金屬疲勞(物理特性)

金屬疲勞(物理特性)

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金屬疲勞是指材料、零構件在循環應力或循環應變作用下,在一處或幾處逐漸產生局部永久性累積損傷,經一定循環次數後產生裂紋或突然發生完全斷裂的過程。 當材料和結構受到多次重複變化的載荷作用後,應力值雖然始終沒有超過材料的強度極限,甚至比彈性極限還低的情況下就可能發生破壞,這種在交變載荷重複作用下材料和結構的破壞現象,就叫作金屬的疲勞破壞

基本介紹

  • 中文名:金屬疲勞
  • 外文名:Metal fatigue
  • 拼音: jīn shǔ pí láo
物理原理,相關區別,疲勞特點,過程機理,壽命公式,

物理原理

金屬疲勞英文詞條名:fatigue of metal。金屬疲勞是指一種在交變應力作用下,金屬材料發生破壞的現象。機械零件在交變壓力作用下,經過一段時間後,在局部高應力區形成微小裂紋,再由微小裂紋逐漸擴展以致斷裂。疲勞破壞具有在時間上的突發性,在位置上的局部性及對環境和缺陷的敏感性等特點,故疲勞破壞常不易被及時發現且易於造成事故。應力幅值平均應力大小和循環次數是影響金屬疲勞的三個主要因素。
金屬內部結構並不均勻,從而造成應力傳遞的不平衡,有的地方會成為應力集中區。與此同時,金屬內部的缺陷處還存在許多微小的裂紋。在力的持續作用下,裂紋會越來越大,材料中能夠傳遞應力部分越來越少,直至剩餘部分不能繼續傳遞負載時,金屬構件就會全部毀壞。
早在100多年以前,人們就發現了金屬疲勞給各個方面帶來的損害。但由於技術的落後,還不能查明疲勞破壞的原因。直到顯微鏡和電子顯微鏡相繼出現之後,使人類在揭開金屬疲勞秘密的道路上不斷取得新的成果,並且有了巧妙的辦法來對付這個大敵。
在金屬材料中添加各種“維生素”是增強金屬抗疲勞的有效辦法。例如,在鋼鐵和有色金屬里,加進萬分之幾或千萬分之幾的稀土元素,就可以大大提高這些金屬抗疲勞的本領,延長使用壽命。隨著科學技術的發展,現已出現“金屬免疫療法”新技術,通過事先引入的辦法來增強金屬的疲勞強度,以抵抗疲勞損壞。此外,在金屬構件上,應儘量減少薄弱環節,還可以用一些輔助性工藝增加表面光潔度,以免發生鏽蝕。對產生震動的機械設備要採取防震措施,以減少金屬疲勞的可能性。在必要的時候,要進行對金屬內部結構的檢測,對防止金屬疲勞也很有好處。
金屬疲勞所產生的裂紋會給人類帶來災難。然而,也有另外的妙用。利用金屬疲勞斷裂特性製造的應力斷料機已經誕生。可以對各種性能的金屬和非金屬在某一切口產生疲勞斷裂進行加工。這個過程只需要2秒鐘以下的時間,而且,越是難以切削的材料,越容易通過這種加工來滿足人們的需要。

相關區別

材料力學是根據靜力實驗來確定材料的機械性能(比如彈性極限屈服極限強度極限)的,這些機械性能沒有充分反映材料在交變應力作用下的特性。因此,在交變載荷作用下工作的零件或結構,如果還是按靜載荷去設計,在使用過程中往往會發生突發性故障。
疲勞破壞與傳統的靜力破壞有著許多明顯的本質區別:
(1)靜力破壞是一次最大載荷作用下的破壞:疲勞破壞是多次反覆載荷作用下的破壞,它不是短期內發生的,而是要經歷一定的時間,甚至很長時間才發生破壞。
(2)當靜應力小於屈服極限或強度極限時,不會發生靜力破壞;而交變應力在遠小於靜強度極限,甚至小於屈服極限的情況下,疲勞破壞就可能發生
(3)靜力破壞通常有明顯的塑性變形產生:疲勞破壞通常沒有外在巨觀的顯著塑性變形跡象,哪怕是塑性良好的金屬也這樣,就像脆性破壞一樣,事先不易覺察出來,這就表明疲勞破壞具有更大的危險性。

疲勞特點

1、疲勞為低應力循環延時斷裂,即具有壽命的斷裂,其斷裂應力水平往往低於材料抗拉強度,甚至屈服強度
2、疲勞為脆性斷裂,由於一般疲勞的應力水平比屈服強度低,所以不論是韌性材料還是脆性材料,在疲勞斷裂前均不會發生塑性變形及有型預兆。
3、疲勞對缺陷十分敏感,由於疲勞破壞是從局部開始的,所以它對缺陷具有高度的選擇性。

過程機理

疲勞過程包括疲勞裂紋萌生、裂紋亞穩擴展及最後失穩擴展三個階段,其疲勞壽命Nf由疲勞裂紋萌生期Ni和裂紋亞穩擴展期Np所組成。
疲勞裂紋萌生主要包括:
1、滑移帶開裂產生裂紋,金屬在循環應力長期作用下,即使是應力低於屈服應力,也會發生循環滑移並形成循環滑移帶。
2、相界面開裂產生裂紋,很多疲勞源是由材料中的第二相或夾雜物引起的,便提出了第二相、夾雜物和基體界面開裂,或第二相、夾雜物本身開裂的疲勞裂紋機理。
3、晶界開裂產生裂紋,多晶體材料由於晶界的存在和相鄰晶粒的不同取向性,位錯在某一晶粒內運動會受到晶界的阻礙作用,在晶界處發生位錯塞積和應力集中現象。在應力不斷循環下,晶界處得應力集中得不到鬆弛,應力峰越來越高,當超過晶界強度時就會在晶界處產生裂紋。

壽命公式

常規疲勞強度計算是以名義應力為基礎的,可分為無限壽命計算和有限壽命計算。零件的疲勞壽命與零件的應力、應變水平有關,它們之間的關係可以用應力一壽命曲線(σ-N曲線)和應變一壽命曲線(δ-Ν曲線)表示。應力一壽命曲線和應變一壽命曲線,統稱為S-N曲線。根據試驗,有三種數學表達式
1、冪函式式:(σ^m)*N=C
式中:N應力循環數,m、C材料常數。
2、指數式:exp{mσ}*N=C
式中:N為應力循環數,m、C為材料常數。
3、考慮疲勞強度,則冪函式式演變為三參數式:[(σ-σf)^m]*N=C
式中:N為應力循環數,m、C為材料常數,σf為疲勞強度。
疲勞試驗中,實際零件尺寸和表面狀態與試樣有差異,常存在由圓角鍵槽等引起的應力集中,所以,在使用時必須引入應力集中係數K、尺寸係數ε和表面係數β。

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