疲劳的分类较广,在以应力状态分类时,可分为扭转疲劳、弯曲疲劳、拉压疲劳以及复合疲劳;以环境及接触情况分类,疲劳可分为大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳等;由于断裂寿命及应力的大小不同,又可分为高周疲劳和低周疲劳,这也是最基本的分类。高周疲劳的断裂寿命较长,一般Nf>105周,断裂应力水平较低,一般低于材料的屈服强度,也称为低应力疲劳。低周疲劳的断裂寿命较短,Nf=102-105周,断裂应力水平较高,一般都会在材料的屈服强度附近,往往会有部分塑性变形发生,也称为高应力疲劳。
1.4.2 材料的低周疲劳
在飞机、舰船、桥梁,风塔及一些建筑设备断裂破坏中,低周疲劳是其中一种很常见的破坏形式。这些结构件在较高的应力和较少的循环次数下容易发生疲劳断裂。舰船常年遭受风暴席卷,桥梁受风吹刮,飞机的起落架、涡轮盘、压力机盘等也经历着循环的应力作用,所以这些结构件在遭受循环载荷的作用下,疲劳寿命均会较短,一般在102-105周,这种疲劳行为即为材料的高应力低周疲劳。
与高周疲劳相比,低周疲劳具有一些特有的特点。
在低周疲劳过程中,局部区域会产生塑性变形,所以在循环过程中应力与应变之间不会呈线性关系,一般会形成滞后回线。如图1.2所示,初始施加载荷时,曲线会沿着OAB进行;在卸载过程中,曲线会沿着BC进行;再在反向加载过程中,曲线会沿着CD进行;在反向卸载的过程当中,又从D点沿DE卸载,之后在正向加载的过程中再次沿EB行进。由此循环路径经过一定周次之后,即会形成如图1.2所示的稳定闭合
滞后回线。在这当中Δεt为低周疲劳试验的总应变范围,Δεp为塑性应变范围,Δεe为弹性应变范围,并且有Δεt=Δεp+Δεe。
另外在进行低周疲劳试验时,一般是控制总应变范围,或者控制塑性应变范围,在给定的总应变幅Δεt或塑性应变幅Δεp下测定疲劳寿命,结果的处理不会采用S-N曲线,一般会改用Δεt-2 Nf或者Δεp-2 Nf曲线来描述材料的低周疲劳行为。
在低周疲劳破坏中可能会有多个裂纹源,因为一般低周疲劳一般采取高应力,裂纹容易形成,且一般形成期较短。低周疲劳微观断口的疲劳条带一般都较粗,间距较宽,且呈现不连续分布。在某些高强度的钢中可能不出现疲劳条带。在某些金属材料中,只有破坏的应力循环周次超过1000周时才出现条带。破坏的循环周次小于90周时断口会呈现韧窝状,在100周以上时可能会出现轮胎花样[14]。
最后,低周疲劳的寿命一般取决于塑性应变幅,高周疲劳寿命则取决于应力幅或应力场强度因子范围,但两者都是循环塑性变形累积损伤的结果。
在研究疲劳时,过去学者一般是研究材料的应力疲劳,随着研究的深入,在研究应力疲劳时,又从研究应变出发,对疲劳断裂进行了研究。1918年,Smith和Wedgwood[15]通过试验得到了循环应力-应变曲线,并把循环塑性应变从总应变中分离了出来。1920年,学者们逐渐证明了重复的塑性应变是形成疲劳裂纹的主要原因。50年代,Manson-Coffin[16]定量地建立了塑性应变和寿命的关系式。60年代后,人们对应变疲劳理论进行了更深入的研究,在通过许多控制应变的低周疲劳试验后,提出了变形低周疲劳分析方法。同时基于应变疲劳分析提出了估算裂纹形成寿命的分析方法,即局部应力-应变法。
构件的局部应力-应变法的基本原理是将载荷作用下结构的名义载荷谱,通过弹塑性分析及材料的循环应力-应变响应转变为危险部位的局部应力-应变谱,然后将危险点的局部应力-应变进行修正,同时按照相同应变下损伤相等的原则,用光滑试样的应变-寿命曲线估算危险部位的损伤。现在,局部应力-应变分析方法以其准确性、合理性受到重视,成为一种比较可靠的工程分析方法,也被认为是目前最有希望的一种寿命预测方法。 晶界结构对奥氏体不锈钢低周疲劳性能的影响(5):http://www.751com.cn/cailiao/lunwen_5119.html