金属材料和构件的疲劳与断裂.ppt

在特定外界条件下工作的构件，虽然所受应力低于材料屈服强度，但服役一定时间后，也可能发生突然脆断。这种与时间有关的低应力脆断称为延滞断裂。 外界条件可以是应力，如交变应力；也可以是环境介质，如腐蚀介质、氢气氛或热作用等。 由交变应力引起的延滞断裂，就是疲劳断裂； 而在静载荷与环境联合作用下引起的延滞断裂，叫做静载延迟断裂，或称静疲劳； 疲劳与断裂是材料、构件和机械最常见的失效方式，约占构件全部失效的50％~90％。 12.1 疲劳 12.2 低温断裂与疲劳 12.3 高温蠕变与疲劳 12.4 环境断裂——氢脆 12.1 疲 劳 一、疲劳概念 1、疲劳 2、疲劳失效的特点 二、疲劳裂纹扩展的物理模型 1、疲劳失效过程 2、几种物理模型 3、疲劳裂纹扩展的力学行为与特征 一、疲劳概念 1、疲劳 材料或构件在交变应力(应变)作用下发生的破坏称为疲劳破坏或疲劳失效。 影响构件疲劳行为的因素很多，可以分为四类：材料、外载荷、环境条件和构件的形状和尺寸。 按外载荷的大小，疲劳可分为高周疲劳和低周疲劳。对于金属材料，通常把疲劳失效周次Nf＞104~105的疲劳称为高周疲劳，反之称为低周疲劳； 若每个周期内的载荷参量不随时间而变化，称为恒幅疲劳，否则则为变幅疲劳； 由变动的外载荷与腐蚀介质共同作用的疲劳为腐蚀疲劳； 温度高于再结晶温度或高于(0.5~0.6)Tm时的疲劳，属于高温疲劳，Tm为金属的熔点； 由于温度的变化形成的变动热应力引起的疲劳，称为热疲劳； 低温影响材料的疲劳行为，还没有关于低温疲劳的确切定义； 应变速率大于102/s的疲劳问题属于冲击疲劳。 2、疲劳失效的特点 (1) 疲劳断裂表现为低应力下的破坏断裂 疲劳失效在远低于材料的静载极限强度甚至远低于材料屈服强度下发生。 (2) 疲劳破坏宏观上无塑性变形 与静载荷作用下材料的破坏相比，具有更大的危险性 。 (3) 疲劳是与时间有关的一种失效方式，具有多阶段性 疲劳失效过程是累积损伤的过程。由交变应力(应变)作用引起的损伤是随着载荷次数逐次增加的，如图12.3所示 : 图12.3 碳钢的疲劳积累损伤曲线 (4) 与单向静载断裂相比，疲劳失效对材料的微观组织和缺陷更加敏感 这是因为疲劳有极大的选择性，几乎总是在构件材料表面的缺陷处发生。 (5)疲劳失效受载荷历程的影响 过载损伤会导致疲劳强度的下降(如图12.3所示) 图12.4为钢的拉伸应力应变曲线，加载到A点卸载再重新加载，其抗拉强度?b与末卸载的相同，即未受到载荷史的影响。 图12.4 工程应力应变曲线 一定的过载也可能延缓疲劳裂纹的扩展，延长疲劳寿命，如图12.5所示。 图12.5 过载引起疲劳裂纹扩展延滞效应 二、疲劳裂纹扩展的物理模型 1、疲劳失效过程 疲劳裂纹的扩展，一般可分为三个阶段，如图12.6所示。 图12.6 da/dN~?K曲线及其微观机制示意图 ?Kth——疲劳门槛值； ?Kc——最终断裂强度因子； ?K——应力强度因子幅值。 整个扩展过程可以近似地以“s”形曲线来描述： A段为第一阶段，?K小，扩展速率低，da/dN＜l0-6mm/次，为非连续区，呈现一种结晶学形态的断口； B段为第二阶段，da/dN＞10-5mm/次，为连续扩展区，断口形态以疲劳条纹为主； C段为第三阶段，da/dN＞10-3mm/次，为失稳扩展区，断口形态以“韧窝”(dimple)、晶间断裂或纤维状为主。 2、几种物理模型 根据疲劳断口表面与应力轴的相对位向，裂纹扩展可分为切应变型(第一阶段扩展)和正应变型(第二阶段扩展)两种。 根据裂纹扩展的微观机制，裂纹扩展模型又可以分为三类：滑移型、钝化型和再生核型，见表12.1：