金属疲劳学
材料力学性能 金属的疲劳
1
Kf
-1 -1N
1
有缺口
qf的意义：反映了在疲劳过程中材料发生 重新分布，降低应力集中的能力。
• qf=0，Kf =1，应力重新分布，应力集中完全被消 除，疲劳极限不因缺口存在而降低，即对缺口不敏 感，缺口敏感性最小。
• qf=1，Kf = Kt ，没有发生应力重新分布，应力集中 没有消除，即表示缺口敏感性最大。
2、相界面开裂产生裂纹
通过控制夹杂物、 第二相可以抑制 疲劳裂纹萌生， 提高疲劳强度！
3、晶界开裂产生裂纹
通过强化、净化晶 界和细化晶粒，可 以提高疲劳强度！
图5.4 沿晶韧性断裂
图5.5 沿晶脆性断裂
二、疲劳裂纹扩展过程及机理
图5-24 疲劳裂纹扩展的两个阶段
1、疲劳裂纹扩展第一阶段 沿主滑移系（与主应力成45°），以纯剪切
➢ qf的影响因素 ① 强度
实验表明， qf之值随材料强度的升高而增大，这 说明高强度材料的疲劳缺口敏感度较高。 ② 缺口半径 缺口根部曲率半径越小，缺口越尖锐， qf值越低。 ③ 应力大小 高周疲劳时， qf值高，低周疲劳时， qf值低。
第三节 疲劳过程及机理
• 疲劳断裂过程： ✓ 疲劳裂纹的萌生 ✓ 疲劳裂纹的亚稳扩展 ✓ 疲劳裂纹的失稳扩展
➢ 变动载荷在单位面积上 的平均值为变动应力。
循环应力
（a）（b）：规则应力；（c）：不规则应力
疲劳：金属构件在变动应力和应变长期作用下，由于累 损伤而引起的断裂现象。
2、循环应力：规则周期变动应力，波形本身对称。
最大与最小应力 平均应力 应力幅 应力比
max、 min
m
1 2
( max
min )
☞ 贝纹线的间距越小，说明材料韧性越好，说明 疲劳裂纹的扩展速率越慢。
力学基本试验---------金属疲劳试验
力学基本试验---------金属疲劳试验
在足够大的交变应力作用下，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，称为金属疲劳。
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。
金属断裂过程的试验即为金属疲劳试验，原理是利用金属试样或模拟机件，在低于屈服点的交变载荷循环作用下，记录发生疲劳断裂时的载荷作用频次，1829年德国人阿尔贝特(J.Albert)为解决矿山卷扬机服役过程中钢索经常发生突然断裂，首先以10次/分的频率进行疲劳试验。
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，疲劳断裂与其它断裂可以通过观察断口截面形态加以区别，疲劳断口可明显地分为三个区域：一是边缘非常光滑圆钝的疲劳源，原因是在最原始出现裂纹的地方磨损时间最长；二是较为规则光滑带有纹路的裂纹扩展区，机制是在交变应力作用下形成的裂纹时而张开、时而闭合、相互挤压反复研磨作用下形成，载荷间断作用与大小的变化又形成多条裂纹前沿线；三是较为粗糙的断裂区，该区是最后断裂裂纹还没有波及的连接区突然断裂形成，因缺少了反复研磨的过程而显得非常粗糙。
临床上如果我们认真观察的话，内植物疲劳断裂时也存在典型的这一断口形态。
第05章 金属的疲劳1
（1）基本特征： 呈现贝壳花样或海滩花样，它是以疲
劳源区为中心，与裂纹扩展方向相垂直的 呈半圆形或扇形的弧形线，又称疲劳弧线。
疲劳弧线是裂纹扩展过程中，其顶端 的应力大小或状态发生变化时，在断裂面 上留下的塑性变形的痕迹。
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（2）贝纹花样的形成： 是由载荷变动引起的，因为机器运转时
不可避免地常有启动、停歇、偶然过载等， 均可留下塑性变形的痕迹——贝纹线（疲 劳弧线）。
r=-1称为对称循环应力；
r=0（或r=-∽）这种非对称循环又称为 脉动循环。这种载荷是一种最危险的载荷。
r偏离-1越远，应力对称性越差，疲劳 极限越高。
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（2）循环应力的种类
（交变当）r应=-力1，；即σmin=-σmax时，称为对称循环
当r=0，即σmin=0时，称为脉动循环应力。
2
1、金属疲劳破坏的形成过程 在正常使用机械时，重复的推、拉、扭
或其他的外力情况都会造成机械部件中金 属的疲劳。
这是因为机械受压时，金属中原子的排 列会大大改变，从而使金属原子间的化学 键断裂，导致金属裂开。
3
构件承受交变应力的大小超过一定限 度，并经历了多次的循环重复后，在构件 内部应力最大处或材质薄弱处将产生细微 裂纹（称为疲劳源），这种裂纹随着应力 交变次数增加而不断向四周扩展。
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（5）不同情况下贝纹线的形状
① 当轴类机件拉压疲劳时， 轴向应力包括拉-拉或拉-压疲劳。它的疲劳
源一般也在表面形成，只有内部有缺陷时才在缺 陷处形成。
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若表面无应力集中（无缺口），则裂纹因截 面上应力均等而沿截面等速扩展，贝纹线呈一簇 平行的圆弧线；
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若机件表面存在应力集中（环形缺口）， 则因截面表层的应力比中间的高，裂纹沿表层 的扩展快于中间区；高应力时，瞬断区面积相 对较大，疲劳裂纹扩展区面积小，裂纹沿两边 及中间扩展差别不大。
金属疲劳基础
金属疲劳基础金属疲劳是指在长期受到交变载荷作用下，金属材料逐渐失去其应力强度，从而引起破坏的现象。
金属疲劳对于工程结构的安全性和可靠性具有重要的影响，因此对金属疲劳的研究和预防是非常必要的。
金属疲劳的发生机制可以概括为以下三个阶段：起始阶段、扩展阶段和疲劳破坏阶段。
起始阶段是指在载荷循环初始阶段，金属材料内部发生微小的裂纹或损伤，这些裂纹通常不能被肉眼观察到。
随着循环载荷的继续作用，扩展阶段到来，已形成的微小裂纹开始扩展，并逐渐发展成明显的裂纹。
当裂纹扩展到一定程度时，疲劳破坏阶段来临，金属材料无法再承受载荷而发生失效。
对于金属疲劳的研究，可以从以下几个方面进行探讨：1. 疲劳寿命预测：疲劳寿命是评估金属材料耐久性的重要指标。
可以通过应力集中系数、应力幅值与寿命曲线以及恒应力幅试验等方法来预测疲劳寿命。
这些方法可以帮助工程师确定金属材料的可靠性，并采取相应的措施来延长材料的使用寿命。
2. 疲劳强度提高：在工程实践中，为了提高金属材料的抗疲劳性能，我们可以采取一些措施来改善材料的疲劳强度。
比如使用高强度材料、增加材料的表面加工硬度、利用表面处理技术等方法，来提高材料的抗疲劳能力。
3. 微观组织与金属疲劳：金属的微观组织对其疲劳性能有着重要的影响。
一般来说，细化晶粒可以改善金属材料的抗疲劳性能，因为细小的晶粒可以阻碍裂纹的扩展。
此外，界面处的多晶结构以及应力分布也对金属的疲劳性能有着重要的影响。
4. 疲劳损伤分析：疲劳损伤分析是对金属疲劳过程的研究和分析，旨在了解材料的疲劳行为，找出疲劳损伤的形成机制，并提出改善和控制的方法。
通过疲劳损伤分析，可以更好地理解金属材料在长期交变载荷下的变形和破坏机制，为预防金属疲劳提供科学依据。
综上所述，金属疲劳是一种重要的材料破坏形式，对于工程结构的安全性和可靠性具有重要的影响。
通过疲劳寿命预测、疲劳强度提高、微观组织分析、疲劳损伤分析等研究方法，可以更好地了解和预防金属疲劳，提高工程结构的安全性和可靠性。
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。
金属疲劳例子
金属疲劳例子
在机械工程领域中，金属疲劳是一个普遍存在的现象，它指的是当金属材料反复受到变形载荷作用时，会逐渐发生弹性变形和塑性变形，从而产生微小的裂纹，继而扩展增长，最终导致金属疲劳破裂。
以下是几个金属疲劳的例子：
1.飞机发动机叶片疲劳断裂。
飞机发动机的叶片由于长期处于高温和高频振动的环境下，经常受到疲劳载荷的作用，这使得叶片表面逐渐产生了许多微裂纹，最终导致叶片疲劳断裂。
这个问题已经引起了航空公司和航空制造商的高度关注，他们通过采用更先进的材料、优化的设计和更精细的加工工艺来提高发动机叶片的耐久性。
2.汽车悬挂弹簧疲劳。
汽车悬挂弹簧类似于飞机发动机叶片，需要在经常受到变形载荷作用的情况下维持其正常运行。
由于路面的不平坦和车辆行驶的颠簸，悬挂弹簧会产生较大的伸缩变形，这使得金属材料在受力作用下逐渐产生疲劳损伤，导致弹簧疲劳断裂。
3.建筑结构疲劳。
对于某些大型建筑（如天桥、高楼大厦等），由于其体型庞大且常受到强风、地震等力量的影响，随着时间的推移，建筑材料会逐渐产生疲劳损伤，这使得结构逐渐变弱，最终导致疲劳破裂事故的发生。
为避免这类事故的发生，建筑师们会采用更高强度的材料，以及更为精细的设计和结构优化。
总之，金属疲劳是一种常见而危险的现象，它对于机械工程领域的发展和人类社会的进步带来了不小的挑战。
为了保障人们的生命安全和财产安全，我们需要对金属疲劳进行深入研究，不断提高金属材料的耐久性和强度，以应对日益严峻的现实挑战。
Chapter 5 金属的疲劳
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1、过载损伤和过载持久值 过载损伤： 过载损伤 ： 在高于疲劳极限的应力水平 下运转一定周次后，其疲劳极限或疲劳寿命 减小的现象。 过载持久值： 过载持久值 ： 金属材料在高于疲劳极限 的应力下运行时，发生疲劳断裂的应力循环 周次。
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2、过载损伤界和过载损伤区 金属材料抵抗疲劳过载的能力，用过载 损伤界或过载损伤区表示。
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最大与最小应力 平均应力 应力幅 应力比
σ max、σ min
1 σ m = (σ max + σ min ) 2 1 σ a = (σ max − σ min ) 2
σ min γ= σ max
应力幅：循环应力中应力变动部分的幅 应力幅： 值。 应力比： 应力比：应力循环对称系数，指应力循 环的不对称程度。
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二、疲劳图和不对称循环疲劳极限 疲劳图是各种循环疲劳极限的集合图， 疲劳图 是疲劳曲线的另一种表达形式。主要用于求 解不对称循环疲劳极限。 疲劳图的建立是建立在以下事实上的： 疲劳图的建立是建立在以下事实上的： (1) 不 对 称 循 环 应 力 可 分 解 为 ： σr=σm+σaf(t)。 (2) 当σm增加时，允许的σa降低。 (3) 由最大循环应力σmax表示的疲劳极限σr是
随应力比r（或平均应力σm）的增大而升高的。
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那么， 那么 ， 如何根据对称应力循环求不对称 应力循环的疲劳极限呢？ 应力循环的疲劳极限呢？ (1) 极限循环振幅图(σa－σm疲劳图)。 (2) 极限循环应力图(σmax(σmin)－σm 疲劳 图)。
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疲劳图) 1、极限循环振幅图(σa－σm疲劳图) 极限循环振幅图(σ
《金属的疲劳与断裂》教学大纲
《金属的疲劳与断裂》教学大纲修订单位：机械工程学院材料系执笔人：梁平一、课程基本信息1．课程中文名称：金属的疲劳与断裂2．课程英文名称: Fatigue and Fracture of Metal3．适用专业：金属材料、检测4．总学时：32学时5．总学分：2学分二、本课程成在教学计划中的地位、作用、任务金属疲劳与断裂课程是一门技术基础课，其主要任务是通过学习，使学生能够了解断裂力学的一些原理和有关疲劳强度的一些基本理论，学会分析结构或构件在含有裂纹或缺陷的情况下的安全性，从而为选材、加工工艺、设计以及安全评定等提供理论依据和手段。
三、理论教学内容与教学基本要求（一）理论教学内容1．第一章绪论（1学时）断裂力学的产生与发展；断裂力学的研究内容、作用、学习目的和学习方法。
2．第二章金属断裂的基本概念（3学时）金属断裂的分类方法；金属断裂的类型；金属断口的分析方法3．第三章线弹形断裂力学（8学时）了解裂纹的类型；裂纹尖端附近的应力场、位移场；K准则；应力强度因子K的计算；小范围屈服时裂纹尖端塑性区形状与尺寸，考虑应力松弛时塑性去尺寸；等效裂纹长度和等效裂纹应力强度因子；裂纹扩展的能量判椐；能量释放率G与K的关系；裂纹扩展阻力曲线; K主导区、线形断裂力学的适用范围。
4．第四章弹塑性断裂力学（6学时）增量理论和全量理论；裂纹尖端张开位移（COD）方法； J积分理论和应用。
5．第五章断裂韧性的测试（1学时）平面应变断裂韧性的测试；裂纹尖端张开位移的测试；临界J积分值的测试。
6．第六章应力腐蚀（3学时）应力腐蚀；应力腐蚀裂纹的扩展；应力腐蚀条件下K Iscc以及da/dt测试原理（学生自学）。
7．第七章疲劳强度（2学时）疲劳问题的重要性以及发展历史；疲劳破坏；疲劳裂纹的萌生和扩展。
8．第八章材料的疲劳性能（2学时）疲劳应力和疲劳极限；材料的S-N曲线；材料的循环特性9．第九章疲劳裂纹的扩展（4学时）疲劳裂纹的扩展速率；影响疲劳裂纹扩展的因素；疲劳裂纹扩展寿命的计算；应变疲劳和腐蚀疲劳；疲劳裂纹扩展速率测试。
金属疲劳基础
金属疲劳基础金属疲劳是一种重要的金属材料损伤形式，很多金属结构因为长期受到疲劳作用而导致疲劳断裂事故，所以金属疲劳问题一直是金属材料研究的重点和难点。
一、金属疲劳的定义及原理金属材料在受到交变载荷作用下，经过多次往复循环后，材料内部会形成微小的裂纹，随着循环次数的增加，裂纹逐渐扩展，最终导致疲劳断裂。
这种现象就是金属疲劳。
金属疲劳的主要原理是由于材料内部晶界错位、位错等微观结构的形变与位移所产生的内部应力聚集于特定部位，超过材料的强度极限而导致裂纹扩展和疲劳断裂。
二、金属疲劳的特点和表现金属疲劳的特点是在低应力下也能造成裂纹和疲劳断裂。
通常金属的疲劳断裂强度要比金属的静态强度低很多，而且疲劳断裂的形态比较规则，很容易被识别。
金属的疲劳断裂通常呈现出喇叭口形，即断面宽度较窄，厚度逐渐递减的形状，谷底通常呈现出明显的条纹状或裂纹痕迹，这些特点可以很好地区分金属疲劳断裂和其他断裂形态。
三、金属疲劳的影响因素金属疲劳的影响因素很多，常见的有金属材料的性质、材料的强度、应力水平、应力集中、材料的温度等等。
在疲劳过程中，应力集中处的材料强度更容易受到损伤，因此这个位置的疲劳寿命会比其他位置的疲劳寿命更短。
此外，材料的应力水平也是影响疲劳寿命的重要因素，应力越大，疲劳寿命就越短。
四、金属疲劳的预测和控制对于金属疲劳的预测和控制，通常通过疲劳试验和数学模型的建立来进行研究。
疲劳试验是一种通过模拟实际工作条件下材料长期受到交变载荷作用的方法，通过测试疲劳寿命和疲劳断裂形态来分析材料的疲劳特性。
建立疲劳损伤预测模型可以更好地预测金属在实际工作条件下的寿命，从而有效地控制金属疲劳问题。
除此之外，材料的设计和优化也是降低金属疲劳的一种重要手段，例如减小应力集中、增强材料强度等。
综上所述，金属疲劳问题在金属材料研究和工程实践中具有重要的意义，对于我们提高金属材料的使用效率和安全性来说具有十分重要的参考价值。
金属疲劳探究实验报告
一、实验目的1. 了解金属疲劳现象的基本概念和产生原因。
2. 探究不同金属材料的疲劳性能差异。
3. 通过实验验证金属疲劳寿命的影响因素。
二、实验原理金属疲劳是指金属材料在交变载荷作用下，经过一定次数的循环后发生断裂的现象。
金属疲劳的产生主要与材料的微观组织、应力状态、表面状态等因素有关。
本实验通过在不同金属材料的试件上施加循环载荷，观察其疲劳寿命，从而探究金属疲劳性能。
三、实验材料1. 金属材料：低碳钢、高碳钢、不锈钢、铝合金等。
2. 实验设备：疲劳试验机、金相显微镜、硬度计等。
四、实验方法1. 将金属材料加工成标准尺寸的疲劳试件。
2. 使用疲劳试验机对试件施加循环载荷，记录疲劳寿命。
3. 通过金相显微镜观察试件的微观组织变化。
4. 使用硬度计测试试件的硬度变化。
五、实验步骤1. 准备工作a. 根据实验要求，选取不同金属材料的试件。
b. 使用车床、铣床等加工设备将试件加工成标准尺寸。
c. 使用抛光机对试件表面进行抛光处理。
2. 疲劳试验a. 将试件安装到疲劳试验机上。
b. 设置循环载荷参数，包括最大载荷、最小载荷、加载频率等。
c. 启动疲劳试验机，记录试件的疲劳寿命。
3. 金相分析a. 使用金相显微镜观察试件的微观组织变化。
b. 分析疲劳裂纹的起源、扩展和断裂过程。
4. 硬度测试a. 使用硬度计测试试件的硬度变化。
b. 分析硬度变化与疲劳寿命的关系。
六、实验结果与分析1. 不同金属材料的疲劳寿命差异通过实验发现，不同金属材料的疲劳寿命存在显著差异。
低碳钢的疲劳寿命较低，不锈钢和铝合金的疲劳寿命较高。
2. 疲劳裂纹的起源、扩展和断裂过程疲劳裂纹通常起源于试件的表面缺陷，如划痕、孔洞等。
随着循环载荷的增加，裂纹逐渐扩展，直至最终断裂。
不同金属材料的裂纹扩展速度存在差异。
3. 硬度变化与疲劳寿命的关系疲劳试验过程中，试件的硬度逐渐降低。
硬度降低与疲劳寿命呈正相关关系。
七、结论1. 金属疲劳是金属材料在交变载荷作用下发生的断裂现象。