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第2章材料疲劳强度 常规（单点）试验法 在每个应力水平下只试验一个试样。（试样有限，任务紧迫、节省经费） 常规疲劳试验一般准备10根试样(1根作静态试验、7~8根作疲劳试验、其余作为备品)。 试验中需要将应力水平分级（7级以上） 施加不同的载荷，得到不同类型的S-N曲线。（弯曲、扭转、拉压） 例：弯曲载荷下常规（单点）试验法的试验步骤： 根据材料的强度极限sb估算一个近似的材料疲劳极限σ-1 = 0.44σb 从比估算的疲劳极限s-1高一定的百分数开始，进行疲劳试验。 如对σb<800MPa的钢材，第一根试样取σ1=1.3σ-1 = 0.6 σb 如对σb>800MPa的钢材，第一根试样取σ1=1.2σ-1 = 0.52σb 其中σ1中的下标1表示第1根式样，其余类推 根据前一根试样的疲劳寿命，逐步改变应力做下一根试样的试验 继续进行试验，直到有一根试样试验到试验基数后不发生断裂为止，则不断裂试样与相临断裂试样的平均值为疲劳极限 疲劳极限与应力极差的选择关系 σ-1 <=100MPa（应力级差<=3MPa）; 100MPa< σ-1 <=200MPa（应力级差<=5MPa）; 200MPa< σ-1 <=400MPa（应力级差<=10MPa）; σ-1 >400MPa（应力级差15MPa）; 机械结构强度—— 第2章 材料的疲劳强度 机械结构强度 西南交通大学电子讲义 第2章 材料的疲劳强度 2.1 基本概念 疲劳 材料在循环应力或循环应变的作用下，由于某点或某些点产生了局部的永久结构变化，从而在一定循环次数后形成裂纹或发生断裂的过程。 交变载荷 指载荷的大小、方向随时间作周期性或不规则、随机变化的载荷。也叫循环载荷、疲劳载荷。 疲劳寿命 零件或结构疲劳失效以前所经历的应力或应变循环次数，用N表示。 疲劳破坏的特征 应力水平低。交变应力远小于材料的强度极限或屈服极限。 脆性断裂。不论是脆性材料还是塑性材料，疲劳断裂在宏观上都表现为没有明显塑性变形的突然断裂。 局部性。局部的疲劳破坏一般不牵扯到整个结构。可以采用局部设计或局部工艺措施增加疲劳寿命。 疲劳过程是一个损伤累积的过程。（裂纹形成、扩展、断裂） 疲劳破坏断口有自己明显的特征。 更具突然性，更危险 脆性断裂区 疲劳区 疲劳源 疲劳纹 寿命可计算N=N0+Np 2.2 金属疲劳破坏机制 金属疲劳破坏通常可分为三个阶段： 1.疲劳裂纹萌生。（由局部塑性应变集中引起） 裂纹萌生方式有三种: 滑移带开裂 晶界和孪晶界开裂 夹杂物或第二相与基体的界面开裂 裂纹萌生一般发生在金属表面的原因 2.疲劳裂纹扩展 3.失稳断裂 裂纹萌生方式之一:滑移带开裂 是最常见的疲劳裂纹萌生方式,也是三种萌生方式中最基本的一种. 对于纯金属和单相金属的疲劳裂纹萌生方式多为滑移开裂. 滑移开裂的过程: 循环载荷->薄弱晶粒间沿晶面产生塑性应变->晶粒产生滑移(不可恢复)->金属表面产生滑移线->滑移线随循环次数增加汇集成表面滑移带->发展成驻留滑移带->形成裂纹 裂纹萌生方式之二:晶界和孪晶界开裂 对于密排六方晶系,因滑移较少,当滑移困难时,孪晶变形较为常见.例如:铋,锆,锑,铜,锌,金,铁等金属. 常温下,裂纹多为穿晶.高温下,一般为晶间、晶界表面相接处出现裂纹. 晶界结合力比晶粒内部弱,在低于晶内滑移应力下,在晶界上萌生裂纹. 裂纹萌生方式之三:夹杂物或第二相与基体的界面开裂 在高强度合金中,粗大的夹杂物和其他第二相质点的存在,对裂纹萌生起重要作用. 合金材料的屈服强度一般很高,只有在很高的应力幅下,才能产生滑移带.但是由于在夹杂物或第二项质点处产生了很高的应力集中,从而在较低的名义应力下也能出现局部的塑性变形,这样便导致在夹杂物和基体界面上萌生裂纹,或由于夹杂物成脆性第2质点的断裂导致裂纹萌生. 疲劳裂纹经常在金属表面发生? 在实际零件中,表面应力往往比内部高 内部晶粒的四周,完全为其他晶粒所包围,而表面晶粒所受的约束少,因而比内部晶粒易于滑移. 表面晶粒与大气或其他环境介质直接接触,有腐蚀作用. 表面上往往留有加工痕迹或划伤,使其疲劳强度降低. 当零件表面经强化处理后,表面强度比内部高时,疲劳裂纹则一般在硬化层下面. 疲劳裂纹扩展 Ⅰ阶段 裂纹首先沿剪应力最大的活性面向内部扩展,滑移面趋向大致与主应力轴线成45度.(这个阶段扩展缓慢) 滑移带上往往萌生有多条裂纹,绝大多数很早就停止扩展.随着循环载荷的继续继续,少数裂纹互相连接超过几十微米长度.这时的裂纹很少,断口形貌研究困难. Ⅱ阶段 由于晶粒滑移困难,裂纹扩展方向由开始与外力方向成45度逐渐转向与拉伸应力成90度,这种拉伸型式的裂纹扩展,称为Ⅱ阶段裂纹扩。 从Ⅰ阶段向Ⅱ阶段转变的裂纹长度，决定于材料和应力幅。一般不超过十分之几毫米