金属疲劳PPT讲座5.1概述(BriefIntroduction)㈠定义(Definition)疲劳破坏过程虽然有突然性，但仍然是一个逐渐发展的过程。它是由疲劳裂纹核心的萌生、扩展及断裂三个阶段组成的，因而相应的研究领域包括：疲劳微观机理（包括疲劳断裂的成因、裂纹核心的萌生、扩展、断口形貌及组织的变化）;疲劳宏观理论（包括疲劳累计损失理论、裂纹扩展理论、疲劳强度理论及疲劳设计理论）;疲劳实验（包括机器的设计、载荷的测定、数据的统计与分析以及疲劳寿命的计算）。一、交变载荷及循环应力(Alternativeloadsandcirculativestress)定义：交变载荷：指载荷大小、方向均随时间发生变化的载荷。交变载荷又可分为规则周期变动应力（称为循环应力）和无规随机变动应力两种（见图5-1）。规则变化应力（即循环应力）有：a)正方形波b)矩形波c)三角形波循环应力可用几个特征参量来表示，即：最大应力σmax、最小应力σmin及平均应力σm、应力振幅σa。σa＝（σmax－σmin）2应力比γ:γ＝σmin/σmax几种常见的循环应力见图5－2。对于图5-3的复杂载荷，可以经过傅立叶变化成几种循环应力，再进行相关分析，比较复杂，所以在此不涉及。二、疲劳种类及特点(Typesandcharacteristicoffatigue)1、分类(Classification)1）按应力状态分有：a）弯曲疲劳b）扭转疲劳c）拉压疲劳d）复合疲劳2）按环境分有：a）大气疲劳b）腐蚀疲劳c）高温疲劳d）接触疲劳e）热疲劳3）按断裂寿命及应力高低分：a）高周疲劳（低应力疲劳）Nf>105次σ<σs；b）低周疲劳（高应力疲劳）Nf＝102～105次σ≥σs2、特点(Characteristic)与静载荷或一次冲击载荷断裂相比，疲劳断裂具有下列特点：低应力循环延时断裂；脆性断裂（不管是塑性还是脆性材料）；对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感；疲劳断裂也是裂纹萌生与扩展的过程。三、疲劳宏观断口形貌(Macro-fracturemorphologyoffatigue)疲劳断口形貌是研究疲劳过程和失效的重要方法之一。典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域(见P110,图5-3)：疲劳源（疲劳裂纹萌生的源地，一般位于断口表面，常与缺陷引起的应力集中相关）；疲劳区（疲劳区是疲劳裂纹亚稳扩展所组成的断口区域，是测定疲劳断裂重要特征）瞬断区（裂纹最后失稳、快速扩展所形成的断口区域）。1、疲劳源该区最光亮（因该断面经多次摩擦挤压之故）；疲劳源位于疲劳区的贝纹弧线凹向一侧的焦点位置；疲劳源可以一个或多个（与应力状态有关）；对于有数个疲劳源，可根据疲劳源的光亮度，疲劳区的大小及贝纹线的密蔬程度可以确定多个源产生的先后次序，一般源区越亮，疲劳区越大，贝纹线越密，则该源越早产生。断口宏观特征。断口比较光滑并分布有纹线（或海滩花样），有时还有裂纹扩展台阶；贝纹线是载荷变动引起的，如机器的开停，而在实验室由于载荷变动较小，所以贝纹较浅而细小；贝纹线是一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，近源处则贝纹线距越密，远离源处则贝纹线距越疏。该断口区比疲劳区粗糙，与静载的断口相似；如脆性材料，则为结晶状断口；如韧性材料，则中间平面应变区为放射状或人字纹断口，边缘平面应力区为剪切唇；一般在疲劳源的对侧；瞬断区大小。若名义应力较高或材料韧性较差，则瞬断区较大，反之，则瞬断区较小。(一)疲劳曲线（Fatiguecurves）（二）疲劳极限及其测量（Fatiguelimitandmeasurement）1、定义：疲劳极限是指材料抵抗无限次应力循环而不断裂的强度指标（见图5-7）。条件疲劳极限：是指材料抵抗有限次应力循环而不断裂的强度指标。二者统称为疲劳强度。2、种类对称循环载荷是一种常规载荷，有对称弯曲、对称扭转及对称拉压等。其对应的疲劳极限称为σ－1、τ－1、σ－1p.其中σ－1是最常用的对称循环疲劳极限。三、疲劳极限和静强度之间的关系(Relationshipbetweenfatiguelimitandstaticstrength)材料疲劳极限与其静强度有一定的关系，一般有，材料的抗拉强度愈大，其疲劳强度也愈大。结构钢：σ－1p=0.23(σs+σb)σ－1=0.27(σs+σb)铸铁：σ－1p=0.4σbσ－1＝0.45σb铝合金：σ－1p=1/6σb＋7.5MPaσ－1＝1/6σb—7.5MPa青铜：σ－1＝0.21σb疲劳的三个过程中（裂纹萌生、亚稳扩展、失稳扩展）以亚稳扩展最重要