金属材料疲劳性能研究
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
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。
金属疲劳实验方法成组法
金属疲劳实验方法成组法金属疲劳实验方法-成组法引言：金属材料的疲劳寿命是指在一定的应力水平下，材料在循环加载下发生疲劳破坏之前所能承受的循环载荷次数。
研究金属疲劳寿命对于工程结构的设计和使用具有重要意义。
成组法是一种常用的金属疲劳实验方法，本文将对成组法的原理、实验步骤和应用进行介绍。
一、原理成组法是通过将多个试样按一定的规则分组进行循环加载，以模拟实际工程中的疲劳载荷情况，从而获取金属材料的疲劳寿命。
该方法的原理是通过试样间的应力状态和载荷频率的差异，引起不同试样的疲劳寿命差异。
通过统计多组试样的疲劳寿命数据，可以获得金属材料的疲劳寿命曲线和可靠度。
二、实验步骤1. 试样制备：根据实验要求和金属材料的特性，制备一定数量的试样。
试样的形状和尺寸应符合标准规范，以保证实验结果的可靠性和可比性。
2. 分组设计：根据实验要求和试样的数量，设计成若干组，每组试样的数量可以相同也可以不同。
一般情况下，每组试样的数量不少于3个，以保证实验数据的可靠性。
3. 载荷设定：根据实验要求和金属材料的特性，确定载荷水平和载荷频率。
载荷水平表示试样所承受的最大应力值，载荷频率表示单位时间内施加的循环次数。
载荷水平和载荷频率的选择应符合实际工程的应用条件。
4. 实验执行：按照设计的分组和载荷设定，对每组试样进行循环加载实验。
实验过程中，需要记录试样的载荷历程和破坏次数，以便后续的数据处理和分析。
5. 数据处理：根据实验结果，统计每组试样的疲劳寿命数据。
可以使用生命表分析、概率统计等方法对数据进行处理，得到金属材料的疲劳寿命曲线和可靠度。
三、应用成组法是金属疲劳实验中常用的方法之一，广泛应用于工程材料的疲劳性能研究和工程结构的疲劳寿命评估。
具体应用包括：1. 材料筛选：通过成组法可以对不同材料进行疲劳寿命的比较，从而选择最适合工程应用的材料。
2. 试验验证：成组法可以验证材料的疲劳寿命曲线和可靠度，为工程设计提供依据。
3. 结构评估：通过成组法可以评估工程结构的疲劳寿命，为结构维护和安全管理提供参考。
常用的金属材料疲劳极限试验方法
常用的金属材料疲劳极限试验方法疲劳试验可以预测材料或构件在交变载荷作用下的疲劳强度，一般该类试验周期较长，所需设备比较复杂，但是由于一般的力学试验如静力拉伸、硬度和冲击试验，都不能够提供材料在反复交变载荷作用下的性能，因此对于重要的零构件进行疲劳试验是必须的。
MTS 810金属材料疲劳试验的一些常用试验方法通常包括单点疲劳试验法、升降法、高频振动试验法、超声疲劳试验法、红外热像技术疲劳试验方法等。
单点疲劳试验法适用于金属材料构件在室温、高温或腐蚀空气中旋转弯曲载荷条件下服役的情况。
该种方法在试样数量受限制的情况下，可近似测定疲劳曲线并粗略估计疲劳极限。
试验所需的疲劳试验机一般为弯曲疲劳试验机和拉压试验机。
升降法疲劳试验升降法疲劳试验是获得金属材料或结构疲劳极限的一种比较常用而又精确的方法，在常规疲劳试验方法测定疲劳强度的基础上或在指定寿命的材料或结构的疲劳强度无法通过试验直接测定的情况下，一般采用升降法疲劳试验间接测定疲劳强度。
主要用于测定中、长寿命区材料或结构疲劳强度的随机特性。
所需试验机一般为拉压疲劳试验机。
高频振动疲劳试验法常规疲劳试验中交变载荷的频率一般低于200Hz，无法精确测得一些零件在高频环境状态下的疲劳损伤。
高频振动试验利用试验器材产生含有循环载荷频率为1000Hz左右特性的交变惯性力作用于疲劳试样上，可以满足在高频、低幅、高循环环境条件下服役金属材料的疲劳性能研究。
高频振动试验主要用于军民机械工程的需要。
试验装置通常包括：控制仪、电荷适配器、功率放大器、加速度计、振动台等。
超声法疲劳试验超声法疲劳试验是一种加速共振式的疲劳试验方法，其测试频率（20kHz）远远超过常规疲劳测试频率（小于200Hz）。
超声疲劳试验可以在不同载荷特征、不同环境和温度等条件下进行，为疲劳研究提供了一个很好的手段。
嘉峪检测网提醒超声疲劳试验一般用于超高周疲劳试验，主要针对10^9以上周次疲劳试验。
高周疲劳时，材料宏观上主要表现为弹性的，所以在损伤本构关系中采用应力、应变等参量的弹性关系处理，而不涉及微塑性。
5 金属的疲劳
m f b 2 N 2 f m 2 N 1 E b
c
51
5.3.5 缺口零件的疲劳寿命预测
在低周疲劳失效过程中，塑性变形占主导 地位。由Manson－Coffin关系， 计算疲 劳损伤。
p 2
52
2 N
由于这种疲劳中所施加的交变应力水平都处于弹性变形范 围内，所以从理论上讲，试验中既可以控制应力，也可以 控制应变，但在试验方法上控制应力要比控制应变容易得
多。因此，高周疲劳试验都是在控制应力条件下进行的。
高周疲劳以材料最大应力σmax或应力振幅σa和循环断裂寿 命N的关系（即S－N曲线）和疲劳极限σR作为疲劳抗力 的特性和指标。
循环应力－应变曲线是各稳定滞后回线的顶点的连线。σ －ε曲线是材料循环特性的一个重要标志。图5.25所示是 其测定的图示法。
Manson等人根据大量试验结果，归纳出预测材料发生循 环硬化或软化的判据是一次抗拉强度σb对σ0.2的比值：当
σb/σ0.2>1.4时，材料发生硬化；当σb/σ0.2<1.2时，材料发
5 金属的疲劳
现代设计与分析研究所 何雪浤
1
5 金属的疲劳
金属在循环载荷作用下，即使所受的应力低于屈服 强度，也会发生断裂，这种现象称为疲劳。
疲劳失效是构件的主要失效形式。
疲劳研究的主要目的
①精确地估算机械零件和工程结构的构件的疲劳寿命，简 称定寿，保证在服役期内零构件不会发生疲劳失效； ②采用经济而有效的技术和管理措施以延长疲劳寿命，简
以图5.23为例，循环硬化和软化反映在滞后回线的变化分
别如图5.24（a）和图5.24（b）所示。
第八章 金属疲劳试验
没有水平部分。铝合金、不锈钢、高强度钢。（条件疲劳强度）
（二）疲劳曲线及疲劳极限的测定
1、方法及特点：常用旋转弯曲疲劳试验。试验机结构简单、操作方便，应用广泛。
3、冲击疲劳的特点
试验表明，冲击疲劳抗力是一个取决于强度和塑性的综合性能，具有以下特点：
①冲击能量高时，材料的冲击疲劳抗力主要取决于塑性；冲击能量低时，材料的冲击疲劳抗力主要取决于强度。从此可以看出，不能仅根据工件承受冲击就要求高的冲击吸收功。
②不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合。淬火回火钢的冲击疲劳抗力随回火温度的变化有一峰值，该峰值随冲击能量的增加向高温方向移动（见图5-36）。
二、冲击疲劳
1、定义：是机件在重复冲击载荷作用下的疲劳断裂。
实际工作中，很少有仅经过一次或几次冲击就断裂的机件，即便是通常认为承受剧烈冲击载荷的机件，大多数是承受小能量的多次冲击才断裂。试验表明，当试样于破坏前承受的冲击次数较少时（500～1000次），试样断裂的原因与一次冲击相同；当冲击次数>105次时。破坏具有典型的疲劳断口，属于疲劳断裂，即为冲击疲劳。
3冲击韧度对冲击疲劳抗力的影响因材料的强度水平不同而异。
高强度钢和超高强度钢的塑性和冲击韧度对冲击疲劳抗力有较大影响。
（因其强度高、冲击韧度低，适当提高韧度对提高冲击疲劳抗力的影响较突出）
中、低强度钢的塑性和冲击韧度对冲击疲劳抗力的影响较小。
（因其冲击韧度已经比较高，在增加Ak值对提高冲击疲劳抗力已影响较不大）当我被上帝造出来时，上帝问我想在人间当一个怎样的人，我不假思索的说，我要做一个伟大的世人皆知的人。于是，我降临在了人间。
金属疲劳试验指导书
金属疲劳、应力腐蚀试验及宏观断口分析在足够大的交变应力作用下，由于金属构件外形突变或表面刻痕或内部缺陷等部位，都可能因较大的应力集中引发微观裂纹。
分散的微观裂纹经过集结沟通将形成宏观裂纹。
已形成的宏观裂纹逐渐缓慢地扩展，构件横截面逐步削弱，当达到一定限度时，构件会突然断裂。
金属因交变应力引起的上述失效现象，称为金属的疲劳。
静载下塑性性能很好的材料，当承受交变应力时，往往在应力低于屈服极限没有明显塑性变形的情况下，突然断裂。
疲劳断口（见图1-1）明显地分为三个区域：裂纹源区、较为光滑的裂纹扩展区和较为粗糙的断裂区。
裂纹形成后，交变应力使裂纹的两侧时而张开时而闭合，相互挤压反复研磨，光滑区就是这样形成的。
载荷的间断和大小的变化，在光滑区留下多条裂纹前沿线。
至于粗糙的断裂区，则是最后突然断裂形成的。
统计数据表明，机械零件的失效，约有70%左右是疲劳引起的，而且造成的事故大多数是灾难性的。
因此，通过实验研究金属材料抗疲劳的性能是有实际意义的。
图1-1 疲劳宏观断口一﹑实验目的1.了解测定材料疲劳极限的方法。
2.掌握金属材料拉拉疲劳测试的方法。
3.观察疲劳失效现象和断口特征。
4.掌握慢应变速率拉伸试验的方法。
二、实验设备1.PLD-50KN-250NM 拉扭疲劳试验机。
2.游标卡尺。
3.试验材料S135钻杆钢。
4.PLT-10慢应变速率拉伸试验。
三﹑实验原理及方法在交变应力的应力循环中，最小应力和最大应力的比值为应力比：maxminσσ=r （1-1） 称为循环特征或应力比。
在既定的r 下，若试样的最大应力为m ax 1σ，经历N 1次循环后，发生疲劳失效，则N 1称为最大应力r 为时的m ax 1σ疲劳寿命（简称寿命）。
实验表明，在同一循环特征下，最大应力越大，则寿命越短；随着最大应力的降低，寿命迅速增加。
表示最大应力max σ与寿命N 的关系曲线称为应力-寿命曲线或S-N 曲线。
碳钢的S-N 曲线如图1-2所示。
金属材料疲劳强度
金属材料疲劳强度引言：金属材料在使用过程中经常会受到变形和应力的作用，长期使用后容易出现疲劳现象。
疲劳强度是评估材料在疲劳加载下的抗疲劳性能的重要指标。
本文将介绍金属材料疲劳强度的概念、影响因素以及测试方法。
一、疲劳强度的概念疲劳强度是指材料在循环加载下承受的最大应力，也称为疲劳极限。
其单位为MPa或N/mm²。
疲劳强度是金属材料的重要性能指标之一，对材料的使用寿命和可靠性有着重要影响。
二、影响因素1. 材料的组织结构：晶体结构的排列方式、晶粒大小和晶界的形态对疲劳强度有着显著影响。
晶粒越细小，晶界越强固，材料的疲劳强度越高。
2. 表面质量：表面缺陷如裂纹、划痕等会成为疲劳起始点，导致疲劳破坏的发生。
因此，良好的表面质量有助于提高疲劳强度。
3. 加工硬化：金属材料经过加工后，晶粒会细化，晶界也会变得更加强固，因此加工硬化能够提高材料的疲劳强度。
4. 温度：温度对金属材料的疲劳强度有一定影响。
一般情况下，随着温度的升高，材料的疲劳强度会降低。
5. 应力水平：应力水平是指材料在循环加载下所受到的应力大小。
较低的应力水平可以提高材料的疲劳强度。
三、测试方法1. S-N曲线法：该方法是目前应用最广泛的疲劳试验方法之一。
实验中通过不同应力水平下的循环加载，记录下材料的疲劳寿命，然后绘制S-N曲线，得出疲劳强度。
2. 破坏断口分析法：该方法通过观察材料的疲劳破坏断口来判断疲劳强度。
根据断口的形貌、特征来分析疲劳破坏的机制和强度。
3. 微观结构分析法：该方法通过显微镜、扫描电镜等工具对材料的微观结构进行观察和分析，进而推断疲劳强度。
结论：金属材料的疲劳强度是评估材料抗疲劳性能的重要指标。
疲劳强度受到多种因素的影响，如材料的组织结构、表面质量、加工硬化、温度和应力水平等。
为了准确评估材料的疲劳强度，可以采用S-N 曲线法、破坏断口分析法和微观结构分析法等测试方法。
通过研究和提高材料的疲劳强度，可以延长材料的使用寿命，提高产品的可靠性。
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金属材料疲劳性能研究
1.前言
金属材料是现代工业生产和生活中不可缺少的材料之一。
然而，金属材料在使用中常常会出现疲劳现象，极大地限制了金属材料
的使用寿命和性能。
因此，深入研究金属材料疲劳性能，探究其
机理，对于提高材料的使用寿命和性能具有重要意义。
本文将从
金属材料疲劳性能的概念入手，介绍金属材料疲劳性能的研究现
状及发展趋势。
2.金属材料疲劳性能概念
疲劳是指在一定的应力循环条件下，材料在经过一定循环次数
后会发生损伤和破坏。
金属材料在使用中受到很多复杂的力学作用，如弯曲、扭转、拉伸等。
在这些作用下，金属材料将会经历
许多应力的循环变化。
这些循环变化将会导致金属材料内部发生
微观结构的变化，最终导致材料的疲劳失效。
3.金属材料疲劳性能研究现状
现代金属材料疲劳性能研究已经非常成熟。
在理论上，人们已
经通过微观结构的分析和数值模拟等手段深入探究了金属材料在
应力循环下的微观行为和断裂过程。
在实验上，人们也开发出了
各种先进的试验设备和技术，能够对金属材料的疲劳性能进行更
为精确和全面的试验分析。
3.1 理论研究
在理论方面，人们通过计算机模拟、分子动力学等手段，对金
属材料疲劳行为进行了深入研究。
以分子动力学模拟为例，人们
可以通过计算得到金属材料在应力变化下的组织变化和位错的运
动规律。
这些研究成果为金属疲劳性能研究提供了重要的理论依据。
3.2 实验研究
在实验方面，人们开发出了各种独特的实验技术，能够用于更
加精确的疲劳试验。
例如，人们可以利用电子显微镜观察金属材
料的微观结构和变化。
同时，人们还可以利用红外热成像技术，
观测金属材料的温度变化情况，进一步分析其疲劳行为。
4. 发展趋势
随着现代科技的不断发展，金属材料的疲劳性能研究也将不断
发展壮大。
特别是在数值模拟、成像技术等方面的不断提高，有
望为金属材料疲劳性能的研究提供更强有力的支撑和帮助。
另外，随着3D打印、纳米材料等新型金属材料的发展应用，对其疲劳性能的研究也必将面临更大的挑战和机遇。
5. 结语
提高金属材料的疲劳性能是提高材料性能和使用寿命的关键。
现代金属材料疲劳性能研究已经迈入了一个新的阶段，未来将会
在不断的科技创新和发展中壮大。
同时，我们也需要更加关注精度和可靠性的需求，继续深入研究各种材料的疲劳性能，为现代工业制造提供更为可靠和优良的金属材料。