2020-09-25 01:03:40

金属疲劳 - 物理特性 免费编辑 修改义项名

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金属疲劳是指材料、零构件在循环应力或循环应变作用下,在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。 当材料和结构受到多次重复变化的载荷作用后,应力值虽然始终没有超过材料的强度极限,甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏,这种在交变载荷重复作用下材料和结构的破坏现象,就叫做金属的疲劳破坏。

基本信息

  • 中文名称

    金属疲劳

  • 外文名称

    Metal fatigue

  • 拼音

     jīn shǔpí láo

  • 注音

     ㄐㄧㄣ ㄕㄨˇㄆㄧˊ ㄌㄠˊ

折叠 编辑本段 物理原理

金属疲劳英文词条名:fatigue of metal。金属疲劳是指一种在交变应力作用下,金属材料发生破坏的现象。机械零件在交变压力作用下,经过一段时间后,在局部高应力区形成微小裂纹,再由微小裂纹逐渐扩展以致断裂。疲劳破坏具有在时间上的突发性,在位置上的局部性及对环境和缺陷的敏感性等特点,故疲劳破坏常不易被及时发现且易于造成事故。应力幅值、平均应力大小和循环次数是影响金属疲劳的三个主要因素。

金属内部结构并不均匀,从而造成应力传递的不平衡,有的地方会成为应力集中区。与此同时,金属内部的缺陷处还存在许多微小的裂纹。在力的持续作用下,裂纹会越来越大,材料中能够传递应力部分越来越少,直至剩余部分不能继续传递负载时,金属构件就会全部毁坏。

早在100多年以前,人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。但由于技术的落后,还不能查明疲劳破坏的原因。直到显微镜和电子显微镜相继出现之后,使人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得新的成果,并且有了巧妙的办法来对付这个大敌。

在金属材料中添加各种"维生素"是增强金属抗疲劳的有效办法。例如,在钢铁和有色金属里,加进万分之几或千万分之几的稀土元素,就可以大大提高这些金属抗疲劳的本领,延长使用寿命。随着科学技术的发展,现已出现"金属免疫疗法"新技术,通过事先引入的办法来增强金属的疲劳强度,以抵抗疲劳损坏。此外,在金属构件上,应尽量减少薄弱环节,还可以用一些辅助性工艺增加表面光洁度,以免发生锈蚀。对产生震动的机械设备要采取防震措施,以减少金属疲劳的可能性。在必要的时候,要进行对金属内部结构的检测,对防止金属疲劳也很有好处。

金属疲劳所产生的裂纹会给人类带来灾难。然而,也有另外的妙用。利用金属疲劳断裂特性制造的应力断料机已经诞生。可以对各种性能的金属和非金属在某一切口产生疲劳断裂进行加工。这个过程只需要2秒钟以下的时间,而且,越是难以切削的材料,越容易通过这种加工来满足人们的需要。

折叠 编辑本段 相关区别

材料力学是根据静力实验来确定材料的机械性能(比如弹性极限屈服极限强度极限)的,这些机械性能没有充分反映材料在交变应力作用下的特性。因此,在交变载荷作用下工作的零件或结构,如果还是按静载荷去设计,在使用过程中往往会发生突发性故障。

疲劳破坏与传统的静力破坏有着许多明显的本质区别:

(1)静力破坏是一次最大载荷作用下的破坏:疲劳破坏是多次反复载荷作用下的破坏,它不是短期内发生的,而是要经历一定的时间,甚至很长时间才发生破坏。

(2)当静应力小于屈服极限或强度极限时,不会发生静力破坏;而交变应力在远小于静强度极限,甚至小于屈服极限的情况下,疲劳破坏就可能发生。

(3)静力破坏通常有明显的塑性变形产生:疲劳破坏通常没有外在宏观的显著塑性变形迹象,哪怕是塑性良好的金属也这样,就像脆性破坏一样,事先不易觉察出来,这就表明疲劳破坏具有更大的危险性。

折叠 编辑本段 疲劳特点

1、疲劳为低应力循环延时断裂,即具有寿命的断裂,其断裂应力水平往往低于材料抗拉强度,甚至屈服强度。

2、疲劳为脆性断裂,由于一般疲劳的应力水平比屈服强度低,所以不论是韧性材料还是脆性材料,在疲劳断裂前均不会发生塑性变形及有型预兆。

3、疲劳对缺陷十分敏感,由于疲劳破坏是从局部开始的,所以它对缺陷具有高度的选择性。

折叠 编辑本段 过程机理

疲劳过程包括疲劳裂纹萌生、裂纹亚稳扩展及最后失稳扩展三个阶段,其疲劳寿命Nf由疲劳裂纹萌生期Ni和裂纹亚稳扩展期Np所组成。

疲劳裂纹萌生主要包括:

1、滑移带开裂产生裂纹,金属在循环应力长期作用下,即使是应力低于屈服应力,也会发生循环滑移并形成循环滑移带。

2、相界面开裂产生裂纹,很多疲劳源是由材料中的第二相或夹杂物引起的,便提出了第二相、夹杂物和基体界面开裂,或第二相、夹杂物本身开裂的疲劳裂纹机理。

3、晶界开裂产生裂纹,多晶体材料由于晶界的存在和相邻晶粒的不同取向性,位错在某一晶粒内运动会受到晶界的阻碍作用,在晶界处发生位错塞积和应力集中现象。在应力不断循环下,晶界处得应力集中得不到松弛,应力峰越来越高,当超过晶界强度时就会在晶界处产生裂纹。

折叠 编辑本段 寿命公式

常规疲劳强度计算是以名义应力为基础的,可分为无限寿命计算和有限寿命计算。零件的疲劳寿命与零件的应力、应变水平有关,它们之间的关系可以用应力一寿命曲线(σ-N曲线)和应变一寿命曲线(δ-Ν曲线)表示。应力一寿命曲线和应变一寿命曲线,统称为S-N曲线。根据试验,有三种数学表达式:

1、幂函数式:(σ^m)*N=C

式中:N应力循环数,m、C材料常数。

2、指数式:exp{mσ}*N=C

式中:N为应力循环数,m、C为材料常数。

3、考虑疲劳强度,则幂函数式演变为三参数式:[(σ-σf)^m]*N=C

式中:N为应力循环数,m、C为材料常数,σf为疲劳强度。

在疲劳试验中,实际零件尺寸和表面状态与试样有差异,常存在由圆角、键槽等引起的应力集中,所以,在使用时必须引入应力集中系数K、尺寸系数ε和表面系数β。

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