材料力学性能 金属的疲劳
金属的疲劳
金属的疲劳实际工作中构件，一般工作于变动的应力状态，称之为动载。
§1金属的疲劳现象一、变动载荷及应力循环1．变动载荷——大小、方向随时间变化而变化的载荷①周期性的：②无规则的：长期、长周期来看也可能成为有规则的和周期性的2．应力循环（周期性）描述（参数）特性物理量：σmax，σmin；平均应力σm=（σmax+σmin）/2；应力半辐σ a =（σmax-σmin）/2；应力循环对称系数（应力比)：r = σmin/σmax；对称应力循环：r =-1 轴类构件所有r≠-1的应力循环均叫不对称应力循环脉动应力循环：r = 0齿轮类构件二、金属的疲劳现象及特点：1．疲劳：构件在变动载荷作用下，经一定时间工作后，因细微损伤的累积而造成构件断裂的现象，叫疲劳断裂。
2．特点：①应力处于变动状态；②低的工作应力值：无论材料是塑性还是脆性的，在静载下的断裂表现为脆性还是韧性，在疲劳断裂时其宏观表现均无明显塑性变形，表现为低应力脆断，一般工作应力远低于σ甚至远低于σp和σe，断裂常常是突然发生的，具有0.2隐蔽性和危害大的特点；③时间性损伤积累性：客观上表现为具有一定的使用寿命或一定的应力循环周次（Nf）；一般地并不一定要求Nf = ∞，只须Nf大于某要求值即可。
常规正常情况下使用而断裂的工程构件，绝大多数破断是由疲劳引起，其原因：①工作应力不可能永久恒定；、σe或σp；②正常工作应力一般较低，其设计均低于σ0.2③一次性破断常于厂内质检时或第一次使用时即发生，为质量不合格产品，不属于正常使用状态。
对于疲劳断裂还需要注意的是：1）Nf与工作应力σ有密切关系；2）为裂纹的萌生、扩展过程，即所谓的损伤积累过程；指工作构件常为带裂纹工作体，其裂纹扩展的主过程为亚临界扩展，在工作时裂纹因应力循环而逐步亚稳扩展，直至其最终连接部分不能承受（KI ≥KI C）而最后快速扩展而断裂。
这就提出一种工作的安全模式：含正在扩展的裂纹的工程构件可能是安全的，其使用寿命是可能估算的。
材料力学性能第五章_金属的疲劳
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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-疲劳强度
金属材料的力学性能-疲劳强度疲劳强度：机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。
在交变应力的作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。
疲劳强度是指金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。
实际上，金属材料并不可能作无限多次交变载荷试验。
一般试验时规定，钢在经受107次、非铁（有色）金属材料经受108次交变载荷作用时不产生断裂时的最大应力称为疲劳强度。
疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。
据统计，在机械零件失效中大约有80%以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故，所以对于轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等承受交变载荷的零件要选择疲劳强度较好的材料来制造。
金属材料的力学性能及测定材料的韧性和疲劳强度
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。
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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
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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
金属疲劳及加工硬化对金属材料力学性能的影响
金属疲劳及加工硬化对金属材料力学性能的影响金属材料是广泛应用于各个行业的重要材料之一。
然而，在长时间的使用过程中，金属材料会出现疲劳现象，从而对其力学性能产生影响。
另外，金属加工过程中的硬化也是影响金属材料力学性能的重要因素之一。
本文将探讨金属疲劳及加工硬化对金属材料力学性能的影响。
一、金属疲劳对金属材料力学性能的影响金属材料在长期的应力作用下，会发生疲劳现象。
疲劳现象表现为金属材料在应力远小于抗拉强度或屈服强度时也会出现裂纹、剥落等损伤。
其中，金属材料的疲劳断裂是最常见的一种损伤形式。
疲劳断裂会对金属材料的力学性能产生直接而严重的影响。
首先，疲劳断裂会降低金属材料的强度和韧性。
经过疲劳断裂的金属材料，其抗拉强度和屈服强度会显著下降。
此外，疲劳断裂后的金属材料断面往往会出现粗糙的裂纹，导致材料的韧性也会大幅减弱。
其次，疲劳断裂还会导致金属材料的松弛和变形。
经过疲劳断裂的金属材料内部组织结构会出现变形和损伤，导致其在应力加载下产生松弛和变形的现象。
这些现象进一步降低了金属材料的强度和韧性。
总之，疲劳断裂在金属材料的应用过程中是非常重要的问题。
它对金属材料的实际使用寿命和力学性能产生了深远的影响。
因此，在金属材料设计和使用过程中，必须要考虑到疲劳效应对其性能的影响。
二、加工硬化对金属材料力学性能的影响金属材料在加工过程中，通常会经历锤击、折弯、冷镦、冲压等加工过程。
在这些加工过程中，金属材料会发生加工硬化现象。
加工硬化通常是通过加工应力改变材料的晶体结构，从而使其变得更加坚硬而耐用。
然而，加工硬化也会对金属材料的力学性能产生影响。
首先，加工硬化会降低金属材料的塑性。
在经过加工硬化的金属材料中，晶粒的尺寸变小了，损伤和缺陷也减少了。
这使其具有了更高的抗拉强度和屈服强度，但对其塑性造成削弱。
其次，加工硬化还会导致金属材料的脆性增加。
金属材料经过加工硬化后，其晶粒尺寸变小，当承受外力的时候金属内部晶粒的聚拢和滑动更加困难，就容易出现快速断裂，说明金属材料在加工过程中过度硬化也会降低其的韧性，使其变得更加脆性。
金属材料的力学性能硬度韧性疲劳及工艺性能
第二节金属材料的力学性能（硬度、韧性、疲劳）及工艺性能一、复习要求1、知道硬度的概念；2、熟悉硬度测试的方法及原理；3、知道各种硬度测试的表示方法；4、知道各种硬度测试方法的特点并能根据特点进行合理选用；5、知道冲击韧性的概念并了解其测试原理、方法及适用；6、知道疲劳的概念并了解其特征和产生疲劳的原因；7、知道疲劳曲线和疲劳极限的概念并了解影响疲劳极限的因素；8、了解工艺性能的种类及影响因素。
二、课前自主复习（一）、复法指导1、复习内容1）、硬度、韧性、疲劳概念；2）、硬度、韧性、疲劳的测试方法及应用场合；3）、影响硬度、韧性、疲劳的因素。
2、怎么复1）、抓住载荷特性及衡量指标结合强度、塑性的概念对硬度、韧性、疲劳的概念进行比较记忆；2）、课堂以探究解析硬度、韧性、疲劳等知识应用选择来帮助同学理解知识为主；3）、提出问题、分析问题、解决问题并及时巩固问题并学会对知识的迁移应用。
（二）、知识准备1）、硬度是指金属材料在静载荷的作用下抵抗局部变形特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。
2）、硬度的测试方法有很多，最常用的有布氏硬度测试法、洛氏硬度测试法和维氏硬度测试法。
分别用HB、HR、HV表示。
3）、布氏硬度值根据所采用的压头材料不一样，分别用符号HBS（钢球）和HBW（硬质合金球）表示。
4）、洛氏硬度有HRA、HRB、HRC三种标尺，压头型式分为1200的金刚石圆锥体和直径为Φ1.588mm的钢球两种。
5）、维氏硬度用的是1360的正四棱锥体金钢石压头。
6）、冲击韧性在指金属材料在冲击载荷的作用下而不破坏的能力。
常用的测试方法有大能量一次冲击试验和小能量多次冲击试验，测试结果分别用冲击韧度αk和规定冲击载荷下冲击的次数N表示的。
7）、疲劳是金属材料在交变载荷作用下虽然承受小于或远远小于屈服点的应力但在较长的时间后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象。
8）、疲劳曲线指的是作用的交变应力与循环次数的关系曲线。
8金属材料的硬度、韧性及疲劳强度概述
金属材料的硬度、韧性及疲劳强度
☺布氏硬度试验时，当用淬火钢球作为
压头时，用HBS表示，适用于布氏硬 度低于450的材料；当用硬质合金球作 为压头时，用HBW表示，适用于硬度 值在450~650的材料。
金属材料的硬度、韧性及疲劳强度
☺ 布氏硬度的优点：
压痕面积较大，能较好反映材料的平 均硬度；数据较稳定，重复性好。缺点 是：测试麻烦，压痕较大，不适合测量 成品及薄件材料。目前，布氏硬度主要 用于铸铁、非铁金属（如滑动轴承合金 等）及经过退火、正火和调质处理的钢 材。
金属材料的硬度、韧性及疲劳强度
♥图1-11 疲劳断口示意图
1-疲劳源 2-扩展区 3-瞬时断裂
金属材料的硬度及韧性
♥疲劳强度
疲劳强度是指材料经受无限次循环应 力也不发生断裂的最大应力值，记作σD， 就是疲劳曲线中的平台位置对应的应力。 通常，材料的疲劳强度是在对称弯曲 条件下测定的，对称弯曲疲劳强度记作 σ-1。
金属材料的硬度、韧性及疲劳强度
♥硬度是衡量金属材料软硬的指标，是力学性能中最常用 的性能之一。 ♥硬度的测定方法有一般分为压入法、刻划法、回跳法三 类。压入法包括布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微 硬度等；刻划法包括莫氏硬度等；回跳法包括肖氏硬度 等。
♥生产中常用的是压入法，生产中应用广泛的硬度测试方 法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。
硬度符号。例如，60HRC表示用C标尺 测得的洛氏硬度值为60。
金属材料的硬度、韧性及疲劳强度
♥洛氏硬度的特点及应用
洛氏硬度试验的优点：测量迅速简 便，压痕较小，可用于测量成品零件； 缺点是：压痕较小，测得的硬度值不够 准确，并且各硬度标尺之间没有联系， 不同标尺硬度值之间不能直接比较大小。 洛氏硬度C标尺应用最广泛。
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2、过载损伤界和过载损伤区 金属材料抵抗疲劳过载的能力，用过载损伤界或过 载损伤区表示。
测出不同过载应力水 平和相应的开始降低 疲劳寿命的应力循环 周次，连接各试验点 得到过载损伤界。
过载损伤界与过载持 久值线之间的影线区 称为过载损伤区。
3、解释过载损伤：非扩展裂纹
➢ 在σ下，N<过载损伤界，非扩展裂纹不扩展，或 扩展后尺寸<临界尺寸，不会造成疲劳损伤。
a
1 2
(
max
min )
min max
应力幅：循环应力中应力变动部分的幅值。 应力比：应力循环对称系数，指应力循环的 不对称程度。
σm=0，r=-1
-1<r<0
对称 交变应力
脉动应力
不对称 交变应力
波动应力
σm=σa>0，r=0 σm=σa<0，r=∞
σm>σa，0<r<1
二、疲劳的分类及特点
主要内容
• 第一节 金属疲劳破坏现象及特点 • 第二节 疲劳曲线及基本疲劳力学性能 • 第三节 疲劳断裂过程及机理 • 第四节 疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 • 第五节 影响疲劳强度的因素 • 第六节 低周疲劳
第一节 金属疲劳破坏现象及特点
一、变动载荷和循环应力
1、变动载荷
➢ 载荷大小甚至方向均随 时间变化的载荷称为变 动载荷。
一、疲劳裂纹的萌生过程及机理 由微观裂纹形成、长大及连接形成的。主要方 式有：
✓ 表面滑移带开裂； ✓ 第二相、夹杂物或其界面开裂； ✓ 晶界或亚晶界开裂
1、滑移带开裂产生裂纹
➢ 交变载荷下滑移带的特点：
疲劳极限：材料能经受无限次应力循环而不发 生疲劳断裂的最大应力，也称疲劳强度。通常用σr表 示，对称循环为σ-1。
疲劳曲线上的水平部分所对应的应力
疲劳断裂的条件—— 对称应力循环 ：σ≥σ-1。 非对称应力循环：σ≥σr。
无限寿命疲劳极限是有条件的
条件疲劳极限：疲劳曲线没有水平部分时，疲劳 极限指的是在规定疲劳寿命下，材料能承受的上限循 环应力。
➢ 变动载荷在单位面积上 的平均值为变动应力。
循环应力
（a）（b）：规则应力；（c）：不规则应力
疲劳：金属构件在变动应力和应变长期作用下，由于累 计损伤而引起的断裂现象。
2、循环应力：规则周期变动应力，波形本身对称。
最大与最小应力 平均应力 应力幅 应力比
max、 min
m
1 2
( max
min )
一个或几个疲劳源。 2、疲劳区：光滑，分布有贝纹线。 疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域。 贝纹线是疲劳裂纹扩展过程中留下的一条条以裂
纹源为中心的同心弧线。是疲劳区的最典型宏观特征。 是判断疲劳断裂的重要依据。
(1) 贝纹线的实质
由载荷变动在裂纹扩展前沿线留下的宏观弧状台 阶痕迹，又称疲劳停歇线。
(2) 贝纹线的意义 ☞ 是疲劳断口最典型的宏观特征；通过其可寻找 疲劳源—凹向为疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向，或 者与此相反。
（2）不同应力状态下疲劳极限 同一材料在不同应力状态下测得的疲劳极限不
同，但它们之间存在一定的联系。
（3）疲劳极限与静强度之间的关系 试验表明：σb高，则σ-1高；中、低强度钢近似σ-1
＝0.5σb。
二、抗疲劳过载能力
1、过载损伤和过载持久值 过载损伤：在高于疲劳极限的应力水平下运转一 定周次后，其疲劳极限或疲劳寿命减小的现象。 过载持久值：金属材料在高于疲劳极限的应力下 运行时，发生疲劳断裂的应力循环周次。
➢ qf的影响因素 ① 强度
实验表明， qf之值随材料强度的升高而增大，这 说明高强度材料的疲劳缺口敏感度较高。 ② 缺口半径 缺口根部曲率半径越小，缺口越尖锐， qf值越低。 ③ 应力大小 高周疲劳时， qf值高，低周疲劳时， qf值低。
第三节 疲劳过程及机理
• 疲劳断裂过程： ✓ 疲劳裂纹的萌生 ✓ 疲劳裂纹的亚稳扩展 ✓ 疲劳裂纹的失稳扩展
1、分类
• 按应力状态分：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、 复合疲劳
• 按环境和接触情况分：大气疲劳、腐蚀疲劳、高温 疲劳、热疲劳、接触疲劳
• 按寿命、应力高低分：高周疲劳、低周疲劳
(1) 高周疲劳(疲劳寿命Nf >105) 断裂应力水平较低，σ<σs，也称低应力疲劳，即通常 所说的疲劳——也称机械疲劳；
1
Kf
-1 -1N
1
有缺口
qf的意义：反映了在疲劳过程中材料发生 重新分布，降低应力集中的能力。
• qf=0，Kf =1，应力重新分布，应力集中完全被消 除，疲劳极限不因缺口存在而降低，即对缺口不敏 感，缺口敏感性最小。
• qf=1，Kf = Kt ，没有发生应力重新分布，应力集中 没有消除，即表示缺口敏感性最大。
(2) 低周疲劳(疲劳寿命Nf＝102~105) 断裂应力水平较高，σ≥σs，也称高应力疲劳或应变疲 劳。
2、特点 ① 疲劳是低应力循环延时断裂； ② 疲劳是脆性断裂； ③ 疲劳是对缺陷十分敏感。
三、疲劳宏观断口的宏观特征 疲劳源、疲劳区、瞬断区。
疲劳源
疲劳区
图5-1 疲劳宏观断的萌生地；应力状态及大小不同，可有
一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限 1、疲劳曲线：疲劳应力与疲劳寿命的关系曲线，即
S-N曲线。
图5-2 疲劳曲线
疲劳曲线的分类 两类疲劳曲线
有水平段的疲 劳曲线。
具有应变时效 的金属材料具 此特征
无水平段的疲劳 曲线。
无应变时效的金 属材料具此特征
疲劳极限
条件疲劳极限
2、疲劳极限 （1）疲劳极限和条件疲劳极限
☞ 贝纹线的间距越小，说明材料韧性越好，说明 疲劳裂纹的扩展速率越慢。
☞离疲劳源越近，贝纹线越密集；
3、瞬断区：粗糙，结晶状或放射状。 裂纹失稳扩展形成的断口区域。 ☞ 裂纹长大达到临界尺寸； ☞ 裂纹尖端应力集中达到断裂强度； →裂纹尖端的应力场强度因子达到断裂韧度。 一般在疲劳源的对侧。
第二节 疲劳曲线及基本疲劳力学性能
➢ 在σ下，N>过载损伤界，非扩展裂纹扩展>临界尺 寸，过载造成疲劳损伤。
过载损伤界越陡直，过载损伤区区域越窄，则 抗疲劳过载的能力越强。
三、疲劳缺口敏感度 金属材料在交变载荷作用下的缺口敏感性，
称疲劳缺口敏感度。
qf
Kf Kt
-1 -1
Kt：理论应力集中系数 Kf：疲劳缺口系数
无缺口
K
＝ max t