文档介绍：第七章机械产品设计中的几个主要技术问题
第一节机械疲劳设计
一、疲劳破坏的机制和特点
1、概念
1)疲劳:材料或零件在循环应力和应变作用下,在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤,经过一定循环次数后,产生裂纹或突然发生断裂的过程称为疲劳。
2)交变应力或交变应变:对于疲劳问题,由于构件受到载荷值随时间变化的交变载荷作用,使零件的材料内部产生随时间变化的内力分布或变形分布,称之为交变应力或交变应变。
3)疲劳失效:;
4)疲劳强度:试件抵抗疲劳失效的能力称之为材料的疲劳强度。衡量材料或结构疲劳强度大小的指标之一是“疲劳强度极限”,简称“疲劳极限”。
2、疲劳破坏机理
疲劳破坏一般可分为三个阶段:
(1)疲劳裂纹萌生由局部塑件应变集中引起,有三种常见的裂纹萌生方式: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。
如:滑移带开裂的过程是出现滑移线,在循环载荷作用下,随着载荷作用次数的增加,滑移线不断增多和变粗而形成滑移带和驻留滑移带。滑移结果,在驻留滑移带上形成“挤入”或“挤出”现象,,从而形成疲劳微裂纹。如图7—2示。
(2)疲劳裂纹的扩展。疲劳裂纹扩展分为两个阶段:
当疲劳裂纹在滑移带上萌生之后,首先沿着滑移带的主滑移面向着金属内部延伸,此滑移面取向与正应力大致成45°角的滑移面扩展。裂纹沿着最大切应力方向的滑移面扩展称为疲劳裂纹第一扩展阶段。该阶段扩展的深度很浅,大约有几十个微米长度,其范围在2~5个晶粒之内。
当裂纹扩展到几个晶粒或几十个晶粒深度之后,裂纹扩展方向开始由应力呈45°方向逐渐转向与应力成垂直的方向,这种拉伸形式的扩展称为第二阶段裂纹扩展,如图7-1示。
(3)失稳断裂损伤逐渐积累到临界值时,即发生瞬间的断裂破坏。疲劳破坏的断口如图7—2。
3、疲劳破坏有如下特点:
1)疲劳断裂应力(即循环应力中最大应力)远比静应力下材料的抗拉极限σb低,甚至比材料的屈服极限σs低很多情况下,疲劳破坏就可能发生。
2)不论是脆性材料或塑性材料;疲劳断裂在宏观上均表现为无明显塑性变形的突然脆性断裂。
3)疲劳破坏是在循环应力多次重复作用下产生的,因而要经历一定的时间,甚至很长时间。
4)材料或零部件,对疲劳载荷远比静载荷敏感很多,其疲劳抗力不仅决定于材料本身,而且还敏感地决定于零件形状、尺寸、表面状态、工作条件和所处环境等。
5)在疲劳破坏的宏观断口上,有着不同于其他破坏断口的显著特点,即有疲劳源(或称疲劳核心)、疲劳裂纹扩展区和瞬断区,如图7—2所示。
疲劳源:是疲劳破坏的起点,多发生于零件表面;
疲劳裂纹扩展区:是疲劳断口最重要的特征区域,在该区域中,常见到明显的相互平行的弧形线,称贝纹线或海滩波纹线;
瞬断区:也称最终破断区。这是静力破断部分。该区面积大小决定于最大应力。对塑性材料该区呈纤维状,对脆性材料呈粗结晶状。往往还具有尖锐的唇边、刃口等。
二、载荷类型
掌握载荷的变化情况,是研究疲劳强度的先决条件,按照交变应力的特征,可分为:对称循环、脉动循环、不对称循环(应力比r)。
三、疲劳曲线、疲劳极限
(S—N曲线)
材料在疲劳失效以前所经历的应力或应变循环数称为疲劳寿命,以N表示。一般情况下,材料的强度极限愈高,外加应力水平愈低,试样的疲劳寿命愈长;反之,疲劳寿命愈短。
S一N曲线:表示外加应力水平和标推试样疲劳寿命之关系的曲线,称为材料的S一N曲线。
图7—4表示典型的S一N曲线。图中曲线有一水平部分,表示材料经无数次循环而不破坏,与此相应的最大应力表示光滑试样的疲劳极限,用σ-1表示。结构钢的S一N曲线都有一水平的渐近线,其纵坐标就是其疲劳极限σ-1。
在一组标准试件上施加不同载荷F,使试件承受应力比r为某值。最大应力为σmax 的交变应力作用,将试样旋转直到疲劳破坏为止,并记录循环次数N。