搜索疲勞破壞的一般規律
2016-11-07 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
1、疲勞的定義
材料在變動載荷和應變的長期作用下,因累積損傷而引起的斷裂現象,稱為疲勞。
2、變動載荷指大小或方向隨著時間變化的載荷。
變動應力:變動載荷在單位面積上的平均值
分為:規則周期變動應力和無規則隨機變動應力
3、循環載荷(應力)的表征
①最大循環應力:σmax
②最小循環應力:σmin
③平均應力: σm=(σmax +σmin)/2
④應力幅σa或應力范圍Δσ:Δσ=σmax-σmin σa=Δσ/2=(σmax-σmin)/2
⑤應力比(或稱循環應力特征系數): r= σmin/σmax
4、循環應力分類
按平均應力、應力幅、應力比的不同,循環應力分為
① 對稱循環σm=(σmax + σmin)/2=0 r=-1
屬于此類的有:大多數旋轉軸類零件。
② 不對稱循環
σm≠0
如:發動機連桿、螺栓
(a)σa> σm>0,-1<r<0
(b)σa> 0,σm<0,r<-1
③ 脈動循環
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(壓應力)
④ 波動循環
σm> σa 0<r<1 σmin>0 如:發動機氣缸蓋、螺栓。
⑤ 隨機變動應力
應力大小、方向隨機變化,無規律性。 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,材料薄弱區域,逐漸發生損傷,損傷累積到一定程度→產生裂紋,裂紋不斷擴展→失穩斷裂。
特點:從局部區域開始的損傷,不斷累積,最終引起整體破壞。
1、潛藏的突發性破壞,脆性斷裂(即使是塑性材料)。
2、屬低應力循環延時斷裂(滯后斷裂)。
3、對缺陷十分敏感(可加速疲勞進程)。
三、疲勞破壞的分類
1、按應力狀態: 彎曲疲勞
扭轉疲勞
拉壓疲勞
接觸疲勞
復合疲勞
2、按應力大小和斷裂壽命
N>105,б<бs 高周疲勞→低應力疲勞
N=102~105,б≥бs 低周疲勞→高應力疲勞
四、疲勞破壞的表征—疲勞壽命
疲勞壽命:材料疲勞失效前的工作時間,即循環次數N。
疲勞曲線: 應力б↑,N↓
五、疲勞斷口的宏觀特征
典型疲勞斷口具有3個特征區:疲勞源 疲勞裂紋擴展區 瞬斷區
1、疲勞源
疲勞裂紋萌生區,多出現在零件表面,與 加工刀痕、缺口、裂紋、蝕坑等相連。
特征:光亮,因為疲勞源區裂紋表面受反復擠壓、摩擦次數多。
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,可出現兩個疲勞源。
2、疲勞裂紋擴展區(亞臨界擴展區)
特征:斷口較光滑并分布有貝紋線或裂紋擴展臺階。
貝紋線是疲勞區最典型的特征,是一簇以疲勞源為圓心的平行弧線,凹側指向疲勞源,凸側指向裂紋擴展方向,近疲勞源區貝紋線較細密(裂紋擴展較慢),遠疲勞源區貝紋線較稀疏、粗糙(裂紋擴展較快)。
貝紋線(海灘花樣)
貝紋線區的大小取決于過載程度及材料的韌性,高名義應力或材料韌性較差時,貝紋線區不明顯;反之,低名義應力或高韌性材料,貝紋線粗且明顯,范圍大。
名義載荷
根據額定功率用力學公式計算出作用在零件上的載荷。即機器平穩工作條件下作用于零件上的載荷。
計算載荷=載荷系數*名義載荷
3、瞬斷區
裂紋失穩擴展形成的區域
斷口特征:
斷口粗糙,脆性材料斷口呈結晶狀;韌性材料斷口在心部平面應變區呈放射狀或人字紋狀;表面平面應力區則有剪切唇區存在。
瞬斷區一般在疲勞源對側
瞬斷區大小與名義應力、材料性質有關
高名義應力或脆性材料,瞬斷區大;反之,瞬斷區小。
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