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第七章疲劳复习题解答
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1、何谓疲劳？ 工程结构在服役过程中，由于承受变动载荷而导致裂纹萌生和扩展以至断裂失效的全过程称之疲劳。
2、什么叫变动载荷（应力）？ 变动载荷（应力）是指载荷大小或大小和方向随时间按一定规律呈周期性变化或呈无规则随机变化的载荷。 前者---周期变动载荷（应力）或循环载荷（应力）, 后者---随机变动载荷.
3、请用四个特征和五个描述参量绘出循环应力一时间关系图 图见书本p95页 （1）波形：通常以正弦曲线为主，其他有三角波、梯形波等；（2）最大应力σmax和最小应力σmin；（３）平均应力σm＝ σmax+σmin /2和应力半幅σa＝Δσ/2＝ σmax -σmin /2（４）应力比Ｒ＝σmin/σmax（表征循环的不对称程度）：
Ｒ C1为对称循环，其他均为不对称循环。有时把循环中既出现正（拉）又出现负（压）应力的循环谓之交变应力循环
4、 疲劳破坏的基本特征？
（１）它是一种“潜藏”的失效方式，在静载下无论显示脆性与否，在疲劳断裂时都不会产生明显的塑性变形，断裂常常是突发性的，没有预兆。所以，对承受疲劳负荷的构件，通常有必要事先进行安全评估。（２）由于构件上不可避免地存在某种缺陷（特别是表面缺陷，如缺口、沟槽等），因而可能在名义应力不高的情况下，由局部应力集中而形成裂纹，随着加载循环的增加，裂纹不断扩展，直至剩余截面不能再承担负荷而突然断裂。 所以实际构件的疲劳破坏过程总可以明显地分出裂纹萌生、裂纹扩展和最终断裂三个组成部分。
5、标出带键糟的旋转轴的弯曲疲劳断口的三个区名称？ 图见P97
和阐述疲劳断口常见形式。
在键糟根部由于应力集中，裂纹在此处萌生，称为疲劳源；形成疲劳裂纹以后，裂纹慢速扩展，由
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低应力高寿命的疲劳。疲劳寿命一般大于10万次,尽管缺口...
(本文共68字)
权威出处：
Materials Science,-321.[8]郑华滨.陶瓷膏体挤出装置和挤出工艺研究[D].兰州:兰州理工大学,2011.[9]靳新涛.微孔注塑喷嘴的设计及工艺参数的优化研究[D].长春:吉林大学,2014.[10]陈从平,董小刚,张涛.非牛顿流体微挤出过程动态建模与数值仿真[J].机床与液压.):108-111.Chen Congping,Dong Xiaogang,Zhang Tao.DynamicModeling and Numerical Simulation of the Process forNon-Newtonian Fluid Micro-extrusion[J].MachineTool&Hydraulics,):108-111.[11]Lee M C,Gupta A.Simultaneous Simulation ofSolid Conveying...
(本文共6页)
权威出处：
0引言据统计,在机械零件失效中有约90%属于疲劳破坏[1]。而引起疲劳断裂的应力通常低于材料的静载屈服强度,零件疲劳断裂前一般无明显的塑性变形,经常是在没有明显预兆的情况下突然破坏。因此,材料的疲劳寿命及疲劳强度一直是关乎机械结构可靠性和寿命评估的重要依据。而且,随着工业技术的发展,航空发动机叶片等零部件的设计寿命越来越长,相关材料在低于其屈服强度的循环应力作用下的高周疲劳问题已愈加受到关注,使用寿命计算也常以材料的高周疲劳性能为基准。TiAl合金是一种新型轻质高温结构材料,主要应用需求是涡轮叶片、气阀和增压器涡轮等航空、车用发动机的高温转动或循环承载部件[2,3],疲劳破坏也将是这些构件在服役过程中的主要失效形式。另一方面,TiAl合金以金属间化合物为基,其晶体结构的对称性较差,微观弹、塑性变形具有明显的各向异性,且其常用的层片组织中层片取向对裂纹萌生与扩展的影响很大,使得其疲劳性能及疲劳破坏形式具有特殊性。因而,TiAl合金...
(本文共4页)
权威出处：
引言通过传统的疲劳试验方法得到准确的高周疲劳参数,往往耗费大量的费用和时间.如测定高周疲劳极限的多幅测定法(要求至少50个试样)或升降法(要求至少13个试样,一般为30个);确定应力--寿命曲线(S--N)的成组试验法,通常需要在每级(至少4～5级)应力水平下使用一组(一般需6～10个)试样.因此,在满足比较准确地确定材料疲劳极限、S--N曲线等高周疲劳参数的前提下,探讨缩短试验时间、减少试验成本的快速预测高周疲劳性能的理论和实验方法,引起国内外研究者的极大兴趣[1].能量法是高周疲劳参数快速预测研究的重要方法之一.材料疲劳是一个耗散能量的过程,在外部高周疲劳载荷作用下,材料发生小的塑性变形,同时产生能量耗散,储存在材料内部的能量不断累积,并导致微观结构演化,产生疲劳损伤,如位错的重排及滑移面等,损伤不断累积直至破坏[2].在高周疲劳载荷作用下,第i个循环周期内,材料单位体积内的能量平衡方程为Wmi=Edi1+Esit(1)其中...
(本文共8页)
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& DZ22小孔旁疲劳裂纹扩展的试验研究
DZ22小孔旁疲劳裂纹扩展的试验研究
&& &&来源：网络转载 &&阅读:667次
[ 内容简介 ]研究了DZ22合金带小孔试样的疲劳裂纹扩展过程，给出了孔旁裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子&DK之间关系的试验曲线，并对断口形貌进行了分析。
[摘要]　研究了DZ22合金带小孔试样的疲劳裂纹扩展过程，给出了孔旁裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子&DK之间关系的试验曲线，并对断口形貌进行了分析。
　　关键词： 高温合金　小孔　疲劳　微裂纹　裂纹扩展
Growth of Fatigue Cracks in Ni-Base Superalloy DZ22
　　[ABSTRACT]　The fatigue crack growth behavior of microcracks of nickel_base superalloy DZ22 with hole is discussed in this paper. The crack growth rate da/dN versus stress intensity factor &DK curve is presented. The appearance of fracture is also analyzed.
　　Keywords: Superalloy　Hole　Fatigue　Microcrack　Crack growth
　　高推比航空发动机某些重要部件(如叶片、燃烧室)需要采用特种加工方法制造许多直径小于1?mm的气膜孔，而这些部件常处于热应力和机械应力等交变载荷的共同作用下，容易发生疲劳失效。小孔造成应力集中，孔周由于制造工艺不当易产生微裂纹，这种微裂纹的存在必然对叶片的疲劳过程起着关键性的作用。因此，研究小孔旁裂纹疲劳扩展行为能加深对孔加工工艺的重要性的认识。
1　试验方法
　　本试验采用DZ22定向结晶镍基高温合金制备试样。热处理工艺为：1 210℃&2 h/氩气快冷+870 ℃&32 h/氩气快冷。其光学金相组织如图1所示，可以看出合金的主要组成相有&固溶体、&&相、碳化物。
图1　试样的光学金相组织
Fig.1　Microstructure of DZ22
　　试样工作部分截面宽11 mm、厚2 mm，采用特种加工方法在试样中心线上制备直径0.5 mm的小孔，理论应力集中系数为2.87，孔周存在微裂纹。孔周微裂纹深度在10～70 &m之间，典型分布见图2。
图2　微裂纹沿孔周分布
Fig.2　Microcracks around the hole
　　对试样进行了轴向加载高周疲劳试验，载荷比R=0.1，频率f=90 Hz。试验过程中记录了循环周次和裂纹长度，计算了da/dN及&DK。疲劳破坏后对断口进行了扫描电子显微镜形貌观察，分析了疲劳裂纹的扩展特性。
2　试验结果及分析
2.1　疲劳裂纹起源
　　宏观上看，所有试样的断口均经过小孔，见图3。扫描电子显微镜断口观察表明，孔周微裂纹作为疲劳源在交变载荷作用下直接扩展导致试样断裂，见图4。
图3　疲劳裂纹形状
Fig.3　Fatigue crack path morphology
图4　断口典型形貌
Fig.4　Typical appearance of fracture
2.2　疲劳裂纹扩展特性
　　断口分析表明，临近孔边裂纹扩展速率较快，这与孔的应力集中及可能存在的残余应力有关，也与适当的晶体学取向的晶粒内裂纹尖端高的循环应变有关。微裂纹作为线源向基体纵深方向发展，经过孔边较快扩展后，裂纹沿解理面稳定扩展。随着裂纹的扩展，断面的粗糙度提高，这与净面积减小、载荷上升、塑性变形增加是一致的。分析表明，解理面为(111)面。由于DZ22为定向结晶材料，枝晶粗大，因而裂纹在单个晶粒内的扩展距离较长。J.N.Eastabrook, P.D.Hobson, K.J.Miller和J.Lankford指出，小裂纹的扩展阻力主要来自裂纹前缘不同取向晶粒的晶界，这样必然导致粗晶材料内高的小裂纹扩展速率，本试验的孔旁裂纹扩展速率为da/dN数据也说明了这一点。
　　从图4可以看出，扩展区大部分呈解理状，说明滑移只限于{111}〈110〉滑移带中特定取向的(111)面，这与室温下低&DK值时位错交滑移及靠热激活的位错攀移困难有关。变形不均匀导致疲劳裂纹扩展较快。这也说明并不是所有微裂纹都会在交变载荷的作用下扩展并导致疲劳破坏，只有那些特定取向、符合微观组织(如晶界、第二相粒子)和微观力学(如微观塑性、滑移带)环境的微裂纹才会造成疲劳破坏。因此，控制微裂纹的深度并不一定能有效延长疲劳寿命，试验结果也证明了这一点。导致疲劳破坏的疲劳源即深度在10～70 &m之间的微裂纹，并不一定是所在孔中的最大者，甚至在试样疲劳破坏后有微裂纹还未见有任何扩展现象。
　　图5为da/dN与&DK关系的试验曲线。可以看出，裂纹扩展过程中，初始时裂纹扩展速率较高，延后放慢，接着稳定上升，这与上述分析是一致的。
图5　da/dN与&DK关系曲线
Fig.5　Variation of fatigue crack growth rate da/dN
with &DK at R=0.1 and cyclic frequency of 90 Hz
　　(1)取向合适的微裂纹在低&DK下也会扩展，微裂纹的存在必将大大降低构件的疲劳性能。改善微裂纹的分布状况有助于满足有限寿命设计的航空部件的要求。
　　(2)微裂纹的扩展涉及微观组织及微观力学中的许多因素，并且各因素可能交互作用，值得进一步研究。
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（）（编辑：小朱）
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