第五章材料力学性能.ppt

第五章 金属的疲劳,第五章 金属的疲劳, 很多零件、部件在变动载荷下工作，其主要失效形式是疲劳断裂。零件80以上的失效属于疲劳破坏,案例1：1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成100多人遇难身亡，造成事故的原因是一节车箱的车轮内部疲劳断裂。从而导致了近50年来德国最惨重的铁路事故的发生。,案例2：中华航空公司编号B-18255，波音747-200型客机，2002年5月25日下午3时28分，从台北中正机场起飞，在起飞后20分钟，坠海失事。机上乘客人数203人。,这架飞机总飞行时间：64,810小时。,案例3：导致哥伦比亚航天飞机2003年2月1日返回途中爆炸解体的5个原因：,第五章 金属的疲劳,阻热片脱落,升降翼失去控制,机体金属疲劳导致解体,电缆短路发生火灾,被陨石击中,金属疲劳现象及特点 疲劳曲线及基本疲劳力学性能 疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 疲劳过程及机理 影响疲劳强度的主要因素 低周疲劳,第五章 金属的疲劳,1 金属疲劳现象及特点,一、变动载荷和循环应力,二、疲劳现象及特点,三、疲劳宏观断口特征,第五章 金属的疲劳,1 金属疲劳现象及特点,工程结构在服役过程中，由于承受变动载荷而导致裂纹萌生和扩展以至断裂失效的全过程称为疲劳。,疲劳断裂可以在很低的应力下发生，一般不发生明显的塑性变形，难以检测和预防，因而机件的疲劳断裂会造成很大的经济以至生 命的损失。,研究疲劳主要是研究材料在变动载荷作用下的力学响应、裂纹萌生和扩展特性。,对于评定工程材料的疲劳抗力，进而为工程结构部件的抗疲劳设计、评估构件的疲劳寿命以及寻求改善工程材料的疲劳抗力的途径等都是非常重要的。,一、变动载荷和循环应力,1.变动载荷（应力）,指大小或大小和方向随时间按一定规律呈周期性变化或无规则随机变化的载荷（应力）。,变动载荷(应力)的种类:,1 金属疲劳现象及特点,规则周期变动应力（循环应力）,无规则变化的随机变动应力,1 金属疲劳现象及特点,2. 循环应力,1）基本参量,2) 常见的循环应力,a.对称交变应力,轴类,b.脉动应力,齿根弯曲,c.波动应力,轴承,发动机盖螺栓,d.不对称交变应力,连杆,1 金属疲劳现象及特点,二、疲劳现象及特点,疲劳机件在变动载荷和应变长期作用下，由于积累损伤而引起的断裂现象。,1. 分类,按载荷类型分：,弯曲、扭转、拉压、复合疲劳等。,按环境和接触情况分:,大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳、冲击疲劳等。,按应力大小和寿命分:,高周疲劳,低周疲劳,高周疲劳特点：断裂寿命较长，Nf105周次，断裂应力水平较低，s，也称低应力疲劳，一般常见的疲劳都属于此类。,低周疲劳特点：断裂寿命较短，Nf=（104-105）周次断裂应力水平较高，s，往往有塑性应变出现，也称高应力疲劳或应变疲劳。,1 金属疲劳现象及特点,2.疲劳破坏特征,与静载荷或一次冲击载荷下的断裂相比，疲劳断裂有如下的特点：,1）低应力循环延时断裂，即有寿命的断裂。断裂应力往往低于抗拉强度甚至屈服强度，且寿命与应力大小有关。应力高，则寿命短；应力小，则寿命长。,2）是脆性断裂，断裂时没有发生塑性变形，是突发性的，无预兆。,3）对缺陷(缺口、裂纹及组织缺陷)，尤其是表面缺陷十分敏感。裂纹往往从局部的破坏处开始。,4）疲劳分裂纹萌生和扩展两个阶段：清楚显示裂纹的发生、扩展和最后断裂三个组成部分，即疲劳源疲劳裂纹扩展区断裂区。,疲劳宏观断口,1 金属疲劳现象及特点,断口分三个区：疲劳源、疲劳区、瞬间断裂区,1）疲劳源：裂纹萌生的地方，常处于机件的表面或缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷处，或机件截面尺寸不连续的区域（有应力集中）。,当材料内部存在严重冶金缺陷（夹杂、缩孔、偏析、白点）时，因局部强度的降低，也会在材料内部产生疲劳源。,形貌特点：光亮度大，扩展速小，断面不断摩擦挤压，且有加工硬化发生。,机理：裂纹扩展速率低，N大，不断挤压摩擦,1 金属疲劳现象及特点,2）疲劳区：裂纹亚稳扩展所形成的。,特征：比较光滑并分布有贝纹线（海滩花样）， 有时还有裂纹扩展台阶。,贝纹线：平行弧线，间距不同；在裂纹源附近， 线条细密、扩展较慢；在远离裂纹处，线条稀疏、 扩展较快。,1 金属疲劳现象及特点,3）瞬时断裂区：裂纹失稳扩展形成的。,特征：表面粗糙；脆性材料为结晶状，塑性材料为纤维区。,当断口中同时存在几个疲劳源时，可根据源区的光亮度、相邻 疲劳区的大小、贝纹线的密度去确定疲劳源的产生顺序。,贝纹线是疲劳区的最大特征，一般是由载荷变动引起的，如机器运转时的开动和停歇,裂纹源区的光亮度越大、相邻疲劳区越大、贝纹线越多，疲劳源越先产生，反之，疲劳源越往后产生。,瞬断区位置一般应在疲劳源的对侧，但对于旋转弯曲来说，低名义应力光滑机件，其瞬断区位置逆旋转方向偏转一定角度，这是因为疲劳裂纹旋转方向扩展快的结果,规律：,高名义应力光滑试样：无应力集中，裂纹产生于表面，裂纹由疲劳源向四周扩展，其速率基本相同，贝纹线呈圆状，若应力高，瞬间断裂区所占比例大。,高应力缺口试样：应力集中，裂纹两侧扩展快，呈波浪状。,低应力：疲劳裂纹扩展充分，疲劳区占面积比重大,脉动拉、拉压、单弯：只有一个裂纹源,双弯：两个裂纹源,低应力旋转弯曲：瞬间断裂区相对于裂纹源沿旋转方向的逆向偏一角度。,1 金属疲劳现象及特点,扭转高应力光滑试样断口与轴向呈45角,低应力光滑试样断口与轴向垂直,缺口样：断口锯齿状，裂纹于表面生成,在正、反向扭矩作用下，分别沿+45、-45方向扩展相交而成。,第五章 金属的疲劳,2 高周疲劳,高周疲劳是指试样在变动载荷（应力）试验时，疲劳断裂寿命105周次的疲劳过程。,由于这种疲劳中所施加的交变应力水平处于材料的弹性变形范围内，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，又可称做应力疲劳。,高周疲劳试验都是在控制应力条件下进行的，并以材料最大应力max或者应力幅a对循环寿命N的关系（即S-N曲线）和疲劳极限来表征材料的疲劳特性和指标。,一、S-N(疲劳)曲线和疲劳极限,1860年，维勒（Whler）在解决火车轴断裂时，首先提出了疲劳曲线（ S-N曲线）和疲劳极限的概念，所以后人也称该曲线为维勒曲线。,S-N曲线是仿照火车轴的失效，用旋转弯曲疲劳试验方法测得的。,2 高周疲劳,优点：方法简单，求出的疲劳极限，能和拉-压疲劳，扭转疲劳乃至与静拉伸时的抗拉强度建立一定 的关系，并且能推广得知不对称循环的疲劳强度。,1.试验条件：,(1) 纯弯曲；,(2) 对称循环(m =0，r-1) ；,(3) 应力幅恒定( 0.4b 0.7b )；,(4) 频率在3000-104次/分；,(5) 小试样有足够大的过渡圆角，表面经抛光；,(6) 测不同应力幅下的疲劳寿命N,2.试验方法：,典型的S-N曲线是由有限寿命（中等寿命）和长寿命（疲劳极限或条件疲劳极限）两部分组成。,2 高周疲劳,在S- N曲线的测试中，由于疲劳试验数据分散性大，若每个应力水平下只测定一个数据，则测得S-N曲线的精度较差。,为得到较为可靠的试验结果，一般疲劳极限-1（或条件疲劳极限）采用升降法测定，而有限寿命部分则采用成组试验法测定。,然后将上述试验数据整理，拟合成疲劳曲线。,用升降法测定疲劳极限时，有效试样数一般大于13根, 试验取3-5级应力水平，每级应力增量一般为-1的(3-5)%。,第一根试样的应力水平应略高于-1，如果无法预计 -1 ，则对一般材料取(0.45-0.50) b。,第二根试样的应力水平根据第一根试样结果(破坏“”表示或通过 “”表示)，如果第一根试样断裂，则对第二根试样施加的应力降低（3-5）%，反之，要升高(3-5)%,2 高周疲劳,照此方法，直到得到13个以上有效数据为止。,处理试验结果时，将出现第一对相反结果以前的数据均舍去，如上图中第3点和第4点是第一对出现相反结果的点，因此点1和点2的数据应舍去，余下数据点均为有效试验数据。条件疲劳极限R (N)的计算式为:,m为有效试验的总次数（断与未断均计算在内）；,n为试验的应力水平级数；,i为第i级应力水平；,Vi 为第i级应力水平下的试验次数。,例：40CrNiMo钢调质处理试样的条件疲劳极限：,2 高周疲劳,R (N)=1/13 (2546.7+5519.4+ 5492.1+1464.8)508.9MPa,用升降法测定条件疲劳极限时要注意：,1）应力水平的确定；第一级应力水平应略高于预计的条件疲劳极限；应力增量一般为预计条件疲劳极限的3%5%。,2）评定升降图是否有效可根据以下两条来评定：,有效数据数量必须大于13个；,“”和“”的比例大体上各占一半。,有限寿命部分通常用45级应力水平的常规成组疲劳试验方法来测定。,在每级应力水平下测35个试样的数据，然后进行数据处理，计算出中值（存活率为50%）疲劳寿命，最后再将测定的结果在坐标上拟合成S-N曲线。,2 高周疲劳,S-N曲线的拟合，有两种基本方法：,1）逐点描绘法,用曲线板把各数据点连接起来，使曲线两侧的数据点与曲线的偏离大致相等,2 高周疲劳,2）直线拟合法,一般仅拟合有限寿命区。对钢而言，整个S-N曲线由有限寿命S-N直线和长寿命的水平线两部分组成，在两直线相交处用圆角过渡。,可以拟合出其直线方程：,lgN=9.52-0.00617 ,按上式出直线上任意两点的坐标，便可画出这条直线；这就是最佳拟合的直线。,2 高周疲劳,3.典型的S-N曲线,从某循环周次开始出现明显的水平部分，对于一般具有应变时效的金属材料，如中、低强度钢，球铁等通常具有这种特性。,a) 有水平部分,表明试样可以经无限次应力循环也不发生疲劳断裂，故将对应的应力称为疲劳极限，记为-1（对称循环，r=-1）。,如果应力循环107周次不断裂，则可认定承受无限次应力循环也不会断裂，所以常将107周次作为测定疲劳极限的基数。,2 高周疲劳,b) 无水平部分,对高强度钢、不锈钢和大多数非铁金属，如钛合金、铝合金以及钢铁材料在腐蚀介质中，没有水平 部分，其特点是随应力降低循环周次不断增大，不 存在无限寿命。,在这种情况下，常根据实际需要给出一定循环周次（108或5107周次）所对应的应力，作为材料的“条件疲劳极限”，记作r (N)。,疲劳试验结果的分散性,由于载荷波动、试样装夹精度、试样表面状态、材料本身的不均匀性或缺陷等因素的影响，使得试验数据分布在相当广的分散带内。,疲劳分散带随应力水平的降低而加宽，随材料强度水平的提高而加宽。,2 高周疲劳,如果按上述常规成组法测定的存活率为50%的S-N 曲线作为设计依据的话，意味着有50%的产品在达到预期寿命之前会出现早期破坏。,在工程中，对一些重要场合，需要严格控制失效概率，因此作为设计依 据的S-N曲线上应同时标明失效概率P(P=1-存活率)。,2 高周疲劳,2 高周疲劳,4.循环应力特性对S-N曲线的影响,循环应力特性主要包括平均应力 m ，应力幅a和应力比r以及加载方式（应力状态）。,1) 平均应力的影响,a）max相同,r3r2r1(=-1),随平均应力的增高，循环不对称程度加大，交变应力幅占循环 应力的分数越来越小，造成的损伤也越来越小，使曲线向上移动，疲劳抗力增加。,在极限情况下， m =max，r=0相当于偏位伸。,b）a相同,r3r2(=0)r1(=-1),循环应力特性对S-N曲线的影响,随着平均应力升高，不对称程度越来越严重，作用在等体积材料中的应力水 平越来越高，疲劳损伤加剧，S-N曲线向下移动。疲劳抗力降低。,2）应力状态的影响,不同应力状态下的疲劳应力-寿命曲线不同，相应的疲劳极限也不相等。,通常剪切应力幅度的疲劳曲线 低于拉压应力幅的疲劳曲线。,不同应力状态的疲劳极限间的经验关系：,钢材的拉压疲劳与弯扭疲劳,铸铁的拉压疲劳与弯扭疲劳,铸铁的扭转疲劳与弯扭疲劳,钢及轻金属的扭转疲劳与弯扭疲劳,5.疲劳极限的估算,2 高周疲劳,1) 与s、b的关系,金属材料的抗拉强度越大，其疲劳极限也越大。,对于中、低强度钢，疲劳极限与抗拉强度间大体呈线性关系。,b较低时，可近似写成,-1=0.5b,b较高时，这种近线性关系就会发生偏离，这是由于强度较高时，材料的塑性和断裂韧性下降，裂纹易于形成和扩展所致。,结构钢:,铸铁：,铝合金：,2 高周疲劳,青 铜 :,-1=0.21b,2) 与m、a、s、b的关系,6.表面几何因素对高周疲劳特性的影响,缺口越尖锐，疲劳极限下降越多。,为了在不同材料和不同工艺状态下度量和比较缺口对材料疲劳强度的影 响，通常引用疲劳应力集中系数（疲劳缺口系数）,与Kt不同， Kf不仅与缺口尖锐度有关，而且与材料的疲劳特性有关。,疲劳缺口敏感因子（度）：试图消除缺口几何因素的影响,q f=0，Kf =1，疲劳极限不因缺口存在而降低，即对缺口不敏感,2 高周疲劳,qf =1，Kf = Kt ，即表示对缺口敏感。,q f=01，即Kf 一般小于Kt,实验表明， qf 值随材料强度的升高而增大,qf值能反映在疲劳过程中材料发生应力重新分布，降低应力集中的能力。,2 高周疲劳,二、过载持久值及过载损伤界,1.应力变动和累积损伤,由于实际的构件多是承受在一定范围内变动的载荷，随着循环周次的增加，材质劣化，材料内部发生损伤；当损伤积累到某 一数值时，材料固有的寿命或塑性耗尽，便导致材料的破坏。,设试件在循环应力1下的疲劳寿命为Nf1，若在该应力幅下循环1次，则劳寿命缩减的分数为1Nf1 ，即造成的损伤度为D1，D1 =1/Nf1 ;,若循环n1 次, 则造成的损伤度为n1 D1 = n1 /Nf1,当总损伤度达到临界值时，发生疲劳失效。显然，在恒幅载荷下，损伤度的临界值为1.0。,在理论疲劳极限以下，由于Nf ，所以损伤度为零，即不造成损伤。,2 高周疲劳,2.过载持久值及过载损伤界,金属机件偶然经受短期过载，材料原来的疲劳极限可能没有变化，也可能有所降低，这要具体视材料所受过载应力及相应的累计过载周次而定。,1） 过载持久值：,材料在高于疲劳极限应力下运行时, 发生疲劳断裂的应力循环周次。,表征材料抵抗过载的能力。,2）耐久极限：疲劳曲线倾斜部位任一点对应的应力,3） 过载损伤界,金属在高于其疲劳极限的任一应力作用下运转，使疲劳极限开始降低的运行周次,4）过载损伤区,2 高周疲劳,机件过载运转到这个区域里，都要不同程度地降低材料疲劳极限，在持久值附近，降低的越多。,材料的过载损伤界（或过载持久值）越陡直，损伤区越窄，则其抵抗疲劳过载的能力越强。,过载损伤的机理,材料内部存在裂纹，-1时裂纹非扩展；时裂纹由于积累，尺寸增大，经过一定周次后，若其尺寸非扩展裂纹临界尺寸，-1不变，若其尺寸非扩展裂纹临界尺寸，则-1 降低。,过界损伤的物理意义：,在不同过载应力下，损伤累积造成裂纹尺寸达到或者超过疲劳极限的非扩展裂纹临界尺寸的循环次数。,第五章 金属的疲劳,3 疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值,疲劳过程由裂纹萌生、亚稳扩展及最后失稳扩展组成。,虽然工程结构的循环寿命大部分消耗在裂纹很小甚至检查不出来的初期扩展阶段。但在给定负荷下，一个含裂纹的试样或零件的裂纹扩展会越来越快。,研究疲劳裂纹的扩展规律、扩展速率及其影响因素，对延长疲劳寿命和预测实际机件疲劳剩余寿命均具有重要意义。,一、疲劳裂纹扩展曲线,先预制尺寸为a的裂纹；,在固定应力比r和应力范围条件下循环加载记录裂纹长度a随N循环扩展增长情况，便可作出疲劳裂纹扩展曲线：,3 疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值,应力水平越高，扩展越快；裂纹尺寸越大，扩展越快。,当加载循环周次达到Np时，a长大到临界裂纹尺寸ac，疲劳裂纹扩展速率增大到无限大，裂纹失稳扩展，最终断裂。,联系到裂纹尖端的应力强度因子K，可引入：,K是裂纹顶端控制裂纹疲劳扩展的复合力学参量,二、疲劳裂纹扩展的规律,对上述的a-N曲线，在双对数坐标上做图(lgda/dN lgK ),疲劳裂纹扩展可分为三个区域：,1) I区为近门槛区，裂纹扩展速率随K的降低而迅速降低，以至da/dN0。,3 疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值,与此相对应K值称为疲劳裂纹扩展的门槛值， 记为Kth，表示阻止裂纹开始扩展的能力,当KKth 时，da/dN0，裂纹不扩展。,当KKth 时，da/dN 0，裂纹开始扩展。,Kth 约为KIC的5%10%。,实验中裂纹扩展门槛值常定义为：da/dN2.510-10 m/cycle 时的K值。,断口：解理花样，由断裂小面组成。,2）II区为中部区或稳态扩展区，是裂纹扩展的主要阶段，决定了疲劳寿命的主要部分。,裂纹扩展速率在lgda/dN lgK 双对数坐标上呈一直线关系。,Paris经验方程,C、n为与材料和环境有关的常数,II区的裂纹扩展速率10-810-6 m/cycle,断口：疲劳条纹。,3 疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值,3) III区为裂纹快速扩展区，da/dN 10-6 10-5 m/cycle, 并随着K的增大而迅速升高。,断口: 静载断裂机制。, Kth与-1 的关系,两者相似，都表示无限寿命,-1为光滑试样， Kth 有缺口、裂纹试样, Kth的应用,无限寿命承载能力,允许裂纹尺寸,三、疲劳裂纹扩展的影响因素,1) 平均应力,压缩载荷下，裂纹是闭合的，对裂纹扩展无贡献。,平均拉应力（应力比r）升高，扩展曲线向左上方移动， Kth 降低，疲劳抗力降低,为 时的疲劳门槛值,3 疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值,引入残余压应力降低平均应力如表面喷丸、滚压、淬火处理等，可以提高材料的疲劳抗力。,2） 过载峰及裂纹塑性区的影响,实际机件在工作时很难一直是恒定载荷，往往会有偶然过载。,偶然过载进入过载损伤区内，将使材料受到损伤并降低疲劳寿命，但是如果过载适当，反而是有益的。,实验表明：在恒载裂纹疲劳扩展中间，适当的过载峰会使裂纹扩展减慢或停滞一段时间，发生裂纹扩展过载停滞现象，并延长疲劳寿命。,3 疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值,机理：,在应力循环正半周时，过载拉应力产生较大的塑性区，当这个较大的塑性区在循环负半周时，因阻止周围弹性变形恢复而产生残余压应力；,压应力迭加于裂纹上，降低拉应力峰，使裂纹提前闭合，减少裂纹尖端的K，从而降低da/dN，这种影响一般称为裂纹闭合效应。,当裂纹超过塑性区后，压应力消失，裂纹正常扩展。,3）材料的组织和性能,在材料裂纹扩展过程中，材料组织对I、III区的da/dN影响比较明显，而对II区的da/dN影响不明显,3 疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值,a. 晶粒尺寸,晶粒越大，Kth 越大、裂纹开始扩展困难，但会使裂纹扩展速度增大。,b. 亚共析钢：,c.淬火组织：,Kth ：M/B/A=1/4/7。,d.回火组织：,Kth ：STM,e.性能：,第五章 金属的疲劳,4 疲劳过程及机理,疲劳过程包括疲劳裂纹萌生、裂纹亚稳扩展及最后失稳扩展三个阶段，其疲劳寿命Nf由疲劳裂纹萌生期N0和裂纹亚稳扩展期Np所组成。,了解疲劳各阶段的物理过程，对认识疲劳本质、分析疲劳原因，采取强韧化措施，延长疲劳寿命都是很有意义的。,一、疲劳裂纹萌生过程及机理,宏观疲劳裂纹是由微观裂纹的形成、长大及连接而形成的。,常将0.050.10mm的裂纹定义为疲劳裂纹核，由此来确定疲劳裂纹的萌生期。,1) 滑移带开裂产生裂纹,试验表明：金属在循环应力（-1）长期作用下，即使其应力低于屈服应力，也会发生循环位移并形成循环滑移带。,与静载荷时均匀滑移带相比，循环滑移不均匀，总是集中分布于某些局部薄弱区域。,4 疲劳过程及机理,用电解抛光方法很难将已产生的表面循环滑移带去除，即使能去除， 当对试样重新循环加载时，则循环滑移带又在原处出现，这种永留或再现的循环滑移带称为驻留滑移带。,阿姆柯铁在旋转弯曲疲劳时产生的滑移带,随着加载循环周次的增加，循环滑移带不断加宽，当加宽到一定程度时，由于位错的塞积和交割作用，便在驻留滑移带形成微裂纹。,2024-T4铝合金滑移带裂纹,奥氏体不锈钢滑移带开裂形成的裂纹,4 疲劳过程及机理,驻留滑移带在加宽过程中，还会出现挤出脊和侵入沟，于是产生应力集中和空洞，经过一定循环后也会产生微裂纹。,当两个滑移系交替动作时，在一个循环周次之后，便可分别形成一个挤出带和一个侵入沟。随着循环周次增加，挤出带更凸起，侵入沟更凹进。通常认为其中的浸入沟将发展成为疲劳裂纹的核心。,Al-Cu4-Mg1.2-Mn0.3合金表面挤出脊,纯铝疲劳试样横截面,4 疲劳过程及机理,一般驻留滑移带只在表面形成，其机理：,表面晶粒受周围介质作用,表面晶粒易受损伤,表面晶粒不完全被其它晶粒包围，塑性变形约束小,弯曲、扭转载荷作用在表面应力最大,驻留滑移带只在局部出现，而不象拉伸屈服后在表面均匀分布，其原因：,第一阶段在金属表面均布的细滑移线，F-R开动，位错密度增长受阻，产生位错塞积，使位错源停止，从而滑移线不再发展，表面硬化；,在交变载荷作用下，两条滑移线上螺旋位错产生交滑移，异号螺旋位错在滑移面相遇消失，则这些面上的位错源开动，滑移线增长，滑移带变宽，该区域较其它区域不发生交滑移的位错源更易于开动，滑移集中于滑移带内，而滑移带比基体弱，宏观上 不显示加工硬化,4 疲劳过程及机理,实验证实，疲劳裂纹的形成和位错交滑移的难易程度有关。容易交滑移的单相合金，容易形成疲劳裂纹。 因此提高材料的滑移抗力，可阻止裂纹的萌生，增强 材料的疲劳抗力。,2）相界面开裂产生裂纹,第二相阻碍位错运动，使位错塞 积, 从而产生应力集中，进而第二相与基体脱离或破碎，产生裂纹。,4 疲劳过程及机理,第二相、夹杂物应“少、圆、小、匀”，以提高疲劳抗力,3）晶界、亚晶界开裂产生裂纹,多晶材料由于晶界的存在和相邻晶粒的不同取向,位错在某一晶粒内部运动时会受到晶界的阻碍作用，在晶界处发生位错塞积和应力集中现象。,应力不断循环，晶界处的应力集中得不到松弛时，则应力峰越来越高，当超过晶界强度时就会在晶界上产生裂纹。,晶界弱化、粗化等也会使晶界开裂。强化、净化、细化晶界，可提高材料的疲劳抗力。,4）材料内部的缺陷如气孔、夹杂、分层、各向异性、相变或晶粒不均匀等，都会因局部的应力集中而引 发裂纹。,4 疲劳过程及机理,二、疲劳裂纹扩展及断口微观特征,1.疲劳裂纹扩展，按扩展方向可分为两个阶段：,第一阶段：从表面个别侵入沟（或挤出脊）先形成微裂纹，然后裂纹主要沿主滑移系方向，以纯剪切方式沿45向内扩展。,由于晶界的不断阻碍作用，裂纹扩展逐渐转向垂直拉应力方向。,第I阶段裂纹扩展速率较小(0.1m数量级），扩展的距离一般都很小，约为25个晶粒。,断口上无明显的特征，只有一些擦伤的痕迹。在一些强化材料中,有时存在周期性解理或者准解理花样,第二阶段：裂纹拉应力,在室温和无腐蚀的条件下疲劳裂纹扩展为穿晶状态。,二、疲劳裂纹扩展及断口微观特征,此阶段的大部分循环周期内，裂纹扩展速率约为10-510-2mm/次,在电子显微镜下可显示出：第二阶段的断口特征是具有略呈弯曲 并相互平行的沟槽花样，称为疲劳条带（条纹、辉纹）,扩展最后，进入平面应力状态，裂纹沿45扩展。,瞬断区的特征与材料的性质有关,塑性材料,脆性材料,二、疲劳裂纹扩展及断口微观特征,2.疲劳条纹的形成过程,a.塑性疲劳条带,a)应力=0，裂纹闭合,b)拉应力增加到图示值时，裂纹张开，且顶端沿最大切应力方向产生滑移,c)当应力继续增至最大值时，裂纹张开最大，相应的塑性变形范围也随之扩大。由于塑性变形，裂纹顶端钝化， 应力集中减少。,d) 压应力，反向滑移，裂纹压近，尖端耳状切口。,e)到压应力为最大值时，裂纹便完全闭 合，尖端尖角。裂纹却扩展了一个相当裂纹扩展速率数值的增量（主要是拉应力半周）。,二、疲劳裂纹扩展及断口微观特征,二、疲劳裂纹扩展及断口微观特征,SEM下疲劳过程中裂纹的生长,二、疲劳裂纹扩展及断口微观特征,光镜下疲劳过程中裂纹的生长,b,c,d,e,a,a 96000循环 60m；b 96300循环 235m； c 96400循环 240m d 96800循环 380m； e 97400循环 570m；,二、疲劳裂纹扩展及断口微观特征,疲劳条带是裂纹扩展时留下的微观痕迹，每条带可以视为应力循环的扩展痕迹，裂纹的扩展方向与条带垂直。,b. 脆性条带,a) 初始状态,b) 前端解理扩展,c)切应力作用下45方向很宽范围内局部塑性变形,d) 钝化，停止,e) 闭合,所以解理台阶和疲劳条带结合在一起，断口上有细小 解理平面，其与扩展方向一致，与裂纹垂直，有河流 状花样。,二、疲劳裂纹扩展及断口微观特征,第五章 金属的疲劳,5 低周疲劳,一、低周疲的现象和特点,飞机起落架、燃气涡轮发动机、高压容器、核反应堆外壳等，所受应力水平较高，疲劳寿命较短。,低周疲劳是在较高应力（往往超过材料的屈服强度s）和较少循环次数（102105 次）的疲劳断裂。,1. 现象,对储罐，若按每天充 放料一次，在50年内才经受18000多次载荷循环。,如带缺口，圆孔、拐角等的构件，当其受到周期载荷时， 虽然整体上尚处在弹性变形范围，但在应力集中部位的材料已 进入塑性变形状态，此时也是由循环塑性应变控制的低周疲劳。,2.低周疲劳破坏的特点,1）应力高，有宏观塑性变形，反复加载，经若干次(通常不超过100周次)应力循环后，会形成应力应变滞后环（滞后回线）。,其应变幅分为两部分：,5 低周疲劳,在加载初期，类似于包申格效应，材料因载荷循环而出现循环硬化或循环软化，所以初期的滞后环并不封闭。,滞后环内的面积代表材料所吸收的变形功，其中一部分以塑性变形能的形式储存在材料中，或用以改变材料中结构 的排列；,剩下的部分则以热的形式向周围环境散逸。,2）由于塑性变形量大，疲劳寿命N由应变幅度控制，不能利用-N描述疲劳抗力，故常用P -Nf的关系曲线描述。,3）扩展过程中有几个裂纹源，应力高，形核时间短；疲劳条带粗、宽且不连续。,5 低周疲劳,3. 循环硬化与循环软化,1) 现象,材料在恒定应变（应力）范围循环作用下，随着循环周次的增加，其应力（应变）不断增加，称为循环硬化； 如果在循环过程中，应力（应变）逐渐减小，则为循环软化。,发生循环硬化或软化的判据：,1）b /s 1.4时，发生硬化；,2）b /s 1.2时，发生软化；,3）1.2 b /s 1.4时，则难以判断。,n0.1,硬化、稳定,即初始硬而强的材料发生软化，如晶态或非晶态高聚物等。反之，则发生硬化。,恒应力下的循环软化与恒应变下的循环硬化，特别危险！,5 低周疲劳,二、低周疲劳的应变-寿命曲线,低周疲劳的应变-寿命曲线(Nf )，通常用总应变半幅（/2 ）和循环变向次数(2Nf )表示；,应变半幅(/2)可分解为弹性应变半幅(e /2)和塑性应变半幅(p /2)。,e /22Nf的关系,为2Nf=1时，直线的截距，称为疲劳强度系数，由于2Nf =1相当于一次加载，所以可粗略地取 （静拉伸的断裂应力）；,b为直线的斜率，称为疲劳强度指数, b-0.07-0.15,p /22Nf的关系,为2Nf =1时直线的截距，称为疲劳塑性系数，同理，也可取 (静拉伸的断裂应变)；,5 低周疲劳,于是/22Nf关系成为:,不同金属材料的/2 2Nf曲线有一个共同的交点，对应的应变值约为0.01。在交点右侧，即低幅循环时，强度高的材料寿命长。,上式右边两项是两条直线，分别代表弹性应变幅-寿命线和塑性应变幅-寿命线。,曲线e /22Nf与p /22Nf相交，交点所对应的寿命称为过渡疲劳寿命(2Nf)t,在交点左侧的低周疲劳范围内，塑性应变幅起主导作用，材料的疲劳寿命由塑性控制；,在交点右侧的高周疲劳范围内，弹性应变幅起主导作用，材料的疲劳寿命由强度决定。,5 低周疲劳,于是/22Nf关系成为:,所以选择机件材料和决定工艺时，要区分机件的服役条件是哪一类疲劳，如属高周疲劳，应主要考虑材料强度，如属低周疲劳，则应在保持一定强度基础上尽量选用塑性好的材料。,过渡疲劳寿命是评定材料疲劳行为的一项重要性能指标。与材料强度密切相关,在硬度很高时，过渡疲劳寿命很低，可达几十至几百周次， 这意味着对于高强度状态的材料，即使寿命并不很长， 也已具有高周疲劳的性质。,对低硬度高塑性材料，过渡疲劳寿命可达104105周次，对于多数调质状态的钢材就是这种情况，则只有寿命足够长， 高于相应的过渡疲劳寿命时，才属于高周疲劳。,区分高周或低周疲劳的意义,在于寻找合理的提高疲劳抗力的途径,6 影响疲劳强度的主要因素,第五章 金属的疲劳,一、加载规范及环境的影响,1. 载荷频率,1001000Hz,f60Hz,通常试验机载荷频率5001000周/min, 疲劳极限基本稳定,2. 次载锻炼,金属于低于或接近疲劳极限条件下运转一定循环次数后，疲劳极限提高的现象,机理：应力应变循环产生硬化及局部应力松弛,效果：,1)N一定， 效果越明显,2) 一定， 效果越明显，当N到达一定值后， 稳定,3. 间歇,1) 应力接近于 （ ）运行，间歇,2) ，间歇 ，过载积累损伤，疲劳弱化，间歇无益。,6 影响疲劳强度的主要因素,4. 温度：,温度升高，疲劳极限下降,但钢在200400，疲劳极限出现峰值，与时效强化有关。,温度升高，C、N原子扩散能力增强，强度下降，但在200400附近，气团与位错一起运动，对位错钉扎作用增强，强度增加；温度过高，C、N扩散急剧增加，气团消失，强化降低，高温时，无水平段,5. 介质：腐蚀介质表面蚀坑，疲劳极限下降,二、表面状态与尺寸因素,1. 表面状态：,因为不均匀滑移产生于表面，裂纹产生于表面。,缺口：因应力集中会降低材料的疲劳强度。,表面粗糙度：越粗糙，曲线左下移，材料的疲劳强度越低，过载抗力降低,表面强度：表面强度越高，抵抗表面滑移能力越强，可阻止裂纹在表面产生，疲劳强度越高。,6 影响疲劳强度的主要因素,二、表面状态与尺寸因素,1. 表面状态：,缺口：因应力集中会降低材料的疲劳强度。,因为不均匀滑移产生于表面，裂纹产生于表面。,表面粗糙度：越粗糙，曲线左下移，材料的疲劳强度越低，过载抗力降低,表面强度：表面强度越高，抵抗表面滑移能力越强，可阻止裂纹在表面产生，疲劳强度越高。,2. 尺寸效应：,尺寸增加，由表面到心部的应力梯度下降，高应力区体积增大，损伤区增大，缺陷几率增大，疲劳强度降低。,三、表面强化及残余应力的影响,1. 表面喷丸及滚压,喷丸是用压缩空气将坚硬的弹丸高速喷打向机件表面,表面产生局部塑性变形，形变强化，阻止循环滑移、开裂,产生表面残余压应力，降低缺口应力集中系数及缺口敏感度。,6 影响疲劳强度的主要因素,弹丸尺寸d：0.11mm，压应力层厚度1/41/2d，压应力的大小与喷丸压力、速度及d有关应保证压应力层厚度大于表面缺陷的厚度。,喷丸强化的效果与被喷的材料强度有关，材料强度越高，喷丸效果越好，所以一般机件的喷丸总是在热处理强化后进行。,不适合于抗压（次表面拉应力促裂），不适合低周大应力疲劳，消除强化，喷丸不可过渡，否则可以在表面产生裂纹,6 影响疲劳强度的主要因素,表面滚压和喷丸的作用相似，但是其压应力层深度较大，很适用于大型的、形状规则工件，而且表面粗糙度低时，强化效果更好。,2. 表面热处理及化学热处理,表面淬火包括火焰加热淬火、感应加热淬火和低淬透性钢的整体加热薄壳淬火等。,表面化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗等。它们都是利用组织相变获得表面强化的工艺方法，也是常用的表面强化方法。,表面强化处理提高机件表面的强度和硬度，提高疲劳强度；同时还可在机件表面产生的残余压应力。,3.残余应力,残余应力可以与外加工作应力叠加，构成合成总应力。叠加残余压应力，总应力减小，叠加残余拉应力，总应力增大。,6 影响疲劳强度的主要因素,因此，机件表面残余应力状态对疲劳强度（主要低应力高周疲劳强度）有显著影响。,残余压应力提高疲劳强度；,残余拉应力降低疲劳强度。,表面强化对于扭转、弯曲作用下的疲劳，特别是缺口试样（缺口处压应力集中）强化效果明显。,四、材料成分及组织,1. 合金成分,1) 含碳量,结构钢中C固溶强化基体，形成K弥散强化，形成抗力增加，阻止滑移开裂。,HRC40：,HRC40：,HRC过高：脆性,2) 合金元素,提高淬透性，改善韧性，,2. 显微组织,1) 晶粒尺寸,细化晶粒，可以提高材料强韧性，疲劳极限提高。,6 影响疲劳强度的主要因素,2) 组织,正火组织：片状K，疲劳极限低,淬火回火组织：,等温淬火组织：,硬度相同，韧性淬火回火组织,3. 夹杂物及冶金缺陷：,作为裂纹核心，降低疲劳极限,首先判别是高周疲劳寿命还是低周疲劳寿命,裂纹萌生、裂纹扩展在整个疲劳寿命中谁占主导地位。,2) 对高周疲劳，通常采用以下方法:,提高强度：a.合金化，b.热处理，c.变形，d.细化晶粒等。,减少材料表面可能的疲劳裂纹源：a.改善表面光洁度，b.改善表面应力集中，c.表面处理（压应力）。,减少夹杂物含量。,对低周疲劳来说，可采取:,减少夹杂物或改善夹杂物的分布，阻止裂纹的萌生。,提高材料的塑性。,第五章 金属的疲劳,7 聚合物的疲劳,一、聚合物的S-N曲线和疲劳极限,聚合物的疲劳性能，也可用S-N曲线表示：,区：高应力区a 银纹引发,银纹裂纹扩展断裂疲劳寿命短，断面呈镜面,区：中应力区a1/2-1/4 s 或b 呈线性下降。,引发银纹裂纹扩展速度,区: 低应力区a难以引发银纹，在交变应力下，聚合物损伤积累及微观结构变化产生了微孔洞和微裂纹。S-N曲线接近于水平状态。,聚合物的疲劳强度-1随分子量的增大而提高，但随结晶度的增大而降低。,7 聚合物的疲劳