引言
在變動(dòng)載荷下工作的工件(如曲軸、連桿、齒輪、彈簧、輥?zhàn)印⑷~片及橋梁等),其失效形式主要是疲勞斷裂。據(jù)統(tǒng)計(jì),疲勞破壞在整個(gè)失效中約占80%左右。
疲勞破壞的形式:1)機(jī)械疲勞—外加應(yīng)力/應(yīng)變波動(dòng)造成的。2)蠕變疲勞—循環(huán)載荷與高溫聯(lián)合作用下的疲勞。3)熱機(jī)械疲勞—循環(huán)受載部件的溫度變動(dòng)時(shí)材料的疲勞。4)腐蝕疲勞、接觸疲勞、微動(dòng)疲勞、電致疲勞等。
1、疲勞破壞的變動(dòng)應(yīng)力:工件在變動(dòng)載荷和應(yīng)變長(zhǎng)期作用下,因累計(jì)損傷而引起的斷裂現(xiàn)象。
變動(dòng)載荷:載荷大小方向隨時(shí)間變化;
變動(dòng)應(yīng)力:變動(dòng)載荷除以單位面積的平均值;分為循環(huán)應(yīng)力和隨機(jī)應(yīng)力;
循環(huán)應(yīng)力:周期性變化的應(yīng)力,變化的波形有正弦波、矩形波、三角波等;
循環(huán)應(yīng)力分為對(duì)稱循環(huán)(旋轉(zhuǎn)軸)、不對(duì)稱循環(huán)(發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、螺栓)、脈動(dòng)循環(huán)(齒輪齒根、壓力容器)、波動(dòng)循環(huán)(發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋、螺栓);
隨機(jī)應(yīng)力:隨機(jī)變化,如因道路氣候因素,運(yùn)行時(shí)的汽車、拖拉機(jī)、飛機(jī)的零件,工作應(yīng)力隨時(shí)間隨機(jī)變化。
2、1)疲勞破壞的概念:
疲勞的破壞過程:變動(dòng)應(yīng)力→薄弱區(qū)域的組織→逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開裂→裂紋擴(kuò)展→突然斷裂。
疲勞破壞:循環(huán)應(yīng)力引起的延時(shí)斷裂,其斷裂應(yīng)力水平往往低于材料的抗拉強(qiáng)度,甚至低于其屈服強(qiáng)度。
疲勞壽命:機(jī)件疲勞失效前的工作時(shí)間。
2)疲勞的分類:按應(yīng)力狀態(tài)不同:彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞及復(fù)合疲勞;
按接觸和環(huán)境情況不同:分大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、接觸疲勞、熱疲勞等。
按斷裂壽命和應(yīng)力高低不同:分高周疲勞(Nf﹥105 ,σ﹤σs,也稱低應(yīng)力疲勞);低周疲勞(Nf=102~105,σ≧σs,有塑性應(yīng)變發(fā)生, 也稱高應(yīng)力疲勞。
3)疲勞破壞的特點(diǎn):(1) 一種潛藏的突發(fā)性破壞,呈脆性斷裂。
(2) 疲勞破壞屬低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂, 是具有壽命的斷裂。
(3) 對(duì)缺陷(缺口、裂紋等)具有高度的敏感性。
(4) 疲勞斷裂也是裂紋萌生和擴(kuò)展過程,但因應(yīng)力水平低,故有明顯的裂紋萌生和緩慢亞穩(wěn)擴(kuò)展階段,相應(yīng)的斷口上有明顯的疲勞源和疲勞擴(kuò)展區(qū),這是疲勞斷裂的主要斷口特征。
4)疲勞宏觀斷口分析:
(1)、典型疲勞斷口具有3個(gè)特征區(qū)
—疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)(疲勞區(qū))、瞬斷區(qū)。
(2)、疲勞源特點(diǎn):
多出現(xiàn)在機(jī)件表面,常和缺口、裂紋等缺陷及內(nèi)部冶金缺陷(夾雜、白點(diǎn)等)有關(guān)。
疲勞源區(qū)比較光亮,該區(qū)表面硬度有所提高。
疲勞源可以是一個(gè),也可以是多個(gè)。
3、1)疲勞區(qū)特點(diǎn):(1) 斷口較光滑并分布有貝紋線(或海灘花樣),有時(shí)還有裂紋擴(kuò)展臺(tái)階。
(2) 斷口光滑是疲勞源區(qū)的延續(xù),其程度隨裂紋向前擴(kuò)展逐漸減弱;
(3) 貝紋線是疲勞區(qū)的最典型特征,一般認(rèn)為是因載荷變動(dòng)引起的。
每組貝紋線好像一簇以疲勞源為圓心的平行弧線,凹側(cè)指向疲勞源,凸側(cè)指向裂紋擴(kuò)展方向。
2)瞬斷區(qū)特點(diǎn):(1) KⅠ≥KⅠc時(shí),裂紋就失穩(wěn)快速擴(kuò)展,導(dǎo)致機(jī)件瞬時(shí)斷裂。斷口粗糙,脆性斷口呈結(jié)晶狀;韌性斷口在心部平面應(yīng)變區(qū)呈放射狀或人字紋狀,邊緣平面應(yīng)力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在。(2) 瞬斷區(qū)一般應(yīng)在疲勞源對(duì)側(cè)。
4、1)疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展:
1、疲勞微裂紋由不均勻滑移和顯微開裂引起。
①表面滑移帶開裂;第二相、夾雜物與基體相界面或夾雜物本身斷裂;晶界或亞晶界處開裂。
②在循環(huán)載荷作用下,即使循環(huán)應(yīng)力不超過屈服強(qiáng)度,也會(huì)在試件表面形成滑移帶, 稱為循環(huán)滑移帶。
③拉伸時(shí)形成的滑移帶分布較均勻,而循環(huán)滑移帶則集中于某些局部區(qū)域。而且在循環(huán)滑移帶中會(huì)出現(xiàn)擠出與擠入,從而在試件表面形成微觀切口。
2)疲勞裂紋的擴(kuò)展:
疲勞裂紋擴(kuò)展可分為兩個(gè)階段:
第I階段,裂紋沿著最大切應(yīng)力方向向內(nèi)擴(kuò)展,即在切應(yīng)力最大的滑移面內(nèi)擴(kuò)展。
第I階段裂紋擴(kuò)展的距離一般都很小,約為2-3個(gè)晶粒。
第II階段,裂紋沿垂直拉應(yīng)力方向向前擴(kuò)展形成。在電子顯微鏡下可顯示出疲勞條帶。疲勞帶是每次循環(huán)加載形成的。
5、陶瓷材料疲勞破壞的機(jī)理:
研究屬于起步階段;
陶瓷材料常溫下難以塑性變形,裂紋尖端不存在循環(huán)應(yīng)力的疲勞效應(yīng);裂紋同樣經(jīng)歷了萌生、擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂過程,對(duì)材料表面的缺陷十分敏感;強(qiáng)烈依賴于最大應(yīng)力強(qiáng)度因子KI、環(huán)境、成分、組織結(jié)構(gòu);斷口上不易觀測(cè)到疲勞貝紋和條帶,沒有明顯的疲勞區(qū)和瞬斷區(qū);
分為靜態(tài)疲勞、動(dòng)態(tài)疲勞、循環(huán)疲勞、熱疲勞
靜態(tài)疲勞-靜載荷作用下,陶瓷承載能力隨時(shí)間延長(zhǎng)而下降,斷裂,對(duì)應(yīng)于金屬材料中的應(yīng)力腐蝕和高溫蠕變斷裂;
動(dòng)態(tài)疲勞-恒定載荷速率加載,陶瓷承載能力隨時(shí)間延長(zhǎng)而下降,斷裂,對(duì)應(yīng)于金屬材料中慢應(yīng)變速率拉伸;
循環(huán)疲勞-循環(huán)載荷下的低應(yīng)力斷裂,慢速龜裂擴(kuò)展;
熱疲勞-溫度周期下產(chǎn)生的疲勞斷裂。
6、復(fù)合材料疲勞破壞的機(jī)理:
和金屬材料相比,復(fù)合材料具有良好的疲勞性能,有以下特點(diǎn):
(1) 有多種疲勞損傷形式:如界面脫粘、分層、纖維斷裂等;
(2) 不會(huì)發(fā)生瞬時(shí)的疲勞破壞:常用疲勞過程中材料彈性模量下降的百分?jǐn)?shù)等判據(jù)
(3) 較大的應(yīng)變會(huì)使纖維基體變形不協(xié)調(diào)引起纖維基體界面開裂形成疲勞源,對(duì)應(yīng)變尤其是壓縮應(yīng)變特別敏感;
(4) 疲勞性能和纖維取向有關(guān):沿纖維方向好。
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