第八章 金属的疲劳.ppt

第八章金属的疲劳,金属在循环载荷作用下，即使所受的应力低于屈服强度，也会发生断裂，这种现象称为疲劳。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。,8.1绪言,国际民航组织ICAO发表的“涉及金属疲劳断裂的重大飞机失事调查”指出80年代以来，由金属疲劳断裂引起的机毁人亡重大事故，平均每年100次。不包括中、苏Int.J.Fatigue,Vol.6,No.1,1984,疲劳断裂引起的空难达每年100次以上,工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破坏的50-90，是机械、结构失效的最常见形式。因此，工程技术人员必须认真考虑可能的疲劳断裂问题。,疲劳断裂,零件在循环应力作用下,在一处或几处产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后突然产生断裂的过程,称为疲劳断裂.如图示意。疲劳断裂由疲劳裂纹产生扩展瞬时断裂三个阶段组成。,疲劳断裂示意,只有在扰动应力作用下，疲劳才会发生。,扰动应力，是指随时间变化的应力。,恒幅循环载荷最简单。,疲劳失效的过程和机制。,介绍估算裂纹形成寿命的方法，以及延寿技术。,介绍一些疲劳研究的新成果。,金属疲劳的基本概念和一般规律。,本章主要介绍,具体目的▲精确地估算机械结构的零构件的疲劳寿命，简称定寿，保证在服役期内零构件不会发生疲劳失效；▲采用经济而有效的技术和管理措施以延长疲劳寿命，简称延寿，从而提高产品质量。,8.2金属在对称循环应力下的疲劳,循环应力是指应力随时间呈周期性的变化，变化波形通常是正弦波，如图8-1所示。,图8-1各种循环加载方式的应力-时间图。,8.2.1循环加载的特征参数,③加载频率f，单位为Hz。还有加载波形，如正弦波，三角波以及其它波形,②平均应力σm或应力比Rσm＝σmaxσmin／2Rσmin/σmax,①应力幅σa或应力范围ΔσσaΔσ/2σmax-σmin/2,σmax和σmin分别为循环最大应力和循环最小应力；,循环应力的特征参数,循环应力分为下列几种典型情况,1交变对称循环，σm0，R＝-1，如图（a所示。大多数轴类零件，通常受到交变对称循环应力的作用；这种应力可能是弯曲应力、扭转应力、或者是两者的复合。,循环应力分为下列几种典型情况,2交变不对称循环，0＜σm＜σa，-1＜R＜0，如图b所示。结构中某些支撑件受到这种循环应力-大拉小压的作用。,3脉动循环，σmσa，R＝0，如图c所示。齿轮的齿根和某些压力容器受到这种脉动循环应力的作用。,4波动循环，σmσa，0＜R＜1，如图d所示。飞机机翼下翼面、钢梁的下翼缘以及预紧螺栓等，均承受这种循环应力的作用。,5脉动压缩循环、大压小拉循环等等。滚珠轴承受到脉动压缩循环应力，内燃机连秆受到大压小拉循环应力的作用。,旋转弯曲疲劳试验采用光滑试件。从加载开始到试件断裂所经历的应力循环数，定义为该试件的疲劳寿命Nf。,8.2.2疲劳寿命曲线,8.2.2疲劳寿命曲线,图8-3典型的疲劳寿命曲线,疲劳寿命曲线又称为Wohler曲线；习惯上也称作S-N曲线。,8.2.2疲劳寿命曲线,疲劳寿命曲线可以分为三个区,1低循环疲劳LowCycleFatigue区在很高的应力下，在很少的循环次数后，试件即发生断裂，并有较明显的塑性变形。一般认为，低循环疲劳发生在循环应力超出弹性极限，疲劳寿命在0.25到104或105次之间。因此，低循环疲劳又可称为短寿命疲劳。,2高循环疲劳HighCycleFatigue区在高循环疲劳区，循环应力低于弹性极限，疲劳寿命长，Nf＞105次循环，且随循环应力降低而大大地延长。试件在最终断裂前，整体上无可测的塑性变形，因而在宏观上表现为脆性断裂。在此区内，试件的疲劳寿命长，故可将高循环疲劳称为长寿命疲劳。,3无限寿命区或安全区试件在低于某一临界应力幅σac的应力下，可以经受无数次应力循环而不断裂，疲劳寿命趋于无限；即σa≤σac，Nf→∞。故可将σac称为材料的理论疲劳极限或耐久限。在绝大多数情况下，S-N曲线存在一条水平渐近线，其高度即为σac（见图）。,疲劳极限在指定的疲劳寿命下，试件所能承受的上限应力幅值。指定寿命通常取Nf107cycles。在应力比R-1时测定的疲劳极限记为σ-1。测定疲劳极限最简单的方法是所谓的单点试验法。,常采用升降法测定疲劳极限。,工程上的定义,8.2.3疲劳极限及其实验测定,疲劳极限试件可经受无限的应力循环而不发生断裂，所能承受的上限循环应力幅值。,试样数量通常需13根以上。在N0一定的条件下，试验一般在3～5级应力水平下进行，应力增量Δσ一般为予计疲劳极限的3～5。第一根试样的应力水平略高于予计的疲劳极限。根据上一根试样的试验结果（断与不断），决定下一根试样的应力（降低还是升高），直至完成全部试验。疲劳极限是一组试样的统计平均值。,疲劳极限按下式计算式中m-有效试验的总次数（断与不断的数据均统计在内）；n-试验应力水平级数；σi-第i级应力水平；vi-第i级应力水平下的试验次数（i1、2、n）。用上式求材料的疲劳极限时，疲劳寿命高于规定值N0的试样应达50以上。,8.3非对称循环应力下的疲劳,大多数机械和工程结构的零件，是在非对称循环应力下服役的。实质是研究平均应力或应力比对疲劳寿命的影响。,8.2.4疲劳寿命曲线的数学表达式,在高循环疲劳区，当R＝-1时，疲劳寿命与应力幅间的关系可表示为,式中A’是与材料拉伸性能有关的常数。当σa≤σac，Nf→∞，从而表明了疲劳极限的存在。,NfAσa-σac-28-2,光滑试件的疲劳极限σ-1切口试件的疲劳极限σ-1n疲劳强度缩减系数KfKfσ-1/σ-1n疲劳切口敏感度qqKf-1/Kt-18-8q0，Kf1，疲劳极限不因切口存在而降低，即对切口不敏感。q1，KfKt，即表示对切口敏感。,图8-7应力集中对高强度铝合金LC9疲劳寿命的影响,实验表明，q之值随材料强度的升高而增大，这说明高强度材料的疲劳切口敏感度较高。,8.4疲劳切口敏感度,疲劳载荷谱按某种规律随时间而变化的载荷曲线。,图8-9疲劳载荷谱示意图,8.5累积疲劳损伤,变幅载荷图8-9示意地表示零件所受的变幅应力。,图8-10疲劳寿命曲线与累积损伤计算示意图,如何根据等幅载荷下测定的S-N曲线，估算变幅载荷下的疲劳寿命。常用的是Miner线性累积伤定则。,若循环n1次,则造成的损伤度为n1D1；,若在应力幅σ2下循环n2次,则造成的损伤度为n2D2n2/Nf2。,在理论疲劳极限以下，由于Nf→∞，所以损伤度为零，即不造成损伤。,简述如下设试件在循环应力σ1下的疲劳寿命为Nf1，若在该应力幅下循环1次，则劳寿命缩减的分数为1／Nf1，即造成的损伤度为D1，D11/Nf1;,当总损伤度达到临界值时，发生疲劳失效。显然，在恒幅载荷下，损伤度的临界值为1.0。,若零件所受的变幅载荷有m级，则在不同级的循环应力下所造成的总损伤度为,若将恒幅加载看成变幅载荷的特例，则变幅载荷下损伤度的临界值也应为1.0。故有,即在变幅载荷下，疲劳总损伤度达到1.0时，发生疲劳失效。此即Miner线性累积损伤定则。,（8-9）,,8.6疲劳失效过程和机制,疲劳失效过程可以分为三个主要阶段①疲劳裂纹形成，②疲劳裂纹扩展，③当裂纹扩展达到临界尺寸时，发生最终的断裂。,疲劳源区和疲劳裂纹扩展区的微观形貌,一个疲劳源,两个疲劳源,微裂纹,疲劳条纹,aPhotographshowingV-shaped“chevron”markingscharacteristicofbrittlefracture.Arrowsindicateoriginofcrack.Approximatelyactualsize,飞机轮毂疲劳断口,1有裂纹源、裂纹扩展区和最后断裂区三个部分。,裂纹源,裂纹扩展区海滩条带,最后断裂区,疲劳断口特征,2裂纹扩展区断面较光滑，可见“海滩条带”,还有腐蚀痕迹。,高倍电镜可见疲劳条纹Cr12Ni2WMoV钢金属学报,85,肉眼,透射电镜，1-3万倍,3裂纹源在高应力局部或材料缺陷处。,疲劳断口特征,4与静载破坏相比，即使是延性材料，也没有明显的塑性变形。,5实际工程中的表面裂纹，多呈半椭圆形。,延性材料静载破坏疲劳破坏,疲劳微裂纹的形成可能有三种方式,表面滑移带开裂、夹杂物与基体相界面分离或夹杂物本身断裂，以及晶界或亚晶界开裂。,8.6.1疲劳裂纹形成过程和机制,①夹杂物与基体相界面分离或夹杂物本身断裂。,②在环载荷作用下,即使循环应力不超过屈服强度，也会在试件表面形成滑移带,称为循环滑移带。,③拉伸时形成的滑移带分布较均匀，而循环滑移带则集中于某些局部区域。而且在循环滑移带中会出现挤出与挤入，从而在试件表面形成微观切口。,疲劳的初期，出现滑移带。随着循环数的增加，滑移带增加。除去滑移带，重新循环加载，滑移带又在原处再现。这种滑移带称为持久滑移带PersistSlipBand。在持久滑移带中出现疲劳裂纹。,循环滑移带的持久性,已形成的微裂纹在循环加载时将继续长大。当微裂纹顶端接近晶界时，其长大速率减小甚至停止长大。这必然是因为相邻晶粒内滑移系的取向不同。,微裂纹只有穿过晶界，才能与相邻晶粒内的微裂纹联接，或向相邻晶粒内扩展，以形成宏观尺度的疲劳裂纹。因为晶界有阻碍微裂纹长大和联接的作用，因而有利于延长疲劳裂纹形成寿命和疲劳寿命。较大的夹杂物或第二相，会由于夹杂物与基体界面开裂而形成微裂纹。第二相在循环加载，会形成沿晶裂纹。,第I阶段，裂纹沿着与拉应力成45o的方向，即在切应力最大的滑移面内扩展。第I阶段裂纹扩展的距离一般都很小，约为2－3个晶粒。,8.6.2疲劳裂纹扩展过程和机制,疲劳裂纹扩可分为两个阶段。,第II阶段，裂纹扩展方向与拉应力垂直。在电子显微镜下可显示出疲劳条带。,疲劳带是每次循环加载形成的。,疲劳条带的形成的钝化模型,在每一循环开始时，应力为零，裂纹处于闭合状态见图8-17a。当拉应力增大，裂纹张开，并在裂纹尖端沿最大切应力方向产生滑移见图8-17b。,疲劳条带的形成的钝化模型,拉应力增长到最大值、裂纹进一步张开，塑性变形也随之增大，使得裂纹尖端钝化图8-17c，因而应力集中减小，裂纹停止扩展。卸载时，拉应力减小，裂纹逐渐闭合，裂纹尖端滑移方向改变图8-17d。,疲劳条带的形成的钝化模型,当应力变为压应力时裂纹闭合，裂纹尖端锐化，又回复到原先的状态图8-17e。,疲劳条带的形成的钝化模型,由此可见，每加载一次，裂纹向前扩展一段距离，这就是裂纹扩展速率da／dN，同时在断口上留下一疲劳条带，而且裂纹扩展是在拉伸加载时进行的。裂纹扩展的塑性钝化模型与实验观测结果相符。,图8-17裂纹扩展的塑性钝化模型,上一页,应当指出，疲劳条带只是在塑性好的材料，尤其是具有面心立方晶格的铝合金、奥氏体不锈钢等的疲劳断口上清晰地观察到。在一些低塑性材料中，如粗片状珠光体钢，疲劳裂纹以微区解理Microcleavage或沿晶分离的方式扩展，因而在这类材料的疲劳断口上不能观察到疲劳条带。,注意，不可将疲劳条带与宏观疲劳断口上的贝壳状条纹相混淆。宏观疲劳断口上的贝壳状条纹是由于循环加载条件的变化而形成的。若在电子显微镜下观察贝壳状条纹，可以看出它是由很多疲劳条带组成的。,该模型的缺点屈服强度高的材料与实验观测结果不符。,疲劳破坏与静载破坏之比较,疲劳破坏S＜Su破坏是局部损伤累积的结果。断口光滑，有海滩条带或腐蚀痕迹。有裂纹源、裂纹扩展区、瞬断区。无明显塑性变形。应力集中对寿命影响大。,由断口可分析裂纹起因、扩展信息、临界裂纹尺寸、破坏载荷等，是失效分析的重要依据。,静载破坏S＞Su破坏是瞬间发生的。断口粗糙，新鲜，无表面磨蚀及腐蚀痕迹。韧性材料塑性变形明显。应力集中对极限承载能力影响不大。,疲劳断口分析，有助于判断失效原因，可为改进疲劳研究和抗疲劳设计提供参考。因此，应尽量保护断口，避免损失了宝贵的信息。,由疲劳断口进行初步失效分析,断口宏观形貌是否疲劳破坏裂纹临界尺寸破坏载荷是否正常破坏,金相或低倍观察裂纹源是否有材料缺陷缺陷的类型和大小,高倍电镜微观观察“海滩条带”“疲劳条纹”，使用载荷谱，估计速率。,8.7应变疲劳,疲劳寿命--疲劳裂纹形成寿命NiFatigueCrackInitiationLife--裂纹扩展寿命Np（CrackPropagationLife）,8.7.1关于应变疲劳的基本假设应力集中--切口根部形成塑性区,故疲劳裂纹总是在切口根部形成。塑性区内的材料取出做成疲劳试件，按塑性区内材料所受的应变谱进行疲劳试验。,8.7.2循环应力--应变曲线,当加载超出弹性范围，应变的变化落后于应力，形成应力-应变回线，在循环加载的初期，应力-应变回线并不封闭，它的形状随循环数而改变。要保持循环应变范围△ε或其塑性分量△εp为常数，则加于试件上的循环应力幅必须不断地进行调整。,在弹性范围内加载和卸载，其变形在宏观上是可逆的。,定义与特点恒应变幅（塑性应变幅或总应变幅）循环加载过程中，材料的形变抗力不断增加，则称为循环硬化；反之为循环软化。应力应变滞后回线，只有在应力循环达到一定周期后，才是闭合的，即达到循环稳定态。循环应力应变曲线高于单次应力应变曲线，则是循环硬化，反之为循环软化。,图8-20应力应变回线随循环次数变化示意图,a退火铜；b加工硬化铜,对于某些合金，要使其△ε或△εp保持恒定，则必须随加载循环数的增加提高应力幅,这种现象称为循环硬化；反之，则为循环软化。,当△εpC时，应力幅随循环加载次数变化示意图。循环硬化或软化可分为三个阶段加载开始时的快速硬化或软化阶段，循环硬化或软化速率逐小的过渡阶段，以及循环硬化或软化的饱和阶段。,循环软化的危害使材料的形变抗力下降，导致工件产生过量的塑性变形而失效。原因决定于材料的初始状态，工件结构特性；应变幅，温度等。σb/σs＞1.4循环硬化σb/σs＜1.2循环软化微观原因位错的循环运动；相变强化；应力松驰。,,8.7.3应变疲劳曲线和表达式,总应变范围△ε是弹性应变范围△εe与塑性应变范围△εp之和,△ε△εe△εp,应变疲劳试验时试件所受的循环应变幅超出弹性极限，故试件的疲劳寿命短，故又将应变疲劳称为低循环疲劳或低周疲劳。,图8-23应变疲劳寿命曲线,应变疲劳试验时，控制总应变范围或者控制塑性应变范围。在给定的△ε或△εp下，测定疲劳寿命Nf，将应变疲劳实验数据在logNf-log△ε双对数坐标纸上作图，即得应变疲劳寿命曲线。,对a-N曲线求导，即得裂纹扩展速率da／dN，也就是每循环一次裂纹扩展的距离，单位为m／cycle。,8.9疲劳裂纹扩展速率及门槛值,8.9.1疲劳裂纹扩展速率的测定,在固定的载荷△P和应力比R下进行。实验时每隔一定的加载循环数，测定裂纹长度a，作出a-N关系曲线。,图8-27裂纹长度与加载循环数关系曲线,再将相应的裂纹长度，代入应力强度因子表达式计算出△K。最后绘制出da／dN-△K关系曲线，即疲劳裂纹扩展速率曲线。,疲劳裂纹扩展速率1、引入断裂韧度的概念每一次小扩展，便认为是一次断裂过程。2、lgda/dN-lg△K曲线,I区为近门槛区，裂纹扩展速率随着△K的降低而迅速降低，以至da／dN→0。与此相对应△K值称为疲劳裂纹扩展门槛值，记为△Kth。当△K≤△Kth时，da／dN＝0。这是裂纹扩展门槛值的物理定义或理论定义。实验测定的裂纹扩展门槛值常定义为da／dN＝1-310-10m／cycle时的△K值。I区接近于△Kth，故又将I区称为近门槛区。II区为中部区或稳态扩展区，对应于da／dN＝10-8-10-6m／cycle。在II区；裂纹扩展速率在logda/dN-log△K双对数坐标上呈一直线。III区为裂纹快速扩展区，da／dN＞10-6-10-5m／cycle,并随着△K的增大而迅速升高。当Kmax＝△K／1-RKIC时，试件或零件断裂。,,为了精确地估算零件的裂纹扩展寿命最著名Paris裂纹扩展速率公式,提高ΔKth之值，使裂纹扩展速率大大降低。显微组织变化引起了裂纹在Ⅱ区扩展机制的改变,裂纹在Ⅱ区若裂纹以非条带机制扩展，则提高材料的强度和塑性可降低裂纹扩展速率。,8.9.3降低疲劳裂纹扩展速率的途径,8.9.2疲劳裂纹扩展速率表达式,da／dN＝C△Km8-18,式中C，m为实验测定的常数。Paris公式仅适用于II区。经验公式,按8-23式计算裂纹扩展寿命，要选择合适的裂纹扩展速率公式，确定初始裂纹尺寸ai和临界裂纹尺寸ac，即积分的上、下限。修正后的Paris公式，计算裂纹扩展寿命，即,用Paris公式计算裂纹扩展寿命将会给出保守的结果。,8.9.4疲劳裂纹扩展寿命估算,（8-24）,（8-23）,零件的裂纹扩展寿命Np，可按下式估算,,,8.10延寿技术,1．细化晶粒随着晶粒尺寸的减小，合金的裂纹形成寿命和疲劳总寿命延长。2．减少和细化合金中的夹杂物细化合金中的夹杂物颗粒，可以延长疲劳寿命。3．微量合金化向低碳钢中加铌，大幅度地提高钢的强度和裂纹形成门槛值，大幅度地延长裂纹形成寿命。,4．减少高强度钢中的残余奥氏体将高强度马氏体纲中的残余奥氏体由12％减少到5％左右.5．改善切口根部的表面状态切削加工会引起零件表面层的几何、物理和化学的变化。6．表面喷丸强化是既能延长裂纹形成寿命，又能延长裂纹扩展寿命的有效方法。,,,8.11冲击疲劳,小能量的多次冲击飞机起落架、风动工具零件等。冲击疲劳试验时，锤头以一定的能量冲击试件，从而使试件发生疲劳断裂。,8.12疲劳短裂纹简介,根据疲劳裂纹扩展门槛值的概念，当△K△Kth时，裂纹不扩展。这是对于长裂纹。但是研究发现，在很短裂纹,△K△Kth时裂纹会扩展。,失效分析实例锅炉给水泵轴的断裂分析某大型化肥厂从国外引进的两台离心式锅炉给水泵在试车过程中只运行了1400多小时便先后发生断轴事故。泵轴的材质相当于我国的42CrMo钢，外径为90mm，断裂部位为平衡鼓附近的轴节处，该处最小直径为74mm。在试车期间，给水泵曾频繁开停车。图为泵轴的断口照片。,成分分析表明，泵轴材料的含碳量高于标准的上限（0.45）达到0.48。泵轴的心部组织为魏氏组织，表面为粗大晶粒的回火索氏体组织。显然，泵轴材料为不合格材料。泵轴表面机械加工粗糙，断口部位有四条明显的深车刀痕，泵轴正是沿着这些刀痕之一整齐地发生脆性断裂。结论泵轴的断裂为低载荷高应力集中的旋转弯曲疲劳断裂。深的车刀痕是高应力集中源，也是引起泵轴断裂的主要原因。泵轴材料是成分和热处理组织不合格材料。,疲劳断裂失效的分类,本章结束,