第五章 材料的疲劳性能
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第五章__材料的疲劳性能(1)分析
疲劳微裂纹形成的三种形式
表面滑移带开裂解释 1）在循环载荷作用下，即使循环应力未超过材料屈服强 度，也会在试样表面形成循环滑移带 2）循环滑移带集中于某些局部区域（高应力或簿弱区） 3）循环滑移带很难去除，即使去除，再次循环加载时， 还会在原处再现 （驻留滑移带）
特征： 1）驻留滑移带一般只在表面形成，深度较浅，随循环次数 的增加，会不断地加宽 2）驻留滑移带在表面加宽过程中，会出现挤出脊和侵入 沟，在这些地方引起应力集中，引发微裂纹
四：疲劳裂纹扩展速率
试验表明：测量疲劳裂纹长度和循环周数的关系如图
疲劳裂纹扩展曲线
Δσ2﹥Δσ1
从图可知： 1）曲线的斜率da/dN（疲劳裂纹扩展速率）在整个过程中 是不断增长的 2）当da/dN无限增大，裂纹将失稳扩展，试样断裂 3）应力增加，裂纹扩展加快，a-N曲线向左上方移动，ac相 应减小 结论：裂纹扩展速率da/dN 和应力水平及裂纹长度有关 根据断裂力学： 可定义应力强度因子幅为
特征 1）疲劳源区比较光滑（受反复挤压，摩擦次数多） 2）表面硬度因加工硬化有所提高 3）可以是一个，也可能有多个疲劳源（和应力状态及 过载程度有关）
疲劳裂纹扩展区
是疲劳裂纹亚临界扩展的区域
特征 1）断口较光滑，分布有贝纹线（或海滩花样），有时还有 裂纹扩展台阶 2）贝纹线是疲劳区的最典型特征，贝纹线是以疲劳源为圆 心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向 3）近疲劳源区贝纹线较密，远离疲劳源区贝纹线较疏
5.2 疲劳破坏机理
一：金属材料疲劳破坏机理
疲劳裂纹的萌生
1）在材料簿弱区或高应力区，通过不均匀滑移， 微裂纹形成及长大而完成 2）定义裂纹长度为0.05—0.10mm时为裂纹疲劳 核，对应的循环周期为裂纹萌生期
材料的疲劳性能
15
第二节 疲劳破坏的机理
材料的疲劳失效过程大致可以分为三个主要阶段：
疲劳裂纹形成，疲劳裂纹扩展，和断裂。
一、金属材料疲劳破坏机理
1、 疲劳裂纹的萌生
金属材料的疲劳过程也是裂纹萌生和扩展的过程．因 变动应力的循环作用，裂纹萌生往往在材料薄弱区或高应 力区，通过不均匀滑移、微裂纹形成及长大而完成．目前 尚无统一的尺度标准确定裂纹萌生期，低应力时，疲劳的 萌生期可占整个寿命的大半以上．
的应力低于屈服强度，也会因为损伤的积累而 引发断裂的现象叫做疲劳。 疲劳过程是指材料在小于屈服强度的变动 载荷作用下，经过长期运转而逐渐发生损伤累 积和开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生突 然断裂的过程。 2. 疲劳曲线 （1）疲劳寿命的概念和两种定义 疲劳寿命:机件疲劳失效前的工作时间
驻留滑移带一般只在表面形成，深度较浅．随着加载 循环次数的增加，循环滑移带会不断地加宽．
驻留滑移带在表面加宽过程中，还会出现挤出脊
和侵人沟，于是就在这些地方引起应力集中，经过一
定循环后会引发微裂纹．
18
一、金属材料疲劳破坏机理
2．疲劳裂纹的扩展 疲劳裂纹萌生后便开始扩展，其扩展一般分
19
一、金属材料疲劳破坏机理
20
二、非金属材料疲劳破坏机理
由于陶瓷、高分子、复合材料等结构材料的应用远 不如金属材料来得广泛和长远，所以对其疲劳破坏过 程的研究还很局限及浮浅，以下仅作一般概述．
1．陶瓷材料的疲劳破坏机理 常温下陶瓷材料的疲劳与金属有所不同，其含义更
广，分为： 静态疲劳、循环疲劳和动态疲劳． 循环疲劳：与金属疲劳具有相同含义，同属长期变动
对于疲劳寿命的预测就显得十分重要和必要
材料性能与测试第五章 材料的疲劳性能
19
四、复合材料疲劳破坏的机理
和金属材料相比，复合材料具有良好的 疲劳性能，有以下特点： 1) 有多种疲劳损伤形式：如界面脱粘、分 层、纤维断裂等； 2) 不会发生瞬时的疲劳破坏：常用疲劳过 程中材料弹性模量下降的百分数等判据 3) 较大的应变会使纤维基体变形不协调引 起纤维基体界面开裂形成疲劳源，对应变 尤其是压缩应变特别敏感； 4) 疲劳性能和纤维取向有关：沿纤维方向 好。
由于聚合物为粘弹性材料，具有较大的 应力滞后环，所以在应力循环中部分机械 能转化为热能，温度升高，产生热疲劳失 图5-8 高分子材料的疲劳断口 效。
聚合物疲劳断口有两种特征条纹：疲劳 辉纹(fatigue striation 10微米左右), 疲劳 斑纹(fatigue marking 50微米左右)；
按接触和环境情况不同：分大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、接触疲劳、 热疲劳等。
按断裂寿命和应力高低不同：分高周疲劳（Nf﹥105 ,σ﹤σs，也称低应力 疲劳）；低周疲劳（Nf=102~105，σ≧ σs，有塑性应变发生, 也称高应 力疲劳.
9
3、疲劳破坏的特点： (1) 一种潜藏的突发性破坏，呈脆性断裂。 (2) 疲劳破坏属低应力循环延时断裂, 是具有寿命的断裂。 (3) 对缺陷(缺口、裂纹等)具有高度的敏感性。 (4) 疲劳断裂也是裂纹萌生和扩展过程，但因应力水平低，
直至断裂；
④测定应力循环数N,；
(σ1,N1),(σ2,N2)… ⑤绘制σ(σmax)-N(lg N)曲线。
21
图5-10 旋转弯曲疲劳试验机和曲线
图5-11 旋转弯曲疲劳试验机的示意图
试样受铅垂力作用而承受纯弯矩，当电机拖动试样高速 旋转时，试样上的应力值拉压对称交变，使材料承受对 22 称应力疲劳考验。
四、复合材料疲劳破坏的机理
和金属材料相比，复合材料具有良好的 疲劳性能，有以下特点： 1) 有多种疲劳损伤形式：如界面脱粘、分 层、纤维断裂等； 2) 不会发生瞬时的疲劳破坏：常用疲劳过 程中材料弹性模量下降的百分数等判据 3) 较大的应变会使纤维基体变形不协调引 起纤维基体界面开裂形成疲劳源，对应变 尤其是压缩应变特别敏感； 4) 疲劳性能和纤维取向有关：沿纤维方向 好。
由于聚合物为粘弹性材料，具有较大的 应力滞后环，所以在应力循环中部分机械 能转化为热能，温度升高，产生热疲劳失 图5-8 高分子材料的疲劳断口 效。
聚合物疲劳断口有两种特征条纹：疲劳 辉纹(fatigue striation 10微米左右), 疲劳 斑纹(fatigue marking 50微米左右)；
按接触和环境情况不同：分大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、接触疲劳、 热疲劳等。
按断裂寿命和应力高低不同：分高周疲劳（Nf﹥105 ,σ﹤σs，也称低应力 疲劳）；低周疲劳（Nf=102~105，σ≧ σs，有塑性应变发生, 也称高应 力疲劳.
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3、疲劳破坏的特点： (1) 一种潜藏的突发性破坏，呈脆性断裂。 (2) 疲劳破坏属低应力循环延时断裂, 是具有寿命的断裂。 (3) 对缺陷(缺口、裂纹等)具有高度的敏感性。 (4) 疲劳断裂也是裂纹萌生和扩展过程，但因应力水平低，
直至断裂；
④测定应力循环数N,；
(σ1,N1),(σ2,N2)… ⑤绘制σ(σmax)-N(lg N)曲线。
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图5-10 旋转弯曲疲劳试验机和曲线
图5-11 旋转弯曲疲劳试验机的示意图
试样受铅垂力作用而承受纯弯矩，当电机拖动试样高速 旋转时，试样上的应力值拉压对称交变，使材料承受对 22 称应力疲劳考验。
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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3 sc
单位滑动距离内的接触点数
N
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K
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3scd 3
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K
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9 sc
K
pL 3H
接触点半球体积
V
'
2
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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）
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• 第三节 疲劳裂纹扩展速率 a
及扩展门槛值
ac1
材料的疲劳性能完整版
材料的疲劳性能HUA system office room 【HUA16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688】材料的疲劳性能一、疲劳破坏的变动应力材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。
变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。
变动载荷在单位面积上的平均值称为变动应力，分为规则周期变动应力（或称循环应力）和无规则随机变动应力两种。
1、表征应力循环特征的参量有：①最大循环应力：σmax ；②最小循环应力：σmin ；③平均应力：σm =（σmax +σmin ）/2；④应力幅σa 或应力范围Δσ：Δσ=σmax -σmin ，σa =Δσ/2=（σmax -σmin ）/2； ⑤应力比（或称循环应力特征系数）：r=σmin /σmax 。
2、按平均应力和应力幅的相对大小，循环应力分为：①对称循环：σm =（σmax +σmin ）/2=0，r=-1，大多数旋转轴类零件承受此类应力；②不对称循环：σm ≠0，-1<r<1。
发动机连杆或结构中某些支撑杆、螺栓承受此类应力，σa >σm >0，-1<r<0；③脉动循环：σm =σa >0，r=0，齿轮的齿根及某些压力容器承受此类应力。
σm =σa <0，r=∞，轴承承受脉动循环压应力；④波动循环：σm >σa，0<r<1，发动机气缸盖、螺栓承受此种应力；⑤随机变动应力：循环应力呈随机变化，无规律性，如运行时因道路或者云层的变化，汽车、拖拉机及飞机等的零件，工作应力随时间随机变化。
二、疲劳破坏的概念和特点1、疲劳破坏概念在变动应力作用下，材料内部薄弱区域的组织逐渐发生变化和损伤累积、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂的过程，是一个从局部区域开始的损伤积累，最终引起整体破坏的过程。
疲劳破坏是循环应力引起的延时断裂，其断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至低于其屈服强度。
材料的疲劳性能
第 驻留滑移带：
五 在循环载荷作用下，即使循环载荷未超过材 章 料屈服强度，也会在材料表面形成循环滑移 材 带—不均匀滑移，其与静拉伸形成的均匀滑 料 移不同，循环滑移带集中于某些局部区域， 的 用电解抛光法也难以去除，即使去除了，再 疲 重新循环加载，还会在原处再现。
劳
性 不均匀滑移： 能 驻留滑移带在表面加宽过程中，会形成挤
则有剪切唇区存在。
第 瞬断区一般在疲劳源对侧。 五 瞬断区大小与名义应力、材料性质有关： 章 高名义应力或脆性材料，瞬断区大；反之，
材
料 瞬断区小。
的 疲 劳 性 能
第 五 章 材 料 的 疲 劳 性 能
第 五 章 材 料 的 疲 劳 性 能
第 五 章 材 料 的 疲 劳 性 能
第 第二节 疲劳破坏的机理
章
材 料
图中α满足： tg max 2 max 2
的
m max min 1 r
疲
劳
由此即可根据已知循环应力比r求出α值
性
作图，在AHB上对应点的纵坐标值即为相
能
应的疲劳强度。
第
五 这种疲劳图也可以利用Gerber关系绘制
章 材
max
m
a
m
1
料
的
疲ห้องสมุดไป่ตู้
劳
性
能
第 二、疲劳破坏的特点
五
在变动载荷作用下，材料薄弱区域，
章
材 逐渐发生损伤，损伤累积到一定程度→产生
料 裂纹，裂纹不断扩展→失稳断裂。
的 特点：从局部区域开始的损伤，不断累积， 疲 最终引起整体破坏。
劳
性 1、潜藏的突发性破坏，脆性断裂
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。
40
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
48
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。
41
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。
材料力学性能第五章-金属的疲劳
材料力学性能第五章-金属的疲劳一、前言金属是工业中广泛使用的材料之一，而疲劳是金属失效的常见原因。
疲劳现象是指材料在循环加载下，由于应力的交变和变形的累积，导致材料最终发生断裂的失效现象。
由于疲劳是材料失效的高发期之一，因此疲劳强度及其寿命评估在工程实践中极其重要。
本文将对金属疲劳相关的概念、实验方法、疲劳表征和机理等方面进行详细介绍。
二、疲劳相关概念2.1 疲劳应力和疲劳极限疲劳应力是指材料在循环加载下，在一个给定的时间内重复加载的最大应力，其值通常低于材料的屈服强度。
疲劳极限是指材料在循环加载下，在一个给定的时间内可以承受的最大应力，其值也低于材料的屈服强度。
2.2 疲劳曲线疲劳曲线通常是由应力-amplitude循环次数(N)图给出，包括S-N曲线和e-N 曲线。
其中S-N曲线是指材料应力振幅和循环次数之间的关系曲线，其垂直轴是应力振幅，水平轴是循环次数(N)。
e-N曲线是指材料应变振幅和循环次数之间的关系曲线，其垂直轴是应变振幅，水平轴也是循环次数(N)。
三、疲劳实验方法3.1 疲劳试验机疲劳试验机一般分为拉伸疲劳试验机、弯曲疲劳试验机和转子疲劳试验机等。
其中拉伸疲劳试验机主要用于金属杆件、薄壁件等线性部件的疲劳试验。
弯曲疲劳试验机主要用于梁疲劳试验，其挠度和载荷均可调节。
转子疲劳试验机主要用于模拟飞机、发动机等转子叶片的疲劳试验。
3.2 疲劳试验方法常用的疲劳试验方法包括：恒振幅疲劳试验、逐渐增加振幅疲劳试验、多级疲劳试验和积累损伤疲劳试验等。
其中恒振幅疲劳试验是常见的疲劳试验方法，以波形、频率和振幅不变的周期周次循环载入，记录疲劳寿命。
逐渐增加振幅疲劳试验是从小到大逐渐增加载荷振幅的疲劳试验，称为低对高试验。
多级疲劳试验则是将恒定载荷振幅的疲劳试验进行多个不同振幅载荷循环，记录没个载荷级的疲劳寿命，绘制多级S-N曲线。
四、疲劳表征4.1 疲劳极限疲劳极限是材料在循环加载下允许承受的最大应力，疲劳极限的单位是MPa(N/mm^2)。
工程材料力学性能第五章 金属的疲劳
第五章 金属的疲劳
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
金属疲劳现象及特点 疲劳曲线及基本疲劳力学性能 疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 疲劳过程及机理 影响疲劳强度的因素 低周疲劳
第一节 金属疲劳现象及特点
一、变动载荷和循环应力 1、变动载荷和变动应力 变动载荷：载荷大小、甚至方向均随时间变化的载荷。 变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值。分规则周 期变动应力和无规则随机变动应力两种。 2、循环应力 规则周期性变化的应力称循环应力，表征应力循环特征的几个 参量： 最大应力 σmax 最小应力 σmin 平均应力 σm=（σmax+σmin）/2 应力幅 σa=（σmax－σmin）/2
三、疲劳宏观断口特征
典型的疲劳断口按照断裂过程可分为三个 区域，疲劳源、疲劳区和瞬断区。
1、疲劳源
疲劳源（或称疲劳核心），疲劳裂纹萌生的策源地，一 般总是产生在构件表面层的局部应力集中处，但如果构件 内部存在冶金缺陷或内裂纹，也可在构件内部或皮下产生 疲劳源。 疲劳源区光亮度最大，在断口上常能看到一个明显的亮斑。 疲劳源有时不止一个，尤其在低周疲劳下，其应力幅值较 大，断口上常有几个不同位臵的疲劳源。可以根据源区的 光亮度、相邻疲劳区的大小，贝纹线的密度去确定各个疲 劳源的产生顺序。 源区光亮度↑；相邻疲劳区越大；贝纹线越多越密者→疲 劳源越先产生。
如认为疲劳裂纹扩展的每一微小过程类似 是裂纹体小区域的断裂过程，ΔK就是裂纹 尖端控制疲劳裂纹扩展的复合力学参量。
3、da/dN--Δk （ lgda/dN-- lgΔk）曲线 将a-N曲线可转化为由Δk控制 的疲劳裂纹扩展速率曲线： da/dN -Δk 或 lgda/dNlgΔk 由曲线可知，可分为三个区： I区：疲劳裂纹初始扩展阶段 da/dN很小。 随Δk↑→da/dN快速提高，但 Δk变化范围很小， da/dN提 高有限，所占扩展寿命不长。
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
金属疲劳现象及特点 疲劳曲线及基本疲劳力学性能 疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 疲劳过程及机理 影响疲劳强度的因素 低周疲劳
第一节 金属疲劳现象及特点
一、变动载荷和循环应力 1、变动载荷和变动应力 变动载荷：载荷大小、甚至方向均随时间变化的载荷。 变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值。分规则周 期变动应力和无规则随机变动应力两种。 2、循环应力 规则周期性变化的应力称循环应力，表征应力循环特征的几个 参量： 最大应力 σmax 最小应力 σmin 平均应力 σm=（σmax+σmin）/2 应力幅 σa=（σmax－σmin）/2
三、疲劳宏观断口特征
典型的疲劳断口按照断裂过程可分为三个 区域，疲劳源、疲劳区和瞬断区。
1、疲劳源
疲劳源（或称疲劳核心），疲劳裂纹萌生的策源地，一 般总是产生在构件表面层的局部应力集中处，但如果构件 内部存在冶金缺陷或内裂纹，也可在构件内部或皮下产生 疲劳源。 疲劳源区光亮度最大，在断口上常能看到一个明显的亮斑。 疲劳源有时不止一个，尤其在低周疲劳下，其应力幅值较 大，断口上常有几个不同位臵的疲劳源。可以根据源区的 光亮度、相邻疲劳区的大小，贝纹线的密度去确定各个疲 劳源的产生顺序。 源区光亮度↑；相邻疲劳区越大；贝纹线越多越密者→疲 劳源越先产生。
如认为疲劳裂纹扩展的每一微小过程类似 是裂纹体小区域的断裂过程，ΔK就是裂纹 尖端控制疲劳裂纹扩展的复合力学参量。
3、da/dN--Δk （ lgda/dN-- lgΔk）曲线 将a-N曲线可转化为由Δk控制 的疲劳裂纹扩展速率曲线： da/dN -Δk 或 lgda/dNlgΔk 由曲线可知，可分为三个区： I区：疲劳裂纹初始扩展阶段 da/dN很小。 随Δk↑→da/dN快速提高，但 Δk变化范围很小， da/dN提 高有限，所占扩展寿命不长。
第五章+材料的疲劳性能 (1)
表面喷丸及滚压 表面热处理：火焰加热淬火、感应加热淬火和低淬透 性钢的整体加热薄壳淬火等。 和化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗等。 复合强化
四. 材料成分及组织的影响 合金成分 合金成分是决定材料组织结构的基本要素。在各种结 构工程材料中，结构钢的疲劳强度最高，这类钢中碳 是影响疲劳强度的重要元素。 碳既可间隙固溶，又可以碳化物弥散析出，兼具固溶 强化和弥散强化，阻止裂纹萌生和提高疲劳强度。 显微组织 细化晶粒可以提高材料的疲劳强度。 结构钢的正火组织因碳化物为片状，疲劳强度最低， 淬火回火组织因碳化物为粒状，疲劳强度比正火的高。 非金属夹杂物及冶金缺陷 减少非金属夹杂物的数量及尺寸有效提高疲劳强度； 气孔、缩孔、偏析、折叠等缺陷，会降低疲劳强度。
五. 疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值
疲劳裂纹扩展曲线
高频疲劳试验机； 固定裂纹预制长度a0、应力 比r和应力幅σa； σ2 > σ1
作a-N曲线
曲线斜率da/dN为裂纹扩 展速率；裂纹达到ac，da/dN 无限大。
疲劳裂纹扩展曲线
引入断裂韧度：
K1 Kmax Kmin Y max a Y min a Y a
疲劳裂纹扩展速率表达式：
Paris公式：
Forman公式：
da dN C K1
n
C K1 da dN 1 r K c K1 考虑门槛值的公式：
m
da dN A K1 Kth
整个扩展过程公式：
m
A K1 K th da dN 1 r K c K1
2、不对称循环疲劳强度
σmax(σmin)-σm疲劳图
max 2 max 2 tan m max min 1 r
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2
第五章 材料的疲劳性能
3
第五章 材料的疲劳性能
一般机件承受的变动应力多为循环应力. 一般机件承受的变动应力多为循环应力.循环应力是 周期性变化的应力,变化的波形有正弦波, 周期性变化的应力,变化的波形有正弦波,矩形波和三角 波等.其中最常见的为正弦波. 波等.其中最常见的为正弦波. 最常见的为正弦波 表征应力循环特征的参量有: 表征应力循环特征的参量有:
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第五章 材料的疲劳性能
二,非金属材料疲劳破坏机理
2.高分子聚合物的疲劳破坏机理 2.高分子聚合物的疲劳破坏机理 在拉应力作用下,由于非晶态聚合物的表面和内部 在拉应力作用下,由于非晶态聚合物的表面和内部 会出现银纹,因此,不同结构的聚合物疲劳破坏机理也 会出现银纹,因此, 有差异.易产生银纹的非晶态聚合物的疲劳破坏过程主 有差异. 要决定于外加名义应力. 要决定于外加名义应力. 高循环应力时, 高循环应力时,应力很快便达到或超过材料银纹的 引发应力,产生银纹,并随之转变成裂纹, 引发应力,产生银纹,并随之转变成裂纹,扩展后导致 材料疲劳破坏. 材料疲劳破坏.
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第五章 材料的疲劳性能
中应力循环时也会产生银纹,并转变成裂纹, 中应力循环时也会产生银纹,并转变成裂纹,裂纹扩展速 时也会产生银纹 度比高应力区低,但机理,过程相同; 度比高应力区低,但机理,过程相同; 低应力循环时因难以引发银纹, 低应力循环时因难以引发银纹,由材料微损伤累积及微观 时因难以引发银纹 结构产生微孔洞及微裂纹,并导致宏观破坏. 结构产生微孔洞及微裂纹,并导致宏观破坏. 由于聚合物为粘弹性材料,具有较大面积的应力滞后环, 由于聚合物为粘弹性材料,具有较大面积的应力滞后环, 所以在循环过程中部分机械能转化为热能, 所以在循环过程中部分机械能转化为热能,使导热性差的试 样本身温度急剧上升,甚至高于熔点或玻璃化转变温度, 样本身温度急剧上升,甚至高于熔点或玻璃化转变温度,从 而产生热疲劳.热疲劳常是聚合物疲劳失效的主要原因; 而产生热疲劳.热疲劳常是聚合物疲劳失效的主要原因;但 是,疲劳循环产生的热量,有时也可以用来修补高分子的微 疲劳循环产生的热量, 结构损伤. 结构损伤.
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第五章 材料的疲劳性能
疲劳区是疲劳裂纹亚临界扩展形成的区域. 疲劳区是疲劳裂纹亚临界扩展形成的区域.其宏观 是疲劳裂纹亚临界扩展形成的区域 特征是:断口较光滑并分布有贝纹线(或海滩花样) 特征是:断口较光滑并分布有贝纹线(或海滩花样),有 时还有裂纹扩展台阶. 时还有裂纹扩展台阶. 断口光滑是疲劳源区的延续, 断口光滑是疲劳源区的延续,其程度随裂纹向前扩 展逐渐减弱,反映裂纹扩展快慢,挤压摩擦程度上的差 展逐渐减弱,反映裂纹扩展快慢, 贝纹线是疲劳区的最典型特征, 异.贝纹线是疲劳区的最典型特征,一般认为是因载荷 变动引起的,因为机器运转时不可避免地常有启动, 变动引起的,因为机器运转时不可避免地常有启动,停 偶然过载等, 歇,偶然过载等,均要在裂纹扩展前沿线留下弧状贝纹 线痕迹. 线痕迹.
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第五章 材料的疲劳性能
(4)可按不同方法对疲劳形式分类. (4)可按不同方法对疲劳形式分类. 可按不同方法对疲劳形式分类 应力状态分 有弯曲疲劳,扭转疲劳, 接应力状态分:有弯曲疲劳,扭转疲劳,拉压 疲劳,接触疲劳反复合疲劳; 疲劳,接触疲劳反复合疲劳; 按应力高低和断裂寿命分:有高周疲劳和低周 应力高低和断裂寿命分 疲劳.高周疲劳的断裂寿命(N)较长,断裂应力水平 疲劳.高周疲劳的断裂寿命(N)较长, (N)较长 较低,又称低应力疲劳,为常见的材料疲劳形式; 较低,又称低应力疲劳,为常见的材料疲劳形式; 低周疲劳的断裂寿命较短,断裂应力水平较高, 低周疲劳的断裂寿命较短,断裂应力水平较高,常 称为高应力疲劳或应变疲劳. 称为高应力疲劳或应变疲劳.
第五章 材料的疲劳性能
第五章 材料的疲劳性能
§5-1疲劳破坏的一般规律 §5-2疲劳破坏的机理 §5-3疲劳抗力指标 §5-4影响材料及机件疲劳强度的因素 §5-5热疲劳
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第五章 材料的疲劳性能
工件在变动载荷和应变长期作用下, 工件在变动载荷和应变长期作用下,因累积损伤 变动载荷和应变长期作用下 而引起的断裂现象,称为疲劳. 而引起的断裂现象,称为疲劳. 疲劳 由于变动载荷和应变是导致疲劳破坏的外动力, 由于变动载荷和应变是导致疲劳破坏的外动力, 所以应该先对其进行了解.变动载荷是指载荷大小, 是指载荷大小 所以应该先对其进行了解.变动载荷是指载荷大小, 甚至方向随时间变化的载荷. 甚至方向随时间变化的载荷.变动载荷在单位面积上 的平均值称为变动应力,可分为规则周期变动应力( 的平均值称为变动应力,可分为规则周期变动应力(或 称循环应力)和无规则随机变动应力两种,可用应力称循环应力)和无规则随机变动应力两种,可用应力时间曲线描述,如图5 所示. 时间曲线描述,如图5-l所示.
但与金属材料相同的是:疲劳破坏也同样经历 与金属材料相同的是:
了裂纹萌生,疲劳裂纹扩展,瞬时断裂的过程. 了裂纹萌生,疲劳裂纹扩展,瞬时断裂的过程.
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Hale Waihona Puke 第五章 材料的疲劳性能疲劳裂纹多萌生于材料表面, 疲劳裂纹多萌生于材料表面,对表面材料的缺陷或 裂缝大小十分敏感. 裂缝大小十分敏感.陶瓷材料疲劳裂纹的亚临界扩展速 率对变动载荷应力幅不度敏感, 率对变动载荷应力幅不度敏感,而是强烈依赖裂纹尖端 的最大应力强度因子,一旦裂纹尖端应力超过非线性形 的最大应力强度因子,一旦裂纹尖端应力超过非线性形 裂纹尖端 变起始点,材料强度就大幅度衰减. 变起始点,材料强度就大幅度衰减. 此外,裂纹扩展速率还明显依赖于环境,材料成分, 此外,裂纹扩展速率还明显依赖于环境,材料成分, 组织结构等,其程度远比金属材料高, 组织结构等,其程度远比金属材料高,扩展的寿命过程 远比金属材料要短,并呈龟裂状. 远比金属材料要短,并呈龟裂状.
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第五章 材料的疲劳性能
(3)疲劳对缺陷(缺口,裂纹及组织)十分敏感, (3)疲劳对缺陷(缺口,裂纹及组织)十分敏感, 疲劳对缺陷 即对缺陷具有高度的选择性. 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; 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 夹杂,疏松,白点,脱碳等) 强度,二者综合更加速疲劳破坏的起始与发展. 强度,二者综合更加速疲劳破坏的起始与发展.
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第五章 材料的疲劳性能
随即疲劳裂纹便进 入第Ⅱ阶段, 入第Ⅱ阶段,沿垂直拉 应力方向向前扩展形成 主裂纹, 主裂纹,宜至最后形成 剪切唇为止.
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二,非金属材料疲劳破坏机理
1.陶瓷材料的疲劳破坏机理 1.陶瓷材料的疲劳破坏机理 常温下陶瓷材料的疲劳与金属有所不同, 常温下陶瓷材料的疲劳与金属有所不同,其含义 更广: 静态疲劳,循环疲劳和动态疲劳之分. 更广:有静态疲劳,循环疲劳和动态疲劳之分. 之分 其中循环疲劳与金属疲劳具有相同含义,同属在 其中循环疲劳与金属疲劳具有相同含义, 循环疲劳与金属疲劳具有相同含义 长期变动应力作用下,材料的破坏行为; 长期变动应力作用下,材料的破坏行为;静态疲劳则 相当于金属中的延迟断裂,即在一定载荷作用下, 相当于金属中的延迟断裂,即在一定载荷作用下,材 料可耐受应力随时间下降的现象;动态疲劳是在恒定 料可耐受应力随时间下降的现象; 速率加载条件下研究材料断裂失效对加载速率的敏感 性.
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第五章 材料的疲劳性能
瞬断区是裂纹失稳扩展形成的区域.该区的断 瞬断区是裂纹失稳扩展形成的区域. 是裂纹失稳扩展形成的区域 口比疲劳区粗糙,宏观特征如同静载, 口比疲劳区粗糙,宏观特征如同静载,随材料性质 而变. 而变. 脆性材料断口呈结晶状;韧性材料断口,在心 脆性材料断口呈结晶状;韧性材料断口, 部平面应变区呈放射状或人字纹状, 部平面应变区呈放射状或人字纹状,边缘平面应力 区则有剪切唇区存在. 区则有剪切唇区存在.
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§ 5-2疲劳破坏的机理 疲劳破坏的机理
一,金属材料疲劳破坏机理
1.疲劳裂纹的萌生 1.疲劳裂纹的萌生 金属材料的疲劳过程也是裂纹萌生和扩展的过程. 金属材料的疲劳过程也是裂纹萌生和扩展的过程. 因变动应力的循环作用, 因变动应力的循环作用,裂纹萌生往往在材料薄弱区或 高应力区,通过不均匀滑移,微裂纹形成及长大而完成. 高应力区,通过不均匀滑移,微裂纹形成及长大而完成. 由不均匀滑移和显微开裂引起. 疲劳微裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起 疲劳微裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起.主要方 式有:表面滑移带开裂;第二相, 式有:表面滑移带开裂;第二相,夹杂物与基体界面或 杂质本身开裂;晶界或亚晶界处开裂. 杂质本身开裂;晶界或亚晶界处开裂.
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第五章 材料的疲劳性能
与金属材料完全不同的疲劳力学特性还有: 与金属材料完全不同的疲劳力学特性还有:陶 疲劳力学特性还有 瓷材料常温时, 瓷材料常温时,在应力作用下不发生或很难发生塑 性变形,裂纹尖端根本不存在循环应力的疲劳效应. 性变形,裂纹尖端根本不存在循环应力的疲劳效应. 因此金属材料的损伤累积及疲劳机理对陶瓷材料并 不适用. 不适用.
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第五章 材料的疲劳性能
2.疲劳裂纹的扩展 2.疲劳裂纹的扩展
疲劳裂纹萌生后便开始扩展. 疲劳裂纹萌生后便开始扩展. 阶段是沿着最大切应力 第Ⅰ阶段是沿着最大切应力 方向向内扩展.其中多数微 方向向内扩展. 裂纹并不继续扩展, 裂纹并不继续扩展,成为不 扩展裂纹, 扩展裂纹,只有个别微裂纹 可延伸几十um(即 可延伸几十um(即2—5个晶 um( 5 粒 ) 长.
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第五章 材料的疲劳性能
1. 疲劳破坏的概念
疲劳破坏过程是材料内部薄弱区域的组织在变动应力作 疲劳破坏过程是材料内部薄弱区域的组织在变动应力作 用下,逐渐发生变化和损伤累积,开裂, 用下,逐渐发生变化和损伤累积,开裂,当裂纹扩展达到 一定程度后发生突然断裂的过程, 一定程度后发生突然断裂的过程,是一个从局部区域开始 的损伤累积,最终引起整体破坏的过程. 的损伤累积,最终引起整体破坏的过程. 疲劳破坏是循环应力引起的延时断裂, 疲劳破坏是循环应力引起的延时断裂,其断裂应力水平 往往低于材料的抗拉强度,甚至低于其屈服强度. 往往低于材料的抗拉强度,甚至低于其屈服强度.机件疲 劳失效前的工作时间称为疲劳寿命, 劳失效前的工作时间称为疲劳寿命,疲劳断裂寿命随循环 疲劳寿命 应力不同而改变. 应力不同而改变. 应力高,机件寿命短;应力低,寿命长. 应力高,机件寿命短;应力低,寿命长.当应力低于材