1.5 金属材料的疲劳现象（课件）-高一《金属加工基础》同步精品课堂（机工版·第2版）

《金属加工基础》 机械工业出版社 同步精品课程——中职专业课 第一单元 金属材料的力学性能 模块五 金属材料的疲劳现象 知识目标 了解金属材料疲劳现象的概念、特征。 能力目标 熟悉金属材料疲劳断裂的特征和实际运用。 情感目标 理解金属材料所受循环应力和循环次数的关系，并能在实际生活中合理运用。 三维目标 导入情景 01 什么是金属材料的疲劳现象？ 导入情景 01 1954年1月10日，一架英国海外航空公司（BOAC）的“彗星”1型客机（航班编号781号）从意大利罗马起飞飞往目的地英国伦敦。飞机起飞后26分钟，机身在空中解体，坠入地中海。机上所有乘客和机组人员35人全部遇难。这次事故震惊了全世界，英国成立了专门的调查组调查事故。 飞行时机舱的工作压力大约为60kPa，设计 压力为140kPa（安全系数超过2），应该很 安全。 导入情景 01 经过长达6个月的调查分析，最后得出的结论是：“彗星”号飞行中由于机体上金属部件产生裂纹并扩展而造成了解体事故。产生这种裂纹的原因是由于高空飞行的“彗星”客机使用增压座舱，长时间飞行频繁起降使机体反复的承受增压和减压引发飞机铝制蒙皮的金属疲劳。 循环载荷引起的金属疲劳裂纹扩展导致灾难 性的空难事故。 1.韧性是金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。 新知学习 02 一、疲劳现象 循环应力：轴、齿轮、连杆、弹簧等金属零件是在循环应力的作用下工作的。 循环应力是指应力的大小、方向都随时间发生周期性变化的应力。 对称循环应力 1.韧性是金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。 新知学习 02 一、疲劳现象 常见的循环应力是对称循环应力，其最大值σmax和最小值 σmin的绝对值相等. 即σmax/ σmin=-1 对称循环应力 1.韧性是金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。 新知学习 02 生产中机件正常工作时，多为循环应力，研究较多。 1.韧性是金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。 新知学习 02 一、疲劳现象 疲劳现象：金属零件在循环应力作用下，在一处或几处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，称为疲劳（或称疲劳断裂）。 1.韧性是金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。 新知学习 02 金属发生疲劳断裂的主要特征有三点 1.零件工作时承受的实际循环应力值通常低于制作金属材料的屈服强度或规定残余延伸强度，但是零件在这种循环应力的作用下，经过一定时间的工作后会发生突然断裂。 传动轴的疲劳失效 1.韧性是金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。 新知学习 02 金属发生疲劳断裂的主要特征有三点 2.金属材料疲劳断裂时不产生明显的塑性变形，断裂是突然发生的。 海滩花样疲劳断口 1.韧性是金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。 新知学习 02 金属发生疲劳断裂的主要特征有三点 3.疲劳断裂首先是在零件的应力集中局部区域产生的，先形成微小的裂纹核心，即微裂源。随后在循环应力的作用下，微小裂纹不断扩展长大，形成扩展区。 由于微小裂纹不断扩展，使零件的有效工作面积逐渐减小，因此，零件所受应力不断增加，当应力超过金属材料的断裂强度时，则突然发生疲劳断裂，形成最后的瞬断区。 海滩花样疲劳断口 1.韧性是金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。 新知学习 02 金属材料的疲劳断裂断口一般由微裂源、扩展区和瞬断区三部分组成。 研究意义：疲劳断裂的危害很大，常常会造成严重事故。据统计，大部分零件的损坏是因疲劳造成的。因此，研究疲劳现象对于正确使用金属材料，合理设计机械构件具有重要意义。 疲劳断裂断口示意图 1.韧性是金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。 新知学习 02 1.韧性是金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。 新知学习 02 思考：不使用钢丝钳，仅利用双手掰断一根φ3mm 的细铁丝，应如何操作？断口附近有何物理变化？ 用双手拉伸细铁丝能将其拉断吗？ 你得出了什么结论？ 1.韧性是金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。 新知学习 02 二、疲劳强度 金属材料所受循环应力σ与循环次数N之间的关系，可用σ-N曲线表示。 当金属材料所受循环应力α低于某一数值时，曲线与横坐标几乎平行，表示金属材料可经受无限多次循环应力作用而不断裂，这一应力值称为金属材料的疲劳强度。 σ-N曲线 1.韧性是金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。 新知学习 02 由于零件不可能承受无限次循环应力的作用，因此在工程实践中，一般是求疲劳极限，即对应于指定的循环基数N0下的中值疲劳强度。 钢铁材料的循环基数N0=107, 非铁金属的循环基数N0=108 。如果金属构件所受应力是对称循环应力，则其疲劳强度用符号σ-1表示；如果金属构件所受应力是脉动循环应力（σmin=0，σ>0）, 则其疲劳强度用符号σ0表示。 σ-N曲