疲劳和断裂读书报告.doc

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1、疲劳和断裂读书报告 材料的疲劳和断裂读书报告 在这个报告里，首先阐述材料的疲劳和断裂机理、规律，其次阐述钛合金的疲劳和断裂，以及解决方法。在之前的本科课程里工程材料力学性能、失效分析，对金属的疲劳、断裂、蠕变都进行了较为详细的阐述。同时，也进行了TC4合金的疲劳性能实验，因此对疲劳相关的知识有了一定的了解。 在大多数情况下，零件承受的并不是静载荷，而是交变载荷。在交变载荷作用下，材料往往在低于屈服强度的载荷下，发生疲劳断裂。例如，汽车的车轴断裂，桥梁，飞机等。因此对于疲劳断裂的研究是很有意义的。 一般来说，疲劳的定义是：金属材料或构件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象称为

2、疲劳。断裂的定义是：由弥散分布的微裂纹串接为宏观裂纹，再由宏观裂纹扩展为失稳裂纹，最终材料发生断裂。在此，需要明确疲劳和断裂的关系。疲劳和断裂在机理研究和工程分析时是紧密相连的，只是疲劳更侧重于研究裂纹的萌生，断裂力学则侧重于裂纹的扩展，即带裂纹体的强度问题。 对于疲劳，阐述的思路是疲劳分类及特点，疲劳机理与断口，疲劳性能表征，影响疲劳的因素。对于断裂，从宏观和微观的角度分别阐述。 疲劳 疲劳分类及特点 疲劳分类方法如下： 按应力状态不同，可以分为弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳及复合疲劳； 按环境和接触情况不同，分为大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳； 按照断裂寿命和应力高低不同，分

3、为高周疲劳和低周疲劳，其中高周疲劳也是低应力疲劳，低周疲劳即高应力疲劳。 疲劳特点如下： 材料在交变载荷峰值远低于材料强度极限时，就可能发生破坏，表现为低应力脆性断裂特征。这是因为，疲劳时应力较低（低于屈服强度），因此在宏观上看，材料没有塑性变形。在裂纹扩展到临界尺寸时，发生突然断裂。 材料疲劳是一个累积过程，尽管疲劳断裂表现为突然断裂，但是在断裂前经历了裂纹萌生，微裂纹连接长大，裂纹失稳扩展的过程。而形成裂纹后，可以通过无损检测的方法来判断裂纹是否达到临界尺寸，从而来判断零件的寿命。 疲劳寿命具有分散性。对于同一类材料来说，每次疲劳测试的结果都不会相同，有的时候相差很大。因此在测量疲劳寿命时

4、，需要采用升降法和分组法来测得存活率为50%的疲劳强度。 疲劳对于缺陷很敏感。这些缺陷包括材料表面微裂纹，材料应力集中部分，组织缺陷等。这些缺陷加速材料的疲劳破坏。 疲劳断口记录了疲劳断裂的重要信息，通过断口分析能了解到疲劳过程的机理。 疲劳裂纹形成和扩展机理及断口 一般把疲劳分成裂纹形成和裂纹扩展过程。而研究疲劳机理，都是借助于某一种模型来研究，这在断裂力学，蠕变过程的研究中经常看到。 裂纹形成： 资料表明，疲劳微观裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起的。主要包括表面滑移带开裂；第二相、夹杂物或其界面开裂；晶界或亚晶界开裂等。 裂纹形成的延性材料滑移开裂模型。 在静拉伸过程中，可以在光滑

5、试样表面看到滑移带，这是由于位错的滑移形成的。在交变载荷下，金属表面的滑移带出现了“挤入”和“挤出”现象。尽管交变载荷的应力低于屈服强度，也会发生循环滑移并形成循环滑移带。循环滑移是极不均匀的，集中分布于局部薄弱地区，并且会在试样表面形成驻留滑移带。驻留滑移带随着循环次数的增加而加宽，在此过程中，由于位错的塞积和交割作用，在驻留滑移带处形成微裂纹，同时还会出现挤出脊和侵入沟，形成应力集中和空洞，经过一定时间形成微裂纹。挤入和挤出可以通过交叉滑移模型来说明。即柯垂尔-赫尔模型，但是在此模型中，挤出和挤入分别是由两个滑移系统中形成的，和实验中观察到的挤出和挤入在同一滑移系的相邻部位不一致。 因此，

6、从这个模型中可以看出，增加位错滑移抗力能阻止疲劳裂纹萌生，提高疲劳强度。而位错滑移抗力主要有。因此采用固溶强化和细晶强化等能提高疲劳强度。 相界面开裂产生裂纹 在这种模型中，疲劳源来自于材料中第二相或夹杂物，这分成两类，一是第二相、夹杂物和集体界面开裂，二是第二相、夹杂物本身开裂形成的疲劳裂纹。 因此其解决方法为，降低第二相或夹杂物的脆性，提高相界面强度，控制第二相的数量、形态、大小和分布，形成“少、圆、小、均”的分布，能提高疲劳强度。 （3）晶界开裂产生裂纹 位错在晶粒内运动时会受到晶界的阻碍作用，在晶界处形成产生位错塞积和应力集中。在应力不断循环下，晶界处应力超过晶界强度时就会在晶界处产生

7、裂纹。 因此，晶界强化、净化和细化晶粒能提高疲劳强度。一般来说，强化晶界的措施有。 空穴聚集模型 循环加载会形成大量空穴，这些空穴聚集形成缺陷而最终形成裂纹。 裂纹扩展： 裂纹形成后就开始扩展，根据裂纹扩展方向，裂纹扩展分成两个阶段。 沿最大切应力方向滑移 微裂纹形成后，裂纹沿主滑移方向，以纯剪切方式向内扩展，多数微裂纹成为不扩展裂纹，只有少数裂纹会扩展2-3个晶粒范围。在此阶段，裂纹扩展速率很低，每次应力循环裂纹扩展量为0.1m。 在断口中，第一阶段的形貌特征不明显，只有一些擦伤的痕迹；但在强化材料中可看到周期解理花样或准解理花样，以及沿晶开裂的冰糖状花样。 （2）裂纹沿垂直于拉应力方向扩展

8、 裂纹扩展过程中，不断受到晶界的阻碍，裂纹的扩展路径发生变化，向垂直于拉应力的方向扩展。此阶段为裂纹亚稳扩展，在室温和无腐蚀条件下为穿晶扩展。其速率约为10-5-10-2mm/次。 断口分析表明，此阶段形成疲劳条带，每一条带可以视为一次应力循环的扩展痕迹。裂纹扩展方向垂直于条带。 断口特征： （1）疲劳源 疲劳源一般在材料的薄弱部位产生，如材料表面（有缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷）、材料内部（有夹杂、缩孔、偏析等缺陷）。在裂纹亚稳扩展中，该区域不断摩擦挤压，因此显得光亮平滑。 （2）疲劳区 为裂纹亚稳扩展形成的区域，其特征为：断口平滑并有贝纹线。其中贝纹线的微观结构为疲劳条带。一般来说，贝纹线

9、是一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，其凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向。 （3）瞬断区 裂纹失稳扩展形成的区域。脆性材料的瞬断区为结晶状断口；韧性材料，在中间平面应变区为放射状或人字纹断口，在边缘平面应力区为剪切唇。 1.3疲劳性能表征 疲劳强度用材料的疲劳极限来表示，即-1，规定循环次数N=107次（对称循环，应力比r=-1）不断裂对应的应力作为条件疲劳极限。 一般来说，疲劳极限的测定具有很大的分散性，因此测试疲劳强度需要采用升降法和分组法。 1.4 疲劳的影响因素 不同应力状态的影响 同一材料在不同应力状态下测得的疲劳强度不同。例如，应力循环方式（正弦变化等），应力比（一般选择对称循环）。

10、材料强度的影响 金属材料的抗拉强度越高，疲劳极限越大。一般来说，疲劳极限为（0.45-0.5）b。 过载的影响 在材料实际载荷中，应力的变化并不是像实验那样，具有稳定性。一般测得的疲劳强度都是事先确定的载荷谱，而实际载荷谱是不断变化的。有时候会有过载，因此过载对于疲劳的影响应该被考虑。 缺口的影响 缺口会引起应力集中，而在应力集中的部位易成为裂纹源，这对于材料的疲劳强度影响很大。工程上常用疲劳缺口敏感度qf来表示。 材料表面状态的影响 材料表面经常成为疲劳源，例如表面机加工后的刀痕、擦伤等。因此材料表面存在缺陷将会使材料疲劳性能降低。 表面强化的影响 实践证明，表面残余压应力能提高材料的疲劳强

11、度。采用喷丸强化、表面滚压、激光冲击硬化能增加表面的残余压应力，从而提高材料的疲劳强度。 材料成分的影响 改变成分能沟改变材料的微观组织，改变材料的力学性能。 材料热处理影响 材料热处理后，晶粒度，及第二相的形态都会发生改变，从而影响疲劳性能，其具体机理还需要进一步学习。 材料的组织缺陷的影响 疲劳源产生于薄弱部分，如果材料内部有组织缺陷，如分金属夹杂，冶金缺陷，如微孔等。则在此处容易成为裂纹源。 材料加工的影响 例如，在材料轧制过程中，导致组织形成。，从而在不同方向上，材料的疲劳强度不同。 断裂力学 磨损、腐蚀、断裂是材料失效的三种形式。由于材料断裂时，塑性变形不明显，表现为突然断裂。断裂的

12、危害更大。 由于没有绝对无缺陷的材料，几乎所有的材料都有微观裂纹，因此讨论断裂力学（带裂纹的材料强度问题），也是很有必要的。 一般来说，最终断裂都包括了裂纹萌生，裂纹扩展，失稳扩展阶段。裂纹萌生主要是疲劳研究的内容，而断裂力学主要研究裂纹的扩展。断裂力学的研究方法仍然是建立模型，推导出判断断裂的标准 宏观和微观采用的模型是不同的，其中宏观模型一般采用无结构的连续介质模型，而微观模型一般是研究电子云交互作用，建立原子结合力模型。 在这个过程中，我更多的是看相关的模型及其适用范围，了解推导过程，对于具体的推导没有详细看。 在报告中主要分为宏观断裂力学和微观断裂力学。 宏观断裂力学 线弹性断裂力学

13、在这里阐述一个较为重要的断裂判断标准，应力场强度因子，即断裂韧度判据， 此模型是一个无限大平板，板中预先有一个长度为2a的裂纹（张开性裂纹），板受均匀拉应力。对裂纹尖端附近求应力场和位移场，欧文（G.R.Irwin）求出裂纹附近的应力场具有r-1/2奇异性，并且应力场大小取决于应力场强度因子K。因此K的大小可以表示应力场的强弱程度。一般来说K的一般表达式为：K=Y，其中Y为裂纹形状系数（无量纲），为应力，a为裂纹半长。 当K增大到临界值时，裂纹尖端的应力较大范围内应力达到了材料的断裂强度，裂纹就失稳扩展。把临界的K记作Kc，称为断裂韧度。 断裂韧度的作用是： 线弹性断裂力学确定了裂纹尖端应力场

14、具有r-1/2奇异性，但是真正奇异的力是不可能的，当裂尖的应力足够大时，裂尖部分屈服。 在小范围屈服条件下，为了使断裂韧度仍然适用，需要对K进行修正。因此需要知道塑性区尺寸和形状。 根据弹性力学方程，求出裂纹尖端塑性区边界曲线方程，并且考虑到应力松弛，得到塑性区的尺寸是未考虑松弛的两倍。而在塑性区外，应力场分布仍然符合弹性力学下裂纹尖端的应力分布。因此可以考虑，采用有效裂纹长度的方法使得K判据仍然适用。此时K= Y，ry即为有效裂纹的塑性区修正值。 弹塑性断裂力学 在线弹性断裂力学中，裂纹尖端仅有小范围屈服，采用有效裂纹修正可以使得断裂韧度判据继续使用。 而弹塑性力学的研究范围是：当裂纹尖端前缘的塑性区尺寸大到了与裂纹尺寸相近，或超过；应力场强度因子已经不再适用这种大范围屈服。 百度搜索“就爱阅读”,专业资料、生活学习,尽在就爱阅读网,您的在线图书馆! 10