材料力学性能材料疲劳
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材料力学性能-疲劳
材料力学性能
第九讲：材料在交变载荷下的力学行为(下)
2016-04-22
温故而知新：
交变载荷及其重要参数； 交变载荷下的材料力学行为：疲劳及疲劳损伤； 金属疲劳破坏的特点：
阶段分明、低应力、不可预测
S-N曲线； 疲劳缺口敏感度； 疲劳裂纹扩展速率，Paris方程，Forman方程。
本讲重点(第9讲)：材料在交变载荷下的力学行为
经验表明，若把总应变幅 ∆ε 分解为弹性应变幅 ∆εe 和塑性应变幅 ∆εp 时，二者 与循环次数的关系都可以近似用直线表示。
仿照静拉伸时的真应力-真应变表达式，循环应力-
应变中的塑性部分表达式可以写为：
σ
ห้องสมุดไป่ตู้
p
=
K ′
∆ε p 2
n′
K ′：循环应变的强度系数
n′ ：循环加载下的形变硬化指数，一般0.1～0.2。
∆ε e
2
=
σ ′f
E
(2N f
)b
由此，Manson-Coffin提出塑性应变幅∆εp/2和疲劳寿命2Nf的 关系：即Manson-Coffin方程 ：
循环软化：应变幅恒定条件下， 变形抗力随周次的增加而不断减小 、应变逐渐增加的现象。危险！
经验表明：
Manson等人根据大量试验结果，归纳出预测材料发生循环硬化或软化的判据 (一次拉伸σb/σ0.2)：当σb/σ0.2 >1.4时，材料发生硬化；当σb/σ0.2 <1.2时，材料发生 软化；比值介于1.2～1.4之间时，难以判断；
低周疲劳和高周疲劳：
低周疲劳特点： 交变载荷大； 塑性变形； 寿命短，只有几千次。
高周疲劳特点： 交变载荷小，频率高； 弹性变形； 寿命长； 蠕变为主。
第九讲：材料在交变载荷下的力学行为(下)
2016-04-22
温故而知新：
交变载荷及其重要参数； 交变载荷下的材料力学行为：疲劳及疲劳损伤； 金属疲劳破坏的特点：
阶段分明、低应力、不可预测
S-N曲线； 疲劳缺口敏感度； 疲劳裂纹扩展速率，Paris方程，Forman方程。
本讲重点(第9讲)：材料在交变载荷下的力学行为
经验表明，若把总应变幅 ∆ε 分解为弹性应变幅 ∆εe 和塑性应变幅 ∆εp 时，二者 与循环次数的关系都可以近似用直线表示。
仿照静拉伸时的真应力-真应变表达式，循环应力-
应变中的塑性部分表达式可以写为：
σ
ห้องสมุดไป่ตู้
p
=
K ′
∆ε p 2
n′
K ′：循环应变的强度系数
n′ ：循环加载下的形变硬化指数，一般0.1～0.2。
∆ε e
2
=
σ ′f
E
(2N f
)b
由此，Manson-Coffin提出塑性应变幅∆εp/2和疲劳寿命2Nf的 关系：即Manson-Coffin方程 ：
循环软化：应变幅恒定条件下， 变形抗力随周次的增加而不断减小 、应变逐渐增加的现象。危险！
经验表明：
Manson等人根据大量试验结果，归纳出预测材料发生循环硬化或软化的判据 (一次拉伸σb/σ0.2)：当σb/σ0.2 >1.4时，材料发生硬化；当σb/σ0.2 <1.2时，材料发生 软化；比值介于1.2～1.4之间时，难以判断；
低周疲劳和高周疲劳：
低周疲劳特点： 交变载荷大； 塑性变形； 寿命短，只有几千次。
高周疲劳特点： 交变载荷小，频率高； 弹性变形； 寿命长； 蠕变为主。
材料力学性能第五章_金属的疲劳
“彗星号”客机悲剧是世界航空史上首次发生的因金属 疲劳而导致飞机失事的事件，从此，在飞机设计中将结构 疲劳极限正式列入强度规范加以要求。
飞机舷窗
高速列车
5.1.3 疲劳宏观断口特征
疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记载着很多 断裂信息，具有明显的形貌特征，而这些特征又受材料 性质、应力状态、应力大小及环境因素的影响，因此对 疲劳断口的分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的 一种重要方法。 疲劳断裂经历了裂纹萌生和扩展过程。由于应力水平较 低，因此具有较明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段，相应
疲劳破坏属低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命 的预测就显得十分重要和必要。
对缺口、裂纹及组织等缺陷十分敏感，即对缺陷 具有高度的选择性。因为缺口或裂纹会引起应力 集中，加大对材料的损伤作用；组织缺陷(夹杂、 疏松、白点、脱碳等)，将降低材料的局部强度， 二者综合更加速疲劳破坏的起始与发展。
18
应力σmax/10MPa
40
20
灰铸铁
0 103 104
105
106
107
循环周次/次
108
109
41
图 几种材料的疲劳曲线
疲劳极限
有水平段（碳钢、合金结构钢、球铁等） 经过无限次应力循环也不发生疲劳断裂，将对应
的应力称为疲劳极限，记为σ-1（对称循环）
无水平段（铝合金、不锈钢、高强度钢等） 只是随应力降低，循环周次不断增大。此时，根 据材料的使用要求规定某一循环周次下不发生断 裂的应力作为条件疲劳极限。 例：高强度钢、铝合金和不锈钢：N＝108周次 钛合金：N＝107周次
大小：瞬断区大小与机件承受名义应力及材料性质 有关，高名义应力或低韧性材科，瞬断区大；反之。 瞬断区则小。
飞机舷窗
高速列车
5.1.3 疲劳宏观断口特征
疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记载着很多 断裂信息，具有明显的形貌特征，而这些特征又受材料 性质、应力状态、应力大小及环境因素的影响，因此对 疲劳断口的分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的 一种重要方法。 疲劳断裂经历了裂纹萌生和扩展过程。由于应力水平较 低，因此具有较明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段，相应
疲劳破坏属低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命 的预测就显得十分重要和必要。
对缺口、裂纹及组织等缺陷十分敏感，即对缺陷 具有高度的选择性。因为缺口或裂纹会引起应力 集中，加大对材料的损伤作用；组织缺陷(夹杂、 疏松、白点、脱碳等)，将降低材料的局部强度， 二者综合更加速疲劳破坏的起始与发展。
18
应力σmax/10MPa
40
20
灰铸铁
0 103 104
105
106
107
循环周次/次
108
109
41
图 几种材料的疲劳曲线
疲劳极限
有水平段（碳钢、合金结构钢、球铁等） 经过无限次应力循环也不发生疲劳断裂，将对应
的应力称为疲劳极限，记为σ-1（对称循环）
无水平段（铝合金、不锈钢、高强度钢等） 只是随应力降低，循环周次不断增大。此时，根 据材料的使用要求规定某一循环周次下不发生断 裂的应力作为条件疲劳极限。 例：高强度钢、铝合金和不锈钢：N＝108周次 钛合金：N＝107周次
大小：瞬断区大小与机件承受名义应力及材料性质 有关，高名义应力或低韧性材科，瞬断区大；反之。 瞬断区则小。
金属材料的力学性能及测定材料的韧性和疲劳强度
韧性是指金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。 根据功能原理可知：摆锤冲断试样所消耗的功 AK=mgh1-mgh2。AK称为冲击吸收功，单位焦耳（J）， 用AK除以试样缺口处的横截面积Ｓ所得的商即为该材料 的冲击韧度，用符号αK表示，即：
1-2
1.3.1 韧性简介
冲击吸收功AK与温度有关，见右下图所示。韧脆转变温 度越低，材料的低温抗冲击性能越好。
1-3
1.3.1 韧性简介
2、多冲抗力 金属材料抵抗小能量多次冲击的能力叫做多冲抗力。
多冲抗力可用在一定冲击能量下的冲断周次N表示。 材料的多冲抗力取决于材料强度与韧性的综合力学
性能，冲击能量高时，主要取决于材料的韧性；冲击 能量低时，主要决定于强度。
1-4
本课题重点与难点
教
学 重
韧性指标的表示方法和实际应用。
点
教
学Leabharlann 疲劳的概念、表示难方法、提高疲劳强度措施。
点
1-1
1.3.1 韧性简介
外力的瞬时冲击作用所引起的变形和应力比静载荷大得 多，因此在设计承受冲击载荷的零件和工具时，不仅要满足 强度、塑性、硬度等性能要求，还必须有足够的韧性。 1、冲击吸收功
1-2
1.3.1 韧性简介
冲击吸收功AK与温度有关，见右下图所示。韧脆转变温 度越低，材料的低温抗冲击性能越好。
1-3
1.3.1 韧性简介
2、多冲抗力 金属材料抵抗小能量多次冲击的能力叫做多冲抗力。
多冲抗力可用在一定冲击能量下的冲断周次N表示。 材料的多冲抗力取决于材料强度与韧性的综合力学
性能，冲击能量高时，主要取决于材料的韧性；冲击 能量低时，主要决定于强度。
1-4
本课题重点与难点
教
学 重
韧性指标的表示方法和实际应用。
点
教
学Leabharlann 疲劳的概念、表示难方法、提高疲劳强度措施。
点
1-1
1.3.1 韧性简介
外力的瞬时冲击作用所引起的变形和应力比静载荷大得 多，因此在设计承受冲击载荷的零件和工具时，不仅要满足 强度、塑性、硬度等性能要求，还必须有足够的韧性。 1、冲击吸收功
材料力学性能-第五章-金属的疲劳(2)
2021年10月21日 星期四
材料 qf
第五章 金属的疲劳
表5-3 部分材料的qf值
结构钢
粗晶钢 球墨铸铁
0.6~0.8
0.1~0.2 0.11~0.25
灰铸铁 qf<0.05
钢经热处理后强度增加， qf增加。 高周疲劳时，大多数金属对缺口都十分敏
感，在低周疲劳时，对缺口的敏感性较小，主要 是因为低周疲劳时缺口根部已处于塑性区内，产 生了应力松弛，降低了应力集中。
2021年10月21日 星期四
第五章 金属的疲劳
过载持久值
金属材料在高于疲劳极限的
应力下运行时，发生疲劳断裂的
循环周次称为材料的过载持久值，R
也称有限疲劳寿命，它表征了材 料对过载的抗力。
N
图5-12 过载持久值
曲线越陡，过载持久值越高，说明材料在相同 的过载荷下能承受的应力循环周次越多，材料的抗 过载能力越强。
AB曲线上任一点： tan max 2 m 1 r
因此只要知道了r，求得，从O作相应连线 OH，H点的纵坐标即为所求的疲劳极限。
H
A
B
O
m
45
C
min max(min)—m图
AB曲线是不同r下的max，AC曲线是不同r下 的min。此图是脆性材料的疲劳图，对于塑性材料， 应该用屈服强度0.2进行修正。
此题中，m=13，n=4，
故R=1/13× (2×546＋5×519＋5×492＋1×464)=508MPa
2021年10月21日 星期四
第五章 金属的疲劳
测定时注意两个问题：
第一级应力水平要略高于预计的疲劳极限。对于钢
材，R≈0.45b~ 0.5b，建议取1＝0.5b。应力增量 一般为预计疲劳极限的3％~5％，钢材取
材料力学性能-第五章-其它疲劳类型(1)
第五章 金属的疲劳
不论是循环硬化材料还是循环软化
材料，应力－应变回线只有在循环周次
达到一定值后才是闭合的—达到稳定状
态。对于每一个固定的应变幅，都能得
到相应的稳定的滞后回线，将不同应变
幅的稳定滞后回线的顶点连接起来，就
得到图5-47所示的循环应力－应变曲线。
2021年10月21日 星期四
第五章 金属的疲劳
时控制材料疲劳行为的已不是名义应力，而是塑
性变形区的循环塑性应变，所以，低周疲劳实质
上是循环塑性应变控制下的疲劳。
2021年10月21日 星期四
第五章 金属的疲劳
由于塑性变形的存在，应力
B
应变之间不再呈直线关系，
A
循环稳定后形成如图5-44所 示的封闭回线。
E
C
O
开始加载：O A B；
卸载：B C； 反向加载：C D； 反向卸载：D E； 再次拉伸：E B；
从而产生循环硬化。在冷加工后的金属中，充
满位错缠结和障碍，这些障碍在循环加载中被
破坏，或在一些沉淀强化不稳定的合金中，由
于沉淀结构在循环加载中被破坏均可导致循环
软化。
2021年10月21日 星期四
第五章 金属的疲劳
二、低周疲劳的应变－寿命(-N)曲线
低周疲劳时总应变幅t包括弹性应变幅e和
塑性应变幅p，即t＝e＋p。Manson和Coffin
2021年10月21日 星期四
第五章 金属的疲劳
在双对数坐标图上，上式等号右端两项是两条
直线，分别代表弹性应变幅-寿命线和塑性应变幅
寿命线，两条直线叠加成总应变幅-寿命线，如图5-
48所示。
直线交点对应的寿命称为过渡寿 命。交点左侧塑性应变幅起主导作 用，材料疲劳寿命由塑性控制；交 点右侧弹性应变幅起主导作用，材 料疲劳寿命由强度决定。因此，在 选择材料和确定工艺时，要弄清机 件承受哪一类疲劳。
材料力学性能总结3
2020/5/4
2.磨损量的估算：J.F.Archard提出了粘着磨损量 估算方法。
在摩擦副接触处为三向压缩应力状态，其
接触压缩屈服强度近似为单向压缩屈服强度sc
的三倍。
设真实接触面积为A，接触压缩屈服强度为3sc，
作用于表面上的法向力为P 。假定磨屑呈半球 形，直径为d，任一瞬时有n个粘着点，设所有
粘着点的尺寸相同，直径为d，则：
2020/5/4
p
n d 2
4
3 sc
单位滑动距离内的接触点数
N
n d
4p
3scd 3
W
KNV' L
K
4p
3scd 3
2
3
d 2
3
L
K
pL
9 sc
K
pL 3H
接触点半球体积
V
'
2
d
3
3 2
H 3 sc
磨屑形成有个几率问题，几率为K --粘着磨 损系数 ，随压力增大而增加。
二、 表面强化及残余应力的影响
表面热处理及表面化学热处理：
整体加热(低淬透性钢、薄壳件) 利 表面淬火 火焰加热
用组织
相变获得表
感应加热
面强化，可使机
渗碳
件获得表硬心韧的 表面化学热处理
良好综合性能，可利用 组织相变及组织应力、热应
渗氮 碳氮共渗
力的变化，使机件表层获得很 高的强度和残余压应力。
复合强化
铁qf＝0-0.05。 • （铸铁中石墨片尺寸一般大于临界裂纹扩展尺
寸，再有缺口影响不大）
2020/5/4
• 第三节 疲劳裂纹扩展速率 a
及扩展门槛值
ac1
2.磨损量的估算：J.F.Archard提出了粘着磨损量 估算方法。
在摩擦副接触处为三向压缩应力状态，其
接触压缩屈服强度近似为单向压缩屈服强度sc
的三倍。
设真实接触面积为A，接触压缩屈服强度为3sc，
作用于表面上的法向力为P 。假定磨屑呈半球 形，直径为d，任一瞬时有n个粘着点，设所有
粘着点的尺寸相同，直径为d，则：
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p
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3 sc
单位滑动距离内的接触点数
N
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3scd 3
W
KNV' L
K
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3scd 3
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9 sc
K
pL 3H
接触点半球体积
V
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2
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3 2
H 3 sc
磨屑形成有个几率问题，几率为K --粘着磨 损系数 ，随压力增大而增加。
二、 表面强化及残余应力的影响
表面热处理及表面化学热处理：
整体加热(低淬透性钢、薄壳件) 利 表面淬火 火焰加热
用组织
相变获得表
感应加热
面强化，可使机
渗碳
件获得表硬心韧的 表面化学热处理
良好综合性能，可利用 组织相变及组织应力、热应
渗氮 碳氮共渗
力的变化，使机件表层获得很 高的强度和残余压应力。
复合强化
铁qf＝0-0.05。 • （铸铁中石墨片尺寸一般大于临界裂纹扩展尺
寸，再有缺口影响不大）
2020/5/4
• 第三节 疲劳裂纹扩展速率 a
及扩展门槛值
ac1
机械制造基础3_材料的力学性能指标
机械制造基础3_材料的力学性能指标材料的力学性能指标是指材料在力学加载下的表现和性能参数，用来评估材料的强度、刚度、韧性、耐磨性、抗疲劳性等。
以下将介绍常见的材料力学性能指标。
1.强度：材料的强度指的是其所能承受的最大应力。
常见的强度指标有屈服强度、抗拉强度、抗压强度等。
屈服强度是材料在弹性阶段的抗拉、抗压应力，即在材料开始发生塑性变形之前所能承受的应力。
抗拉强度是材料在拉伸过程中所能承受的最大应力，抗压强度是材料在受压过程中的最大应力。
2.刚度：材料的刚度指的是其抵抗变形的能力。
常见的刚度指标有弹性模量、切变模量等。
弹性模量是材料在弹性阶段的刚度大小，可以描述材料在拉伸或压缩时的回复能力。
切变模量是材料在剪切变形时的刚度大小，可以衡量材料的抗扭转能力。
3.韧性：材料的韧性指的是其在断裂前能够吸收的能量。
常见的韧性指标有延伸率、冲击韧性、断裂伸长率等。
延伸率表示材料在受拉时能够延长的程度，冲击韧性表示材料在受冲击载荷下的抵抗性能，断裂伸长率是材料在断裂前拉伸的长度与初始长度之比。
4.耐磨性：材料的耐磨性指的是其抗磨损能力。
常见的耐磨性指标有硬度、摩擦系数等。
硬度表示材料抵抗表面划伤、模具磨损等形变的能力，摩擦系数表示材料表面与其他物体接触时的磨擦阻力。
5.抗疲劳性：材料的抗疲劳性指的是其抵抗循环加载下疲劳破坏的能力。
常见的抗疲劳性指标有疲劳极限、疲劳寿命等。
疲劳极限是材料在疲劳加载下所能承受的最大应力，疲劳寿命表示材料在循环加载下能够承受的加载次数。
除了上述指标外，材料还有其他性能指标，如导热性能、热膨胀系数、电导率等，这些性能指标主要用于材料的特殊应用领域。
总而言之，材料的力学性能指标是评估材料力学特性的重要依据，不同的材料具有不同的力学性能指标，根据具体应用需求选择合适的材料和合适的力学性能指标是非常重要的。
材料力学性能
材料力学性能材料力学性能是指材料在受力作用下的表现，它是材料工程中最基本也是最重要的性能。
其特征可以通过材料的塑性、弹性、韧性、疲劳强度等描述。
一、塑性塑性是指材料在外力作用下，由于内部构造结构的变形而产生的变形能力。
材料受到足够大的外力时，会发生变形，并能保持变形状态。
当外力消失时，材料也可以恢复原来的形状。
塑性可以用弹性模量来衡量，单位为常用的GPa（千兆帕）或Mpa（兆帕）。
二、弹性弹性是指材料在外力作用下，由于内部构造结构的恢复能力而产生的恢复能力。
材料受到外力时，会发生变形，但当外力消失时，材料可以完全恢复原始形状。
弹性可以用弹性模量来衡量，单位为常用的GPa（千兆帕）或Mpa（兆帕）。
三、韧性韧性是指材料在受力作用下，由于内部构造结构的自我修复能力而产生的恢复能力。
当材料受到外力时，会发生变形，但当外力消失时，材料可以恢复部分原始形状。
韧性可以用韧性模量来衡量，单位为常用的GPa （千兆帕）或Mpa（兆帕）。
四、疲劳强度疲劳强度是指材料在受力作用下，由于内部构造结构的疲劳破坏而产生的抗疲劳能力。
当材料受到外力时，会逐渐发生疲劳破坏，最终导致破坏。
疲劳强度可以用抗疲劳模量来衡量，单位为常用的GPa（千兆帕）或Mpa（兆帕）。
五、吸能量吸能量是指材料在受力作用下，由于内部构造结构的吸收能力而产生的吸收能力。
当材料受到外力时，会吸收一定的能量，这就是材料的吸能量。
吸能量可以用吸能量模量来衡量，单位为J/m3。
材料力学性能是材料性能的基础，它可以直接反映出材料的物理性质，并且可以用来衡量材料的强度、硬度等性能。
正确理解材料力学性能，可以为材料工程应用提供重要参考。
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二、疲劳现象及特点
1. 分类 疲劳定义：机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。 (1) 按应力状态不同，可分为：弯曲疲劳、扭转疲劳、
挤压疲劳、复合疲劳 (2) 按环境及接触情况不同，可分为：大气疲劳、腐
蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳 (3) 按断裂寿命和应力高低不同，可分为：高周疲劳、
19
第一节 金属疲劳现象及特点
（2）疲劳区
是疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域，该区是判断疲劳 断裂的重要特征依据。
宏观特征：断口比较光滑并分布有贝纹线（或海滩花样）。 断口光滑是疲劳源区域的延续，但其程度随裂纹向前扩展
逐渐减弱。 贝纹线是疲劳区的最大特征，一般是由载荷变动引起的，
如机器运转时的开动和停歇。
低周疲劳，这是最基本的分类方法
12
第一节 金属疲劳现象及特点
高周疲劳特点：断裂寿命较长，Nf>105周次，断裂应 力水平较低，σ<σs，也称低应力疲劳，一般常见的疲 劳都属于此类。
低周疲劳特点：断裂寿命较短，Nf=（104-105）周次， 断裂应力水平较高，σ≥σs，往往有塑性应变出现，也 称高应力疲劳或应变疲劳。
23
第一节 金属疲劳现象及特点
24
第一节 金属疲劳现象及特点
2024Al合金疲劳条纹
25
多源疲劳
26
疲劳线的形成
名义应力定义：是一种等效应力，它等于作用于结构 上的力与等效作用面积的比值，等效作用面积是人为 定义的，不一定是力的实际作用面积。
名义应力较高时，因疲劳源有多个，裂纹从表面同时 向内扩展，其瞬断区就移向中心位置。
瞬断区的大小和机件名义应力及材料性质有关，若名 义应力较高或材料韧性较差，则瞬断区就较大，反之 瞬断区则较小。
主讲人: 张宁
1
第五章 金属的疲劳
一、金属疲劳现象及特点 二、疲劳曲线及基本疲劳力学性能 三、疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 四、疲劳过程及机理 五、影响疲劳强度的主要因素 六、低周疲劳
2
第五章 金属的疲劳
引言 • 材料构件在变动应力和应变的长期作用下，由于
累积损伤而引起的断裂的现象——疲劳。 • 疲劳属低应力循环延时断裂，其断裂应力水平往
15
第一节 金属疲劳现象及特点
三、疲劳宏观断口特征
16
疲劳断口特征 疲劳微观断口特征
疲劳源 扩展区 瞬断区
17
第一节 金属疲劳现象及特点 疲劳断裂的宏观特征
18
第一节 金属疲劳现象及特点
（1）疲劳源
在断口上，疲劳源一般在机件表面，常与缺口、裂纹、刀 痕、蚀坑等缺陷相连，由于应力不集中会引发疲劳裂纹。 金属的疲劳
6
第一节 金属疲劳现象及特点
一、变动载荷
1. 变动载荷 定义：变动载荷是引
起疲劳破坏的外力， 指载荷大小，甚至方 向均随时间变化的载 荷，在单位面积上的 平均值为变动应力。
7
第一节 金属疲劳现象及特点
随机载荷 偶然过载对疲劳性能影响很大
8
第一节 金属疲劳现象及特点
2. 循环应力
(1) 对称交变应力 (2) 脉动应力 (3) 波动应力 (4) 不对称交变应力
9
第一节 金属疲劳现象及特点
•最大应力σmax •最小应力σmin •平均应力σm •应力幅σa ＝0.5*（σmax-σmin） •应力比R ＝σmin/σmax •应力循环频率f ＝1/T
10
11
第一节 金属疲劳现象及特点
口一样，随材料的性质而变： 脆性材料为结晶状断口， 韧性材料在中间平面应变区为放射状或人字纹断口，
在边缘平面应力区为剪切唇。
22
第一节 金属疲劳现象及特点
瞬断区位置一般应在疲劳源的对侧，但对于旋转弯曲 来说，低名义应力光滑机件，其瞬断区位置逆旋转方 向偏转一定角度，这是因为疲劳裂纹旋转方向扩展快 的结果。
20
第一节 金属疲劳现象及特点
21
第一节 金属疲劳现象及特点
（3）瞬断区
是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域 在疲劳裂纹亚稳扩展阶段，随着应力不断循环，裂纹
尺寸不断长大， 当度裂KI达纹到长材大料到的临断界裂尺韧寸度acK时IC，（因K裂C）纹，尖则端裂的纹应失力稳场快强速
扩展，导致机件最后瞬时断裂。 宏观特征：断口比疲劳区粗糙，同静载的裂纹件的断
因此，疲劳是一种潜在的突发性断裂。
14
第一节 金属疲劳现象及特点
（3）疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感 由于疲劳破坏是从局部开始的，所以它对缺陷具有
高度的选择性。 缺口和裂纹因应力集中增大对材料的损伤作用，组
织缺陷（夹杂、疏松、白点、脱碳等）降低材料的 局部强度，三者都加快了疲劳破坏的开始和发展。
材料内部存在严重冶金缺陷时，因局部强度降低也会在机 件内部产生疲劳源。
从断口形貌看，疲劳源区的光亮度最大，因为这里是整个 裂纹亚稳扩展过程中断面不断摩擦挤压，所以显示光亮平 滑。
当断口中同时存在几个疲劳源时，可根据源区的光亮度、 相邻疲劳区的大小、贝纹线的密度去确定疲劳源的产生顺 序。
源区的光亮度越大、相邻疲劳区越大、贝纹线越多，疲劳 源越先产生，反之，疲劳源越往后产生。
往<σb，甚至<σs； • 不产生明显的塑性变形，呈现突然的脆断。疲劳
断裂是一种非常危险的断裂。 • 工程中研究疲劳的规律、机理、力学性能指标、
影响因素等，具有重要的意义。
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第五章 金属的疲劳
本章从材料学的角度研究金属疲劳的一 般规律、疲劳破坏过程及机理、疲劳力 学性能及其影响因素，
以便为疲劳强度设计和选用材料，改进 工艺提供基础知识。
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第一节 金属疲劳现象及特点
2. 特点
（1）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的 断裂
断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至低于屈服强 度。
断裂寿命随应力不同而变化，应力高寿命短，应力低寿 命长。
当应力低于某一临界值时，寿命可达无限长。
（2）疲劳是脆性断裂
由于一般疲劳的应力水平比屈服强度低，所以不论是韧 性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前不会发生塑性变形 及有形变预兆，它是在长期累积损伤过程中，经裂纹萌 生和缓慢亚稳扩展到临界尺寸ac时才突然发生的。
1. 分类 疲劳定义：机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。 (1) 按应力状态不同，可分为：弯曲疲劳、扭转疲劳、
挤压疲劳、复合疲劳 (2) 按环境及接触情况不同，可分为：大气疲劳、腐
蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳 (3) 按断裂寿命和应力高低不同，可分为：高周疲劳、
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第一节 金属疲劳现象及特点
（2）疲劳区
是疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域，该区是判断疲劳 断裂的重要特征依据。
宏观特征：断口比较光滑并分布有贝纹线（或海滩花样）。 断口光滑是疲劳源区域的延续，但其程度随裂纹向前扩展
逐渐减弱。 贝纹线是疲劳区的最大特征，一般是由载荷变动引起的，
如机器运转时的开动和停歇。
低周疲劳，这是最基本的分类方法
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第一节 金属疲劳现象及特点
高周疲劳特点：断裂寿命较长，Nf>105周次，断裂应 力水平较低，σ<σs，也称低应力疲劳，一般常见的疲 劳都属于此类。
低周疲劳特点：断裂寿命较短，Nf=（104-105）周次， 断裂应力水平较高，σ≥σs，往往有塑性应变出现，也 称高应力疲劳或应变疲劳。
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第一节 金属疲劳现象及特点
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第一节 金属疲劳现象及特点
2024Al合金疲劳条纹
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多源疲劳
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疲劳线的形成
名义应力定义：是一种等效应力，它等于作用于结构 上的力与等效作用面积的比值，等效作用面积是人为 定义的，不一定是力的实际作用面积。
名义应力较高时，因疲劳源有多个，裂纹从表面同时 向内扩展，其瞬断区就移向中心位置。
瞬断区的大小和机件名义应力及材料性质有关，若名 义应力较高或材料韧性较差，则瞬断区就较大，反之 瞬断区则较小。
主讲人: 张宁
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第五章 金属的疲劳
一、金属疲劳现象及特点 二、疲劳曲线及基本疲劳力学性能 三、疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 四、疲劳过程及机理 五、影响疲劳强度的主要因素 六、低周疲劳
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第五章 金属的疲劳
引言 • 材料构件在变动应力和应变的长期作用下，由于
累积损伤而引起的断裂的现象——疲劳。 • 疲劳属低应力循环延时断裂，其断裂应力水平往
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第一节 金属疲劳现象及特点
三、疲劳宏观断口特征
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疲劳断口特征 疲劳微观断口特征
疲劳源 扩展区 瞬断区
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第一节 金属疲劳现象及特点 疲劳断裂的宏观特征
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第一节 金属疲劳现象及特点
（1）疲劳源
在断口上，疲劳源一般在机件表面，常与缺口、裂纹、刀 痕、蚀坑等缺陷相连，由于应力不集中会引发疲劳裂纹。 金属的疲劳
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第一节 金属疲劳现象及特点
一、变动载荷
1. 变动载荷 定义：变动载荷是引
起疲劳破坏的外力， 指载荷大小，甚至方 向均随时间变化的载 荷，在单位面积上的 平均值为变动应力。
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第一节 金属疲劳现象及特点
随机载荷 偶然过载对疲劳性能影响很大
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第一节 金属疲劳现象及特点
2. 循环应力
(1) 对称交变应力 (2) 脉动应力 (3) 波动应力 (4) 不对称交变应力
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第一节 金属疲劳现象及特点
•最大应力σmax •最小应力σmin •平均应力σm •应力幅σa ＝0.5*（σmax-σmin） •应力比R ＝σmin/σmax •应力循环频率f ＝1/T
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第一节 金属疲劳现象及特点
口一样，随材料的性质而变： 脆性材料为结晶状断口， 韧性材料在中间平面应变区为放射状或人字纹断口，
在边缘平面应力区为剪切唇。
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第一节 金属疲劳现象及特点
瞬断区位置一般应在疲劳源的对侧，但对于旋转弯曲 来说，低名义应力光滑机件，其瞬断区位置逆旋转方 向偏转一定角度，这是因为疲劳裂纹旋转方向扩展快 的结果。
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第一节 金属疲劳现象及特点
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第一节 金属疲劳现象及特点
（3）瞬断区
是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域 在疲劳裂纹亚稳扩展阶段，随着应力不断循环，裂纹
尺寸不断长大， 当度裂KI达纹到长材大料到的临断界裂尺韧寸度acK时IC，（因K裂C）纹，尖则端裂的纹应失力稳场快强速
扩展，导致机件最后瞬时断裂。 宏观特征：断口比疲劳区粗糙，同静载的裂纹件的断
因此，疲劳是一种潜在的突发性断裂。
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第一节 金属疲劳现象及特点
（3）疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感 由于疲劳破坏是从局部开始的，所以它对缺陷具有
高度的选择性。 缺口和裂纹因应力集中增大对材料的损伤作用，组
织缺陷（夹杂、疏松、白点、脱碳等）降低材料的 局部强度，三者都加快了疲劳破坏的开始和发展。
材料内部存在严重冶金缺陷时，因局部强度降低也会在机 件内部产生疲劳源。
从断口形貌看，疲劳源区的光亮度最大，因为这里是整个 裂纹亚稳扩展过程中断面不断摩擦挤压，所以显示光亮平 滑。
当断口中同时存在几个疲劳源时，可根据源区的光亮度、 相邻疲劳区的大小、贝纹线的密度去确定疲劳源的产生顺 序。
源区的光亮度越大、相邻疲劳区越大、贝纹线越多，疲劳 源越先产生，反之，疲劳源越往后产生。
往<σb，甚至<σs； • 不产生明显的塑性变形，呈现突然的脆断。疲劳
断裂是一种非常危险的断裂。 • 工程中研究疲劳的规律、机理、力学性能指标、
影响因素等，具有重要的意义。
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第五章 金属的疲劳
本章从材料学的角度研究金属疲劳的一 般规律、疲劳破坏过程及机理、疲劳力 学性能及其影响因素，
以便为疲劳强度设计和选用材料，改进 工艺提供基础知识。
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第一节 金属疲劳现象及特点
2. 特点
（1）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的 断裂
断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至低于屈服强 度。
断裂寿命随应力不同而变化，应力高寿命短，应力低寿 命长。
当应力低于某一临界值时，寿命可达无限长。
（2）疲劳是脆性断裂
由于一般疲劳的应力水平比屈服强度低，所以不论是韧 性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前不会发生塑性变形 及有形变预兆，它是在长期累积损伤过程中，经裂纹萌 生和缓慢亚稳扩展到临界尺寸ac时才突然发生的。