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
飞机舷窗
高速列车
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。
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。
2021年10月21日 星期四
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
2021年10月21日 星期四
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
材料力学性能 课后解答
第一章1.解释下列名词①滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。
②弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
③循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。
④包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
⑤塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。
⑥韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
脆性：指金属材料受力时没有发生塑性变形而直接断裂的能力⑦加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时,由于晶粒发生滑移, 出现位错的缠结,使晶粒拉长、破碎和纤维化,使金属的强度和硬度升高,塑性和韧性降低的现象。
⑧解理断裂：解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，即断裂面沿一定的晶面（即解理面）分离。
2.解释下列力学性能指标的意义弹性模量）；（2）ζ p（规定非比例伸长应力）、ζ e（弹性极限）、ζ s（屈服强度）、ζ 0.2（屈服强度）；（3）ζ b （抗拉强度）；（4）n（加工硬化指数）; （5）δ （断后伸长率）、ψ （断面收缩率）4.常用的标准试样有5 倍和10倍，其延伸率分别用δ 5 和δ 10 表示，说明为什么δ 5>δ 10。
答：对于韧性金属材料，它的塑性变形量大于均匀塑性变形量，所以对于它的式样的比例，尺寸越短，它的断后伸长率越大。
5.某汽车弹簧，在未装满时已变形到最大位置，卸载后可完全恢复到原来状态；另一汽车弹簧，使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，而且塑性变形量越来越大。
试分析这两种故障的本质及改变措施。
答：（1）未装满载时已变形到最大位置：弹簧弹性极限不够导致弹性比功小；（2）使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，这是构件材料的弹性比功不足引起的故障，可以通过热处理或合金化提高材料的弹性极限（或屈服极限），或者更换屈服强度更高的材料。
材料力学性能总结3
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
大连理工大学精品课程-材料力学性能-第五章-影响疲劳强度的因素
2020年8月3日星 期一
第五章 金属的疲劳
影 响 因 素
3
工作条件
载荷条件 载荷频率 环境温度 环境介质
表面状态及 尺寸因素
尺寸效应 表面粗糙度 缺口效应
应 应 过次平
力 力 载载均
状 比 情情应
态
况况力
表面处理 材料因素
表面喷丸及滚压
表面热处理
表面涂层 化学成分 组织结构 各向异性 内部缺陷
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2020年8月3日星 期一
第五章 金属的疲劳
喷丸只对承受弯曲、扭转疲劳的机件有用， 对拉压疲劳机件虽可阻止裂纹在表面萌生， 但却助长了裂纹在次表面的萌生，不仅不 利于提高疲劳强度，甚至有害。
滚压和喷丸类似，不过其压应力层深度较 大，适用于大工件，表面粗糙度低时强化 效果更好，但要求工件形状相对简单。提 高疲劳寿命的程度比喷丸要高1倍以上。
第五章 金属的疲劳
试验表明，加载应力低于并接近疲劳极限时，间歇提高疲 劳寿命比较明显，而间歇过载加载对疲劳寿命不但无益，甚至有害。 因为次载时有疲劳强化，间歇有应变时效强化，故能提高疲劳寿命。 而过载造成损伤累积有疲劳弱化，间歇没有效果。次载间歇有一个 最佳的间歇时间，与加载应力的大小有关，应力高，最佳间歇期短， 应力低，最佳间歇期长。间歇间隔周次也有一个最佳值，只有用合 适的间歇时间和最佳的间隔周次进行间歇加载，才会有效提高疲劳 强度和寿命。
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2020年8月3日星 期一
第五章 金属的疲劳
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
件获得表硬心韧的 表面化学热处理
完整版材料力学性能课后习题答案整理
材料力学性能课后习题答案第一章单向静拉伸力学性能1、解释下列名词。
1弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
2．滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。
3．循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。
4．包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
5．解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。
6．塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。
脆性：指金属材料受力时没有发生塑性变形而直接断裂的能力韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
7.解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为b的台阶。
8.河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。
是解理台阶的一种标志。
9.解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。
10.穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。
沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂。
11.韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变2、说明下列力学性能指标的意义。
答：E 弹性模量 G 切变模量 r σ规定残余伸长应力 2.0σ屈服强度 gt δ金属材料拉伸时最大应力下的总伸长率 n 应变硬化指数 P15 3、 金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？答：主要决定于原子本性和晶格类型。
合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织形态和晶粒大小，但是不改变金属原子的本性和晶格类型。
金属的力学性能-第5章__金属的疲劳 2
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二、疲劳现象及特点 1、分类：根据断裂周次高低 (1) 高周疲劳(断裂周次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——机械疲劳； 高周疲劳定义：材料在低于屈服极限的交 变应力作用下，于超过105循环周次而产生的疲 劳断裂。
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(2) 低周疲劳(Nf＝102－105)
max 2 max 2 分子分母同除 tan m max min 1 r
max
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机件受到短时偶然过载作用后，又回到
正常应力下服役，材料的疲劳极限会发生什 么变化呢？—可能没有变化，也可能降低。 与材料所受的过载应力和相应的累计过 载周次有关。 同时也间接表明了材料抗疲劳过载的能 力的大小。
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第五章 金属的疲劳性能
一些构件在远低于抗拉强度的变动载荷 作用下，经过一定周次之后，会发生突然破 断，但在破断前没有明显的宏观塑性变形-疲 劳破坏。在整个失效件中占80％；
疲劳属低应力循环延时断裂，其断裂应 力水平往往<σb，甚至<σs； 不发生明显的塑性变形，难预防，损失 大。
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元凶是制造飞机机体结构的金属材料产生疲劳。金属机体表面存在细小 的裂纹，飞机增压舱内方形舷窗处的机身蒙皮，在反复的增压和减压冲击下， 不断地来回弯曲变形，使裂纹逐步扩展，反复数次，最终招致金属疲劳断裂。
)。
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1、极限循环振幅图(σ a－σ m疲劳图)
出发点： 用某一应 力比下的 σmax 表 示 该应力比 下的疲劳 极限σr。
已知r， 就可知α。 从 图 中 做出α角 即可。
rB aB mB
1 a 2 ( max min ) 分子和分母同除 max 1 r tan 1 m 1 r ( max min ) 2
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飞机舷窗
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高速列车
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。
波动应力 σm>σa,0<r<1
不对称交变应力 -1<r<0
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图 循环应力的类型 a)、e) 交变应力 b)、c)、d) 重复循环应力
几种常见的承受循环应力的构件
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随机变动应力
循环应力呈随机变化，如运行时因道 路或云层的变化，汽车、拖拉机及飞 机等的零件，工作应力随时间随机变 化。
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5.1 金属疲劳现象及特点
5.1.1 变动载荷和循环应力
变动载荷是指载荷的大小、方向随时间变化的载
荷，其单位面积上的平均值为变动应力。 变动应力可分为周期变动应力（也称循环应力）
和无规则随机变动应力。
生产中机件正常工作时，其变动应力多为循环应 力。
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图 变动应力示意图 a)应力大小变化 b)、c)应力大小及方向都变化 d)应力大小及方向无规则的变化
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图 农用挂车前轴的载荷谱
5.1.2 疲劳现象及特点
金属机件在变动应力和应变长期作用下，由
于积累损伤而引起的断裂现象称为疲劳。
疲劳的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，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 损伤累积，最终引起整体破坏的过程。
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▪1998年6月3日，德国发生了一起惨重的铁路交通事故。 一列高速列车脱轨，造成100多人遇难。
一个车轮的轮箍发生断裂，导致车 轮脱轨，进而造成车厢横摆，横摆 的车厢以其巨大的力量将桥墩撞断 ，造成桥梁坍塌，压住了通过的列 车车厢，并使已通过桥洞的车头及 前5节车厢断开，而后面的几节车 厢则接二连三地撞在坍塌的桥体上 。
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
的断口上也显示出疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂 区的特征。
第五章 金属的疲劳
江苏科技大学 材料科学与工程学院
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想一想
人工作久了就会感 到疲劳，难道金属 工作久了也会疲劳 吗？ 金属的疲劳能得到 恢复吗？
Fatigue
▪金属材料在受到交变应力或重复循环应力时，经一定循环 次数后，往往在工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂 ，这种现象称为疲劳。
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疲劳类型
表 高周疲劳和低周疲劳对比
类别 断裂寿命
周次（Nf）
高周疲劳 （低应力疲劳）
较长
>105
低周疲劳 （高应力疲劳）
较短
102～105
应力水平
较低 σ<σs
较高 σ>σs
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疲劳的特点
该破坏是一种潜藏的突发性破坏，在静载下显示 韧性或脆性破坏的材料在疲劳破坏前均不会发生 明显的塑性变形，呈脆性断裂。
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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 。实用文档
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本章主要内容
1、金属疲劳现象及特点 2、疲劳曲线及基本疲劳力学性能 3、疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 4、疲劳过程及机理 5、影响疲劳强度的主要因素 6、低周疲劳
金属“疲劳”一词，最早是由法国学者J-V彭赛（Panelet） 于1839年提出来的。
1850年德国工程师沃勒（A.Woler)设计了第一台用于机车 车轴的疲劳试验机，用来进行全尺寸机车车轴的疲劳试验。
1871年沃勒系统论述了疲劳寿命和循环应力的关系，提出
了S-N曲线和疲劳极限的概念，确立了应力幅是疲劳破坏
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疲劳形式的分类
可按不同方法对疲劳形式分类。
❖ 按应力状态分：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳 、接触疲劳及复合疲劳；
❖ 按环境和接触情况分：大气疲劳、腐蚀疲劳、高 温疲劳、热疲劳及接触疲劳等。
❖ 按应力高低和断裂寿命分：高周疲劳和低周疲劳 。
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高周疲劳和低周疲劳
按应力高低和断裂寿命分,最基本的分类方法。
循环应力及其特征参量
循环应力的波形有正弦波、矩形波和三角波等。 表征应力循环特征的参量有：
❖最大循环应力σmax，最小循环应力σmin ❖平均应力:σm=(σmax+σmin)/2 ❖应力幅或应力范围:σa=(σmax-σmin)/2 ❖应力比:r=σmin/σmax
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常见的循环应力
脉动应力 σm=σa>0,r=0 σm=σa<0,r=-∞ 对称交变应力 σm=0,r=-1
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。
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“彗星”号是世界上第一种正式投入航线运营的民用喷气 客机。然而从1953年5月至1954年4月的11个月中，竟有３ 架“彗星号”客机在空中解体，机毁人亡。事故分析表明 ，其中两次空难的原因是飞机密封座舱结构发生疲劳所致 ，飞机在多次起降过程中，其增压座舱壳体经反复增压与 减压，在矩形舷窗窗框角上出现了裂纹引起疲劳断裂。针 对这个问题，英国德·哈维兰公司对“彗星”号飞机进行 了改进设计，加固了机身，采用了椭圆形航窗，使疲劳问 题得到很好的解决。
的决定因素，奠定了金属疲劳的基础。
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金属疲劳是十分普遍的现象，例如火车的车轴是 典型的承受弯曲疲劳，汽车的传动轴主要是承受 扭转疲劳等。
据150多年来的统计，金属部件中有80％以上的断 裂是由于疲劳而引起的，极易造成人身事故和经 济损失，因此认识疲劳现象、研究疲劳破坏规律、 提高疲劳抗力、防止疲劳失效是非常重要的。