动态疲劳是在恒定速率加载条件下研究材料断裂失效对加载速率的敏感性。与金属材料完全不同的还有：陶瓷材料常温时，在应力作用下不发生或很难发生塑性变形，裂纹尖端根本不存在循环应力的疲劳效应，因此金属材料的损伤累积及疲劳机理对陶瓷材料并不适用。1.陶瓷材料的疲劳破坏机理材料科学与工程学院23十五863子课题验收汇报相同点：疲劳破坏也同样经历了裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、瞬时断裂的过程。疲劳裂纹多萌生于材料表面，对表面材料的缺陷或裂缝大小十分敏感。不相同点：亚临界扩展速率对变动载荷应力幅不敏感，即对裂尖的应力强度因子(KI)不敏感，而是强烈依赖裂纹尖端的最大应力强度因子KImax值。扩展的寿命过程远比金属材料要短，并呈龟裂状。在陶瓷材料断口上不易观测到疲劳贝纹和疲劳条带，循环疲劳断口与快速断裂断口形貌之间差异十分微小，均呈现脆性断口特征。1.陶瓷材料的疲劳破坏机理材料科学与工程学院24十五863子课题验收汇报2．高分子聚合物的疲劳破坏机理1）易产生银纹的非晶态聚合物的疲劳破坏过程主要决定于外加名义应力：A：高循环应力时，应力很快便达到或超过材料银纹的引发应力，产生银纹，并随之转变成裂纹，扩展后导致材料疲劳破坏；B：中应力循环时也会引发银纹，并转变为裂纹，裂纹扩展速度比高应力区低，但机理、过程相同；C：低应力循环时因难以引发银纹，由材料微损伤累积及微观结构变化产生微孔洞及微裂纹，并导致宏观破坏。材料科学与工程学院25十五863子课题验收汇报2）对于因低应力或本身不易产生银纹的结晶态聚合物，其疲劳过程可出现以下现象：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，结晶损伤及晶体精细结构发生变化；3)产生显微孔洞(micryoid)，微孔洞聚合成微裂纹，并扩展成宏观裂纹；4)断口呈裂纹扩展形成的肋状形态，材料呈被拉拔出的丛生簇状结构，每肋条间次级裂纹源显示出细砂结构。热疲劳是聚合物疲劳失效的主要原因。但有时也可修补高分子的微结构损伤。2．高分子聚合物的疲劳破坏机理材料科学与工程学院26十五863子课题验收汇报3）聚合物疲劳断口上可有两种特征的条纹：疲劳辉纹（fitiguestriation)和疲劳斑纹（marking)。A:前者是每周期变动应力作用时引起的裂纹扩展，间距为10um左右；后者是不连续的、跳跃式的变动应力引起的裂纹扩展，间距为50um左右。B:较低分子量和低应力强度因子有利于疲劳斑纹的产生；C:高分子量在所有的应力强度因子条件下皆可形成疲劳辉纹。2．高分子聚合物的疲劳破坏机理材料科学与工程学院27十五863子课题验收汇报3．复合材料的疲劳破坏机理(1)有多种疲劳损伤形式：如界面脱粘、分层、纤维断裂、空隙增长等。实际上，每种损伤模型都是由多种微观裂纹(或微观破坏)构成的。(2)复合材料不会发生瞬时疲劳破坏，常常难以确认破坏与否，故不能沿用金属材料的判断准则。常以疲劳过程中材料弹性模量下降的百分数(如下降1％～2％)、共振频率变化(如1～21b)作为破坏依据。复合材料具有优良的疲劳性能，其疲劳破坏有以下特点。材料科学与工程学院28十五863子课题验收汇报3)聚合物基复合材料疲劳性能对加载频率敏感。(4)复合材料的疲劳性能对应变