低周疲劳和高周疲劳在疲劳寿命计算中的不同点
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发布时间：2022-05-01 00:18
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时间：2022-06-21 07:16
疲劳(2)
fatigue
材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。
研究简史 有记载的最早进行疲劳试验是德国的w.a.艾伯特 。法国的j.-v.彭赛列首先论述了疲劳问题并提出“疲劳”这一术语。但疲劳研究的奠基人则是德国的a.沃勒，他在19世纪50～60 年代最早得到表征疲劳性能的s-n曲线并提出疲劳极限的概念 。20世纪50年代 p.j.e.福赛思首先观察到疲劳过程中在滑移带内有金属薄片挤出的现象。随后n.汤普孙等人发现这种滑移带不易用电解抛光去掉，称为“驻留滑移带”。后来证明，驻留滑移带常常成为裂纹源。1924年德国的j.v.帕姆格伦在估算滚动轴承寿命时，假设轴承的累积损伤与其转动次数成线性关系。1945年美国m.a.迈因纳明确 提出了 疲 劳 破 坏的线性损伤累积理 论 ，也称为帕 姆 格伦- 迈因纳定律，简称迈因纳定律。此后，断裂力学的进展丰富了传统疲劳理论的内容，促进了疲劳理论的发展。用概率统计方法处理疲劳试验数据，是20世纪20年代开始的。60年代后期 ，概率疲劳分析和设计从电子产品发展到机械产品，于是在航空、航天工业的先导下 ，开始了概率统计理论在疲劳设计中的应用。
循环应力 在工程上引起的疲劳破坏的应力或应变有时呈周期性变化，有时是随机的。在疲劳试验中人们常常把它们简化成等幅应力循环的波形 ，并用一些参数来描述 。图1中 σmax 和 σmin 是循 环应力的最 大和最小 代 数 值 ；γ ＝σmin／σmax是应力比；σm＝（σmax＋σmin）／2是平均应力；σa＝（σmax－σmin）／2 是应力幅 。当 σm＝0时 ，σmax与σmin的绝对值相等而符号相反，γ＝－11，称为对称循环应力；当σmin＝0时，γ＝0称为脉动循环应力。
曲线 s-n曲线中的s为应力（或应变）水平，n为疲劳寿命。s-n曲线是由试验测定的 ，试样采用标准试样或实际零件、构件，在给定应力比γ的前提下进行，根据不同应力水平的试验结果 ，以最大应力σmax或应力幅σa为纵坐标，疲劳寿命n为横坐标绘制s-n曲线（图2） 。当循环应力中的σmax小于某一极限值时，试样可经受无限次应力循环而不产生疲劳破坏，该极限应力值就称为疲劳极限，图2中s-n曲线水平线段对应的纵坐标就是疲劳极限。而左边斜线段上每一点的纵坐标为某一寿命下对应的应力极限值，称为条件疲劳极限。
疲劳特征 零件 、构件的疲劳破坏可分为3个阶段 ：①微观裂纹阶段。在循环加载下，由于物体的最高应力通常产生于表面或近表面区，该区存在的驻留滑移带、晶界和夹杂，发展成为严重的应力集中点并首先形成微观裂纹。此后，裂纹沿着与主应力约成45°角的最大剪应力方向扩展，裂纹长度大致在0.05毫米以内，发展成为宏观裂纹。②宏观裂纹扩展阶段。裂纹基本上沿着与主应力垂直的方向扩展。③瞬时断裂阶段。当裂纹扩大到使物体残存截面不足以抵抗外载荷时，物体就会在某一次加载下突然断裂。对应于疲劳破坏的3个阶段 ，在疲劳宏观断口上出现有疲劳源 、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂3个区（图3）。疲劳源区通常面积很小，色泽光亮，是两个断裂面对磨造成的；疲劳裂纹扩展区通常比较平整，具有表征间隙加载、应力较大改变或裂纹扩展受阻等使裂纹扩展前沿相继位置的休止线或海滩花样；瞬断区则具有静载断口的形貌，表面呈现较粗糙的颗粒状。扫描和透射电子显微术揭示了疲劳断口的微观特征，可观察到扩展区中每一应力循环所遗留的疲劳辉纹。
疲劳寿命 在循环加载下 ，产生疲劳破坏所需应力或应变的循环次数。对零件、构件出现工程裂纹以前的疲劳寿命称为裂纹形成寿命。工程裂纹指宏观可见的或可检的裂纹 ，其长度无统一规定 ，一般在0.2～1.0毫米范围内 。自工程裂纹扩展至完全断裂的疲劳寿命称为裂纹扩展寿命。总寿命为两者之和。因工程裂纹长度远大于金属晶粒尺寸，故可将裂纹作为物体边界，并将其周围材料视作均匀连续介质，应用断裂力学方法研究裂纹扩展规律 。由于s-n曲线是根据疲劳试验直到试样断裂得出的 ，所以对应于s-n曲线上某一应力水平的疲劳寿命n是总寿命 。在疲劳的整个过程中 ，塑性应变与弹性应变同时存在 。当循环加载的应力水平较低时 ，弹性应变起主导作用；当应力水平逐渐提高，塑性应变达到一定数值时，塑性应变成为疲劳破坏的主导因素。为便于分析研究，常按破坏循环次数的高低将疲劳分为两类：①高循环疲劳（高周疲劳）。作用于零件、构件的应力水平较低 ，破坏循环次数一般高于104～105的疲劳 ，弹簧、传动轴等的疲劳属此类。②低循环疲劳（低周疲劳）。作用于零件、构件的应力水平较高 ，破坏循环次数一般低于104～105的疲劳，如压力容器、燃气轮机零件等的疲劳。实践表明，疲劳寿命分散性较大，因此必须进行统计分析，考虑存活率（即可靠度）的问题 。具有存活率p（如95％、99％、99.9％）的疲劳寿命np的含义是 ：母体（总体）中有p的个体的疲劳寿命大于np。而破坏概率等于（ 1－ p ） 。常规疲劳试验得到的s-n曲线是p＝50％的曲线 。对应于各存活率的p的s-n曲线称为p-s-n曲线。
环境影响 某些零件 、构件是在高于或低于室温下工作，或在腐蚀介质中工作，或受载方式不是拉压和弯曲而是接触滚动等，这些不同的环境因素可使零件、构件产生不同的疲劳破坏。最常见的有接触疲劳、高温疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳。此外，还有微动磨损疲劳和声疲劳等。①接触疲劳。零件在高接触压应力反复作用下产生的疲劳。经多次应力循环后，零件的工作表面局部区域产生小片或小块金属剥落，形成麻点或凹坑。接触疲劳使零件工作时噪声增加、振幅增大、温度升高、磨损加剧，最后导致零件不能正常工作而失效 。在滚动轴承、齿轮等零件中常发生这种现象。②高温疲劳 。在高温环境下承受循环应力时所产生的疲劳。高温是指大于熔点1／2以上的温度，此时晶界弱化，有时晶界上产生蠕变空位，因此在考虑疲劳的同时必须考虑高温蠕变的影响。高温下金属的s-n曲线没有水平部分 ，一般用 107～108次循环下不出现断裂的最大应力作为高温疲劳极限；载荷频率对高温疲劳极限有明显影响，当频率降低时，高温疲劳极限明显下降。③热疲劳。由温度变化引起的热应力循环作用而产生的疲劳。如涡轮机转子、热轧轧辊和热锻模等，常由于热应力的循环变化而产生热疲劳。④腐蚀疲劳。在腐蚀介质中承受循环应力时所产生的疲劳。如船用螺旋桨、涡轮机叶片 、水轮机转轮等，常产生腐蚀疲劳。腐蚀介质在疲劳过程中能促进裂纹的形成和加快裂纹的扩展。其特点有 ：s-n曲线无水平段；加载频率对腐蚀疲劳的影响很大；金属的腐蚀疲劳强度主要是由腐蚀环境的特性而定；断口表面变色等。
发展趋势 飞机、船舶、汽车、动力机械、工程机械 、冶金、石油等机械以及铁路桥梁等的主要零件和构件，大多在循环变化的载荷下工作，疲劳是其主要的失效形式。因此，疲劳理论和疲劳试验对于设计各类承受循环载荷的机械和结构，成为重要的研究内容。疲劳有限寿命设计中进行寿命估算，必须了解材料的疲劳性能，以此作为理论计算的依据 。由于疲劳寿命的长短取决于所承受的循环载荷大小，为此还必须编制出供理论分析和全尺寸疲劳试验用的载荷谱，再根据与各种疲劳相适应的损伤模型估算出疲劳寿命。疲劳理论的工程应用，经历了从无限寿命设计到有限寿命设计，有限寿命设计尚处于完善阶段。发展趋势是：①宏观与微观结合，探讨从位错、滑移、微裂纹、短裂纹、长裂纹到断裂的疲劳全过程 ，寻求寿命估算各阶段统一的物理-力学模型 。②研究不同环境下的疲劳及其寿命估算方法。③概率统计方法在疲劳中的应用，如随机载荷下的可靠性分析方法，以及耐久性设计等。
疲劳
材料承受交变循环应力或应变时所引起的局部结构变化和内部缺陷发展的过程。它使材料的力学性能下降并最终导致龟裂或完全断裂。
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时间：2022-06-21 07:16
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时间：2022-06-21 07:17
高循环疲劳估算的是总寿命，一般用应力控制疲劳来描述，基本材料曲线为材料强度-寿命曲线和古德曼图。
低循环疲劳估算的是裂纹形成寿命，一般用应变控制疲劳来描述，基本材料曲线为材料循环应力-应变曲线和应变-寿命曲线。
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时间：2022-06-21 07:17
(1)脆性断裂轴承零件在运行中，由于环境条件不适当可能使材料变脆，从而导致脆性断裂，造成损害。
材料的断裂存在着一个断裂“源”，即断裂的起始点。
脆性断裂的“源”为材料内部的宏观裂纹(0.1
^-1 mm
)，这种宏观裂纹产生于零件的制造加工过程、使用运行过程，以及结构中的应力集中。
脆性断裂的特点是:断裂时承受的工作应力较低，一般不超过材料的屈服极限，甚至不超过许用应力，故又称为低应力脆断;中、低碳钢在较低的温度下(100c
^-15
0c)会由韧性状态向脆性断裂转变，高强度钢没有明显的温度效应;脆性断裂的断口平齐光亮，断口截面收缩很小，且常有人字纹或放射花样;脆性断裂一般是突然发生，会产生许多碎片。
(2)疲劳断裂轴承零件在交变载荷作用下所发生的断裂，称为疲劳断裂。疲劳断裂是工程中最常见的零件失效模式，占工程断裂故障的40%-90%.
常见的疲劳断裂类型有高周疲劳、低周疲劳、接触疲劳腐蚀疲劳和热疲劳。
轴承材料在低于屈服极限的交变应力作用下，具有较长寿命的疲劳破坏称为高周疲劳。反之，在大应力作用下，材料局部应力超过屈服极限，且断裂时总循环次数不超过104时‘的疲劳破坏，称为低周疲劳。材料在较高的接触压应力作用下，使接触表面的局部区域产生nsk轴承剥落，从而导致零件失效的现象，称为接触疲劳。轴承材料在交变应力和腐蚀介质的共同作用下，使材料表面形成腐蚀坑或微裂纹，从而导致断裂失效的现象，称为腐蚀疲劳。由于温度波动或热循环效应所产生的疲劳失效称为热疲劳。
疲劳断口大体上可分为三个区域，即疲劳裂纹源区、裂纹扩展区和瞬时断裂区。
(3)过载断裂当外载荷超过机械零件危险断面的极限应力时，所产生的断裂称为过载断裂。
过载断裂的断口宏观特征与材料的拉伸断口一样，材料塑性较好时，断口显示出较大的塑性变形;而当材料较脆时，零件的新口显示出脆性特征。
过载断裂最常见的一种形式是拉伸韧性断裂，其断口呈灰色纤维状，宏观上将其分为平直面(平面)和剪切面(斜面)。
(4)应力腐蚀断裂轴承在腐蚀介质中，受拉应力(或残余应力)的作用，同时又受电化学腐蚀而导致正常延性材料迅速开裂和早期脆i胜破坏的现象，称为应力腐蚀断裂。
应力腐蚀断裂的特点是:产生应力腐蚀失效的时间比应力和腐蚀单独作用下的失效时间为短;应力的大小和方向都直接影响到应力腐蚀开裂的起源和裂纹扩展速度，且应力愈大，零件的断裂时间愈短;应力腐蚀断裂发生时常常没有明显的预兆，具有突然性;轴承材料在特殊的环境介质中才会发生应力腐蚀断裂;杂质元素对nsk轴承材料的应力腐蚀断裂敏感性影响极大。
