第八章 金属疲劳试验

第八章金属疲劳试验

1、实际工作中的许多机件均是在变动载荷下工作的。

2、失效形式：主要为疲劳断裂，占80％以上。

3、表现为突然断裂，危害极大。无论材料为韧材还是脆材均表现为突然断裂。

第一节金属疲劳现象及特点

一、变动载荷和循环应力

变动载荷是引起疲劳破坏的外力，所以有必要在研究疲劳时首先研究变动载荷的特点和表示方法。

1、定义：是指载荷大小，甚至方向均随时间变化的载荷。

2、分类：分循环应力：大小或大小和方向随时间变化按一定规律呈周期性变化。

交变应力：载荷大小、方向均随时间作周期性变化。

重复载荷：载荷大小呈周期性变化，但方向不变。

随机变动应力：载荷大小、方向呈无规则随机变化。

3、循环应力表示的表示方法：常用以下几个参量来表示：最大应力；最小应力；平均应力；应力半幅；应力循环对称系数（应力比）r(R)。见上图。

4、常见的几种循环应力有：对称循环应力（r=-1）；脉动应力（r＝0；r＝－∞）；波动应力（0

二、疲劳试验的分类及特点

1、分类

金属机件或构件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象称为疲劳。

可以按不同方法进行分类：

按照应力状态不同可分为：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳及复合疲劳。

按环境和接触情况不同可分为：大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳。

按断裂寿命和应力高低不同可分为（经常采用此方法）：

）>105，属低应力疲劳。

高周疲劳：循环周次（N

f

低周疲劳：循环周次102～105，高应力疲劳或应变疲劳

2、疲劳断裂的特点

疲劳断裂与静载荷断裂或一次冲击加载断裂相比，具有以下特点：

①疲劳断裂是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂。

②疲劳断裂是突然断裂，即脆性断裂。断裂前没有明显的征兆。

③对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感。

三、疲劳宏观断口特征

疲劳断裂和其它

断裂一样，其断口上

保留了整个断裂过程

的所有痕迹，记载着

很多断裂信息，具有

明显的特征；这些特

征还受材料性质、应

力状态、应力大小及

环境因素影响。因此，

疲劳断口分析是研究

疲劳过程和失效原因

的重要方法之一。

典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区。

1、疲劳源：

是疲劳裂纹萌生的策源地。

①特征：一般在表面；光亮；一个或几个

②形成原因

经常在机件表面缺陷处：缺口、裂纹、刀痕、台肩、键槽等；脱碳、夹杂物、软点。

光亮：形成裂纹后的断面，在应力循环过程中不断摩擦挤压的结果（光亮、平滑）。

一个或多个：与应力状态有关。例单向弯曲有一个；双向弯曲有二个。

2、疲劳裂纹扩展区：

①特征：

贝纹线（海滩花样）

贝纹线是以疲劳源为圆心的一簇同心圆弧；间距不同，近源者密，远源者疏。

贝纹线的宽窄不同。与过载程度、材质有关，过载大、韧性差的线粗而不明显。

垂线为裂纹扩展方向。

②形成原因：载荷变化引起的。如：开启和停歇、改变频率、偶然过载等。（实验室的断口因载荷平稳而难以看到）。

③影响：

拉压变动载荷：无应力集中时，裂纹等速扩展，平行的圆弧

有应力集中时，贝纹线沿表面扩展快。

弯曲循环载荷：因表面应力高，贝纹线与缺口机件类似。

当材料脆性增加时，贝纹线不明显，甚至消失。

3、瞬时断裂区：

①特征：同静载断口。脆材为结晶状，韧材为纤维状、暗灰色、边沿有剪切唇。

②形成原因：随裂纹扩展，当a＝a

c 时，K

Ⅰ

= K

ⅠC

,裂纹将失稳扩展，形成瞬断区。

③影响：

一般在疲劳源对侧

旋转弯曲时，瞬断区的位置沿逆旋转方向偏转一定角度。

应力大，瞬断区便大。

材质韧性差，为结晶状断口；韧性好则在中间平面应变区为放射状或人字纹，边沿为剪切唇。

扭转循环载荷：均看不见贝纹线

正断：与轴线呈45°角，锯齿状或星形状。

切断：┴轴向

综上所述，对于韧性材料，一般三个区均可较明显；脆性材料，整个断口齐平光亮，三个区用肉眼难以观察到。

四、疲劳断口的微观特征——疲劳辉纹（疲劳条带、疲劳条纹）

①疲劳辉纹主要有：塑性辉纹和脆性辉纹（解理辉纹）两种。

②两种辉纹的区别：脆性辉纹出现在解理平面上，河流花样的放射线和辉纹相交并近似垂直。

③有些疲劳断口上看不到疲劳辉纹。

④贝纹线和疲劳辉纹的区别：

贝纹线是交变应力的频率、幅度变化或载荷停歇等原因造成的。形成原因不同。

疲劳辉纹是一次交变应力循环使裂纹尖端塑性钝化形成的。

二者可以同时出现，也可以不同时出现。有时在宏观断口上看不到贝纹线；

在电子显微镜下也不一定看到疲劳辉纹。

第二节高周疲劳试验

疲劳抗力指标主要有：疲劳极限、过载持久值、过载损伤界、疲劳缺口敏感度。

一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限

（一）疲劳曲线和疲劳极限

金属承受的最大交变应力与断裂时应力交变次数（循环次数，即疲劳寿命）有直接关－logN之间的关系曲线，称为疲劳曲线。是疲劳应力与疲劳寿命之间的关系。为此用σ

max

系曲线，即S-N曲线。又称维勒曲线。

分两类：曲线上有明显的水平部分。碳钢、合金钢、球铁等属于此类。试样可以经受

。试无限次应力循环也不发生疲劳断裂的最大应力称为疲劳极限。记为σ

-1验时常用循环周次为107也不断裂的应力。

没有水平部分。铝合金、不锈钢、高强度钢。（条件疲劳强度）（二）疲劳曲线及疲劳极限的测定

1、方法及特点：常用旋转弯

曲疲劳试验。试验机结构简单、

操作方便，应用广泛。

2、试验方法：用成组试验法，

用升降法测定疲劳极限。即分侧

斜线部分（每应力水平有5～6个

试样）和水平部分（用升降法，

不少于13个试样）。数据处理

二、抗疲劳过载能力

实际机件在服役过程中不可

避免地要受到短时偶然过载荷的

作用，如汽车、拖拉机的紧急刹

车、突然启动等。

过载持久值和过载损伤界

过载损伤界越陡直，过载损伤区越窄，材料抵抗过载的能力越好。

过载持久值——即疲劳曲线上的斜线，表示高于疲劳极限的应力下直到断裂所能经受最大的应力循环周次。此曲线越陡直，表示在相同的过载荷下能经受的应力循环周次多，即过载抗力越高。

第四节低周疲劳

一、热疲劳

1、定义：温度循环变化时产生的循环热应力及热应变作用下发生的疲劳，称为热疲劳。若温度循环和机械应力循环叠加所引起的疲劳，称为热机械疲劳。

2、产生热应力的条件：

温度变化：温度变化使材料产生膨胀。

机械约束：内部约束：机件截面存在温度差，一部分约束另一部分，产生热应力。

外部约束：如管道温度升高时，刚性支撑约束管道膨胀。

3、原因：热疲劳和热机械疲劳破坏也是塑性应变累积损伤的结果。

4、裂纹的形成与扩展：热疲劳裂纹在表面应力最大处形成，裂纹源有几个，裂纹的扩展方向垂直于表面，并向纵深方向扩展导致断裂。

热疲劳的特点是：龟裂。

5、影响因素：

材料的热性能（热传导、比热容等）、力学性能（弹性模量、屈服强度等）、密度、几何因素。简介热锻模具钢的化学成分要求。

6、提高热疲劳的抗力的主要途径：

①尽可能地减少，甚至消除应力集中和应变集中。②提高高温强度。③减小线膨胀系数，增加导热系数。④提高局部塑性，以迅速消除应力集中。

二、冲击疲劳

1、定义：是机件在重复冲击载荷作用下的疲劳断裂。

实际工作中，很少有仅经过一次或几次冲击就断裂的机件，即便是通常认为承受剧烈冲击载荷的机件，大多数是承受小能量的多次冲击才断裂。试验表明，当试样于破坏前承

受的冲击次数较少时（500～1000次），试样断裂的原因与一次冲击相同；当冲击次数>105次时。破坏具有典型的疲劳断口，属于疲劳断裂，即为冲击疲劳。

2、冲击疲劳曲线

与一般疲劳曲线相似，可以用冲击疲劳曲线确定冲击疲劳极限。材料的冲击疲劳抗力可用冲击疲劳极限和冲击能量下的冲断周次N或用要求的冲断次数时的冲击能量表示。因用冲击能量表示材料的冲击疲劳抗力简便，故应用广泛。

冲击疲劳试验是在多次冲击试验机上进行的。根据试验结果绘制冲击吸收功A－冲断次数N之间的关系曲线，如图5-35所示。可以看出，此曲线与低周疲劳曲线相似。

3、冲击疲劳的特点

试验表明，冲击疲劳抗力是一个取决于强度和塑性的综合性能，具有以下特点：

①冲击能量高时，材料的冲击疲劳抗力主要取决于塑性；冲击能量低时，材料的冲击疲劳抗力主要取决于强度。从此可以看出，不能仅根据工件承受冲击就要求高的冲击吸收功。

②不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合。淬火回火钢的冲击疲劳抗力随回火温

度的变化有一峰值，该峰值随冲击能量的增加向高温方向移动（见图5-36）。

③冲击韧度对冲击疲劳抗力的影响因材料的强度水平不同而异。

高强度钢和超高强度钢的塑性和冲击韧度对冲击疲劳抗力有较大影响。

（因其强度高、冲击韧度低，适当提高韧度对提高冲击疲劳抗力的影响较突出）中、低强度钢的塑性和冲击韧度对冲击疲劳抗力的影响较小。

（因其冲击韧度已经比较高，在增加A

值对提高冲击疲劳抗力已影响较不大）当

k

我被上帝造出来时，上帝问我想在人间当一个怎样的人，我不假思索的说，我要做一个伟大的世人皆知的人。于是，我降临在了人间。

我出生在一个官僚知识分子之家，父亲在朝中做官，精读诗书，母亲知书答礼，温柔体贴，父母给我去了一个好听的名字：李清照。

小时侯，受父母影响的我饱读诗书，聪明伶俐，在朝中享有“神童”的称号。小时候的我天真活泼，才思敏捷，小河畔，花丛边撒满了我的诗我的笑，无可置疑，小时侯的我快乐无虑。

“兴尽晚回舟，误入藕花深处。争渡，争渡，惊起一滩鸥鹭。”青春的我如同一只小鸟，自由自在，没有约束，少女纯净的心灵常在朝阳小，流水也被自然洗礼，纤细的手指拈一束花，轻抛入水，随波荡漾，发髻上沾着晶莹的露水，双脚任水流轻抚。身影轻飘而过，留下一阵清风。

可是晚年的我却生活在一片黑暗之中，家庭的衰败，社会的改变，消磨着我那柔弱的心。我几乎对生活绝望，每天在痛苦中消磨时光，一切都好象是灰暗的。“寻寻觅觅冷冷清清凄凄惨惨戚戚”这千古叠词句就是我当时心情的写照。

最后，香消玉殒，我在痛苦和哀怨中凄凉的死去。

在天堂里，我又见到了上帝。上帝问我过的怎么样，我摇摇头又点点头，我的一生有欢乐也有坎坷，有笑声也有泪水，有鼎盛也有衰落。我始终无法客观的评价我的一生。我原以为做一个着名的人，一生应该是被欢乐荣誉所包围，可我发现我错了。于是在下一轮回中，我选择做一个平凡的人。

我来到人间，我是一个平凡的人，我既不着名也不出众，但我拥有一切的幸福：我有温馨的家，我有可亲可爱的同学和老师，我每天平凡而快乐的活着，这就够了。

天儿蓝蓝风儿轻轻，暖和的春风带着春的气息吹进明亮的教室，我坐在教室的窗前，望着我拥有的一切，我甜甜的笑了。我拿起手中的笔，不禁想起曾经作诗的李清照，我虽然没有横溢的才华，但我还是拿起手中的笔，用最朴实的语言，写下了一时的感受：人生并不总是完美的，每个人都会有不如意的地方。这就需要我们静下心来阅读自己的人生，体会其中无尽的快乐和与众不同。

“富不读书富不久，穷不读书终究穷。”为什么从古到今都那么看重有学识之人？那是因为有学识之人可以为社会做出更大的贡献。那时因为读书能给人带来快乐。

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