材料的疲劳分析
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
钢结构材料疲劳分析
钢结构材料疲劳分析疲劳是材料在反复应力作用下导致损伤和失效的一种破坏机制。
在工程实践中，钢结构材料的疲劳性能分析至关重要，因为它能帮助我们预测和评估结构在长期使用过程中可能发生的疲劳断裂问题。
本文将介绍钢结构材料疲劳分析的基本原理、方法以及应用案例。
通过对疲劳分析的深入研究，我们可以提高钢结构的可靠性和安全性。
一、疲劳断裂机理钢材在应力作用下的疲劳断裂主要是由于结构内部存在微观缺陷和应力集中的作用导致。
疲劳断裂过程一般可以分为以下几个阶段：1. 起始阶段：在应力作用下，钢材表面的微小缺陷会逐渐扩展形成微裂纹；2. 扩展阶段：微裂纹逐渐扩展并连接形成裂纹，此时的破坏速度加快；3. 稳定阶段：裂纹扩展速度基本保持稳定，并逐渐接近致命裂纹长度；4. 加速阶段：当裂纹长度达到一定程度时，裂纹扩展速度急剧增加；5. 破坏阶段：致命裂纹由裂纹尖端的破坏扩展至整个截面，导致结构失效。
二、钢结构材料的疲劳试验与评估钢结构材料的疲劳试验是疲劳分析的重要手段之一。
通过疲劳试验，我们可以获取钢材的疲劳性能曲线，进而对结构的疲劳寿命进行评估。
1. 疲劳试验方法常见的钢结构材料疲劳试验方法包括拉伸-压缩试验、转动弯曲试验和简支梁弯曲试验等。
这些试验方法可以模拟结构在实际工作状态下的载荷，通过对不同加载谱的试验可以获得钢材的疲劳性能曲线。
2. 疲劳性能评估疲劳性能评估是根据疲劳试验结果对钢材的疲劳寿命进行预测和评估的过程。
常见的评估方法包括S-N曲线法、极限状态法和损伤累积法等。
这些方法可以帮助我们了解结构在特定载荷下的疲劳性能，并进行疲劳寿命预测。
三、钢结构材料疲劳分析的数值模拟除了试验方法外，钢结构材料的疲劳分析还可以通过数值模拟的方式进行。
数值模拟可以通过有限元方法等手段，模拟结构在不同工况下的应力应变状态，进而评估结构的疲劳性能。
1. 有限元分析有限元分析是疲劳分析中常用的数值模拟方法之一。
通过将结构离散为有限数量的单元，可以对结构在不同工况下的应力应变进行精确计算。
复合材料的疲劳失效分析
复合材料的疲劳失效分析疲劳失效是复合材料工程中一个非常重要的问题，它直接影响到材料和结构的可靠性和寿命。
复合材料具有较好的强度和刚性，但由于其异质性和复杂的微观结构，容易受到疲劳破坏的影响。
因此，进行复合材料的疲劳失效分析对于材料和结构的设计以及使用和维护具有重要的意义。
1. 疲劳失效的定义和特点疲劳失效是指材料或结构在交变载荷作用下，由于应力循环的反复作用，导致材料或结构在经历一定循环次数后发生永久变形或破坏的现象。
复合材料的疲劳失效具有以下几个特点：- 疲劳失效往往发生在应力水平远低于材料静态强度的情况下。
- 疲劳失效的破坏是由于微观缺陷在应力作用下逐渐扩展形成裂纹并扩展导致的。
- 复合材料的疲劳性能受到多种因素的影响，如材料的成分、结构、制备工艺等。
2. 疲劳失效的机理复合材料的疲劳失效机理主要涉及到两个方面：- 微观层面：复合材料中的纤维和基体之间存在着界面，界面强度较低，容易发生失效。
在疲劳载荷的作用下，界面处产生应力集中，从而引发微裂纹的形成和扩展。
- 组织层面：复合材料中的纤维方向和层压层面的剪切层间力会导致疲劳失效，其疲劳裂纹的形成和扩展路径不同于金属材料。
3. 疲劳失效的评估方法为了评估复合材料的疲劳性能和预测其寿命，常用的方法包括实验测试和数值分析。
实验测试：通过设计合适的实验方案，可以获取材料在不同载荷水平、载荷频率和环境条件下的疲劳性能数据。
实验方法主要包括疲劳试验、疲劳寿命曲线绘制和断口分析等。
数值分析：借助计算机模拟技术，可以通过建立复合材料的数学模型和材料参数，对材料在不同载荷作用下的疲劳性能进行分析和预测。
常用的数值方法包括有限元分析、断裂力学方法等。
4. 疲劳失效分析的影响因素复合材料的疲劳失效受到多种因素的影响：- 材料因素：包括纤维类型、基体材料、界面性能、纤维含量等。
- 结构因素：包括层压层数、层间厚度、叠层方式等。
- 成型工艺：包括固化温度、固化时间、压力等。
机械设计基础了解机械设计中的常见材料疲劳与寿命分析
机械设计基础了解机械设计中的常见材料疲劳与寿命分析机械设计基础：了解机械设计中的常见材料疲劳与寿命分析机械设计作为一门综合性的学科，涉及了多种知识领域。
其中，材料疲劳与寿命分析是机械设计中一项非常重要的技术。
本文将从基础的角度出发，介绍机械设计中常见的材料疲劳与寿命分析的方法与应用。
一、材料疲劳的概念与分类材料疲劳指在交变载荷下，材料经历一定次数的应力循环后导致破裂的现象。
根据不同的破坏形态，材料疲劳可以分为低周疲劳和高周疲劳。
低周疲劳通常指的是应力幅较大、循环次数较少的情况下材料的疲劳破坏。
而高周疲劳则主要发生在应力幅较小、循环次数较多的情况下。
二、常见的材料疲劳分析方法1. W öhler曲线法W öhler曲线法是一种常见的材料疲劳寿命分析方法，也被称为S-N 曲线法。
该方法通过对不同应力幅下的疲劳寿命进行实验，得到一条应力幅与疲劳寿命的曲线。
根据实验数据，可以预测在给定应力幅下材料的疲劳寿命。
2. Miner累加法Miner累加法是一种将多个应力循环叠加起来进行疲劳寿命分析的方法。
通过将实际工况下的应力循环按照不同的权重进行叠加，得到一个等效的疲劳载荷，然后根据W öhler曲线法或其他疲劳寿命模型计算疲劳寿命。
3. 应力范围法应力范围法是一种简化的疲劳寿命分析方法。
该方法假设材料的疲劳寿命与材料的应力范围成正比。
通过测量应力循环的最大应力和最小应力，计算应力范围，从而估计疲劳寿命。
4. 线性寿命法线性寿命法是一种通过材料的强度和韧性参数来估计疲劳寿命的方法。
该方法基于线性弹性断裂力学理论，将应力应变曲线中的材料参数与疲劳寿命进行相关。
三、材料寿命分析的应用材料寿命分析在机械设计中有着广泛的应用。
它可以用于评估材料的可靠性和寿命，在产品设计、材料选择和工艺优化等方面提供依据。
1. 产品设计在产品设计过程中，通过对材料的疲劳寿命进行分析，可以确定产品的寿命预期，从而在设计阶段就可以选择合适的材料和结构，以提高产品的可靠性和使用寿命。
材料力学中的断裂和疲劳分析
材料力学中的断裂和疲劳分析在工程领域中，对材料的强度和耐久性进行评估和分析是至关重要的。
而在材料力学中，断裂和疲劳分析是两个重要的研究方向。
本文将从理论和应用两个方面，介绍材料力学中的断裂和疲劳分析。
首先，我们来介绍断裂分析。
断裂是指在外部加载下，材料的破坏。
断裂分析的目的是通过研究材料的断裂机制，预测和防止材料的破坏。
断裂分析的核心是断裂力学，它通过分析应力场、应变场和裂纹尖端处的应力强度因子来揭示裂纹扩展的行为。
在断裂力学中，有两个经典理论被广泛应用：线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学。
线弹性断裂力学适用于处理材料的线弹性阶段，即只存在弹性变形，不发生塑性变形的情况。
而弹塑性断裂力学则适用于材料同时发生弹性和塑性变形的情况。
对于断裂力学的研究，一个重要的参数是断裂韧性。
断裂韧性是描述材料抵抗裂纹成长的能力，通常通过KIC来表示。
KIC是裂纹尖端处单位断裂韧性的衡量指标，一般情况下，KIC越大，材料的抗裂纹扩展能力越强。
断裂韧性的评估对于确保材料的可靠性和耐久性至关重要。
接下来，我们来了解疲劳分析。
疲劳是指在循环加载下，材料经历应力的反复变化而引起的破坏。
疲劳是材料工程中非常常见的一种破坏模式，因此对于疲劳强度的评估和分析也是非常重要的。
疲劳分析的核心是疲劳强度理论。
常见的疲劳强度理论有极限应力理论、极限变形理论和能量理论等。
这些理论通过对应力和应变历程的分析，确定了材料的疲劳强度边界，从而指导工程实践中的材料选择和设计。
除了理论研究，疲劳分析中还有实验方法。
疲劳试验是评估材料疲劳性能的重要手段。
通过在标准试样上施加循环加载，可以测定材料的疲劳寿命和疲劳强度。
这些试验结果可以为工程实践中的疲劳分析提供可靠的参考。
近年来，随着计算机技术的快速发展，有限元分析成为疲劳分析的重要方法之一。
有限元分析可以通过数值计算模拟材料在复杂载荷下的应力和应变分布情况，从而预测材料的疲劳寿命和破坏位置。
这一方法不仅减少了试验成本和时间，还提高了分析的准确性和可靠性。
《疲劳分析介绍》课件
疲劳分析方法和工具的选择
提供选择合适的疲劳分析方法和 工具的指导。
疲劳分析在实际生产中的 应用展望
展望疲劳分析在实际生产中的应 用前景和发展方向。
2 疲劳裂纹的产生和扩展
疲劳裂纹是导致材料疲劳失效的主要原因，了解其产生和扩展的机理非常重要。
3 疲劳寿命
通过疲劳寿命评估材料和结构的使用寿命，确保其可靠性。
疲劳分析的方法
应力计算方法
使用数值模拟和有限 元分析等方法计算材 料和结构在循环载荷 下的应力分布。
应变计算方法
利用应变测量和应变 计算等技术评估材料 和结构的应变响应。
损伤积累方法
基于损伤机理和材料 特性，预测材料和结 构在循环载荷下的损 伤积累过程。
生命预测方法
结合实验数据和数值 分析，预测材料和结 构在循环载荷下的寿 命。
疲劳分析工具的使用
常用的工具介绍
介绍常用的疲劳分析工具和 软件，如ANSYS、ABAQUS等。
工具的优缺点比较
评估不同工具的特点和适用 性，选择适合的工具进行疲 劳分析。
工具的使用案例
分享使用疲劳分析工具进行 实际工程案例的经验和教训。
实例分析
1
实际应用例子分析
通过实际案例，详细分析材料和结构在循环载荷下的疲劳行为。
2
案例分析思路和方法
探讨进行疲劳分析的思路和方法，提供实践指导。
分析结果与结论
总结实例分析的结果，并得出相关的结论。
总结
疲劳分析的重要性和必要性
强调疲劳分析在工程领域中的重 要性和必要性。
疲劳分析介绍
疲劳分析是一项重要的工程领域，用于评估材料和结构在循环载荷下的寿命 和可靠性。本课程将介绍疲劳分析的基本概念和方法，以及在实际应用中的 意义。
材料疲劳实验报告
材料疲劳实验报告1. 实验目的材料疲劳实验是为了研究材料在长期重复加载下的性能变化规律，探究材料的疲劳寿命及疲劳行为。
本次实验旨在通过不同载荷条件下对金属材料进行疲劳实验，分析其疲劳寿命及疲劳失效模式。
2. 实验原理疲劳材料学认为，在材料受到交变载荷作用时，由于局部应力和变形的聚焦作用，会造成材料内部微小损伤积累，最终导致材料疲劳失效。
实验中常用的参数包括应力幅、载荷周期、载荷频率等。
3. 实验设备及材料本次实验采用了一台电子疲劳试验机，可实现不同载荷条件下的疲劳加载。
实验材料选用了工业中常见的金属材料，如钢、铝等，以进行疲劳实验。
4. 实验方法（1）根据实验要求确定不同载荷条件下的疲劳试验方案，包括载荷幅值、载荷周期等参数；（2）将待测材料制备成标准试样，并在试验机上装夹好；（3）依据设定的疲劳试验方案进行试验，并根据试验机读数记录实验数据；（4）当达到设定的疲劳寿命或发生疲劳失效时停止试验，记录试验结果。
5. 实验结果及分析经过一系列的疲劳实验，我们得到了不同载荷条件下金属材料的疲劳寿命数据。
通过对数据进行分析，我们可以发现随着载荷幅值的增加，材料的疲劳寿命逐渐减小，疲劳失效模式也呈现出明显的变化。
此外，不同金属材料在疲劳实验中表现出不同的特性，例如某一种金属在高强度载荷下疲劳寿命更长等。
6. 实验结论通过本次材料疲劳实验，我们深入了解了材料在疲劳加载下的性能表现及疲劳寿命规律。
我们可以通过调整载荷条件来延长材料的疲劳寿命，提高其耐久性。
疲劳实验为材料科学领域的研究提供了重要的参考依据。
7. 结语本次实验不仅增进了我们对材料疲劳行为的认识，同时也对未来的相关研究工作起到了积极的推动作用。
期待通过更多的研究和实验，为材料科学领域的发展做出更大的贡献。
铝型材疲劳实验报告
一、实验目的1. 了解铝型材的疲劳特性。
2. 掌握疲劳实验的基本原理和方法。
3. 分析不同载荷下铝型材的疲劳寿命。
4. 评估铝型材在实际使用中的可靠性。
二、实验原理疲劳实验是一种研究材料在循环载荷作用下破坏规律的方法。
铝型材作为一种常用的金属材料，在航空航天、交通运输、建筑等领域有广泛的应用。
本实验采用疲劳试验机对铝型材进行循环加载，通过测量其疲劳寿命，分析其疲劳特性。
三、实验材料及设备1. 实验材料：某型号铝型材，尺寸为50mm×50mm×5mm。
2. 实验设备：疲劳试验机、电子万能试验机、万能力学性能测试仪、精度为0.01mm的游标卡尺、精度为0.01g的天平。
四、实验步骤1. 样品准备：将铝型材样品加工成标准尺寸，去除表面缺陷，并进行表面处理。
2. 实验参数设置：根据实验要求，设置试验机的工作参数，包括载荷大小、加载频率、加载波形等。
3. 实验过程：将加工好的铝型材样品安装在试验机上，进行循环加载实验。
在实验过程中，实时记录载荷、位移、应力等数据。
4. 实验数据整理：将实验过程中采集到的数据进行分析和处理，绘制疲劳曲线，计算疲劳寿命。
五、实验结果与分析1. 疲劳寿命：在相同载荷下，不同加载频率的铝型材疲劳寿命存在差异。
实验结果表明，随着加载频率的增加，铝型材的疲劳寿命逐渐缩短。
2. 疲劳曲线：通过实验数据绘制疲劳曲线，分析铝型材的疲劳特性。
结果表明，铝型材的疲劳曲线呈非线性，疲劳极限较低。
3. 疲劳机理：分析铝型材在疲劳过程中的微观结构变化，探讨疲劳机理。
实验结果表明，铝型材在疲劳过程中会发生微观裂纹扩展，最终导致材料破坏。
六、结论1. 铝型材在循环载荷作用下具有明显的疲劳特性，疲劳寿命与加载频率、载荷大小等因素密切相关。
2. 在实际应用中，应根据铝型材的疲劳特性，合理设计载荷大小和加载频率，以保证材料的使用寿命和安全性。
3. 本实验为铝型材的疲劳性能研究提供了实验依据，有助于提高铝型材在实际工程中的应用性能。
钛合金材料的抗疲劳性能评估与分析
钛合金材料的抗疲劳性能评估与分析随着现代工业的发展，钛合金材料由于其优异的性能和广泛的应用领域受到了越来越多的关注。
然而，在实际的工程应用中，钛合金材料的抗疲劳性能一直是一个重要的问题。
本文将对钛合金材料的抗疲劳性能进行评估与分析，并探讨其影响因素和改进方法。
一、抗疲劳性能的概念和评估方法抗疲劳性能是指材料在长期循环加载作用下不产生疲劳损伤的能力。
在评估钛合金材料的抗疲劳性能时，常用的方法是通过疲劳强度、疲劳寿命和疲劳裂纹扩展率等参数进行评估。
1. 疲劳强度：疲劳强度是指材料在一定的循环加载下不发生破坏的最大应力水平。
通常使用S-N曲线（应力-寿命曲线）来描述疲劳强度，通过实验得到一系列不同应力水平下的循环寿命，进而绘制S-N曲线。
2. 疲劳寿命：疲劳寿命是指材料在一定的循环加载下能够承受的次数或循环数。
疲劳寿命与应力水平、载荷频率等因素有关。
通过疲劳试验，可以得到不同应力水平下的疲劳寿命。
3. 疲劳裂纹扩展率：疲劳裂纹扩展率是指材料在疲劳加载下裂纹的扩展速率。
疲劳裂纹扩展是疲劳破坏的重要形式之一，它对材料的抗疲劳性能有重要影响。
二、影响抗疲劳性能的因素钛合金材料的抗疲劳性能受到多种因素的影响，主要包括材料本身的组织结构、应力水平、温度和载荷频率等。
1. 材料组织结构：钛合金材料的组织结构对其抗疲劳性能具有重要影响。
晶粒尺寸、晶界结构和相组成等都会影响材料的疲劳行为。
较细小且均匀的晶粒有助于提高材料的抗疲劳性能。
2. 应力水平：应力是引起材料疲劳破坏的重要因素之一。
较高的应力水平会导致材料更容易发生疲劳破坏。
因此，在设计和使用过程中要注意合理控制应力水平，以提高钛合金材料的抗疲劳性能。
3. 温度：温度对钛合金材料的抗疲劳性能有较大影响。
在高温环境下，材料的强度和韧性会降低，从而影响其抗疲劳性能。
4. 载荷频率：载荷频率也是影响钛合金材料抗疲劳性能的重要因素之一。
较高的载荷频率会加速材料的疲劳破坏，而适当降低载荷频率有助于提高材料的抗疲劳性能。
机械设计中的材料强度与疲劳分析
机械设计中的材料强度与疲劳分析机械设计是一门综合应用技术，旨在设计各种机械设备以满足特定的工程需求。
在机械设计中，材料的强度和疲劳分析是不可或缺的重要步骤。
本文将探讨机械设计中的材料强度与疲劳分析的基本概念及其在实际应用中的重要性。
一、材料强度分析材料强度是指材料在承受外部荷载或应力时的抵抗能力。
材料的强度分析对于机械结构设计至关重要，它决定了材料是否足够强大以抵御外界力量的影响，并保证结构的安全性和可靠性。
1.1 材料的应力-应变关系材料在受到外力作用时，产生内部的应力和应变。
应力是单位面积上的力，应变是单位长度上的形变。
材料的强度可以通过应力-应变关系来描述，其中包括弹性阶段、屈服点、塑性阶段和断裂点。
在机械设计中，通常使用材料的弹性模量、屈服强度、抗拉强度等参数来描述材料的强度。
1.2 材料强度分析方法在机械设计中，材料的强度分析可以通过理论计算、实验测试和数值模拟等方法进行。
理论计算方法是根据材料的弹性模型和力学原理推导出的公式来预测材料的强度。
实验测试方法是通过对材料进行拉伸、压缩、弯曲等试验来获取材料的强度参数。
数值模拟方法是利用计算机软件对材料的行为进行模拟和分析，可以提供更详细的应力、应变分布以及材料的破坏情况。
二、疲劳分析疲劳是指在周期性或交变性荷载作用下，材料发生的逐渐累积的微小损伤和失效现象。
疲劳问题在机械设计中经常出现，尤其对于那些在长时间内承受不断循环荷载的机械零件来说，如汽车发动机的曲轴、飞机的机翼等。
2.1 疲劳失效机理疲劳失效是由于材料在应力循环作用下产生微小的裂纹，随着荷载作用次数的增加，裂纹逐渐扩展，并最终导致材料的断裂。
疲劳失效的机理可以通过S-N曲线来描述，其中S表示应力幅，N表示应力循环次数。
S-N曲线是通过实验测试得到的，它描述了不同应力幅下材料的寿命。
2.2 疲劳寿命预测疲劳寿命预测是机械设计中的重要课题。
它利用S-N曲线和应力历程来预测材料在给定载荷条件下的疲劳寿命。
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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。
二、疲劳种类及特点 1、 分类(Classification)
1）按应力状态分有： a）弯曲疲劳 b）扭转疲劳 c）拉压疲劳 d）复合疲劳
2）按环境分有： a）大气疲劳 b）腐蚀疲劳 c）高温疲劳 d）接触疲劳 e）热疲劳
5.1 金属疲劳现象
变动载荷
机件承受的变动载荷（应力）是指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，前者 称为周期变动载荷，后者称为随即变动载荷。
5、金属的疲劳按照机件所受应力的大小可分为高周疲劳和低周疲劳。所 受应力较低、断裂时应力循环周次很多的情况下产生的疲劳断裂称为高周 疲劳。所受应力较高、断裂时应力循环周次较少的情况下产生的疲劳断裂 称为低周疲劳。
5.1.3 疲劳宏观断口
5.1 疲劳现象
疲劳断口有其些独特的特征， 是研究疲劳断裂过程和进行机件 疲劳失效分析的基础。疲劳断口 的宏观结构取决于材料的性质、 加载方式、载荷大小等因素。
高周疲劳断口从宏观来看， 一般可以分为三个区，即疲劳源 区、疲劳裂纹扩展区（疲劳断裂 区）和瞬时断裂区（静断区）。
5.1.3 疲劳宏观断口
5.1 疲劳现象
疲劳源区: 即疲劳裂纹策源地，是疲劳破坏的起始点。疲劳源一般
在机件的表面，因为表面常常存在各种缺陷及台阶，例如 加工痕迹，非金属夹杂，淬火裂纹等应力集中点比较多。 如果机件内部存在有夹杂、孔洞或成分偏析等缺陷时，它 们也可能成为内部或亚表面的疲劳源。疲劳裂纹形成后， 由于经受反复挤压摩擦，疲劳源区比较光亮。
疲劳通常指材料在受到变动（载荷）应力（一般低于 屈服应力）作用下的行为。在变动载荷下工作的机件，如 轴、齿轮和弹簧等，其主要的破坏形式是疲劳断裂。疲劳 断裂是指机件在变动载荷作用下经过长时间工作发生的断 裂现象。疲劳寿命 在循环加载下 ，产生疲劳破坏所需应 力或应变的循环次数。
在各类机件破坏中有80-90%是疲劳断裂，而且疲劳断 裂多是在没有征兆的情况下突然发生的，所以危害性很大。 金属的疲劳断裂是材料科学的重要领域之一，一直受到材 料科学工作者的极大关注。
5.1 疲劳现象
5.1.2 疲劳断裂的特点
4、疲劳断裂也包括裂纹形成和扩展两个阶段，但是由于承受的应力小， 并且是循环应力，故疲劳裂纹的裂纹在未达到临界尺寸之前扩展很慢，这 就是我们熟知的裂纹亚临界扩展阶段。疲劳裂纹的亚临界扩展期很长。当 疲劳裂纹尺寸达到临界值后，便迅速失稳扩展而断裂。可见，疲劳裂纹扩 展包括亚临界扩展期和失稳扩展期。
5.1 疲劳现象
5.1.2 疲劳断裂的特点
1、疲劳断裂是低应力脆性断裂，一般是在低于屈服应力之下发生的，断 裂是突然的，没有预先征兆，看不到宏观塑性变形，危害性比较大。
2、疲劳对缺口十分敏感。在疲劳断裂过程中，金属材料的内部组织在局 部区域内逐渐发生变化。这种变化使材料受到损伤，并逐渐积累起来，当 其达到一定程度后便发生疲劳断裂。因此疲劳断裂是一个损伤积累过程， 并且损伤是从局部区域开始的。
周期变动载荷又分交变载荷和重复载荷两类。交变载荷 是大小、方向均随时间作周期变化的变动载荷；重复载荷是 载荷大小作周期变化，但载荷方向不变的变动载荷。
5.1 疲劳现象
5.1.1 变动载荷
周期变动载荷又称为循环应力。它可以看成是由恒定的平均应力sm和变动的应力 半幅sa叠加而成，即在应力变化过程中，应力s与时间t存在如下关系： s= sm+saf(t) 最大应力smax—— 循环应力中数值最大的应力； 最小应力smin—— 循环应力中数值最小的应力； 平均应力sm —— 循环应力中的应力不变部分：sm =（smax +smin）/2 应力半幅sa —— 循环应力中的应力变动部分的幅值:sa =（smax－smin）/2 应力循环对称系数（应力比）r—— 应力循环的部对称程度: r = smin /smax
பைடு நூலகம்
▪1998年6月3日，德国发生了战后最惨重的一起铁路交通 事故。一列高速列车脱轨，造成100多人遇难。
• 材料设计应用中的问题：
• 如材料力学（抗拉强度）、断裂力学（断 裂韧性）等
• 日常生活和工程应用上许多材料虽然满足 上述条件但在使用过程中仍然发生断裂， 这种情况多发生在多次加载的基础上。也 就是说动与静的问题。动就是说变动问题
5.1 疲劳现象
5.1.3 疲劳宏观断口
疲劳区:疲劳裂纹亚稳扩展形成的断口区域。 疲劳裂纹亚临界扩展部分。它的典型特征是具有“贝壳”一样的花
样，一般称为贝壳线，也称为疲劳辉纹、海滩状条纹、疲劳停歇线或疲 劳线。一个疲劳源的贝壳线是以疲劳源为中心的近于平行的一簇向外凸 的同心圆。它们是疲劳裂纹扩展时前沿线的痕迹。贝纹线是由于载荷大 小或应力状态变化、频率变化或机器运行中停车起动等原因，裂纹扩展 产生相应的微小变化所造成的。因此，这种花样常出现在机件的疲劳断 口上，并且多数是高周疲劳。
3、疲劳破坏是长期的过程，在交变应力作用下，金属材料往往要经过几 百次，甚至几百万次循环才能产生破坏。当应力循环对称系数一定时，金 属材料所受的最大交变应力(或交变应力半幅)愈大，则断裂前所能承受的 应力循环次数愈少。当应力循环中的最大应力(或交变应力半幅)降到某一 数值时，金属材料可以经受无限次应力循环而不发生疲劳断裂
5 材料在变动载荷下的力学性能
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？
想一想
• 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。