06 材料的疲劳.
材料的疲劳性能
图5－11
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● 三、 过载持久值及过载损伤界 ●研究意义： ●过去人们一直认为，承受交变载荷作用的机件
按-1确定许用应力是安全的，但是没有考虑特
殊情况。实际上，机件在服役过程中不可避免 地要受到偶然的过载荷作用，如汽车的急刹车、 突然启动等。还有些机件不要求无限寿命，而 是在高于疲劳极限的应力水平下进行有限寿命 的服役。在这些情况下，仅依据材料的疲劳极 限是不能全面准确评定材料的抗疲劳性能的， 所以我们要了解过载持久值和过载损伤界。
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规则周期变动应力（循环应力） 无规则随机变动应力
变动应力如图5－1 所示。
生产中机件正常工作 时，其变动应力多为循 环应力，实验室也容易 模拟，所以研究较多。
应力大小变化
应力大小、方向无规则变化
应力大小、方向都变化
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图5－1 变动应力示意图
σ
r=0 r=–1
r=–∞
1 1
2
2
8
3
3 5 7 9
4
46
5
6
10 12 14
11 13
水平下进行，如图5－8所示。
图5－8 升降法测定疲劳极限示意图
原则是：凡前一个试样达不到规定的循环周次就断裂(用
表示)，则后一个试样就在低一级应力水平下进行试验；若
前一个试样在规定循环周次下仍然未断(用 表示)，则后一个
试样就在高一级应力水平下进行，如此得到13个以上的有效
●本章主要介绍:
● 金制 属。 疲介 劳绍 的估 基算 本裂 概纹 念形 和成 一寿 般命 规的 律方 。法 疲。 劳 失 效 的 过 程 和 机
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第一节疲劳破坏的一般规律
材料疲劳曲线
材料疲劳曲线
材料疲劳曲线是指在材料疲劳过程中，应力与循环次数之间的关系曲线。
材料
的疲劳性能是指在受到交变应力作用下，材料在一定循环次数内所能承受的应力幅值。
材料的疲劳性能对材料的使用寿命和安全性有着重要的影响。
因此，了解材料的疲劳性能对于材料的设计和使用具有重要意义。
材料疲劳曲线通常是以应力幅值和循环次数为坐标轴，绘制出的曲线。
在曲线上，通常会有一个疲劳极限，即材料在一定循环次数内所能承受的最大应力幅值。
当应力幅值超过疲劳极限时，材料就会发生疲劳破坏。
因此，疲劳极限是评价材料疲劳性能的重要指标之一。
材料的疲劳曲线受到多种因素的影响，如材料的组织结构、应力水平、环境条
件等。
在绘制材料疲劳曲线时，需要考虑这些因素对材料疲劳性能的影响，并进行相应的修正。
只有准确地绘制出材料的疲劳曲线，才能更好地评估材料的疲劳性能，指导材料的设计和使用。
了解材料的疲劳曲线对于材料的设计和选择具有重要的意义。
通过对材料的疲
劳曲线进行分析，可以选择出合适的材料，设计出更加耐用的产品。
此外，还可以通过对材料疲劳曲线的研究，改进材料的疲劳性能，提高产品的使用寿命和安全性。
总之，材料的疲劳曲线是评价材料疲劳性能的重要指标之一，了解材料的疲劳
曲线对于材料的设计和使用具有重要的意义。
只有准确地绘制出材料的疲劳曲线，才能更好地评估材料的疲劳性能，指导材料的设计和使用。
通过对材料的疲劳曲线进行分析，可以选择出合适的材料，设计出更加耐用的产品。
此外，还可以通过对材料疲劳曲线的研究，改进材料的疲劳性能，提高产品的使用寿命和安全性。
材料的疲劳名词解释
材料的疲劳名词解释材料的疲劳是一个在材料科学和工程中广泛研究的现象。
它指的是当材料在受到持续或重复的载荷作用下，会逐渐失去其强度和耐久性，导致结构或部件的破坏。
疲劳强度和寿命是评估材料耐久性的关键参数，对于许多工程应用来说至关重要。
1. 疲劳裂纹疲劳破坏的关键特征是疲劳裂纹，它是材料中由于应力作用下的微裂纹扩展所致的一种裂纹。
疲劳裂纹通常在外部无法察觉到的微小缺陷处形成并逐渐扩展，最终导致材料破坏。
疲劳裂纹的形成和扩展是疲劳破坏的主要机制之一。
2. 疲劳寿命疲劳寿命是指材料在特定应力水平下能够承受多少个载荷循环，直到发生破坏的次数。
疲劳寿命取决于材料的性质、应力水平、载荷类型以及环境条件等因素。
通过研究疲劳寿命，可以评估材料的耐久性，并设计出更耐久的材料或结构。
3. 应力幅应力幅是指材料在疲劳循环中的应力变化范围。
应力幅越大，材料的疲劳寿命通常越短。
应力幅的大小对于设计和使用材料时至关重要，过大的应力幅会导致材料失效的风险增加。
4. 疲劳强度疲劳强度是指材料在特定应力幅条件下能够承受的循环载荷次数，直到产生疲劳破坏。
疲劳强度是一个重要的材料特性，可以通过实验测试和理论分析来确定。
5. 疲劳寿命预测疲劳寿命预测是指通过实验测试、数值模拟和统计方法等手段，预测材料在特定应力水平下的疲劳寿命。
疲劳寿命预测的准确性对于工程设计和结构安全至关重要，可以帮助延长材料和结构的使用寿命。
6. 疲劳强化疲劳强化是指通过特殊的处理方法，在不改变材料物理性质的前提下提高材料的疲劳寿命和疲劳强度。
常见的疲劳强化方法包括热处理、表面处理和应力处理等，通过这些方法可以改善材料的耐久性。
7. 循环载荷循环载荷是指材料在疲劳试验中受到的重复加载和卸载作用，以模拟实际工况下的循环荷载。
循环载荷的研究可以帮助了解材料在实际使用过程中的行为，提高结构的设计安全性。
总结：材料的疲劳是一个重要的材料学和工程学领域的研究课题。
通过研究疲劳裂纹、疲劳寿命、应力幅、疲劳强度、疲劳寿命预测、疲劳强化和循环载荷等相关参数和现象，可以深入理解材料疲劳行为，并为设计和改进工程结构提供更可靠、更耐久的材料。
材料的疲劳特
减载槽
济性后，采用具有高疲劳强度的材料，并配以适当的热处理和各种
表面强化处理。
适当提高零件的表面质量，特别是提高有应力集中部位的表面加工 质量，必要时表面作适当的防护处理。
尽可能地减少或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸，对于延 长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用。
机械零件的抗断裂强度
力点M或N。
相应的疲劳极限应力应是极限应力曲线
上的某一个点所代表的应力(s m ,s a ) 。
计算安全系数及疲劳强度条件为：
Sca
s m ax s max
s m s a sm sa
S
根据零件工作时所受的约束来确定应力可能发生的变化规律，从而决定
以哪一个点来表示极限应力。
机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种：
用A'Ｇ'C折线表示零件材料的极限应力线图是其中一种近似方法。
A'Ｇ'直线的方程为： s 1 s a ss m
CＧ'直线的方程为：
s a s m s s
σ为试件受循环弯曲应力时的材 料常数，其值由试验及下式决定：
s
2s 1 s 0 s0
对于碳钢，σ≈0.1~0.2，对于合金钢，σ≈0.2~0.3。
s
m rN
N
C ( N C
N
ND)
D点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着
无限寿命区其方程为：
s rN s r （N ND )
由于ND很大，所以在作疲劳试验时，常 规定一个循环次数N0(称为循环基数)，用N0
s－N疲劳曲线
及其相对应的疲劳极限σr来近似代表ND和 σr∞，于是有：
s
m rN
N
材料的疲劳和断裂行为
材料的疲劳和断裂行为疲劳和断裂是材料工程中的重要研究领域。
疲劳是指材料在经历了重复加载或应力变化后，由于内部微观缺陷逐渐积累，最终导致材料的失效。
而断裂则是指材料在承受高应力或者外力集中作用下发生裂纹扩展的现象。
本文将深入探讨材料的疲劳和断裂行为，并分析其机理和影响因素。
一、疲劳行为材料的疲劳行为广泛存在于我们生活和工作的各个领域。
例如，金属材料在机械工程中的零部件、桥梁结构和飞机构件等地方，由于长期受到复杂的力学载荷，易出现疲劳失效。
疲劳失效不仅会给工程的安全性和可靠性带来威胁，也会增加维修和更换的成本。
1. 疲劳断裂机理在受疲劳加载作用下，材料内部的微观缺陷会逐渐积累导致裂纹的形成和扩展。
这些微观缺陷包括晶界、夹杂物、夹层、腐蚀坑等。
当应力斑马纹通过这些缺陷时，会导致位错的生成和扩展，从而引起材料的疲劳断裂。
2. 疲劳寿命与应力幅关系材料的疲劳寿命与应力幅之间存在一定的关系。
应力幅越大，疲劳寿命越短；应力幅越小，疲劳寿命越长。
这是由于应力幅增加会导致材料内部位错、裂纹等缺陷的生成和扩展速度增加，从而缩短了材料的使用寿命。
3. 影响疲劳行为的因素除了应力幅外，疲劳行为还受到多种因素的影响。
其中包括材料的力学性能、表面质量、温度、湿度、载荷频率、环境介质等。
材料的力学性能如强度、韧性、硬度等，对材料的疲劳行为具有重要影响。
同时，表面质量的好坏、温度和湿度的变化也会引起材料内部微观缺陷的形成和扩展。
二、断裂行为除了疲劳行为外，材料的断裂行为也是值得重视的。
断裂指的是材料在受到高应力或者外力集中作用下发生裂纹扩展的现象。
在工程实践中，为了减缓断裂失效对工程结构和设备造成的危害，需要对材料的断裂行为进行深入研究。
1. 断裂机理材料的断裂机理可以分为静态断裂和动态裂纹扩展两个阶段。
静态断裂是指在裂纹形成之前，材料的应力集中到达临界值，导致断裂开始。
而动态裂纹扩展则是指裂纹在外力作用下迅速扩展，直到材料完全失效。
疲劳性能的名词解释
疲劳性能的名词解释疲劳性能是指材料在循环加载下抵抗疲劳破坏的能力。
在工程领域中，疲劳性能是一个重要的指标，因为大部分工程材料都会承受来自振动、震动、往复负荷等循环加载的作用，而长时间的循环加载容易导致材料疲劳破坏。
材料的疲劳性能由多种因素影响，包括材料的结构、组织、力学性质以及实际应用环境等。
在解释疲劳性能之前，我们需要先了解一下疲劳现象的发生机制。
疲劳破坏是由于材料在交变载荷下，发生了局部的应力和应变集中，导致了微小裂纹的产生和扩展，最终引起裂纹扩展至材料的断裂。
这个过程可以用疲劳寿命曲线来描述，曲线上通常包含着几个特殊阶段。
首先是初始阶段，此时材料受到振动或往复负荷作用的初期，应力集中在材料表面，形成微小裂纹。
其次是传播阶段，随着循环次数的增加，裂纹开始扩展并逐渐影响材料的整体性能。
最后是失效阶段，当裂纹扩展至一定程度，无法再承受正常负载时，材料会发生疲劳破坏。
疲劳性能评价的一个重要参数是疲劳寿命，即材料在特定循环次数下发生疲劳破坏的时长。
疲劳寿命通常由S-N曲线（应力-循环次数曲线）来表示，它显示了材料在不同应力水平下的疲劳寿命。
该曲线上通常有三个关键指标，即疲劳极限、疲劳强度和疲劳极限循环次数。
疲劳极限是指材料在无限次循环加载下不发生疲劳破坏的应力水平，它是材料疲劳性能的重要指标之一。
疲劳强度是指材料在特定的循环次数下能够承受的最大应力水平。
而疲劳极限循环次数表示在特定的应力水平下，材料能够承受多少次循环加载，才会发生疲劳破坏。
材料的疲劳性能受到多种因素的影响。
首先是材料的组织结构，如晶粒大小、晶界特性等。
细小的晶粒和良好的晶界结合会提高材料的疲劳性能。
其次是应力水平和应力幅度，较低的应力水平和较小的应力幅度会延长材料的疲劳寿命。
此外，温度、湿度、腐蚀环境等也对材料的疲劳性能有影响。
为了改善材料的疲劳性能，人们采取了一系列的措施。
例如，通过增加材料的硬度和强度，改变材料的组织结构，提高晶界的结合力等方式来增强材料的疲劳性能。
材料的疲劳性能
应力范围△σ越大 ，则裂纹扩展越快 ， Np、ac越小。
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材料旳疲劳裂纹扩展速率与Δσ和a 有关。 将应力范围△σ与a复合定义为应力 强度因子范围△K ：
K Kmax Kmin Ymax a Ymax a Y a
△K：控制裂纹扩展旳复合力学参量
（1）将a-N曲线上各点旳da／dN 值用图 解微分法或递增多项式计算法计算出来; （2）利用应力强度因子幅(ΔKⅠ)公式将 相应各点旳ΔKⅠ值求出， （3）在双对数坐标系上描点连接即得
在变动载荷作用下，随机件尺寸增大使疲劳强度下降旳现象，称为 尺寸效应，可用尺寸效应系数ε来表达
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三、表面强化及残余应力旳影响
机理：提升机件表面塑变抗力，降低表面旳有效拉应力，即可 克制材料表面疲劳裂纹旳萌生和扩展，有效提升承受弯曲与扭 转循环载荷下材料旳疲劳强度
lgda/dN-lgΔKⅠ曲线。
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lg(da/dN)-lgΔKⅠ曲线：
I区是疲劳裂纹旳初始扩展阶段:
da/dN = 10-8～10-6 mm/周次；
从ΔKth开始，ΔKⅠ↑， da/dN迅 速提升，但ΔKⅠ范围较小，裂纹扩 展有限。
Ⅱ区是疲劳裂纹扩展旳主要阶段，占据亚稳扩展旳绝大部分，是决 定疲劳裂纹扩展寿命旳主要构成部分，da/dN = 10-5～10-2 mm/周次，
第五章 材料旳疲劳性能
§5-1疲劳破坏旳一般规律 §5-2疲劳破坏旳机理 §5-3疲劳抗力指标 §5-4影响材料及机件疲劳强度旳原因 §5-5热疲劳
1
机械零件总是处于不断运动状态
曲轴
连杆
2
第一节 疲劳破坏旳一般规律
一、疲劳破坏旳变动应力
疲劳：工件在变动载荷和应变长久作用下，因累积 损伤而引起旳断裂现象。
材料的疲劳极限
材料的疲劳极限
以材料的疲劳极限为标题，我们将探讨材料疲劳极限的概念、影响因素以及如何评估和提高材料的疲劳极限。
材料的疲劳极限是指材料在循环加载下能够承受的最大应力或应变。
在实际应用中，许多材料都会在长时间的循环加载下发生疲劳破坏，因此疲劳极限是评估材料耐久性的重要指标之一。
材料的疲劳极限受多种因素的影响。
首先，材料的组织结构对疲劳极限起着重要作用。
材料中的缺陷、晶界、孔隙等微观结构会导致应力集中，从而降低疲劳极限。
其次，外界环境条件也会对疲劳极限产生影响，如温度、湿度等。
高温、潮湿环境会加速材料的疲劳破坏。
此外，材料的加载方式、频率和幅值也会影响疲劳极限。
评估材料的疲劳极限通常采用疲劳试验。
在疲劳试验中，材料会被加载到一定的应力或应变水平下进行循环加载，通过观察材料的疲劳寿命和破坏形态来评估材料的疲劳极限。
常见的疲劳试验方法包括拉伸-压缩试验、弯曲试验和旋转弯曲试验等。
为了提高材料的疲劳极限，可以采取多种措施。
首先，优化材料的组织结构，减少缺陷和孔隙的存在，提高材料的均匀性和一致性。
其次，选择适当的热处理工艺，通过改变材料的晶界和位错结构来提高材料的疲劳极限。
此外，合理设计材料的加载方式和频率，避免过大的应力集中和频繁的循环加载。
最后，提高材料的强度和硬
度，增加材料的抗疲劳性能。
材料的疲劳极限是评估材料耐久性的重要指标。
了解材料的疲劳极限对于设计和选择材料具有重要意义。
通过优化材料的组织结构、选择适当的热处理工艺以及合理设计加载方式，可以提高材料的疲劳极限，延长材料的使用寿命。
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疲劳辉纹是略呈弯曲的 并相互平行的沟槽状花 样，与裂纹扩展方向垂 直，是裂纹扩展时留下 的微观痕迹。
驻留滑移带会导致挤出峰和侵入谷的出现，引起应力 集中，经过一定循环后会引发微裂纹，是裂纹形成的 源区。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 二、疲劳裂纹扩展
按扩展方向分两个阶段： 第一阶段：裂纹沿最大切应力 方向(与主应力成45o角)的晶面 扩展，每一循环只前进0.1um数 量级，速度很慢，扩展的距离 约为2-5个晶粒(晶界的阻碍可促 进裂纹转向)，断口常难以分辨 特征，仅有一些擦伤痕迹。
疲劳：材料在受到变动（载荷）应力（一般低于屈服 应力）作用下的行为。 统计分析显示，在机械失效总数中，疲劳失效约占 80%以上，如曲轴、连杆、齿轮、弹簧、轧辊等都是在 变动载荷下工作的。
疲劳断裂，一般不发生明显的塑性变形，难以检测和 预防，因而机件的疲劳断裂会造成很大的经济以至生命 的损失。 ∴工程中研究疲劳的规律、机理、力学性能指标、影响
应力循环对称系数（应力比）
r=σmin/σmax
循环应力的种类（按r来分）
对称循环交变应力（r=-1）：大多数轴类零件，如火车轴 的弯曲、曲轴的扭转； 重复循环应力（0<r<1）：如发动机缸盖螺栓的循环应力； 不对称交变循环应力（r<0）：如发动机连杆的循环应力；
二、疲劳分类及特点
分类 （1）按应力状态： 弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、 复合疲劳等。 （2）按环境及接触情况： 腐蚀疲劳、热疲劳、接触 疲劳等。 （3）按断裂寿命和应力高低大小：低应力下，高周 疲劳（＞105周次）；高应力下，低周疲劳（ 102~105 周次） 。这是最基本的分类方法。
6.1 疲劳现象
一、变动载荷
定义：载荷大小或大小和 方向随时间按一定规律变化 或呈无规则随机变化的载荷。
交变载荷 周期变动载荷
分类
随机变动载荷
重复载荷
周期变动载荷－－循环应力
特征参数：
最大应力σmax 最小应力σmin 平均应力 σm=（σmax＋σmin）/2 应力半幅 σa=（σmax－σmin）/2
疲劳微观裂纹都是由不均 匀的局部滑移和显微开裂引 起。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 裂等。
滑移带开裂产生裂纹
材料在循环应力σ的长期作用下，即使其应力低于 屈服强度σs，也会发生循环滑移并形成循环滑移带。 静载下：σ>σs，均匀滑移带； 循环载荷下：σ<σs，循环过程中在某些晶粒、或 局部薄弱区域内形成不均匀滑移带。 这种滑移首先在材料表面形成，然后扩展到材料内 部，形成驻留滑移带（不能消除）－驻留滑移带。
第六章 材料的疲劳
6.1 疲劳现象 6.2 疲劳断裂过程及其机理 6.3 疲劳裂纹扩展速率与门槛值 6.4 疲劳强度指标 6.5 影响疲劳性能的因素 6.6 低周疲劳 6.7 陶瓷材料的疲劳
引言
材料的设计： 材料力学： 断裂力学： 以上是一次加载的安全性；多次或长期加载的 安全性如何？ ？？？
（2）疲劳扩展区：裂纹亚稳扩展形成的。
特征：光滑并分布有贝纹线（海滩 花样）。 贝纹线：平行弧线，间距不同；裂 纹源附近， 线条细密、裂纹扩展较 慢；在远离裂纹处，线条稀疏、裂纹 扩展较快。 材料韧性好，疲劳区大，贝纹线细、 明显。
贝纹线是疲劳区的最大特征，一般认为它是由载荷变动引 起的，如机器运转时的开动和停歇，偶然过载引起的载荷 变动，使裂纹前沿线留下了弧状台阶痕迹。
因素等，具有重要的意义。
2007年11月2日，一架美军 F-15C 鹰式战斗机在做空中缠斗飞行训练 时，飞机突然凌空解体，一份调查 结果表明，飞机的关键支撑构件— —桁梁出现了金属疲劳问题。
2002年5月25日，台湾华航的一架波 音747客机在执行台北到香港的 CI611航班途中，坠毁于澎湖外海， 机上225名乘客与机组人员全部遇难。 经调查证实，失事原因是金属疲劳 断裂，金属疲劳裂纹竟源自1980年2 月7日飞机起飞时擦地产生的刮痕。 后来飞机进行维修时，刮痕并未刨 光即补上补钉，金属疲劳裂纹就沿 着刮痕产生。
疲劳断裂特点
（1）断裂应力<σb，甚至<σs，容易出现脆性断 裂； （2）对材料的缺陷十分敏感； （3）疲劳断口能清楚显示裂纹的萌生、扩展和 断裂。 （4）疲劳失效受载荷历程的影响（疲劳前的过 载会影响疲劳强度）。
三、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，具有非常明显的形貌特征。 这些特征与材料性质、应力状态、应力大小、环 境因素有直接的关系。 分析疲劳断口是研究疲劳过程、分析疲劳失效原 因的一种重要而且有效方法。
在实际机件的疲劳断口中－－易见 实验室的试样疲劳断口中－－不易见
（3）瞬时断裂区：裂纹失稳扩展形成的。
特征：表面粗糙；脆性材料为结晶状，塑性材料 则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。
6.2 疲劳断裂过程及机理
一、疲劳裂纹的萌生
材料的疲劳破坏过程：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。 宏观疲劳裂纹由微观裂纹的形成、长大及连接而成，常将 0.05~0.1mm的裂纹定为疲劳裂纹核，由此确定疲劳裂纹萌生 期（N0）。
典型疲劳断口由疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬时 断裂区三部份构成。
随材质、应力状态的不同，三个区的大小和位置 不同。
（1）疲劳源：裂纹萌生的地方，常处于机件的表面或缺口、 裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷处，或机件截面尺寸不连续的区 域（有应力集中）。
当材料内部存在严重冶金缺 陷（夹杂、缩孔、偏析、白点） 时，因局部强度的降低，也会 在材料内部产生疲劳源。 形貌特点：断面不断摩擦挤 压，光亮度大，裂纹扩展速率 小，并有加工硬化发生。
穿晶断裂， 出现疲劳辉 纹
微孔聚集 型断裂
第二阶段：晶界的阻碍作用，裂纹扩展由滑开型变为张开型， 沿与拉应力垂直方向扩展，扩展速率较高。此阶段在电子显微镜 下可显示出疲劳辉纹。
三、疲劳裂纹扩展机制与疲劳断口微观特征
第二阶段形成的疲劳辉纹是疲劳断口的主要微观特征， 是用来判断是否由疲劳引起断裂的判据之一。