5、材料力学性能__第五章详解

7、循环应力类型（按应力比和平均应力）： (1)对称循环：
σm＝0，r＝-1。
(2)不对称循环：
σm≠0，-1<r<1。
(3)脉动循环：
σm＝σα>0，r＝0 或 σm＝σα<0，r＝∞。
(4)波动循环（重复载荷）：
σm>σα，0＜r＜1。
(5)随机变动应力： 循环应力呈随机变化。
二、疲劳现象及特点
一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限
2、疲劳S-N曲线
其他不对称循环应力,也可作出相应的疲劳曲线，
它们统称为S-N曲线，
按应力高低和断裂寿命分， 有高周疲劳(低应力疲劳，σ＜σs) 和低周疲劳(高应力疲劳或应变疲劳)。
三、疲劳宏观断口特征
1、典型疲劳断口具有3个特征区 —疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区。 2、疲劳源： (1)多出现在机件表面， 常和缺口、裂纹等缺陷及内部冶金缺陷(夹杂、白点等)有关。 (2)疲劳源区比较光亮，该区表面硬度有所提高。 (3)疲劳源可以是一个，也可以是多个。
一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限
1、旋转弯曲疲劳试验： (1)四点弯曲， 对称循环 (σm＝0，r＝-1)。 (2)测定方法： ①试样（若干--1,2,3, …n ） 旋转弯曲疲劳试验机； ②选择最大循环应力σmax (0.67σb～0.4σb) （σ1，σ2，σ3 …～σn ）； ③对每个试样进行循环加载试验,直至断裂； ④测定应力循环数N (N1,N2,N3…～Nn)； ⑤得到 (σ1,N1),(σ2,N2)…… ⑥绘制σ(σmax)-N(lg N)曲线。
断口上显示出疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂区的特征。
二、疲劳现象及特点
2．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。 (3)对缺陷具有高度的选择性。 (4)可按不同方法对疲劳形式分类。 按应力状态分，
有弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳及复合疲劳。
金属疲劳现象及特点
疲劳曲线及基本疲劳力学性能
§5.3
疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值
疲劳过程及机理（简述）
§5.4
Байду номын сангаас§5.5
影响疲劳强度的主要因素(自学)
§5.6 低周疲劳(自学)
§5.1 金属疲劳现象及特点
一、变动载荷和循环应力
二、疲劳现象及特点
三、疲劳宏观断口特征
一、变动载荷和循环应力
1、疲劳： 变动载荷和应变→长期作用 →累积损伤→断裂。 2、变动载荷： 载荷大小，甚至方向随时间而变化的载荷。 3、变动应力： 变动载荷在单位面积上的平均值。 4、变动应力分类： 规则周期变动应力(或称循环应力)； 无规则随机变动应力。 5、循环应力： 周期性变化的应力。 有正弦波、矩形波和三角波等。 最常见的为正弦波。
1、疲劳破坏的概念： (1)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。 (2)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。 (3)疲劳寿命： 机件疲劳失效前的工作时间。
(4)疲劳断裂：经历了裂纹萌生和扩展过程。
二、疲劳图和不对称循环疲劳极限
三、抗疲劳过载能力
四、疲劳缺口敏感度
一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限
1850-1860，维勒（Wöhler）先生用试验方法研究了车轴的断裂事 故，提出了疲劳曲线【应力-寿命图（S-N)】和疲劳极限概念。 车轴工作状态是旋转弯曲，因此属于旋转弯曲疲劳。 【按应力状态分， 有弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳及复合疲劳。】
蠕变疲劳—循环载荷与高温联合作 用下的疲劳。
疲劳破坏表现的形式：
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、 电致疲劳等等。
前言
1、变动载荷 → 疲劳断裂。
2、研究疲劳的一般规律、 疲劳破坏过程及机理、 疲劳力学性能及其影响因素等。
第五章
§5.1
§5.2
材料的疲劳性能
三、疲劳宏观断口特征
3、疲劳区： (1)断口较光滑并分布有贝纹线(或海滩花样)， 有时还有裂纹扩展台阶。 (2)断口光滑是疲劳源区的延续， 其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱； (3)贝纹线是疲劳区的最典型特征， 一般认为是因载荷变动引起的。 每组贝纹线好像一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，
凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向。
一、变动载荷和循环应力
6、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
一、变动载荷和循环应力
三、疲劳宏观断口特征
4、瞬断区： (1)KⅠ≥KⅠc时，裂纹就失稳快速扩展，导致机件瞬时断裂． 断口粗糙，脆性断口呈结晶状； 韧性断口在心部平面应变区呈放射状或人字纹状， 边缘平面应力区则有剪切唇区存在。 (2)瞬断区一般应在疲劳源对侧。
§5.2
疲劳曲线及基本疲劳力学性能
一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限
• 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。
前言
材料的疲劳问题研究从近150多年开始一直受到人们的关注，原因 之一就是工程中的零件或构件的破坏80%以上是由于疲劳引起。 机械疲劳—外加应力/应变波动造 成的。
材料的力学性能
材料与化工学院
前言
• 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。