结构疲劳破坏的规律、特点及疲劳断口的宏观特征

材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。

指大小或方向随着时间变化的载荷，称为变动载荷。

变动载荷在单位面积上的平均值。可分为：规则周期变动应力和无规则随机变动应力

最大循环应力：σmax

最小循环应力：σmin

平均应力：σm=(σmax+σmin)/2

应力幅σa 或应力范围Δσ：Δσ=σmax-σmin，σa=Δσ/2=(σmax-σmin)/2

应力比（或称循环应力特征系数）：r=σmin/σmax

按平均应力、应力幅、应力比的不同，循环应力分为：

对称循环σm=(σmax+σmin)/2=0，r=-1。属于此类的有：大多数旋转轴类零件。

不对称循环σm≠0。如：发动机连杆、螺栓：σa>σm>0，-1<r<0；σa> 0，σm<0，r<-1。

脉动循环：σm=σa>0，r=0(σmin=0) 如：齿轮的齿根、压力容器；σm=σa<0，r=∞(σmax=0) 如：轴承（压应力）

波动循环：σm>σa，0<r<1，σmin>0   如：发动机气缸盖、螺栓。

随机变动应力：应力大小、方向随机变化，无规律性。如：汽车、飞机零件、轮船。

 

二、疲劳破坏的特点

在变动载荷作用下，材料薄弱区域逐渐发生损伤，损伤累积到一定程度→产生裂纹，裂纹不断扩展→失稳断裂。

特点是：从局部区域开始的损伤，不断累积，最终引起整体破坏。

潜藏的突发性破坏，脆性断裂（即使是塑性材料）。

属低应力循环延时断裂（滞后断裂）。

对缺陷十分敏感（可加速疲劳进程）。

 

三、疲劳破坏的分类

 

1. 按应力状态

 

弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳、复合疲劳。

 

2. 按应力大小和断裂寿命

 

N>105，б<бs   高周疲劳→低应力疲劳

N=10²～105，б≥бs   低周疲劳→高应力疲劳

 

四、疲劳破坏的表征—疲劳寿命

01

 

疲劳寿命

 

材料疲劳失效前的工作时间，即循环次数N。

 

五、疲劳断口的宏观特征

典型疲劳断口具有3个特征区：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区。

01

疲劳源

 

疲劳裂纹萌生区，多出现在零件表面，与加工刀痕、缺口、裂纹、蚀坑等相连。

特征：光亮，因为疲劳源区裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多。

疲劳源可以是一个，也可以有多个。如：单向弯曲，只有一个疲劳源；双向弯曲，可出现两个疲劳源。

02

疲劳裂纹扩展区（亚临界扩展区）

 

特征：断口较光滑并分布有贝纹线或裂纹扩展台阶。

贝纹线是疲劳区最典型的特征，是一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向，近疲劳源区贝纹线较细密（裂纹扩展较慢）；远疲劳源区贝纹线较稀疏、粗糙（裂纹扩展较快）。

贝纹线区的大小取决于过载程度及材料的韧性，高名义应力或材料韧性较差时，贝纹线区不明显；反之，低名义应力或高韧性材料，贝纹线粗且明显，范围大。

名义载荷，根据额定功率用力学公式计算出作用在零件上的载荷。即机器平稳工作条件下作用于零件上的载荷。

计算载荷=载荷系数*名义载荷

03

瞬断区

 

裂纹失稳扩展形成的区域的断口特征：断口粗糙，脆性材料断口呈结晶状；韧性材料断口在心部平面应变区呈放射状或人字纹状；表面平面应力区则有剪切唇区存在。