材料性能学课件第五章 材料的疲劳性能

图5－11
2020/5/4
● 三、 过载持久值及过载损伤界 ●研究意义： ●过去人们一直认为，承受交变载荷作用的机件
按-1确定许用应力是安全的，但是没有考虑特
殊情况。实际上，机件在服役过程中不可避免 地要受到偶然的过载荷作用，如汽车的急刹车、 突然启动等。还有些机件不要求无限寿命，而 是在高于疲劳极限的应力水平下进行有限寿命 的服役。在这些情况下，仅依据材料的疲劳极 限是不能全面准确评定材料的抗疲劳性能的， 所以我们要了解过载持久值和过载损伤界。
2020/5/4
规则周期变动应力（循环应力） 无规则随机变动应力
变动应力如图5－1 所示。
生产中机件正常工作 时，其变动应力多为循 环应力，实验室也容易 模拟，所以研究较多。
应力大小变化
应力大小、方向无规则变化
应力大小、方向都变化
2020/5/4
图5－1 变动应力示意图
σ
r=0 r=–1
r=–∞
1 1
2
2
8
3
3 5 7 9
4
46
5
6
10 12 14
11 13
水平下进行，如图5－8所示。
图5－8 升降法测定疲劳极限示意图
原则是：凡前一个试样达不到规定的循环周次就断裂(用
表示)，则后一个试样就在低一级应力水平下进行试验；若
前一个试样在规定循环周次下仍然未断(用 表示)，则后一个
试样就在高一级应力水平下进行，如此得到13个以上的有效
●本章主要介绍:
● 金制 属。 疲介 劳绍 的估 基算 本裂 概纹 念形 和成 一寿 般命 规的 律方 。法 疲。 劳 失 效 的 过 程 和 机
2020/5/4
第一节疲劳破坏的一般规律

ΔKth和σ-1的区别
σ-1代表的是光滑试样的无限寿命疲劳强度，适用于传统 的疲劳强度设计和校核； ΔKth 是疲劳裂纹不扩展的ΔKI的临界值，代表的是 裂纹试样的无限寿命疲劳性能，适于裂纹件的设计和 疲劳强度校核 含裂纹件不发生疲劳断裂（无限寿命）的校核公式为：
KI Y a Kth
用曲线的斜率da/dN表示疲劳裂纹扩展速率
19
高分子材料性能学
3、应力强度因子幅(ΔKⅠ)：
第一，裂纹愈长，裂纹扩展速率愈大，当裂纹长大到临界尺 寸ac后，da/dN无限大，裂纹失稳扩展，试样断裂； 第二，应力幅愈大，裂纹扩展速率愈大，ac相应减小
KI Kmax Kmin Y max a Y min a Y a
32
高分子材料性能学
II. 疲劳裂纹的扩展
KI Y a
疲劳裂纹扩展速度da/dN 与裂纹尖端应力强度因子 变化ΔKI有关
da/dN
Paris公式
da / dN C(K I )
n
ΔKI 塑料疲劳中da/dN~ΔKI关系
33
高分子材料性能学
LDPE疲劳断口形貌
低扩展速率 断面形貌： 粗糙和纤维状
da/dN是由ΔKI控制的，二 者的关系曲线可分为 I、Ⅱ、Ⅲ3个区段
21
高分子材料性能学
I区是疲劳裂纹的初始扩展阶段: da/dN = 10-8～10-6
Ⅱ区是疲劳裂纹扩展的主要阶段: da/dN = 10-5～10-2
Ⅲ区是疲劳裂纹扩展的最后阶段
Paris公式 da / dN C(K I )
4
高分子材料性能学
2、循环应力
循环应力的波形一般近似为正弦波、矩形波和三角形波等 （1）表征应力循环特征的参量 ①最大循环应力σmax， 最小循环应力σmin；

例如：紧螺栓联接的螺栓 承受轴向变载荷时
min m a 常数
m a min
两
OGEF区：疲劳强度区
个
区
域
SEF区：静强度区
其安全系数见有关公式．
G E
F
r m ax ra rm
r max S
18
2、复合稳定循环变应力的安全系数
例如：转轴工作时，往往同时产生弯曲应力和扭转应力，即在复合循环变应 力状态下工作。
安全系数法
许用的安全系数
危险截面处 的安全系数
S S
1. 单向稳定变应力的安全系数 ⑴当试件受对称循环应力作用时
①对于试件，安全系数为：
机械零件受单向应力，是 指其只承受单向正应力或单向 切应力。
S
1 a
或
S
1 a
②对于实际工作的零件，还应考虑综合影响因素，则零件的实际安全系数为：
S
两
OAE区：疲劳强度区
个
区
域
OSE区：静强度区
其安全系数见公式。
r m ax ra rm r max S
16
②σm=常数的情况 （例如：振动着的弹簧）
H
两
OAEH区：疲劳强度区
个
区
域
SEH区：静强度区
其安全系数见见公式。
r m ax ra rm
r max S
17
③σmin=常数的情况
☆疲劳失效的特点
⑴工作应力值较低；
⑵疲劳失效过程：裂纹萌生、裂纹扩展和断裂；
⑶疲劳断口特征：
贝壳纹
2
☆变应力的种类
稳定循环
变
变应力
应
力
的
种
类
非稳定循

疲劳宏观断口特征和疲劳微观断口特征； 疲劳曲线（脆性材料）及影响疲劳强度的因素。 难点：高分子材料疲劳破坏机理
3
高分子材料性能学
5.1 疲劳破坏的一般规律
疲劳：工件在变动载荷或应变长期作用下，因累积 损伤而引起的断裂现象
疲劳破坏时的最大应力<σb，甚至<σs 不产生明显的塑性变形，呈现脆性的突然断裂 疲劳断裂是一种非常危险的断裂
σmax和σa， σmax即作为非
对称循环应力 下的疲劳强 度。
脆性材料（a）和塑性材料（b）
17
高分子材料性能学
三、过载持久值及过载损伤界
1 过载持久值 材料在高于疲劳强度的一定应力下工作，发生疲劳 断裂的应力循环周次，也称为有限疲劳寿命 过载持久值表征了材料对过载疲劳的抗力，该值可由 疲劳曲线倾斜部分确定
Goodman公式：
a
Soderberg公式：


1
1



m b

a


1
1



m s

19
2．过载损伤界
把在每个过载应力下运行 能引起损伤的最少循环周次 连接起来就得到该材料的过 载损伤界
13
高分子材料性能学
2）几种刚性聚合物的S-N曲线
14
高分子材料性能学
表5-1 部分热塑性聚合物的静强度与疲劳极限
聚合物
醋酸纤维素（CA） 聚苯乙烯（PS） 聚碳酸酯（PC） 聚苯醚（PPO） 聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA） 尼龙66（25%水） 聚甲醛（POM） 聚四氟乙烯（PTFE）
40Hz 30Hz
4
一 疲劳破坏的变动应力
1.变动载荷：载荷大小，甚至是 方向随时间变化 变动应力：变动载荷在单位面积 上的平均值