材料性能_ 材料的疲劳性能_7-4 疲劳抗力指标_

• 表面喷丸及滚压 • 表面热处理和化学热处理 • 复合强化（渗碳＋表面淬火、渗碳＋喷丸等）
（4）材料成分及组织的影响
合金成分：结构钢中碳的作用（间隙固溶 强化，第二相弥散强 化），提高疲劳强度； 夹杂物和缺陷降低疲劳强度；
显微组织：细化晶粒，提高疲劳强度；组 织不同，疲劳强度不同。
dN
（2）疲劳裂纹扩展门槛值
ΔKth是疲劳裂纹不扩展的 临界值，称为疲劳裂纹 扩展门槛值，表示材料阻止裂纹开始疲劳扩展的性能。
根据定义可以建立裂纹不疲劳断裂(无限寿命)的 校核公式：
∆K = Y∆σ a ≤ ∆Kth
若如已知裂纹件的裂纹尺寸 a 和材料的疲劳门槛 值 ΔKth ，即可求得该件无限疲劳寿命的承载能力：
环境介质：使材料表面产生微观腐蚀， 降低疲劳强度。
（2）表面状态和尺寸因素
表面状态：表面缺口导致应力集中，形成疲 劳源，引起疲劳断裂；
尺寸因素：尺寸增大，疲劳强度降低（尺寸 效应）。
（3）表面强化和残余应力
提高表面塑变抗力（强度和硬度），降低 表面拉应力，提高弯曲、扭转载荷下材料的 疲劳强度。
qf反映了疲劳过程中材料发生应力重分布 的能力，即降低应力集中的能力。
5、影响疲劳强度的因素
（1）工作条件
载荷条件 • 应力状态、平均应力； • 过载将降低疲劳强度和寿命； • 次载锻炼，可提高疲劳强度； • 间歇效应，对应变时效材料，可提高疲劳强度。
环境温度：温度↑，疲劳强度↓；温度↓， 疲劳强度↑
7-4 疲劳抗力指标
材料的疲劳抗力指标包括疲劳极限、疲 劳裂纹扩展门槛值、过载持久值和疲劳缺口 敏感度等。
1、疲劳极限（强度）
德国人Wohler（维勒）针对火车车轴疲劳进行 研究，得到了循环应力（S）与疲劳循环寿命（N） 之间的关系，称为疲劳曲线（S-N曲线）。
• 疲劳极限（σr）：当应 力低到某值时，材料或 构件承受无限多次应力 循环或应变循环而不发 生断裂的应力值。
强度和疲劳极限的关系
一般可以根据材料的静强度估算疲劳极限。 存在关系：抗拉强度↑，疲劳极限↑。
对结构钢： σ-1P =0.23（σs+ σb）； σ-1 =0.27（σs + σb）
对铸铁： σ-1P =0.4 σb ；
σ-1 =0.45σb
对铝合金： σ-1P =0.17 σb +7.5； σ-1 =0.17 σb -7.5
• 过载损伤界越陡直，
损伤区越窄，其抵
抗疲劳过载的能力 σ-1 越强。
σmax
过载损伤界 过载损伤区 过载持久值线
lgN0
lgN
工业上需要考虑过载损伤区！
4、疲劳缺口敏感度
• 材料在变动应力作用下的缺口敏感性，常用 疲劳缺口敏感度qf表征，即
qf
=
Kf Kt
−1 −1
式中：Kt为理论应力集中系数; Kf为有效应力集中系数。
可能产生影响——过载损伤！
• 材料在某一过载应力水平下，只有运行一定周次后， 疲劳强度或疲劳寿命才会降低，造成过载损伤。
• 把在每个过载应力 下运行能引起损伤 的最少循环周次连 接起来就得到该材 σ-1 料的过载损伤界。
σmax
过载损伤界 过载损伤区 过载持久值线
lgN0
lgN
• 过载应力-周次组合一旦落入此区，则会产生过载 损伤，造成材料疲劳极限降低或疲劳寿命降低。
对青铜：
σ-1 =0.21 σb
疲劳极限与材料强度近似成正比，所以合金化、
细化晶粒和
2、疲劳裂纹扩展门槛值
（1）疲劳裂纹扩展速率曲线
Ⅰ区是疲劳裂纹初始
扩展阶段，
da dN
很小。
Ⅱ区是疲劳裂纹扩展 主要阶段，ddNa 较大。 Ⅲ区是疲劳裂纹扩展 最后阶段，da 很大。
疲劳极限是保证机件疲劳寿命的重要性能指标。
完整S-N曲线
准静态断裂（AB段）：
σmax σ
AB C
A端应力接近于抗拉强度， b
循环寿命很短(<10)，准
静态断裂。
有限疲 劳寿命
D
N
无限疲 劳寿命
低周疲劳（BC段）：随着循环次数的增加，使材料
发生疲劳破坏的最大应力不断下降。
高周疲劳（CD段）： 循环应力较低的CD段寿命 较长，称高周疲劳。大多 数通用机械零件及专用零 件的失效都是由高周疲劳 引起的。
Kf
= σ −1 σ −1N
Kf ＞ 1 ，与缺口几何形状和材 料因素有关。
Kf为光滑试样和缺口试样疲劳强度之比
Kf = Kt时，没有发生应力重新分布，qf =1， 材料对缺口十分敏感。
当Kf =1时，σ-1=σ-1N，说明疲劳过程中应力 产生了很大的重新分布，应力集中完全消除， 材料对疲劳缺口完全不敏感。
因此，需要研究材料过载下的疲劳寿命。
（1）过载持久值
• 材料在高于疲劳强度的一定应力下工作，发生疲 劳断裂的应力循环周次称为材料的过载持久值，又 称为有限疲劳寿命。 特点：过载持久值由疲劳 曲线倾斜部分确定，曲线 倾斜得越陡直，持久值越 高，材料对过载荷的抗力 越高。
（2）过载损伤界
实际上，机件往往预先受短期过载，而以后再在 正常的工作应力下运行。这种短期的过载对材料 的性能是否产生影响？
σmax σ
AB C
b
D
有限疲 劳寿命
N
无限疲 劳寿命
D点所对应的应力σD是材料的无限寿命疲劳极限，也 称为持久疲劳极限，用符号σ-1表示。
有些机械零件，例如一次性使用的火箭发动机的 某些零件、导弹壳体等，在整个使用寿命期间应力 变化次数只有几百到几千次，故其疲劳属于低周疲 劳。但对绝大多数通用零件来说，当其承受变应力 作用时，其应力循环次数总是大于105的。所以大部 分是高周疲劳。
∆σ ≤ ∆Kth
Ya
若已知裂纹件的工作载荷Δσ和材料的疲劳门槛值 ΔKth ，即可求得裂纹的允许尺寸：
a < ( ) 1 ∆Kth 2 Y 2 ∆σ
3、疲劳过载
实际服役过程中机件在高于疲劳极限的应 力状态下偶尔短时过载。
• 例如：汽车的紧急刹车、突然起动。
不要求无限寿命设计。 • 例如：飞机的起落架。