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金屬材料疲勞試驗理論

 二維碼 849

1、實際工作中的許多機件均是在變動載荷下工作的。

2、失效形式:主要為疲勞斷裂,占80%以上。

3、表現為突然斷裂,危害極大。無論材料為韌材還是脆材均表現為突然斷裂。

第一節金屬疲勞現象及特點

一、 變動載荷和循環應力

變動載荷是引起疲勞破壞的外力,所以有必要在研究疲勞時首先研究變動載荷的特點和表示方法。

1、定義:是指載荷大小,甚至方向均隨時間變化的載荷。

2、分類:循環應力:大小或大小和方向隨時間變化按一定規律呈周期性變化。

交變應力:載荷大小、方向均隨時間作周期性變化。

重復載荷:載荷大小呈周期性變化,但方向不變。                      

隨機變動應力:載荷大小、方向呈無規則隨機變化。

3、循環應力表示的表示方法:常用以下幾個參量來表示:最大應力;最小應力;平均應力;應力半幅;應力循環對稱系數(應力比)r(R)。

4、常見的幾種循環應力有:對稱循環應力(r=-1);脈動應力(r=0;r=-∞);波動應力(0<r<1);不對稱交變應力r<0。

二、 疲勞試驗的分類及特點

1、分類

金屬機件或構件在變動應力和應變長期作用下,由于累積損傷而引起的斷裂現象稱為疲勞。

可以按不同方法進行分類:

按照應力狀態不同可分為:彎曲疲勞、扭轉疲勞、拉壓疲勞及復合疲勞。

按環境和接觸情況不同可分為:大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、熱疲勞、接觸疲勞。

按斷裂壽命和應力高低不同可分為(經常采用此方法):

  高周疲勞:循環周次(Nf)>105,屬低應力疲勞。

  低周疲勞:循環周次102~105,高應力疲勞或應變疲勞

2、疲勞斷裂的特點

疲勞斷裂與靜載荷斷裂或一次沖擊加載斷裂相比,具有以下特點:

① 疲勞斷裂是低應力循環延時斷裂,即具有壽命的斷裂。

② 疲勞斷裂是突然斷裂,即脆性斷裂。斷裂前沒有明顯的征兆。

③對缺陷(缺口、裂紋及組織缺陷)十分敏感。

三、 疲勞宏觀斷口特征

疲勞斷裂和其它斷裂一樣,其斷口上保留了整個斷裂過程的所有痕跡,記載著很多斷裂信息,具有明顯的特征;這些特征還受材料性質、應力狀態、應力大小及環境因素影響。因此,疲勞斷口分析是研究疲勞過程和失效原因的重要方法之一。

典型疲勞斷口具有三個形貌不同的區域:疲勞源、疲勞裂紋擴展區、瞬時斷裂區。

1、 疲勞源:

是疲勞裂紋萌生的策源地。

① 特征:一般在表面;光亮;一個或幾個

② 形成原因

經常在機件表面缺陷處:缺口、裂紋、刀痕、臺肩、鍵槽等;脫碳、夾雜物、軟點。

光亮:形成裂紋后的斷面,在應力循環過程中不斷摩擦擠壓的結果(光亮、平滑)。

一個或多個:與應力狀態有關。例單向彎曲有一個;雙向彎曲有二個。

2、 疲勞裂紋擴展區:

① 特征:

貝紋線(海灘花樣)

貝紋線是以疲勞源為圓心的一簇同心圓??;間距不同,近源者密,遠源者疏。

貝紋線的寬窄不同。與過載程度、材質有關,過載大、韌性差的線粗而不明顯。

垂線為裂紋擴展方向。

② 形成原因:載荷變化引起的。如:開啟和停歇、改變頻率、偶然過載等。(實驗室的斷口因載荷平穩而難以看到)。

③ 影響:

拉壓變動載荷:無應力集中時,裂紋等速擴展,平行的圓弧

             有應力集中時,貝紋線沿表面擴展快。

彎曲循環載荷:因表面應力高,貝紋線與缺口機件類似。

當材料脆性增加時,貝紋線不明顯,甚至消失。

3、 瞬時斷裂區:

① 特征:同靜載斷口。脆材為結晶狀,韌材為纖維狀、暗灰色、邊沿有剪切唇。

② 形成原因:隨裂紋擴展,當a=ac時,KⅠ= KⅠC,裂紋將失穩擴展,形成瞬斷區。

③ 影響:

一般在疲勞源對側

旋轉彎曲時,瞬斷區的位置沿逆旋轉方向偏轉一定角度。

應力大,瞬斷區便大。

材質韌性差,為結晶狀斷口;韌性好則在中間平面應變區為放射狀或人字紋,邊沿為剪切唇。

扭轉循環載荷:均看不見貝紋線

正斷:與軸線呈45°角,鋸齒狀或星形狀。切斷:┴軸向

綜上所述,對于韌性材料,一般三個區均可較明顯;脆性材料,整個斷口齊平光亮,三個區用肉眼難以觀察到。

四、疲勞斷口的微觀特征 —— 疲勞輝紋(疲勞條帶、疲勞條紋)

①疲勞輝紋主要有:塑性輝紋和脆性輝紋(解理輝紋)兩種。

②兩種輝紋的區別:脆性輝紋出現在解理平面上,河流花樣的放射線和輝紋相交并近似垂直。

③有些疲勞斷口上看不到疲勞輝紋。

④貝紋線和疲勞輝紋的區別:

貝紋線是交變應力的頻率、幅度變化或載荷停歇等原因造成的。  形成原因不同。

疲勞輝紋是一次交變應力循環使裂紋尖端塑性鈍化形成的。        

二者可以同時出現,也可以不同時出現。  有時在宏觀斷口上看不到貝紋線;

在電子顯微鏡下也不一定看到疲勞輝紋。

第二節  高周疲勞試驗

疲勞抗力指標主要有:疲勞極限、過載持久值、過載損傷界、疲勞缺口敏感度。

一、 疲勞曲線和對稱循環疲勞極限

(一)疲勞曲線和疲勞極限

金屬承受的最大交變應力與斷裂時應力交變次數(循環次數,即疲勞壽命)有直接關系。為此用σmax-logN之間的關系曲線,稱為疲勞曲線。是疲勞應力與疲勞壽命之間的關系曲線,即S-N曲線。又稱維勒曲線。

分兩類:曲線上有明顯的水平部分。碳鋼、合金鋼、球鐵等屬于此類。試樣可以經受無限次應力循環也不發生疲勞斷裂的最大應力稱為疲勞極限。記為σ-1。試驗時常用循環周次為107也不斷裂的應力。

沒有水平部分。鋁合金、不銹鋼、高強度鋼。(條件疲勞強度)

(二)疲勞曲線及疲勞極限的測定

1、方法及特點:常用旋轉彎曲疲勞試驗。試驗機結構簡單、操作方便,應用廣泛。

2、試驗方法:用成組試驗法,用升降法測定疲勞極限。即分側斜線部分(每應力水平有5~6個試樣)和水平部分(用升降法,不少于13個試樣)。 數據處理

二、 抗疲勞過載能力

實際機件在服役過程中不可避免地要受到短時偶然過載荷的作用,如汽車、拖拉機的緊急剎車、突然啟動等。

過載持久值和過載損傷界

過載損傷界越陡直,過載損傷區越窄,材料抵抗過載的能力越好。

過載持久值——即疲勞曲線上的斜線,表示高于疲勞極限的應力下直到斷裂所能經受最大的應力循環周次。此曲線越陡直,表示在相同的過載荷下能經受的應力循環周次多,即過載抗力越高。

第三節  低周疲勞

一、熱疲勞

1、定義:溫度循環變化時產生的循環熱應力及熱應變作用下發生的疲勞,稱為熱疲勞。若溫度循環和機械應力循環疊加所引起的疲勞,稱為熱機械疲勞。

2、產生熱應力的條件:

溫度變化:溫度變化使材料產生膨脹。

機械約束:  內部約束:機件截面存在溫度差,一部分約束另一部分,產生熱應力。

           外部約束:如管道溫度升高時,剛性支撐約束管道膨脹。

3、原因:熱疲勞和熱機械疲勞破壞也是塑性應變累積損傷的結果。

4、裂紋的形成與擴展:熱疲勞裂紋在表面應力最大處形成,裂紋源有幾個,裂紋的擴展方向垂直于表面,并向縱深方向擴展導致斷裂。

熱疲勞的特點是:龜裂。

5、影響因素:

材料的熱性能(熱傳導、比熱容等)、力學性能(彈性模量、屈服強度等)、密度、幾何因素。簡介熱鍛模具鋼的化學成分要求。

6、提高熱疲勞的抗力的主要途徑:

①盡可能地減少,甚至消除應力集中和應變集中。②提高高溫強度。③減小線膨脹系數,增加導熱系數。④提高局部塑性,以迅速消除應力集中。

二、沖擊疲勞

1、定義:是機件在重復沖擊載荷作用下的疲勞斷裂。

實際工作中,很少有僅經過一次或幾次沖擊就斷裂的機件,即便是通常認為承受劇烈沖擊載荷的機件,大多數是承受小能量的多次沖擊才斷裂。試驗表明,當試樣于破壞前承受的沖擊次數較少時(500~1000次),試樣斷裂的原因與一次沖擊相同;當沖擊次數>105次時。破壞具有典型的疲勞斷口,屬于疲勞斷裂,即為沖擊疲勞。

2、沖擊疲勞曲線

與一般疲勞曲線相似,可以用沖擊疲勞曲線確定沖擊疲勞極限。材料的沖擊疲勞抗力可用沖擊疲勞極限和沖擊能量下的沖斷周次N或用要求的沖斷次數時的沖擊能量表示。因用沖擊能量表示材料的沖擊疲勞抗力簡便,故應用廣泛。

沖擊疲勞試驗是在多次沖擊試驗機上進行的。根據試驗結果繪制沖擊吸收功A-沖斷次數N之間的關系曲線,如圖5-35所示??梢钥闯?,此曲線與低周疲勞曲線相似。

3、沖擊疲勞的特點

試驗表明,沖擊疲勞抗力是一個取決于強度和塑性的綜合性能,具有以下特點:

①沖擊能量高時,材料的沖擊疲勞抗力主要取決于塑性;沖擊能量低時,材料的沖擊疲勞抗力主要取決于強度。從此可以看出,不能僅根據工件承受沖擊就要求高的沖擊吸收功。

②不同的沖擊能量要求不同的強度與塑性配合。淬火回火鋼的沖擊疲勞抗力隨回火溫度的變化有一峰值,該峰值隨沖擊能量的增加向高溫方向移動(見圖5-36)。

③ 沖擊韌度對沖擊疲勞抗力的影響因材料的強度水平不同而異。

高強度鋼和超高強度鋼的塑性和沖擊韌度對沖擊疲勞抗力有較大影響。

  (因其強度高、沖擊韌度低,適當提高韌度對提高沖擊疲勞抗力的影響較突出)

中、低強度鋼的塑性和沖擊韌度對沖擊疲勞抗力的影響較小。

   (因其沖擊韌度已經比較高,在增加Ak值對提高沖擊疲勞抗力已影響較不大)

文章分類: 非標試驗機簡介
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