疲劳断裂的特征分类及基础知识
第四章-疲劳断裂
旋转弯曲疲劳机简图
第4章 疲劳断裂
4.1 疲劳现象
4.1.3 疲劳曲线
每个试样的试验结果对应(σa，Nf）平面上的一个点。在不同应力幅下 试验一组试样，可以得到一组点,这就是疲劳寿命曲线。第一条这样的曲线 是由德国工程师Wöhler测定的，故又称为Wöhler曲线，习惯上也称作S-N 曲线。
1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成101人遇难身 亡的严重后果，近50年来德国最惨重铁路事故。
第4章 疲劳断裂
4.1 疲劳现象
It was caused by a single fatigue crack in one wheel which, when it finally failed, caused the train to derail at a switch. The intense destruction of the train was due to a collision with a road bridge after it derailed.
4.1
4.1.1 疲劳现象
疲劳现象
第4章 疲劳断裂
机件在变动负荷下经过较长时间的工作而发生突然断裂的现象叫做的疲 劳断裂。
疲劳断裂属于低应力脆性断裂。主要具有以下特点：
（1）机件或零件承受的名义应力低于材料的屈服强度；
（2）承受的载荷是交变载荷，并经过长时间的服役；与静负荷下的断裂不
同，无论在静负荷下显示脆性或韧性的材料，在疲劳断裂时都不产生明显的
第四章
第4章 疲劳断裂
疲劳断裂
4.1 疲劳现象 4.2 应变疲劳 4.3 应力疲劳寿命公式 4.4 疲劳裂纹起始寿命 4.5 疲劳裂纹扩展 4.6 裂纹扩展试验方法
疲劳断裂的基本特征
疲劳断裂的基本特征疲劳断裂是一种金属和材料在长时间的应力作用下逐渐产生裂纹并最终失效的现象。
它是一种破坏行为，常见于机械结构和工程材料中。
疲劳断裂的基本特征包括裂纹形成、裂纹扩展和失效破坏。
疲劳断裂的形成通常经历三个阶段。
首先是应力集中，也就是在材料表面或内部出现应力集中的区域。
这种应力集中可以由缺陷、凹槽、划痕等引起。
其次是裂纹的形成，应力集中区域的材料开始发生微小的裂纹，这些裂纹通常是微观的，难以察觉。
最后是裂纹的扩展，随着应力的作用，裂纹逐渐扩展，最终导致材料的失效。
疲劳断裂的特点是裂纹的扩展是一个渐进性的过程。
在应力作用下，裂纹从微小到逐渐扩展，直到达到材料的强度极限。
这个过程被称为裂纹的扩展阶段。
裂纹扩展的速度受到多个因素的影响，包括应力水平、应力周期、材料的力学性能等。
一般来说，应力水平越高、应力周期越大、材料的力学性能越差，裂纹扩展的速度越快。
疲劳断裂的失效破坏通常是突然发生的。
在裂纹扩展到一定程度后，材料的强度将急剧下降，裂纹会迅速扩展并导致材料的失效。
这种失效破坏是突然发生的，没有明显的预警信号。
因此，对于承受疲劳载荷的结构和材料，必须进行定期的检测和维护，以防止疲劳断裂的发生，确保结构的安全性。
为了预防和控制疲劳断裂，人们采取了许多措施。
首先是改善材料的力学性能，提高材料的韧性和强度，减少裂纹扩展的速度。
其次是设计合理的结构，避免应力集中的出现，减少裂纹的形成。
此外，还可以采用表面处理、应力涂层、热处理等方法来提高材料的抗疲劳性能。
在使用过程中，要注意控制应力水平和应力周期，避免过大的应力作用。
疲劳断裂是一种常见的材料失效形式，它具有裂纹形成、裂纹扩展和失效破坏等基本特征。
了解疲劳断裂的特点，对于改善材料的抗疲劳性能、设计合理的结构以及确保结构的安全性具有重要意义。
通过采取合适的预防和控制措施，可以有效地避免疲劳断裂的发生，延长材料和结构的使用寿命。
疲劳和断裂第四讲
疲劳和断裂都是材料的失效形式，但它们的发生机理和条件不同。
疲劳主要与循环载荷和交变应力有关，断裂则与外力和变形程度有关 。
疲劳裂纹的扩展通常是一个缓慢的过程，而断裂则可能突然发生。
疲劳极限是评价材料抗疲劳性能的重要指标，而断裂韧性则用于评估 材料的抗脆性断裂能力。
02
疲劳的机理
发生的断裂。
疲劳极限
03
材料在无限多次交变载荷作用下不发生疲劳断裂的最大应力。
断裂的定义
断裂
材料在外力作用下发生的不可逆的永久变形，直至破裂成两部分 的现象。
韧性断裂
在塑性变形较大的情况下发生的断裂，断口呈纤维状，无明显结 晶。
脆性断裂
在较低的应力状态下发生的断裂，断口平齐，呈结晶状。
疲劳和断裂的关系
断裂控制技术包括无损检测、损伤容限设计、 断裂韧性试验和结构健康监测等，以实现早期 预警和及时修复。
寿命预测和评估
寿命预测和评估是指对结构或部件在预期寿命内的性能和可靠性进行预测 和评估的方法。
寿命预测和评估基于对材料性能的了解、结构设计和服役环境等因素，采 用概率统计和可靠性分析等方法进行。
寿命预测和评估的结果可用于指导维护和修理计划，以及评估结构的安全 性和经济性，以实现最优化的全寿命周期管理。
疲劳和断裂第四讲
目录
• 疲劳和断裂的基本概念 • 疲劳的机理 • 断裂的机理 • 疲劳和断裂的实验研究 • 疲劳和断裂的工程应用 • 未来研究方向和展望
01
疲劳和断裂的基本概念
疲劳的定义
疲劳
01
在循环载荷或交变载荷作用下，材料内部逐渐产生微小裂纹并
扩展，最终导致断裂失效的现象。
疲劳失效
《高等工程力学》5 疲劳断裂
关系就形成滞后回线，如图5-2所示，这时存在弹性应变e和塑性应变p，其总应
变为
2 e p
(5-5)
图5-2 应力—应变滞后回线示意图
5
5 疲劳断裂
5.1疲劳断裂现象（续4）
应力疲劳：构件发生的总应变中弹性应变e占主要比例的疲劳。 在应力疲劳中，由于其循环应力一般较低，断裂总循环周次较高，所以这种疲 劳也称为高周疲劳。 应变疲劳：构件发生的总应变中塑性应变p占主要比例的疲劳。 由于应变疲劳一般处于较高循环应力的作用下，断裂前其循环周次较少，所以 也称其为低周疲劳。
常采用107或108次循环不发生破坏的最大应力作为材料的“条件疲劳极限”。
图5-3中－N曲线的第Ⅱ阶段，和N的关系近似地符合Basqin经验方程
/ f
2N f
b
(5-7)
其中，f/＝f，f为单向拉伸时材料断裂的真实应力；b为疲劳强度指数，其
值为0.05～0.12之间变化；f/为疲劳强度系数。
在线弹性条件下，应力应变满足虎克定律，由式(5-7)，应力循环过程中的弹性
9
5 疲劳断裂
5.2高周疲劳与低周疲劳（续3）
图5-4 疲劳曲线的统计性示意图
图中，如P＝99％，则表示这条曲线对应的疲劳断裂概率为99％，显然，P值越 小，其-N曲线越靠下，其安全可靠性越好；反之，P值越大，其曲线越靠上，安 全可靠性越差。一般试验测定的疲劳极限－1值只相当于P＝50％的平均值，称之 为中值疲劳极限。
疲劳断裂的断口特征
疲劳断裂的断口特征疲劳断裂是指材料在反复加载下发生的断裂现象，通常发生在金属材料中。
与静态加载下的断裂不同，疲劳断裂的断口特征具有一些独特的特点。
本文将详细介绍疲劳断裂的断口特征。
1.断口形态：疲劳断裂的断口通常呈现出平面状的特点。
与静态断裂相比，疲劳断裂的断口形态更为平整，几乎没有韧突。
这是因为在疲劳断裂发生时，材料受到反复加载，导致断裂表面的塑性变形局部消失，使断口面显得平滑。
2.断口特征：疲劳断裂的断口通常呈现出沿着材料加载方向的特征。
即在金属材料的拉伸方向上会出现沿着材料加载方向延展的沟槽状断裂面。
这是因为在疲劳断裂过程中，裂纹的扩展方向通常与应力主轴方向（加载方向）垂直。
断口上也常见到横向的细小裂纹。
3.层状纹理：疲劳断裂的断口表面常常呈现出层状纹理。
这是由于疲劳断裂过程中，材料内部的裂纹扩展速度会与外部加载频率一致，导致断口形成沿裂纹扩展方向的“疲劳纹”或称为“疲劳条纹”。
这些纹理一般与材料的晶粒方向垂直，并且逐渐扩展进入材料内部。
4.波纹状断口：疲劳断裂的断口表面通常呈现出波纹状的特征。
这是由于裂纹在扩展过程中会遇到不同的晶粒，在晶粒界面处会发生细小的局部塑性形变，导致断口表面呈现出波浪状。
5. 轭型断口：在一些情况下，疲劳断裂的断口会呈现出轭型（chevron）的特征。
轭型断口是指裂纹扩展迅速并呈现出V字形的形状，类似于牛轭。
这种断口形态通常出现在晶粒细小且均匀的材料中，例如高强度钢。
6.焊缝位置：在焊接结构中，疲劳断裂通常在焊缝附近发生。
这是由于焊接过程中引入了应力集中、晶界腐蚀等因素，导致焊缝附近的材料更容易发生疲劳断裂。
总之，疲劳断裂的断口特征包括平面状的断口形态、沿加载方向的断口特征、层状纹理、波纹状断口、轭型断口等。
这些断口特征能够帮助工程师分析疲劳断裂的原因，并采取相应的措施预防疲劳断裂的发生。
第5章-疲劳断裂失效分析PPT课件
降低
材料强度
增加
升高
材料塑性
增加
降低
温度
升高
降低
腐蚀介质
强
降低
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4、疲劳断裂对材料缺陷的敏感性
• 金属的疲劳失较具有对材料的各种缺陷均 为敏感的特点。因为疲劳断裂总是起源于 微裂纹处。这些微裂纹有的是材料本身的 冶金缺陷，有的是加工制造过程中留下的， 有的则是使用过程中产生的。
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5.2 疲劳断口形貌及其特征
5.2.1 疲劳断口的宏观特征
1.金属疲劳断口宏观形貌
• 由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，因 而形成了疲劳断裂特有的断口形貌，这是 疲劳断裂分析时的根本依据。
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图5-1 疲劳断口示意图
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• 典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲 劳核心、疲劳源区、疲劳裂纹的选择发展 区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等五 个区域。一般疲劳断口在宏观上也可粗略 地分为疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时 断裂区三个区域，更粗略地可将其分为疲 劳区和瞬时断裂区两个部分。大多数工程 构件的疲劳断裂断口上一般可观察到三个 区域，因此这一划分更有实际意义。
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图5-10 锯齿状断口形成过程示意图
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图5-11 锯齿状断口
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5.2.3 疲劳断口的微观形貌特征
• 疲劳断口微观形貌的基本特征是在电子显 微镜下观察到的条状花样，通常称为疲劳 条痕、疲劳条带、疲劳辉纹等。疲劳辉纹 是具有一定间距的、垂直于裂纹扩展方向、 明暗相交且互相平行的条状花样 。
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疲劳断裂的基本形式
疲劳断裂的基本形式
疲劳断裂是由于物体在交替或循环加载下发生的失效现象，通常发生在经历了多次加载和卸载的过程后。
疲劳断裂的基本形式包括：
1.疲劳裂纹：疲劳断裂通常始于物体表面的微小缺陷或裂纹。
这些裂纹在循环加载下逐渐扩展，最终导致材料失效。
裂纹的起源可能是由于材料的内在缺陷、加工不良、或者前期的机械损伤等。
2.裂纹扩展：一旦裂纹形成，它会在每个加载周期中经历扩展和闭合。
在加载过程中，裂纹尖端附近的应力会集中，导致裂纹扩展。
在卸载过程中，裂纹尖端的应力减小，裂纹略微闭合。
这个循环的过程会导致裂纹逐渐扩展。
3.疲劳断口：当裂纹扩展到一定程度时，材料就会发生疲劳断裂，形成疲劳断口。
这种断口通常呈现出典型的海浪状纹理，被称为“疲劳条纹”或“疲劳沟槽”，是疲劳断裂的特征之一。
4.多裂纹形式：在一些情况下，疲劳断裂并不是由单一的裂纹引起的，而是由多个裂纹相互交汇形成的。
这种情况下的疲劳断口形式可能更为复杂，但依然遵循着裂纹的扩展和最终断裂的基本原理。
总的来说，疲劳断裂是一个由于循环加载引起的渐进性过程，其基本形式包括裂纹的形成、扩展，最终导致疲劳断口的形成。
这对于设计和使用材料时需要考虑疲劳强度和寿命至关重要。
疲劳断裂讲义 PPT
有效应力集中系数
1 d K 或K 1 k
与构件的形状、尺寸有关； 与材料性质（极限强度）有关，静载 抗拉强度越高则有效应力集中系数越 大，即对应力集中就越敏感。
31
凹凸不平的最后破断区
最后疲劳破坏的阶段,当试样无法承受 所施加的载荷而突然断裂时,因没有经过摩 擦阶段,故其表面将出现粗糙而不规则的特 征, 亦有人称其为粒状表面。
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第五节 影响材料疲劳限或疲劳强度的因素
A. 平均应力的影响 压缩应力会使疲劳裂缝开口闭合, 一般研 究平均应力m＞0或应力比值R ＞-1的循环 应力对材料疲劳破坏的影响。
随着应力比值R 的增加,材料的疲劳 极限亦上升。
39
大部分材料的应力振幅a与平均应力 间有线性关系 → Goodman经验方程式:
该材料对缺口敏感 !
粒状表面
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B. 微观特征
借助SEM可发现断口存在微细间隔的平行纹路 (宽约 2.5×10-5mm), 称疲劳条纹(fatigue striation) 。 疲劳条纹垂直于疲劳裂纹 的延伸方向,其每条代表的是 经一次应力循环后疲劳裂纹前 端前进的距离. 材料塑性越佳, 疲劳条纹 越明显;应力范围越大, 疲劳 条纹越宽。 疲劳条纹与贝纹线外观相 似但尺度不同, 单一的贝纹线 内可能包含数千条以上的疲劳 条纹。
43
腐蚀疲劳
零件处于腐蚀环境中会出 现小蚀孔造成应力集中， 使疲劳裂纹成核扩展，从 而缩短疲劳寿命。 防止腐蚀疲劳的方法 很多，根本在于尽量降低 腐蚀速率（如：使用保护 性被覆层、降低或隔离环 境的腐蚀性及使用较耐腐 蚀的材料等）。
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疲劳极限消失
D. 温度影响
温度升高时，材料疲劳行为趋于复杂（潜变、 氧化现象、循环应力频率会造成相当大的影响）。
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疲劳断裂的特征分类及基础知识
疲劳断裂是一种在重复加载条件下发生的一种损伤形式，可以导致金
属及其合金材料的破坏。
疲劳断裂是由于应力集中、材料缺陷、环境影响
等多种因素引起的。
以下是对疲劳断裂特征分类及基础知识的详细分析。
1.纵向疲劳断裂：当材料受到拉伸或压缩的加载时，在垂直于加载方
向的平面上发生断裂，形成纵向疲劳断裂。
2.横向疲劳断裂：当材料受到扭转或剪切的加载时，在平行于加载方
向的平面上发生断裂，形成横向疲劳断裂。
3.中心断裂：当材料受到拉伸或压缩的加载时，在距离加载部位较远
的位置发生断裂，这种断裂称为中心断裂。
4.表面断裂：当材料受到磨损、腐蚀等外部因素的影响时，在材料表
面形成断裂，这种断裂称为表面断裂。
1.疲劳载荷：是指在一个周期内作用于材料上的变化载荷，其特点是
频率较高、幅值较小。
常见的疲劳载荷有交变载荷、脉动载荷和随机载荷等。
2.疲劳寿命：是指材料在一定的应力水平下承受疲劳载荷的循环次数，即能够承受多少次循环载荷而不发生疲劳断裂。
3.S-N曲线：是一种用来描述材料的疲劳性能的荷载寿命曲线。
它描
述了应力幅值和循环次数之间的关系，一般呈现出下降递减的趋势。
4.疲劳裂纹：是指在材料使用过程中形成的裂纹。
疲劳裂纹的出现是
由于材料在应力循环中发生屈服，导致局部塑性变形，从而形成裂纹。
5.疲劳断裂预测：为了避免材料在使用过程中发生疲劳断裂，科学家和工程师会进行疲劳断裂预测。
这个过程包括材料的疲劳性能测试、疲劳寿命预测和结构设计等。
总结起来，疲劳断裂是一种由应力集中、材料缺陷和环境影响等引起的金属材料破坏形式。
根据断裂的位置和形状可以将其分类为纵向疲劳断裂、横向疲劳断裂、中心断裂和表面断裂。
了解疲劳载荷、疲劳寿命、S-N曲线、疲劳裂纹以及疲劳断裂预测等基础知识有助于理解和预防疲劳断裂的发生。
研究和应用这些知识对于材料的设计和使用至关重要。