疲劳强度考试整理

1.疲劳的定义：材料在循环应力或循环应变作用下，由于某点或某些点产生了局部的永久结构变化，从而在一定的循环次数以后形成裂纹或发生断裂的过程称为疲劳。

2.疲劳的分类：(1)按研究对象可以分为材料疲劳和结构疲劳材料疲劳——研究材料的失效机理，化学成分和微观组织对疲劳强度的影响，使用标准试件。

结构疲劳——则以零部件、接头以至整机为研究对象，研究它们的疲劳性能、抗疲劳设计方法、寿命估算方法和疲劳试验方法。

(2)按失效周次可以分为高周疲劳和低周疲劳高周疲劳——材料在低于其屈服强度的循环应力作用下，经104-105以上循环产生的失效。

低周疲劳——材料在接近或超过其屈服强度的应力作用下，低于104-105次塑性应变循环产生的失效。

(3)按应力状态可以分为单轴疲劳和多轴疲劳单轴疲劳——单向循环应力作用下的疲劳，零件只承受单向正应力或单向切应力。

多轴疲劳——多向应力作用下的疲劳，也称复合疲劳。

(4)按载荷变化情况分为恒幅疲劳、变幅疲劳、随机疲劳恒幅疲劳——所有峰值载荷均相等和所有谷值载荷均相等。

变幅载荷——所有峰值载荷不等，或所有谷值载荷不等，或两者均不等。

随机疲劳——幅值和频率都是随机变化的，而且是不确定的。

(5)按载荷工况和工作环境可以分为常规疲劳、高低温疲劳、热疲劳、热—机械疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、微动磨损疲劳和冲击疲劳常规疲劳——在室温和空气介质中的疲劳。

高低温疲劳——低于室温的疲劳和高于室温的疲劳。

热疲劳——温度循环变化产生的热应力所导致的疲劳。

热-机械疲劳——温度循环与应变循环叠加。

腐蚀疲劳——腐蚀环境与循环应力的复合作用。

接触疲劳——滚动接触零件在循环应力作用下产生损伤。

微动磨损疲劳——接触面的微幅相对振动造成磨损疲劳。

冲击疲劳——重复冲击载荷所导致的疲劳。

3.金属疲劳破坏机理疲劳破坏总是由应力应变最高和位向最不利的薄弱晶粒或夹杂等缺陷处起始，并沿着一定的结晶面扩展。

所以金属的疲劳破坏与多晶体的非均质性和各向异性密切相关。

一般说来，金属的疲劳破坏可以分为三个阶段：疲劳裂纹萌生疲劳裂纹扩展失稳断裂（1）疲劳裂纹萌生①裂纹萌生的机理疲劳裂纹总是首先在应力最高，强度最弱的基体上形成：机械加工的切削纹表面擦伤结构上的内圆角亚表面的夹杂物等应力集中处裂纹萌生主要有以下三种形式：夹杂物和基体界面开裂（普通金属材料）、滑移带开裂（纯金属、单相合金）、晶界开裂（高温下的材料）4.疲劳断口的形貌特征疲劳破坏的特征和静力破坏有着本质的不同，主要有五大特征：的情况下，破坏就可1）在交变载荷作用下，构件中的交变应力在远小于材料的强度极限b能发生。

2）不管是脆性材料或塑性材料，疲劳断裂在宏观上均表现为无明显塑性变形的突然断裂，故疲劳断裂常表现为低应力类脆性断裂。

3）疲劳破坏常具有局部性质，而并不牵涉到整个结构的所有材料，局部改变细节设计或工艺措施，即可较明显地增加疲劳寿命。

4）疲劳破坏是一个累积损伤的过程，需经历一定的时间历程，甚至是很长的时间历程。

实践已经证明，疲劳断裂由三个过程组成，即(I)裂纹(成核)形成， (Ⅱ)裂纹扩展，(Ⅲ)裂纹扩展到临界尺寸时的快速(不稳定)断裂5）疲劳破坏断口在宏观和微观上均有其特征，特别是其宏观特征在外场目视检查即能进行观察，可以帮助我们分析判断是否属于疲劳破坏等。

疲劳破坏与静载破坏之比较疲劳破坏 S＜Su破坏是局部损伤累积的结果。

断口光滑，有海滩条带或腐蚀痕迹。

有裂纹源、裂纹扩展区、瞬断区。

无明显塑性变形。

应力集中对寿命影响大。

静载破坏 S＞Su破坏是瞬间发生的。

断口粗糙，新鲜，无表面磨蚀及腐蚀痕迹。

韧性材料塑性变形明显。

应力集中对极限承载能力影响不大。

由断口可分析裂纹起因、扩展信息、临界裂纹尺寸、破坏载荷等，是失效分析的重要依据。

疲劳断口最显著的宏观形貌特征就是无明显的塑性变形和可以划分为两个截然不同的区域：宏观形貌特征：1）断口呈现细晶粒，较平滑。

受空气氧化或腐蚀，一般颜色较深。

该区上常出现如海滩状的花纹，裂纹扩展方向与海滩状花样垂直，指向曲率半径较大的方向；2）疲劳断口中往往有磨光标记，它是在裂纹的扩展过程中，由于裂纹面的摩擦和挤压造成的；3）由于空气和其它介质的腐蚀作用，疲劳区多为暗色；4）在多源疲劳中，由于各裂纹源往往不在同一平面上，而是随着裂纹的扩展逐渐合并，因此在联接处形成“台阶”。

瞬断区的宏观形貌特征：粗晶粒（一）交变单向弯曲疲劳断口与轴线成90o，裂纹源从交变拉应力最大一边开始。

低周疲劳——几个裂纹源，裂纹扩展不深；高周疲劳——疲劳扩展区大，一个裂纹源，疲劳条纹更为平直。

（二）交变双向弯曲低周疲劳——一般有两个裂纹源，同时向内扩展；高周疲劳——第二个裂纹源与第一个裂纹源一般不会同时形成，所以两裂纹深度相差很大。

（三）旋转弯曲低应力水平：裂纹源一般从一点开始。

顺旋转方向扩展慢，逆旋转方向扩展快，最后形成瞬断区偏斜的断口。

高应力水平：圆周上产生多出裂纹源，同时向内扩展，最后形成圆的疲劳条纹和疲劳区。

（四）轴向拉压内部缺陷：当应力分布均匀，无应力集中因素，裂纹源产生于内部，疲劳裂纹呈圆形分布。

表面缺陷:表面不同位置形成裂纹源，疲劳扩展区直接相连，最后形成拉压疲劳断口的特有形态。

不同载荷情况疲劳断口的形貌疲劳断口的微观形貌特征:1）每个断口由若干个凹凸不平的小断片组成，断片结合处形成台阶；2）断口上有很多细小的条纹，这些条纹略带弧形，在同一个断片上连续平行，具有规则的间距，与裂纹扩展方向垂直； 3）轮胎压痕是疲劳断口的另一个主要微观形貌特征，它是由于与其相匹配的断面上的凸起或刃边对它的反复挤压或刻入造成的；4）在疲劳裂纹扩展时，还可能产生二次裂纹，二次裂纹往往呈扫帚状。

5.疲劳应力与持久极限载荷和应力随时间变化的历程分别称为载荷谱和应力谱应力循环：在一个周期中，应力的变化过程称为一个应力循环，应力循环一般可用循环中的最大应力，最小应力和周期 (或它的例数即频率 )来描述。

疲劳极限（持久极限） ：在一定的循环特征下，材料可以承受无限次应力循环而不发生破坏的最大应力称为在这一循环特征下的“持久极限”或“疲劳极限”。

习惯上，如果不加说明的话，所谓材料的持久极限都是指R=-1时的最大应力。

这时，最大应力值就是应力幅的值，用1σ-表示。

6. 材料的S-N 曲线曲线通常取最大应力max σ或应力幅a σ为纵坐标，疲劳寿命通常都使用对数坐标，应力坐标有时取线性，有时取对数，当坐标为双对数时， 曲线表现为一条直线。

用经验公式表示材料的等寿命图，主要有以下几种：（2）直线公式（古德曼公式）：7. 循环应力—应变曲线如果拉伸载荷加到A 点后卸载至零，再加绝对值相等的压缩载荷，则曲线从A 点以斜率为弹性模量E 的斜线下行，然后变向屈服点直到B 点。

如果B 点又重新加载，则以斜率E 上升然后屈服，返回到A 点。

加载与卸载的应力应变轨迹ABA 形成一个闭环，称为迟滞回线。

8.应变—寿命曲线9.影响疲劳强度的因素将材料的S-N曲线应用于实际的零部件，还必须考虑一些影响疲劳强度的因素，这些因素可分为材料特性、载荷、零件的形式和尺寸，以及环境等四大类。

(1)应力集中有效应力集中系数定义为没有应力集中的光滑试件与有应力集中的试件的疲劳极限之比理论应力集中系数则定义为局部峰值应力与名义应力的比值（2）尺寸影响:尺寸对疲劳强度的影响主要由于以下几个原因：1）材料的机械性能（包括疲劳性能）随着材料断面增大而降低。

强度级别越高的合金钢这种现象越严重。

虽然它与材料的冶金、热加工工艺和金相组织有关，是由材料的内在性质所决定的，而与零部件的结构、载荷情况无关。

2）许多研究者指出，零部件的应力梯度是造成尺寸效应的主要原因。

如大小尺寸的试件若受力条件相同，且危险点峰值应力相等，则大尺寸零部件由于应力梯度小而疲劳强度低，小试件由于应力梯度大而疲劳强度高。

3）从同一毛坯上取下不同断面的试件，大尺寸试件的疲劳强度低于小试件。

这是因为，如果材料中单位体积内的缺陷数量相等，则大试件中的缺陷数量必然多于同一毛坯上切下的小试件，因而裂纹萌生的概率就高，从而导致疲劳强度下降。

尺寸系数：表示无缺口光滑大试件疲劳强度和无缺口光滑小试件的疲劳强度之比表面加工系数：其值等于某种表面加工状况试件的疲劳极限与磨光试件的疲劳极限的比值10.疲劳载荷谱疲劳载荷中所有峰值载荷均相等和所有谷值均相等的载荷称为恒幅载荷。

峰值载荷不等，或谷值载荷不等，或两者均不相等的载荷称为谱载荷(或变幅载荷)。

峰值和谷值载荷及其序列是随机出现的谱载荷则称为随机载荷。

程序加载谱：其平均载荷是恒定的，每一个周期由若干级常幅载荷循环组成，同一级的载荷循环称为一个“程序块”，每一个周期内的程序块按一定的图案排列，图示程序加载属于低－高－低序列。

将实测的载荷—时间历程处理成具有代表性的典型载荷谱的过程称为编谱，编谱时须满足如下要求：1）简化后的载荷谱应与实际情况一致，即两者给出的疲劳寿命是一致的。

因此，为施行加速试验在载荷循环简化时，应考虑到损伤等效的原则；2）根据有限次数的实测数据，估计出整批产品的载荷变化规律，以取得具有代表性的典型谱。

为此，需借助统计方法，由子样来推断母体，推断未能测出的某些载荷循环；3）载荷实测数据繁多，即使在几分钟内就能得到成千上万的数据，为此，在判读和计数时，需采用自动化措施，利用计算机进行处理；4）由于各种产品工作条件不同，载荷－时间历程的类型亦异，此外，考虑到疲劳损伤的部位和特点各不相同。

所以，编谱的工作应有一定的针对性，不宜使用同一原则。

编谱的重要一环，是用统计理论来处理所获得的实测子样。

雨流法的计数规则为：1）重新安排载荷历程以最高峰值或最低谷值为起点（视二者的绝对值哪一个更大而定）；2）雨流依次从每个峰(谷)的内侧向下流，在下一个谷(峰)处落下，直到对面有一个比其起点更高的峰值（或更低的谷值）停止；3）当雨流遇到自上面屋顶流下的雨流时即行停止。

4）取出所有的全循环，并记录下各自的范围和均值。

如图a所示的载荷—时间历程，由于载荷—时间历程的起点不是最高峰值或最低谷值，因此需要将载荷—时间历程重新安排。

11.累积损伤理论当材料承受高于疲劳极限的应力时，每一个循环都使材料产生一定的损伤，每一个循环所造成的平均损伤为1/N。

疲劳累积损伤的线性方程式:12.名义应力法名义应力法是最早形成的抗疲劳设计方法，它以材料或零件的S-N曲线为基础，对照试件或结构疲劳危险部位的应力集中系数和名义应力，结合疲劳损伤累积理论，校核疲劳强度或计算疲劳寿命。

名义应力法估算结构疲劳寿命的步骤为：1）确定疲劳危险部位；2）求出危险部位的名义应力和；3）根据载荷谱确定危险部位的名义应力谱；4）求出当前应力集中系数和应力水平下的曲线；5）应用疲劳累积损伤理论，求出危险部位的寿命。