材料性能与测试第五章 材料的疲劳性能.ppt

材料性能与测试第五章材料的疲劳性能*第五章材料的疲劳性能*1998年6月3日上午11时,一辆由德国慕尼黑开往汉堡的ICE1型884次高速列车,在行驶至距莱比锡东北方约60公里的小镇埃舍德(Eschede)附近时,列车脱轨并以200公里时速撞断一座立交桥后解体,事故造成101人死亡,88人重伤,酿成世界高速铁路历史上最为惨重的事故。德国铁路机构经过调查后认为:事故因列车第一节车厢后部的一个车轮轮箍由于金属疲劳断裂引起,轮箍在断裂后变形成一根弧形钢条,一头戳破车厢地板,另一头随着200公里时速高速运行的列车,与钢轨产生剧烈摩擦,并发出刺耳的尖啸。3分钟后,列车在行经一个道岔钢轨接口处时,轮箍钢条又铲断一组道岔护轨,使之插入车厢。巨大的冲击力导致第一节车厢后轮脱轨,并与车头脱钩,连带着将后面两节车厢甩离轨道。虽然列车采取了紧急制动措施,但强大的惯性依然推动车厢向前滑行,最终在撞断了300多米外的一座混凝土立交桥墩后完全解体。就这样,一个并不起眼的轮箍夺走了上百条人命。§引言*1850-1860,Wöhler先生用试验方法研究了车轴的断裂事故,提出了应力-寿命图(S-N)和疲劳极限概念。1870-1890,Gerber研究了平均应力对寿命的影响,Goodman提出了完整的平均应力影响理论。1920,Griffith用能量法研究了含裂纹体的有关材料强度理论,初步奠定了事隔20年后由Irwin发展起来的断裂力学理论基础。1945年,由Miner提出的线性累计损伤理论问世。1960年,Manson-Coffin提出了塑性应变与疲劳寿命的关系。1961年,Paris提出了疲劳裂纹扩展速率的概念。1974年美国军方采用了损伤容损设计方法。目前,材料的疲劳研究方兴未艾,断裂力学、损伤力学和材料物理学结合,已从宏观、细观和微观领域对疲劳问题进行着广泛的研究。*在变动载荷下工作的工件(如曲轴、连杆、齿轮、弹簧、辊子、叶片及桥梁等),其失效形式主要是疲劳断裂。据统计,疲劳破坏在整个失效中约占80%左右。疲劳破坏的形式:机械疲劳—外加应力/应变波动造成的。蠕变疲劳—循环载荷与高温联合作用下的疲劳。热机械疲劳—循环受载部件的温度变动时材料的疲劳。腐蚀疲劳、接触疲劳、微动疲劳、电致疲劳等。*§§§§§目录§*工件在变动载荷和应变长期作用下,因累计损伤而引起的断裂现象。变动载荷:载荷大小方向随时间变化;变动应力:变动载荷除以单位面积的平均值;分为循环应力和随机应力;循环应力:周期性变化的应力,变化的波形有正弦波、矩形波、三角波等;循环应力分为对称循环(旋转轴)、不对称循环(发动机连杆、螺栓)、脉动循环(齿轮齿根、压力容器)、波动循环(发动机气缸盖、螺栓);随机应力:随机变化,如因道路气候因素,运行时的汽车、拖拉机、飞机的零件,工作应力随时间随机变化。§、疲劳破坏的变动应力*图5-1应力循环特性表征参数表征应力循环特征的参量①最大循环应力σmax,最小循环应力σmin;②平均应力σm=(σmax+σmin)/2;③应力幅σα或应力范围Δσ:σα=Δσ/2=(σmax-σmin)/2;④应力比r=σmin/σmax。⑤载荷谱:载荷-时间历程曲线*二、疲劳破坏的概念和特点1、疲劳破坏的概念:疲劳的破坏过程:变动应力→薄弱区域的组织→逐渐发生变化和损伤累积、开裂→裂纹扩展→突然断裂。疲劳破坏: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。疲劳寿命:机件疲劳失效前的工作时间。2、疲劳的分类按应力状态不同:弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳及复合疲劳;按接触和环境情况不同:分大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、接触疲劳、热疲劳等。按断裂寿命和应力高低不同:分高周疲劳(Nf﹥105,σ﹤σs,也称低应力疲劳);低周疲劳(Nf=102~105,σ≧σs,有塑性应变发生,也称高应力疲劳.*3、疲劳破坏的特点:(1)一种潜藏的突发性破坏,呈脆性断裂。(2)疲劳破坏属低应力循环延时断裂,是具有寿命的断裂。(3)对缺陷(缺口、裂纹等)具有高度的敏感性。(4)疲劳断裂也是裂纹萌生和扩展过程,但因应力水平低,故有明显的裂纹萌生和缓慢亚稳扩展阶段,相应的断口上有明显的疲劳源和疲劳扩展区,这是疲劳断裂的主要断口特征。