5-6低周疲劳解析.ppt

疲劳寿命为疲劳寿命为10102 2～～10105 5次的疲劳断裂，称为低周疲劳次的疲劳断裂，称为低周疲劳第六节第六节 低周疲劳低周疲劳（一）、低周疲劳的特点（一）、低周疲劳的特点1 1、局部产生宏观变形，、局部产生宏观变形，应力与应变之间呈非线性，应力与应变之间呈非线性，形成滞后回线形成滞后回线σσ< <σσs s 塑性疲劳塑性疲劳、应变疲劳、应变疲劳OABDCEσσεε ΔεΔεe e/2/2 ΔεΔεp p ΔΔεεt t ΔΔσσ总应变总应变△△εεt t=△ε=△εe e+△ε+△εp p一、低周疲劳一、低周疲劳2 2、用、用△△εεt t-N-N或或△△εεp p-N-N描叙疲劳规律描叙疲劳规律ΔΔεεp pN NN Nσσ3 3、裂纹成核期短、裂纹成核期短(1/10)(1/10)，，有多个裂纹源有多个裂纹源疲劳条纹粗和宽疲劳条纹粗和宽4 4、疲劳寿命取决于塑性应变范围疲劳寿命取决于塑性应变范围（二）、金属的循环硬化与循环软化（二）、金属的循环硬化与循环软化1 1、定义与特点、定义与特点 恒应变幅（塑性应变幅或总应变幅）循环加载过程恒应变幅（塑性应变幅或总应变幅）循环加载过程中，材料的形变抗力不断增加，则称为循环硬化；中，材料的形变抗力不断增加，则称为循环硬化； 恒应变幅（塑性应变幅或总应变幅）循环加载过程中，恒应变幅（塑性应变幅或总应变幅）循环加载过程中，材料的形变抗力不断减小材料的形变抗力不断减小为循环软化。

为循环软化应力应力————应变滞后回线，只有在应应变滞后回线，只有在应力循环达到一定周期后，才是闭合力循环达到一定周期后，才是闭合的，即：达到循环稳定态的，即：达到循环稳定态循环应力循环应力————应变曲线高于单次应变曲线高于单次应力应力————应变曲线，则是循环硬应变曲线，则是循环硬化，反之为循环软化化，反之为循环软化2 2、循环软化的危害、循环软化的危害使材料的形变抗力下降，导致工件产生过量的塑性变形而失效使材料的形变抗力下降，导致工件产生过量的塑性变形而失效3 3、原因、原因 决定于材料的初始状态，工件结构特性；决定于材料的初始状态，工件结构特性；应变幅，温度等应变幅，温度等σσb b/σ/σs s＞＞1.41.4循环硬化循环硬化σσb b/σ/σs s＜＜1.21.2循环软化循环软化微观原因：位错的循环运动微观原因：位错的循环运动n n＞＞0.10.1循环硬化循环硬化n n＜＜0.10.1循环软化循环软化（三）、低周疲劳的应变（三）、低周疲劳的应变————寿命曲线寿命曲线ΔΔεεt tN N1 1、总应变范围、总应变范围△△εεt t-N-N曲线曲线△ε△εt t/2= △ε/2= △εe e /2/2 + +ΔεΔεp p /2/2-疲劳强度系数，疲劳强度系数， ≈ σσf f（真实断裂强度）（真实断裂强度）b-疲劳强度指数（疲劳强度指数（-0.05- -0.12））-疲劳塑性系数，疲劳塑性系数， ≈ e e/ /（（真实断裂应变真实断裂应变））c-疲劳塑性指数（疲劳塑性指数（-0. 5- -0.7））2Nf-总的应力反向次数总的应力反向次数,一个循环周次反向一个循环周次反向2次次e ef f- -断裂时的真实伸长率断裂时的真实伸长率, ,两不同斜率的曲线叠放，必然会出现一个交点。

两不同斜率的曲线叠放，必然会出现一个交点N Nt t: :过渡寿命过渡寿命提高强度，交点左移；提高塑性，交点右移提高强度，交点左移；提高塑性，交点右移强化措施强化措施: :周数低的疲劳；周数低的疲劳；↑↑塑性塑性周数高的疲劳；周数高的疲劳；↑↑强度强度lg△εlg△εt tlg2Nlg2Nf f斜率斜率=-0.6=-0.6斜率斜率=-0.12=-0.12N Nt tΔΔεεt t△ε△εt t/2= △ε/2= △εe e /2/2 + +ΔεΔεp p /2/2二、冲击疲劳二、冲击疲劳1 1、基本概念、基本概念 在重复冲击载荷作用下的疲劳断裂，称为冲击疲劳在重复冲击载荷作用下的疲劳断裂，称为冲击疲劳冲击次数冲击次数N>10N>105 5, ,具有典型的疲劳断口具有典型的疲劳断口A Ak k-N-N冲断周次冲断周次lgN冲冲击击功功A(J)10 1021031041052 2、、影响冲击疲劳的因素影响冲击疲劳的因素小能量多冲击小能量多冲击主要为强度主要为强度较大能量时较大能量时材料易出现塑性变形，即易出现低周疲劳材料易出现塑性变形，即易出现低周疲劳能量再大时能量再大时则冲击疲劳退居次要地位，应考虑材料的断裂韧性。

则冲击疲劳退居次要地位，应考虑材料的断裂韧性主要为塑性主要为塑性冲断周次冲断周次lgN500℃℃ 200℃℃ 冲冲击击功功A(J)10 102103104105例如例如: :锻锤锤杆锻锤锤杆原用原用:45Cr:45Cr钢淬火钢淬火+650 ℃+650 ℃回火回火改用改用:45Cr:45Cr钢淬火钢淬火+ +中温回火中温回火↑↑强度强度, , ↑↑疲劳寿命疲劳寿命三、热疲劳三、热疲劳在由温度循环变化时产生的循环热应力和热应变在由温度循环变化时产生的循环热应力和热应变作用下作用下, ,1 1、基本概念、基本概念产生的疲劳称为产生的疲劳称为热疲劳热疲劳热疲劳属低周疲劳（周期短；明显塑性变形）热疲劳属低周疲劳（周期短；明显塑性变形）由温度和机械应力叠加引起的疲劳，称为由温度和机械应力叠加引起的疲劳，称为热机械疲劳热机械疲劳2 2、热应力的产生、热应力的产生温度变化温度变化+ +机械约束机械约束内部约束，温度梯度，相互约束，产生热应力内部约束，温度梯度，相互约束，产生热应力外部约束，不让材料自由膨胀；外部约束，不让材料自由膨胀；温度变化温度变化(△t)(△t)引起的应变引起的应变△△εε△ε=△ε=αα△t△t热应力热应力△△σσ △△σσ=-E=-Eαα△t△tα线膨胀系数线膨胀系数3 3、提高热疲劳寿命的途径、提高热疲劳寿命的途径a a））材料材料↓↓热膨胀系数热膨胀系数αα 和和↑↑λ λ ，，↑↑塑性塑性b b）使用）使用 ↓↓热冲击热冲击○1050℃1050℃ △ 1150℃1150℃ N Nt t ○○○△△△裂裂纹纹长长度度(mm)0.20.40.60.8120 200280淬火温度对淬火温度对3Cr2W8V钢热疲钢热疲劳性能抗力的影响劳性能抗力的影响问题成为：已知缺口问题成为：已知缺口问题成为：已知缺口问题成为：已知缺口名义应力名义应力名义应力名义应力S,eS,e和弹性应力集和弹性应力集和弹性应力集和弹性应力集 中系数中系数中系数中系数KKt；；；； 缺口缺口缺口缺口局部应力局部应力局部应力局部应力s s s s，，，，e e e e? ? ? ? 四、四、 缺口机件疲劳寿命估算缺口机件疲劳寿命估算““若缺口根部承受与光滑件相同若缺口根部承受与光滑件相同的的 应力应变历程，则将发生与光滑应力应变历程，则将发生与光滑 件相同的疲劳损伤件相同的疲劳损伤””。

基本假设：基本假设：基本假设：基本假设：缺口根部材料元在局部应力缺口根部材料元在局部应力s s或应变或应变e e循环下的循环下的寿命，可由承受同样载荷历程的光滑件预测寿命，可由承受同样载荷历程的光滑件预测PpS=P/(W-d)ts s缺口应力集中系数和应变集中系数缺口应力集中系数和应变集中系数已知缺口名义应力已知缺口名义应力已知缺口名义应力已知缺口名义应力S S；；；；局部应变为局部应变为局部应变为局部应变为e e，则由应力，则由应力，则由应力，则由应力- -应应应应变方程给出变方程给出变方程给出变方程给出设缺口局部应力为设缺口局部应力为设缺口局部应力为设缺口局部应力为s s s s，，，，局部应变为局部应变为局部应变为局部应变为e e e e；；；； 若若若若 s s s s＜＜＜＜s s s sysysysys, , , , 属弹性阶段，则有：属弹性阶段，则有：属弹性阶段，则有：属弹性阶段，则有： s s s s=K=Kt tS S e e e e= = = =KKt te e若若若若 s s s s＞＞＞＞s s s sysys, , , , 不可用不可用不可用不可用KKt t描述。

描述 重新定义重新定义重新定义重新定义 应力集中系数：应力集中系数：应力集中系数：应力集中系数：KKs s s s= = = =s s s s/S/S；；；；应变集中系数：应变集中系数：应变集中系数：应变集中系数：KKe e e e= = = =e e e e/e /e则有：则有：则有：则有： s=s=s=s=K K K Ks s s sS S S S；；；； e=e=e=e=K K K Ke e e ee e e e若能再补充若能再补充若能再补充若能再补充K K K Ks s s s，，，，K K K Ke e e e和和和和K K K Kt t t t间一个关系，即求解间一个关系，即求解间一个关系，即求解间一个关系，即求解s s s s、、、、e e e e图中，图中，NeuberNeuber双曲线与材料双曲线与材料s s- -e e曲线的交点曲线的交点D D，，就就是是NeuberNeuber理论的解答理论的解答NeuberNeuber理论理论理论理论 ( (平面应力平面应力平面应力平面应力) )如带缺口薄板拉伸。

如带缺口薄板拉伸假定：假定： Ke eKs s=Kt2 二端同乘二端同乘eS，，有：有： (Ke e ε)(Ks sS)=(KtS)(Kt ε), 得到双曲线：得到双曲线： sese=Kt2eS Neuber双曲线双曲线应应力力-应应变变关关系系已知已知S 或或e应应 力力 -应应变变 关系关系 求求S或或e联立求解联立求解 s s和和e es ss-es-ee e0曲线曲线CAs 缺口局部应力缺口局部应力- -应变应变S-eK etes sBNeuberNeuber双曲线双曲线D Des s例例例例4.34.3 已知已知已知已知 E=60GPa, K=2000MPa, n=0.125; E=60GPa, K=2000MPa, n=0.125; 若若若若 缺口名义应力缺口名义应力缺口名义应力缺口名义应力S=600MPa, KS=600MPa, Kt t=3=3，，，，求缺口局求缺口局求缺口局求缺口局 部应力部应力部应力部应力s s s s 、、、、应变应变应变应变e e e e 。

有有Neuber双曲线双曲线: sese=Kt2eS =9×0.01×600=54 和应力和应力- -应变曲线：应变曲线： e e= =s/s/60000+(s/s/2000)8联立得到：联立得到： s s/ /60000+(s/2000)60000+(s/2000)8 8=54=54/ /s s 可解出：可解出： s s= =1245 Mpa；； 且有：且有： e e=54/=54/s s=0.043lg△εlg△εt tlg2Nlg2Nf f斜率斜率=-0.6=-0.6斜率斜率=-0.12=-0.12N Nt tΔΔεεt t解出：解出： s s= =1245 Mpa；； e e=54/=54/s s=0.043。