疲勞破壞的規(guī)律、特點及疲勞斷口的宏觀特征

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一、關(guān)于疲勞

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疲勞的定義

材料在變動載荷和應(yīng)變的長期作用下，因累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象，稱為疲勞。

[p=21,]指大小或方向隨著時間變化的載荷，稱為變動載荷。

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變動應(yīng)力

變動載荷在單位面積上的平均值。可分為：規(guī)則周期變動應(yīng)力和無規(guī)則隨機變動應(yīng)力

[p=21,]最大循環(huán)應(yīng)力：σmax

最小循環(huán)應(yīng)力：σmin

<span]平均應(yīng)力：σm=(σmax+σmin)/2

應(yīng)力幅σa]應(yīng)力比（或稱循環(huán)應(yīng)力特征系數(shù)）：r=σmin/σmax

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循環(huán)應(yīng)力分類

按平均應(yīng)力、應(yīng)力幅、應(yīng)力比的不同，循環(huán)應(yīng)力分為：

<span]對稱循環(huán)σm=(σmax+σmin)/2=0，r=-1。屬于此類的有：大多數(shù)旋轉(zhuǎn)軸類零件。

不對稱循環(huán)σm≠0。如：發(fā)動機連桿、螺栓：σa>σm>0，-1<r<0；σa>]脈動循環(huán)：σm=σa>0，r=0(σmin=0) 如：齒輪的齒根、壓力容器；σm=σa<0，r=∞(σmax=0) 如：軸承（壓應(yīng)力）

波動循環(huán)：σm>σa，0<r<1，σmin>0]隨機變動應(yīng)力：應(yīng)力大小、方向隨機變化，無規(guī)律性。如：汽車、飛機零件、輪船。

二、疲勞破壞的特點

在變動載荷作用下，材料薄弱區(qū)域逐漸發(fā)生損傷，損傷累積到一定程度→產(chǎn)生裂紋，裂紋不斷擴展→失穩(wěn)斷裂。

<span]特點是：從局部區(qū)域開始的損傷，不斷累積，最終引起整體破壞。

潛藏的突發(fā)性破壞，脆性斷裂（即使是塑性材料）。

<span]屬低應(yīng)力循環(huán)延時斷裂（滯后斷裂）。

對缺陷十分敏感（可加速疲勞進程）。

<span]

三、疲勞破壞的分類

1. 按應(yīng)力狀態(tài)

彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞、復(fù)合疲勞。

[p=18,]N>105，б<бs   高周疲勞→低應(yīng)力疲勞

N=102～105，б≥бs]材料疲勞失效前的工作時間，即循環(huán)次數(shù)N。

五、疲勞斷口的宏觀特征

典型疲勞斷口具有3個特征區(qū)：疲勞源、疲勞裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū)。

[p=22,]疲勞裂紋萌生區(qū)，多出現(xiàn)在零件表面，與加工刀痕、缺口、裂紋、蝕坑等相連。

特征：光亮，因為疲勞源區(qū)裂紋表面受反復(fù)擠壓、摩擦次數(shù)多。

<span]疲勞源可以是一個，也可以有多個。如：單向彎曲，只有一個疲勞源；雙向彎曲，可出現(xiàn)兩個疲勞源。

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疲勞裂紋擴展區(qū)（亞臨界擴展區(qū)）

特征：斷口較光滑并分布有貝紋線或裂紋擴展臺階。

<span]貝紋線是疲勞區(qū)最典型的特征，是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)指向裂紋擴展方向，近疲勞源區(qū)貝紋線較細密（裂紋擴展較慢）；遠疲勞源區(qū)貝紋線較稀疏、粗糙（裂紋擴展較快）。

貝紋線區(qū)的大小取決于過載程度及材料的韌性，高名義應(yīng)力或材料韌性較差時，貝紋線區(qū)不明顯；反之，低名義應(yīng)力或高韌性材料，貝紋線粗且明顯，范圍大。

<span]名義載荷，根據(jù)額定功率用力學(xué)公式計算出作用在零件上的載荷。即機器平穩(wěn)工作條件下作用于零件上的載荷。

計算載荷=載荷系數(shù)*名義載荷

[p=22,]裂紋失穩(wěn)擴展形成的區(qū)域的斷口特征：斷口粗糙，脆性材料斷口呈結(jié)晶狀；韌性材料斷口在心部平面應(yīng)變區(qū)呈放射狀或人字紋狀；表面平面應(yīng)力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在。

瞬斷區(qū)一般在疲勞源對側(cè)，大小與名義應(yīng)力、材料性質(zhì)有關(guān)。高名義應(yīng)力或脆性材料，瞬斷區(qū)大；反之，瞬斷區(qū)小。

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