疲勞是材料(金屬)在承受循環(huán)應(yīng)力或應(yīng)變作用時(shí),結(jié)構(gòu)性能下降,最終造成破壞的現(xiàn)象。
常見(jiàn)形式:
疲勞失效是最常見(jiàn)的失效形式之一。
數(shù)據(jù)顯示,在各種機(jī)械中,疲勞失效部件占失效部件的60~70%。原則上,疲勞斷裂失效屬于低應(yīng)力脆性斷裂失效,在疲勞中很難觀察到明顯的塑性變形,因?yàn)樗饕蔷植克苄宰冃?,主要發(fā)生在結(jié)構(gòu)的固有缺陷上。
雖然頻率對(duì)疲勞失效有一定的影響,但在大多數(shù)情況下,疲勞失效主要與循環(huán)次數(shù)有關(guān)。
試驗(yàn)設(shè)備:
動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)。
分類:.
根據(jù)疲勞失效的應(yīng)力特性可分為:
機(jī)械疲勞和熱應(yīng)力(交變熱應(yīng)力)引起的熱疲勞;
循環(huán)周次可分為:
高周.低周.超高周疲勞;
根據(jù)荷載性質(zhì)可分為:
拉壓疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、彎曲疲勞等;
根據(jù)工件的工作環(huán)境,可分為:
腐蝕疲勞.低溫疲勞.高溫疲勞。
疲勞損傷前材料和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度一般定義為疲勞極限。
沖擊疲勞
是指重復(fù)沖擊載荷引起的疲勞。當(dāng)沖擊次數(shù)N小于500~1000次時(shí),零件的斷裂形式與一次沖擊相同;當(dāng)沖擊次數(shù)大于10次時(shí),零件斷裂屬于疲勞斷裂,具有典型的疲勞斷裂特征。在設(shè)計(jì)計(jì)算中,當(dāng)沖擊次數(shù)大于100次時(shí),強(qiáng)度與疲勞相似。
接觸疲勞
在循環(huán)接觸應(yīng)力的作用下,零件會(huì)產(chǎn)生局部長(zhǎng)久性的累積損傷。經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)次數(shù)后,接觸表面會(huì)出現(xiàn)麻點(diǎn)。淺層或深層剝過(guò)程稱為接觸疲勞。接觸疲勞是齒輪、滾動(dòng)軸承和凸輪軸的典型故障形式。
熱疲勞
由溫度循環(huán)引起的材料或部件的疲勞稱為熱疲勞。當(dāng)材料的自由膨脹或收縮受到限制時(shí),溫度循環(huán)的變化會(huì)導(dǎo)致材料體積的循環(huán)變化。
熱應(yīng)力主要有兩種:
1.零件的熱膨脹和冷收縮受固定零件外加約束,產(chǎn)生熱應(yīng)力;
2.雖然沒(méi)有額外的限制,但兩部分的溫度不一致,存在溫度梯度,導(dǎo)致熱膨脹和冷收縮不一致,產(chǎn)生熱應(yīng)力。
除了產(chǎn)生熱應(yīng)力外,溫度交變還會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部組織的變化,從而降低強(qiáng)度和塑性。熱疲勞條件下的溫度分布不均勻。在溫度梯度較大的地方,塑性變形嚴(yán)重,熱應(yīng)變集中較大;當(dāng)熱應(yīng)變超過(guò)彈性極*,熱應(yīng)力與熱應(yīng)變之間沒(méi)有線性關(guān)系。此時(shí),應(yīng)根據(jù)彈性和塑性關(guān)系處理熱應(yīng)力。熱疲勞裂紋從表面向內(nèi)擴(kuò)展,垂直于表面。
熱應(yīng)力的大小與熱膨脹系數(shù)成正比。熱膨脹系數(shù)越大,熱應(yīng)力越大。因此,在選擇材料時(shí),應(yīng)考慮材料的匹配,即不同材料的熱膨脹系數(shù)不應(yīng)有太大差異。在相同的熱應(yīng)變條件下,材料的彈性模量越大,熱應(yīng)力越大;溫度循環(huán)變化越大,上下限溫差越大,導(dǎo)熱系數(shù)越低,溫度梯度越陡,熱應(yīng)力越大。
腐蝕疲勞
腐蝕介質(zhì)和循環(huán)應(yīng)力(應(yīng)變)復(fù)合作用引起的疲勞稱為腐蝕疲勞。腐蝕介質(zhì)和靜應(yīng)力共同作用產(chǎn)生的腐蝕損傷稱為應(yīng)力腐蝕。兩者的區(qū)別在于,應(yīng)力腐蝕只發(fā)生在特定的腐蝕環(huán)境中,而腐蝕疲勞在任何腐蝕環(huán)境和循環(huán)應(yīng)力復(fù)合作用下都會(huì)發(fā)生腐蝕疲勞斷裂。應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂,有一個(gè)臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子K,當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子K≤K時(shí),不會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂;腐蝕疲勞無(wú)臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子,只要循環(huán)應(yīng)力在腐蝕環(huán)境中繼續(xù)作用,總會(huì)發(fā)生斷裂。
區(qū)別:
腐蝕疲勞與空氣疲勞的區(qū)別在于,在腐蝕疲勞過(guò)程中,除不銹鋼和滲氮鋼外,機(jī)械部件的表面變色。腐蝕疲勞形成的裂紋數(shù)量較多,即裂紋較多。腐蝕疲勞的S-N曲線沒(méi)有水平部分。因此,對(duì)于腐蝕疲勞極限,必須指出其在一定壽命下的值,即只有條件腐蝕疲勞極限。影響腐蝕疲勞強(qiáng)度的因素比空氣中的疲勞要復(fù)雜得多。例如,當(dāng)空氣中的疲勞試驗(yàn)頻率小于1000HZ時(shí),頻率基本上對(duì)疲勞極限沒(méi)有影響,但腐蝕疲勞在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都有影響。