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疲劳破坏的一般规律

嘉峪检测网        2021-11-10 17:01

一关于疲劳

 

1. 疲劳的定义

 

材料在变动载荷和应变的长期作用下,因累积损伤而引起的断裂现象,称为疲劳。

 

2. 变动载荷

 

指大小或方向随着时间变化的载荷,称为变动载荷。

 

3. 变动应力

 

变动载荷在单位面积上的平均值。可分为:规则周期变动应力和无规则随机变动应力

 

4. 循环载荷(应力)的表征

 

最大循环应力:σmax

 

最小循环应力:σmin

 

平均应力:σm=(σmax+σmin)/2

 

应力幅σa 或应力范围Δσ:Δσ=σmax-σmin,σa=Δσ/2=(σmax-σmin)/2

 

应力比(或称循环应力特征系数):r=σmin/σmax

 

5. 循环应力分类

 

按平均应力、应力幅、应力比的不同,循环应力分为:

 

对称循环σm=(σmax+σmin)/2=0,r=-1。属于此类的有:大多数旋转轴类零件。公众号《机械工程文萃》,工程师的加油站!

 

不对称循环σm≠0。如:发动机连杆、螺栓:σa>σm>0,-1<r<0;σa> 0,σm<0,r<-1。

 

脉动循环:σm=σa>0,r=0(σmin=0) 如:齿轮的齿根、压力容器;σm=σa<0,r=∞(σmax=0) 如:轴承(压应力)

 

波动循环:σm>σa,0<r<1,σmin>0   如:发动机气缸盖、螺栓。

 

随机变动应力:应力大小、方向随机变化,无规律性。 如:汽车、飞机零件、轮船。

 

疲劳破坏的特点

 

在变动载荷作用下,材料薄弱区域逐渐发生损伤,损伤累积到一定程度→产生裂纹,裂纹不断扩展→失稳断裂。

 

特点是:从局部区域开始的损伤,不断累积,最终引起整体破坏。

 

潜藏的突发性破坏,脆性断裂(即使是塑性材料)。

 

属低应力循环延时断裂(滞后断裂)。

 

对缺陷十分敏感(可加速疲劳进程)。

 

疲劳破坏的分类

 

1. 按应力状态

 

弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳、复合疲劳。

 

2. 按应力大小和断裂寿命

 

N>105,б<бs   高周疲劳→低应力疲劳

 

N=10²~105,б≥бs   低周疲劳→高应力疲劳

 

疲劳破坏的表征—疲劳寿命

 

1. 疲劳寿命

 

材料疲劳失效前的工作时间,即循环次数N。

 

疲劳破坏的一般规律

 

2. 疲劳曲线

 

应力б↑,N↓

 

疲劳断口的宏观特征

 

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。

 

1. 疲劳源

 

疲劳裂纹萌生区,多出现在零件表面,与加工刀痕、缺口、裂纹、蚀坑等相连。

 

特征:光亮,因为疲劳源区裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多。

 

疲劳源可以是一个,也可以有多个。如:单向弯曲,只有一个疲劳源;双向弯曲,可出现两个疲劳源。公众号《机械工程文萃》,工程师的加油站!

 

疲劳破坏的一般规律

 

2. 疲劳裂纹扩展区(亚临界扩展区)

 

特征:断口较光滑并分布有贝纹线或裂纹扩展台阶。

 

贝纹线是疲劳区最典型的特征,是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,近疲劳源区贝纹线较细密(裂纹扩展较慢);远疲劳源区贝纹线较稀疏、粗糙(裂纹扩展较快)。

 

疲劳破坏的一般规律

 

贝纹线(海滩花样)

 

贝纹线区的大小取决于过载程度及材料的韧性,高名义应力或材料韧性较差时,贝纹线区不明显;反之,低名义应力或高韧性材料,贝纹线粗且明显,范围大。

 

名义载荷,根据额定功率用力学公式计算出作用在零件上的载荷。即机器平稳工作条件下作用于零件上的载荷。

 

计算载荷=载荷系数*名义载荷

 

3. 瞬断区

 

裂纹失稳扩展形成的区域的断口特征:断口粗糙,脆性材料断口呈结晶状;韧性材料断口在心部平面应变区呈放射状或人字纹状;表面平面应力区则有剪切唇区存在。

 

瞬断区一般在疲劳源对侧,大小与名义应力、材料性质有关。高名义应力或脆性材料,瞬断区大;反之,瞬断区小。

 

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