《工程材料力学性能》【第2版,束德林主编 】期末复习笔记(5)

《工程材料力学性能》【第2版,束德林主编 】期末复习笔记

应力比、显微组织、环境及试样的尺寸等因素对△Kth的影响很大。

KI称为I型裂纹的应力场强度因子，它是衡量裂纹顶端应力场强烈程度的函数，决定于应力水平、裂纹尺寸和形状。

塑性区尺寸较裂纹尺寸a及静截面尺寸为小时（小一个数量级以上），即在所谓的小范围屈服

裂纹的应力场强度因子与其断裂韧度相比较，若裂纹要失稳扩展脆断，则应有：KI KIC这就是断裂K判据。 应力强度因子K1是描写裂纹尖端应力场强弱程度的复合力学参量，可将它看作推动裂纹扩展的动力。对于受载的裂纹体，当K1增大到某一临界值时，裂纹尖端足够大的范围内应力达到了材料的断裂强度，裂纹便失稳扩展而导致断裂。这一临界值便称为断裂韧度Kc或K1c。

意义：KC平面应力断裂韧度（薄板受力状态）;KIC平面应变断裂韧度（厚板受力状态）

四、疲劳过程及其机理

★疲劳过程：疲劳裂纹萌生、裂纹亚稳扩展、失稳扩展三个阶段。

疲劳寿命Nf=疲劳裂纹萌生期Ni+裂纹亚稳扩展期Np

1、 疲劳裂纹萌生过程及其机理

疲劳微观裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起。主要方式有：表面滑移带开裂；第二相、夹杂物或其他界面开裂、晶界或亚晶界开裂。

2、 疲劳裂纹扩展过程及其机理（P113，图5-24）

两个阶段：从表面各别侵入沟（或挤出脊）先形成裂纹；裂纹主要

沿主滑移系方向（最大切应力方向），以纯剪切方式向内扩展。

第一阶段，裂纹扩展速率很低，而且其裂纹扩展总进程也很小，该

阶段只能看到一些擦伤的痕迹；在一些强化材料中，也可看到周期

解理和准解理花样，甚至还有沿晶开裂的冰糖状花样。

第二阶段，由于晶界不断阻碍作用，裂纹扩展逐渐转向垂直于拉

应力方向。这阶段为疲劳裂纹扩展的主要部分。

★疲劳条带（疲劳条纹）：在电镜断口分析中，疲劳断裂扩展的第二阶段断口特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样，称为疲劳条带。

A、它是裂纹扩展时留下的微观痕迹，每一条带可以视作一次应力循环的扩展痕迹；B、裂纹的扩展方向与条带垂直，主要微观特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样；C、在实际观察不同材料的疲劳断口时，并不一定都能看到清晰的疲劳条带；D、疲劳条带和贝纹线是不同的两回事，疲劳条带是疲劳断口的最典型的微观特征，贝纹线是疲劳端口宏观特征，在贝纹线之间有成千上万条疲劳条带。

Q：试述疲劳微观断口的特征及其形成过程。

微观形貌有疲劳条带。滑移系多的面心立方金属，其疲劳

条带明显；滑移系少或组织复杂的金属，其疲劳条带短窄

而紊乱。疲劳裂纹扩展的塑性钝化模型(Laird模型)：图中(a),在交变

应力为零时裂纹闭合。图(b)，裂纹张开，在裂纹尖端沿最大切应力

方向产生滑移。图(c),裂纹张开至最大，塑性变形区扩大，裂纹尖端

张开呈半圆形，裂纹停止扩展。由于塑性变形裂纹尖端的应力集中减

小，裂纹停止扩展的过程称为“塑性钝化”。图(d)，当应力变为压缩应

力时，滑移方向也改变了，裂纹尖端被压弯成“耳状”切口。图(e)，到

压缩应力为最大值时，裂纹完全闭合，裂纹尖端又由钝便锐。

五、影响疲劳强度的主要因素

1、表面状态的影响

（1）应力集中:引起疲劳破坏的主要原因。

（2）表面粗糙度：粗糙度越低，疲劳极限越高；反之，疲劳极限越低。

（3）表面脱碳、氧化等缺陷也会使得疲劳强度降低。

《工程材料力学性能》【第2版,束德林主编 】期末复习笔记

2、残余应力及表面强化的影响

残余压应力提高疲劳强度；残余拉应力降低疲劳强度。 ★Q：为什么表面强化处理可提高材料的疲劳强度？

答：如图所示，表面强化影响疲劳极限示意图。表面强化处理可在机件表面产生有利的残余压应力，同时还

能提高机件表面的强度和硬度。这两方面的作用都提高了疲劳强度。a为用带箭头的实线示意地绘出试样弯曲疲劳试验时，外加载荷在试样截面上引起的应力分布，同时绘出了材料的疲劳极限。可见，在表层相当深度内，应力高于材料疲劳极限，因而该区域会过早地产生疲劳裂纹。b用虚线示意地绘出了外加载荷引起的应力，又用双点划线给出表面强化产生的残余应力，两类应力合成总应力用实线表示。实线折现为材料和强化层的疲劳极限。不难看出，由于表面层疲劳极限提高，以及表面残余压应力使得表面层总应力降低，致表面层的总应力地域强化层的疲劳极限，因而不会发生疲劳断裂。

图5-28 表面强化提高疲劳极限示意图

其中，表面强化方法有：A、表面喷丸及滚压；B、表面热处理和化学热处理

Q、提高材料疲劳强度的措施？

（1）表面强化，如表面喷丸、滚压、表面淬火及表面化学热处理等。

（2）采取合适加工措施，降低表面粗糙度 表面粗糙度越低，材料的疲劳极限越高。

（3）合金化，强化基体，形成弥散强化，提高材料的形变抗力阻止循环滑移带的形成和开裂，从而阻止疲劳裂纹的萌生和提高疲劳强度。

（4）细化晶粒或使用正火组织、淬火回火等热处理组织。

（5）减少夹杂物的数量、尺寸都能有效得提高疲劳强度。还可以通过改变夹杂物与基体之间的界面结合性质来改变疲劳强度。

3、 材料成分及组织的影响

（1）合金成分；（2）显微组织；（3）非金属夹杂物和冶金缺陷。

六、低周疲劳

1、低周疲劳

（1）特点

（2）金属循环硬化和循环软化

金属材料在恒定应变范围循环作用下，随循环周次增加其应力不断增加，即为循环硬化。

金属材料在恒定应变范围循环作用下，随循环周次增加其应力逐渐减小，即为循环软化。

金属材料产生循环硬化与软化取决于材料的初始状态、结构特性以及应变幅和温度等。

循环硬化和软化与σb / σs有关：σb / σs>1.4，表现为循环硬化；σb / σs<1.2，表现为循环软化；1.2<σb / σs<1.4，材料比较稳定，无明显循环硬化和软化现象。

也可用应变硬化指数n来判断循环应变对材料的影响，n<1软化，n>1硬化。

退火状态的塑性材料往往表现为循环硬化，加工硬化的材料表现为循环软化。

循环硬化和软化与位错的运动有关：退火软金属中，位错产生交互作用，运动阻力增大而硬化。冷加工后的金属中，有位错缠结，在循环应力下破坏，阻力变小而软化。

（3）低周疲劳的应变-寿命曲线

试述低周疲劳的规律及曼森-柯芬关系。

《工程材料力学性能》【第2版,束德林主编 】期末复习笔记

低周疲劳的应变-寿命曲线如图5-34，曼森-柯芬等分析了低周疲劳的实验结果，提出了低周疲劳寿命的公式：

p 'f t e (2Nf)b '

f(2Nf)c

222E

Q:请结合该公式，分析图5-34的变化规律，指出低周疲劳和高周疲劳的什么起主导作用，选材时应分别以什么性能为主？

答：低周疲劳寿命的公式由弹性应变和塑性应变两部分对应的寿命公式组成，其对应的公式分别为：

' fb f(2Nf (2Nf)E2

将以上两公式两边分别取对数，在对数坐标上，上两公式就变成了两条直线，分别代表弹性应变幅-寿命线和塑性应变幅-寿命线。两条直线斜率不同 …… 此处隐藏：2480字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……