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发表于 2009-10-11 13:04:48
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来自 山东
高周疲劳与低周疲劳的主要区别在于塑性应变的程度不同
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个人感觉高周疲劳根本不会产生塑性应变吧?还请指点+ @% _8 T4 s7 w% I
huaijuliu 发表于 2009-10-7 22:51 7 H+ ^# u& v8 m7 N' v _+ c
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没有一定的塑性变形就没有疲劳破坏。这要从疲劳破坏发生的机理和过程说起。
+ l5 G5 E2 W. N金属材料的疲劳断裂过程,一般有以下几个阶段:滑移,成核,微观裂纹扩展,宏观裂纹扩展,瞬时断裂。
) ]. C/ l' P/ D金属材料产生疲劳裂纹的方式很多。有的产生在金属晶体表面、晶界或金属内部非金属夹杂物与基体交界处;有的产生在金属的“先天”缺陷处,如表面的机械划伤、焊接裂纹、腐蚀小坑、锻造缺陷、脱碳等;有的是因零件的结构形状造成应力集中而成为疲劳裂纹源,如零件上的内、外圆角、键槽、缺口等处。后两种容易产生疲劳裂纹的原因是明显的,因此,以下着重讨论第一种无宏观疵病的光滑表面上,疲劳裂纹形成的机理。, `2 @9 B2 b2 L$ N$ }- f
1.变应力作用下金属的滑移及疲劳裂纹成核 , ?! q4 n- }. O9 A: ^
表面无缺陷的试件,在变应力的作用下金属产生了滑移,造成了晶格的扭曲、晶粒的破裂,若变应力继续作用,上述现象将不断出现,直至金属材料表面某处失去塑性变形的能力而形成疲劳裂纹源,即疲劳裂纹成核。金属表面开始滑移直到疲劳裂纹成核,这是疲劳过程的第一阶段。裂纹生长到一定的长度以后,逐渐改变方向,最后沿着与拉伸应力成垂直的方向生长,这是裂纹扩展阶段即疲劳过程的第二阶段。
9 o+ P/ T ]# S1 y关于疲劳裂纹成核的定义,始终还是一个有争论而难以统一的问题,从工程的实际出发,一般规定裂纹长度为0.05~0.08mm,即利用一般显微放大镜可以看到的裂纹,称为成核。9 X( m+ _1 t0 E0 \. f. s. B7 P1 z
多晶体金属的界面,也是疲劳裂纹成核地区。金属中的非金属夹杂物与基体的交界处,往往是疲劳裂纹优先成核地区。
6 [/ [" ~ e0 x: d8 G, t2.疲劳裂纹的扩展及材料的断裂
1 \9 |% c. }, B: h6 i5 W4 k 金属在表面的滑移带、晶界、相界、切口等处一旦形成了疲劳裂纹核以后,如果继续承受变应力,则裂纹继续扩展。裂纹d小于0.05mm,即成核以前的阶段,称为微观裂纹扩展阶段,也就是疲劳过程的第一阶段。此时疲劳裂纹的扩展速率是缓慢的。裂纹 大于0.05mm,进入到宏观裂纹扩展阶段即疲劳过程的第二阶段时,扩展速率增
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随着疲劳裂纹的扩展,当净截面的应力达到材料的拉伸强度时(对高韧性材料)、或是疲劳裂纹的长度达到材料的临界裂纹长度时,便发生最终的瞬时断裂。在断口上往往留下清晰的疲劳条带,称为前沿线,这是因为裂纹尖端向前扩展时造成的。
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根据这个机理和过程,我的理解是,疲劳过程的第一阶段成核阶段也叫裂纹萌生阶段(这个过程用EN方法也叫局部应变法分析求裂纹萌生寿命),有塑性变形发生,并且直到超过材料的塑性能力在表面发生破坏,由此在表面产生疲劳裂纹源,不然裂纹怎么产生呢?第二个阶段,即裂纹扩展阶段(这个阶段的寿命用断裂力学法LEFM,线弹性断裂力学的知识求解),裂纹已经形成,进入扩展阶段。此时,可以想象的到,在裂纹处的应力集中程度是相当大的,因此裂纹扩展速率增大,那么有理由认为在应力集中区达到材料屈服极限,发生塑性变形,这一点学过材料力学的都应该能理解。! \- b) T/ z& J- `8 Z7 x: z
由此可见,在整个疲劳过程中始终都有塑性变形。所以认为高周疲劳没有塑性变形是不对的。* N/ S: x! `+ D- A" Y
那么为什么忽略塑性变形的名义应力法(SN方法)成功的用了那么多年呢?这是因为高周疲劳的应力水平比较低,其应力-应变是线性相关的。在这种环境下,载荷和应变控制型循环是等效的。因此在疲劳极限内,基于名义弹性应力的载荷控制型的旋转轴的疲劳数据用来充分描述疲劳性能。但是随着应力水平的增大,这种方法就失效了,必须采用另一种更通用的且考虑苏醒变形的基于应变法。名义应力法(SN)只是基于应变分析法,当塑性应变趋近于0时的一种特殊情况。 |
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