材料在变动载荷下的力学性能PPT课件

1、第五章第五章 材料在变动载荷下材料在变动载荷下 的力学性能的力学性能 材料力学性能材料力学性能 第五章第五章 材料在变动载荷下的力学性能材料在变动载荷下的力学性能 5-1 5-1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能 5-3 5-3 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展 5-5 5-5 影响疲劳强度的主要因素影响疲劳强度的主要因素 5-6 5-6 低周疲劳低周疲劳 5-4 5-4 疲劳过程及机理疲劳过程及机理 5.1 5.1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点 一、变动载荷和循环应力一、变动载荷和循环应力 1 1、变动载荷（应力）、变

2、动载荷（应力） l定义：定义：是指载荷大小或大小和方向随时间按一定规律呈周期性变化是指载荷大小或大小和方向随时间按一定规律呈周期性变化 或呈无规则随机变化的载荷。或呈无规则随机变化的载荷。 l分类：前者称为分类：前者称为周期变动载荷周期变动载荷或或循环载荷循环载荷， 后者称为后者称为随机变动载荷随机变动载荷。 实际的工程构件承受的载荷多为实际的工程构件承受的载荷多为随机变动载荷随机变动载荷，但对工程材料的，但对工程材料的 疲劳特性分析而言，疲劳特性分析而言，为简化起见，主要讨论为简化起见，主要讨论循环载荷循环载荷情况。情况。 5.1 5.1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点 5.1 5.1

3、 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点 随机载荷 偶然过载对疲劳性能影响很大 6 5.1 5.1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点 2 2、循环应力、循环应力 循环应力的波形一般近似为循环应力的波形一般近似为正弦波正弦波、矩形波矩形波和和三角形波三角形波等等。 （1）循环应力的描述）循环应力的描述 最大应力与最小应力：最大应力与最小应力： max、 min 。 l平均应力：平均应力：m=1/2（max+min） l应力幅：应力幅：a=1/2（max-min） l应力比：应力比：=min/max 7 5.1 5.1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点 （2 2）循环应力的种类）循环应力的种

4、类 8 5.1 5.1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点 9 5.1 5.1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点 10 5.1 5.1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点 第五章第五章 材料在变动载荷下的力学性能材料在变动载荷下的力学性能 三、疲劳现象三、疲劳现象 材料构件在材料构件在变动应力和应变变动应力和应变的长期作用下，由于累积损伤而的长期作用下，由于累积损伤而 引起的断裂的现象引起的断裂的现象疲劳。疲劳。 四、疲劳分类 （1）按应力状态按应力状态 弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、复合疲劳等。 （2）按环境按环境 腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳等。 （3）按断裂寿命和应力高低按断裂寿命

5、和应力高低 l高周疲劳：断裂寿命较长高周疲劳：断裂寿命较长（Nf105周次）,因断裂应力低（ s s ），所以也叫低低 应力疲劳应力疲劳。 l低周疲劳：断裂寿命较短，低周疲劳：断裂寿命较短，（ Nf 102105周次），由于断裂应力水平高（ s s），往往伴有塑性变形，故称为高应力疲劳（或应变疲劳）高应力疲劳（或应变疲劳）。 5.1 5.1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点 13 p 高周疲劳：疲劳断裂寿命不小于105周次 的疲劳，应力小，弹性范围。 p 低周疲劳：次数小于104105，应力大 于屈服强度，产生塑性变形。 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能

6、 5.1 5.1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点 接触疲劳接触疲劳 5.1 5.1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点 16 五、疲劳的特点 （1）断裂应力b b，甚至s s； （2）疲劳是脆性断裂； （3）对材料的缺陷（缺口、裂纹和组织缺陷）十分敏感； （4）疲劳破坏能清楚显示裂纹的萌生和扩展，断裂； （5）存在破坏的临界应力ac； 5.1 5.1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点 第五章第五章 材料在变动载荷下的力学性能材料在变动载荷下的力学性能 疲劳属疲劳属低应力循环延时断裂低应力循环延时断裂，其断裂应力水平往往，其断裂应力水平往往b b，甚，甚 至至s s； 不产生明显的塑

7、性变形，呈现突然的脆断不产生明显的塑性变形，呈现突然的脆断。 疲劳断裂是一种非常危险的断裂。疲劳断裂是一种非常危险的断裂。 工程中研究疲劳的规律、机理、力学性能指标、影响因素工程中研究疲劳的规律、机理、力学性能指标、影响因素 等，就具有重要的意义。等，就具有重要的意义。 18 六、疲劳宏观断口的特征 断口拥有三个形貌不同的区域：疲劳源、疲劳区、瞬断区。 随材质、应力状态的不同，三个区的大小和位置不同。 5.1 5.1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点 19 5.1 5.1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点 20 5.1 5.1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点 1、疲劳源 形成于应

8、力集中区： 1）内部缺陷（夹杂物、缩孔、偏析、白点等） 2）加工缺陷（刀痕、微裂纹） 3）不当设计（截面突然发生变化） 断口形貌： 1）疲劳源区的光亮度最大（因为由于应力交变，断面不断摩擦挤压而光亮） 2）表面硬度有所提高（因为加工硬化） 3）随应力状态及其大小的不同，可有一个或几个疲劳源。 22 2、疲劳裂纹扩展区（贝纹区） 1）断面比较光滑，并分布有贝纹线。循环应力低，材料韧性好，疲劳区大， 贝纹线细、明显。 2）贝纹线由载荷变动引起的。 3）贝纹线好像一簇以疲劳源为圆心的平行弧线。 5.1 5.1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点 23 3、瞬断区 一般在疲劳源的对侧。 脆性材料为结

9、晶状断口； 韧性材料有放射状或人字纹纹理，边缘为剪切唇。 5.1 5.1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点 24 2024Al合金疲劳条纹合金疲劳条纹 5.1 5.1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点 25 p 高周疲劳：疲劳断裂寿命不小于105周次 的疲劳，应力小，弹性范围。 p 低周疲劳：次数小于104105，应力大 于屈服强度，产生塑性变形。 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能 26 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能 一、S-N曲线和疲劳极限 27 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力

10、学性能 28 p S-N曲线（疲劳曲线）曲线（疲劳曲线） p横坐标横坐标N，纵坐标为材料最大，纵坐标为材料最大 应力或应力振幅应力或应力振幅 p S-N曲线和疲劳极限来表征材曲线和疲劳极限来表征材 料的疲劳特性和指标料的疲劳特性和指标 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能 一、S-N曲线和疲劳极限 29 1）由高应力段和低应力段组 成。前者寿命短，后者寿命长， 并且随应力水平下降断裂循环 周次增加。 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能 30 2）对一般金属材料（中低强度钢），当循环应力水平降低到某一临界值时，低 应力段变为水平线

11、段，表明当所加交变应力降低到水平值时，试样可承受无限次 （ 107周次以上）应力循环而不发生疲劳断裂，因而将水平部分对应的应力称为 疲劳极限r ，用-1表示； 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能 31 3）对于另一类金属材料（铝合金、不锈钢、高强度钢等），S-N曲线没有水 平部分，随应力降低，循环周次不断增大，不存在无限寿命。根据使用要求给 出一定循环周次（108周次）所对应的应力，作为材料的“条件疲劳极限” r . 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能 32 p 中低强度钢有明显的渐近线中低强度钢有明显的渐近线 p 高强度钢、

12、铝合金、钛合金没用明显的渐近线高强度钢、铝合金、钛合金没用明显的渐近线 p 评判断裂应力标准：铸铁：评判断裂应力标准：铸铁：107；有色金属：；有色金属：108，钛合金：，钛合金：107 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能 第五章第五章 材料在变动载荷下的力学性能材料在变动载荷下的力学性能 34 水平段形成原因：水平段形成原因： 1.应变时效应变时效强化滑移区域，使该区域强度提高强化滑移区域，使该区域强度提高 正面作用正面作用 2.塑性滑移和疲劳裂纹生成塑性滑移和疲劳裂纹生成使滑移区域承载能力使滑移区域承载能力 降低降低累积损伤作用累积损伤作用负面作用负面作用

13、 两者平衡，裂纹停止生长，材料不断裂两者平衡，裂纹停止生长，材料不断裂 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能 35 2、N曲线的测定 常用常用旋转弯曲疲劳试验机旋转弯曲疲劳试验机， 有效试样有效试样13根以上。根以上。 用升降法测定用升降法测定-1 再用概率统计方法处理数再用概率统计方法处理数 据。（取可信度）据。（取可信度） 确定点的位置、连线确定点的位置、连线 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能 36 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能 37 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲

14、线及基本疲劳力学性能 38 3、不同应力状态下的疲劳极限、不同应力状态下的疲劳极限 根据大量的实验结果，根据大量的实验结果，弯曲与拉压、扭转疲劳极限弯曲与拉压、扭转疲劳极限之间之间 的关系：的关系： 钢：钢：-1p=0.85-1 铸铁： 铸铁：-1p=0.65-1 铜及轻合金：铜及轻合金：-1=0.55-1 铸铁：铸铁：-1=0.8-1 其中，其中，-1弯曲对称疲劳极限弯曲对称疲劳极限， ，-1p为对称拉压疲劳极限 为对称拉压疲劳极限， ，- 1为对称扭转疲劳极限 为对称扭转疲劳极限 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能 第五章第五章 材料在变动载荷下的力学性能

15、材料在变动载荷下的力学性能 40 4、疲劳极限与静强度之间的关系、疲劳极限与静强度之间的关系 金属材料的抗拉强度越大，其疲劳极限也越大：金属材料的抗拉强度越大，其疲劳极限也越大： 对对中低强度钢，疲劳极限与抗拉强度大体呈线性关系中低强度钢，疲劳极限与抗拉强度大体呈线性关系。1）当当b较低时，较低时， 近似写成近似写成-1= 0.5b； 2）当）当b较高时，发生偏离较高时，发生偏离（强度较高时材料塑性和断裂韧性下降，裂强度较高时材料塑性和断裂韧性下降，裂 纹易于形成和扩展纹易于形成和扩展）。）。 钢：钢：-1p=0.23（s+b） -1=0.27（s+b） 铸铁：铸铁：-1p=0.4b -1=0

16、.45b 铝合金：铝合金：-1p=b/6 +7.5(MPa) -1p=b/6 -7.5(MPa) 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能 41 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能 42 二、不对称循环疲劳极限（r） 利用已知的对称循环疲劳极限，用工程作图法求得各种不对称循环疲劳 极限。或者采用回归的公式求得。 （1）a am m图 y轴上的A点；x轴上的C点。 其余各点纵、横坐标各代表 每一r下疲劳极限a和m， max max = =a+m 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能 43 根据角度，从原

17、点O引直线 交曲线于点B，B点对应的横 、纵坐标可求出，再求出 max max。 r tan a、 、m max 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能 44 根据经验：根据经验： （1）对大多数工程合金，）对大多数工程合金，Soderberg关系对疲劳寿命的关系对疲劳寿命的估计比较保守估计比较保守。 （2）对脆性金属，包括高强度钢，其抗拉强度接近于真实断裂应力，用）对脆性金属，包括高强度钢，其抗拉强度接近于真实断裂应力，用Goodman关系来描述关系来描述 或估计疲劳寿命与实验结果吻合得很好。或估计疲劳寿命与实验结果吻合得很好。 （3）对塑性材料，用）对塑性材料

18、，用Geber关系较好。关系较好。 （2）公式法 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能 45 （3）maxm 图 u在B点：m=0（r=-1），）， a=-1，疲劳极限r,max=-1; u在A点：m=b（r=1），）， a=0，疲劳极限r,max=b; u在AHB曲线上，应力比与角度的关系 为： r tan 疲劳极限（交点纵坐标）疲劳极限（交点纵坐标） 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能 46 三、疲劳缺口敏感性 疲劳缺口敏感度qf 0 qf Kth th: K，da/dN，裂纹扩展但不快。 I 区所占寿命不长。 II区（主要

19、段） K，da/dN较大，裂纹亚稳扩展，是决定疲劳裂 纹扩展寿命的主要段。 III区（最后段） K，da/dN，裂纹失稳扩展。 52 5.3 5.3 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展 疲劳裂纹扩展门槛值 p 确定Kth为裂纹疲劳不扩展的K临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值。 表示材料组织疲劳裂纹开始扩展的性能，其值越大，阻止疲劳裂纹开始扩 展的能力就越大，材料就越好。 p 单位MNm-3/2或MPam1/2 pKth与-1的区别： -1是光滑试样的无限寿命疲劳强度，用于传统的疲劳强度设计和校核； Kth是裂纹试样的无限寿命疲劳性能，适合裂纹件的设计和校核。 53 5.3 5.3 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展

20、根据Kth th的定义建立的裂纹件不疲劳断裂校核公式 K=Y1/2 1/2Kth th, 裂纹不扩展。 已知其中两个量，可求第三个量。 实际测定材料Kth th时很难做到da/dN=0的情况。因此实验时规定，平 面应变条件下，da/dN=10-6 -610-7-7mm/周次对应的K来代替Kth th， 称为工程疲劳门槛值。 54 5.3 5.3 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展 paris公式 Paris根据大量试验数据，提出了在疲劳裂纹扩展速率曲线II区， da/dN与K关系的经验公式。 da/dN=c(K)n c、n材料试验常数，与材料、应力比、环境等因素有关。显微 组织对n的影响不大，多数材料的

21、n值在24之间变化。 55 5.3 5.3 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展 56 5.3 5.3 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展 影响疲劳裂纹扩展速率的因素 （1）应力比r的影响 应力比r，曲线向左上方移 动，使da/dN升高，而且在I、 III区的影响比II区的大。 57 5.3 5.3 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展 （2）过载峰的影响 偶然过载进入过载损伤区，将使材料受到损伤并降低疲劳寿命，但若过载 适当，有时反而是有益的。 在恒载裂纹疲劳扩 展期内，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。 58 5.3 5.3 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展 （3）显微

22、组织 对I、III区的da/dN影响比较明显。 晶粒粗大，Kth th值越高， da/dN值越低； 韧性相可使Kth th。 钢的高温回火的组织韧性好，钢的高温回火的组织韧性好， 强度低，其强度低，其Kth较高；较高； 低温回火的组织韧性差，强低温回火的组织韧性差，强 度高，其度高，其Kth较低；较低； 中温回火的中温回火的Kth则介于两者则介于两者 之间。之间。 300M钢 59 5.3 5.3 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展 三、疲劳裂纹扩展寿命的估算 对于机件疲劳剩余寿命的估算，一般先用无损探伤方法确定机件初 始裂纹尺寸a0、形状位置和取向，从而确定K的表达式K=Y1/2 1/2， 再根据材料

23、的断裂韧性KIC及工作名义应力，确定临界裂纹尺寸ac，然 后根据由试验确定的疲劳裂纹扩展速率表达式，最后用积分方法计算从 a0到ac所需的循环周次，即疲劳剩余寿命Nc。 60 5.3 5.3 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展 常选用paris公式。 da/dN=C(K)n n 和 K=Y1/21/2 所以： 61 5.4 5.4 疲劳过程及机理疲劳过程及机理 疲劳过程：裂纹萌生、亚稳扩展、失稳扩展、断裂。 一、疲劳裂纹的萌生 常将0.050.1mm的裂纹定为疲劳裂纹核。 引起裂纹萌生的原因：显微开裂、不均匀的局部滑移。 主要方式为：表面滑移带开裂；第二相、夹杂物或其界面开裂；晶 界或亚界面开裂。 62

24、 1、滑移带开裂 （1）驻留滑移带 在交变载荷作用下，永留或能再现的循环滑移带，称为驻留滑移 带。 驻留滑移带是由材料某薄弱区域产生的，驻留滑移带一般只在表 面形成，其深度较浅。随着加载循环次数的增加，循环滑移带会不断 地加宽，当加宽至一定程度时，由于位错的塞积和交割作用，便在驻 留滑移带处形成微裂纹。 5.4 5.4 疲劳过程及机理疲劳过程及机理 63 （2）挤出峰和侵入沟 滑移带在表面加宽过程中，还会向前或向后移动，形成挤出 峰 和侵入沟。循环过 程中，峰、沟不断 增加，增高（或变 深）。（柯垂耳- 赫尔模型）。 孪晶处也易出现挤 出峰和挤入槽。 5.4 5.4 疲劳过程及机理疲劳过程及机

25、理 5.4 5.4 疲劳过程及机理疲劳过程及机理 措施：措施： 只要能提高材料的滑移抗力（如采用只要能提高材料的滑移抗力（如采用固溶强化固溶强化、细晶强细晶强 化化等手段）、均可以阻止疲劳裂纹萌生，提高疲劳强度。等手段）、均可以阻止疲劳裂纹萌生，提高疲劳强度。 65 2、相界面开裂 两相（包括第二相、夹杂）间的结合力差， 各相的形变速率不同，易在相结合处或弱相内出现开裂。只有首先 达到临界尺寸的裂纹核，才能继续长大。 改善措施：只要降低第二相或夹杂物的脆性，提高相界面强度， 控制第二相或夹杂物的数量、形状、大小和分布，使之“少、圆、 小、匀”，均可抑制或延缓疲劳裂纹在第二相或夹杂物附近萌生，

26、提高疲劳强度。 5.4 5.4 疲劳过程及机理疲劳过程及机理 66 3、晶界处开裂 p 晶界就是面缺陷；位错运动易发生塞积，出现应力集中，晶界开 裂。 p 凡使晶界弱化和晶粒粗化的因素，如晶界有低熔点夹杂物等有害 元素和成分偏析、回火脆、晶界析氢及晶粒粗化等，均易产生晶界 裂纹，降低疲劳强度。 5.4 5.4 疲劳过程及机理疲劳过程及机理 67 二、疲劳裂纹扩展过程及机理 1、裂纹扩展的两个阶段 第一阶段：从表面个别侵入沟（或挤出脊）先形成微裂纹，最后裂纹沿主滑 移系，以纯剪切方式向内扩展。扩展速率很低，仅0.1m的扩展量。 第二阶段：在da/dN的II区， 由于晶界的阻碍作用，使扩展 方向逐

27、渐垂直于主应力方向； 扩展速率10-5-10-2mm/次。 形成疲劳条纹（疲劳辉纹）。 一条辉纹就是一次循环的结果。 5.4 5.4 疲劳过程及机理疲劳过程及机理 68 5.4 5.4 疲劳过程及机理疲劳过程及机理 疲劳条带与贝纹线的区别：疲劳条带与贝纹线的区别： 疲劳条带是疲劳断口的微观特征，贝纹线是疲劳断口的宏观特征疲劳条带是疲劳断口的微观特征，贝纹线是疲劳断口的宏观特征，在相邻贝纹，在相邻贝纹 线之间可能有成千上万个疲劳条带。在断口上二者可以同时出现，也可以不同线之间可能有成千上万个疲劳条带。在断口上二者可以同时出现，也可以不同 时出现。时出现。 69 2、疲劳裂纹扩展模型 裂纹不再扩展

28、的过程，称为 “塑性钝化” 该模型对塑性材料的疲劳扩展 过程、韧性疲劳条带的形成过程是 很成功的。 材料的强度越低，裂纹扩展越 快，条带越宽。 5.4 5.4 疲劳过程及机理疲劳过程及机理 5.5 5.5 影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素 一、材料内因 1、化学成分 成分决定组织和强化效果。 2、显微组织 相、相间交互作用、夹杂物、晶粒大 小 等。 3、治金缺陷 夹杂、疏松、偏析、裂纹，方向性 等。 二、材料表面状态和工件结构 1、表面状态 表面粗糙度；表面强化（机械、热 处理、喷涂、化学） 2、工件结构 壁厚；壁厚均匀性；表面沟槽等。 三、工况因素 1、载荷 载荷的大小和加载方式；加载频

29、率；加载 间歇；次载锻炼。 2、环境 温度；周边介质；应力状况。 低周疲劳（应力水平高、循环周次少）举例：低周疲劳（应力水平高、循环周次少）举例：飞机起落架飞机起落架、飞机发动机飞机发动机 涡轮盘涡轮盘、常年阵风吹刮的桥梁常年阵风吹刮的桥梁。 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 工程构件的名义应力一般低于材料的屈服应力，但工程构件的名义应力一般低于材料的屈服应力，但当构件上存在缺当构件上存在缺 口或类似缺口的部位时，则可由应力集中而使其局部区域接近甚至口或类似缺口的部位时，则可由应力集中而使其局部区域接近甚至 进入了弹塑性状态进入了弹塑性状态。 随着设计思想的改进，随着设计思想的改进，在某些情况

30、下，对构件只要求有限寿命，可在某些情况下，对构件只要求有限寿命，可 允许有较大的承载允许有较大的承载，从而使构件处于应变控制的疲劳过程。，从而使构件处于应变控制的疲劳过程。 因此，因此，金属在交变载荷作用下，由于塑性应变的循环作用所引起的金属在交变载荷作用下，由于塑性应变的循环作用所引起的 疲劳破坏称为低周疲劳（或塑性疲劳、应变疲劳）疲劳破坏称为低周疲劳（或塑性疲劳、应变疲劳）。 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 低周疲劳的交变应力水平较高，低周疲劳的交变应力水平较高， max一般接近或超过材料的屈一般接近或超过材料的屈 服 强 度 ， 但 加 载 频 率 较 低 ， 且 疲 劳 寿 命 较

31、短 ， 一 般 只 有服 强 度 ， 但 加 载 频 率 较 低 ， 且 疲 劳 寿 命 较 短 ， 一 般 只 有 102105周次。亦称周次。亦称高应力疲劳高应力疲劳。 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 74 一、低周疲劳的特点一、低周疲劳的特点 1 1、局部产生、局部产生宏观塑性变形宏观塑性变形，应，应 力与应变之间呈非线性。力与应变之间呈非线性。 总应变总应变 t t= = e e+ + p p 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 5.6.1 低周疲劳概述低周疲劳概述 75 2 2、要、要用用 t t/2N/2N或或 p p /2N /2N描叙疲劳规律描叙疲劳规律 低周疲劳试验时，或者控

32、制低周疲劳试验时，或者控制总应变范围总应变范围，或者控制，或者控制塑性应变范围塑性应变范围， 在给定的在给定的 t t或或 p p下测定疲劳寿命。下测定疲劳寿命。 试验结果处理不用试验结果处理不用S-NS-N曲线，要用曲线，要用 t t/2N/2N或或 p p/2N/2N描叙疲描叙疲 劳规律。劳规律。 t t/2/2和和 p p /2 /2分别表示为分别表示为总应变幅总应变幅和和塑性应变幅塑性应变幅。 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 76 3 3、裂纹成核期、裂纹成核期短短，有，有多多个裂纹源；断口呈韧窝状、轮胎花样状。个裂纹源；断口呈韧窝状、轮胎花样状。 p 由于应力比较大，低周疲劳裂纹容

33、易形核，形核期只占寿命的由于应力比较大，低周疲劳裂纹容易形核，形核期只占寿命的10%10%。 p 微观断口的微观断口的疲劳条带较粗，间距较宽，并且常常不连续疲劳条带较粗，间距较宽，并且常常不连续。在某些金属。在某些金属 材料中，应力循环周次小于材料中，应力循环周次小于9090时，断口呈韧窝状；大于时，断口呈韧窝状；大于100100次时，出现次时，出现 轮胎花样。轮胎花样。 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 77 4 4、疲劳寿命取决于塑性应变幅。、疲劳寿命取决于塑性应变幅。 区别：区别： p 不同点：高周疲劳寿命取决于应力幅或应力强度因子范围。不同点：高周疲劳寿命取决于应力幅或应力强度因子范围

34、。 p 相同点：都是循环塑性变形累积损伤的结果。相同点：都是循环塑性变形累积损伤的结果。 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 二、循环硬化和循环软化二、循环硬化和循环软化 在低周疲劳的循环加载初期，材料对循环加载的响应是一个在低周疲劳的循环加载初期，材料对循环加载的响应是一个 由不稳定向稳定过渡由不稳定向稳定过渡的过程。此过程可分别用应力控制下的的过程。此过程可分别用应力控制下的 t 曲线曲线或应变控制下的或应变控制下的 t 曲线曲线描述。描述。 材料对循环加载的材料对循环加载的初始响应过程初始响应过程可表现为可表现为循环硬化循环硬化或或循环软循环软 化化。 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 应

35、力控制下的材料循环特性应力控制下的材料循环特性 应变控制下的材料循环特性应变控制下的材料循环特性 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 循环硬化是材料在循环过程中变形抗力不断提高循环硬化是材料在循环过程中变形抗力不断提高（恒定应变范（恒定应变范 围条件下）围条件下）、应变逐渐减小、应变逐渐减小（恒定应力范围条件下）（恒定应力范围条件下）的现象；的现象； 循环软化是材料在循环过程中变形抗力不断减小循环软化是材料在循环过程中变形抗力不断减小（恒定应变范（恒定应变范 围条件下）围条件下）而应变逐渐增加而应变逐渐增加（恒定应力范围条件下）（恒定应力范围条件下）的现象。的现象。 危险危险! 在循环硬化和循环

36、软化两种情况下，相应的滞后回线都不闭合，在循环硬化和循环软化两种情况下，相应的滞后回线都不闭合， 只有经过一定周次后才形成封闭滞后回线。只有经过一定周次后才形成封闭滞后回线。 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 p 材料在低周疲劳过程中，由于材料在低周疲劳过程中，由于塑性应变塑性应变的作用，的作用，在一个完全的循环加载下其应在一个完全的循环加载下其应 力应变曲线必然形成一个滞后回线力应变曲线必然形成一个滞后回线。 p 但在加载初期，材料可能因循环硬化和循环软化而使滞后环并不封闭。但在加载初期，材料可能因循环硬化和循环软化而使滞后环并不封闭。在继续在继续 循环中，

37、这种不稳定过程会逐步趋于稳定，最终使滞后环封闭。循环中，这种不稳定过程会逐步趋于稳定，最终使滞后环封闭。 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 40CrNiMo钢的钢的循环应力循环应力-应变曲应变曲 线线低于低于单次应力单次应力-应变曲线应变曲线，表明，表明 这种钢具有这种钢具有循环软化现象循环软化现象；反之，；反之， 若材料的循环应力若材料的循环应力-应变曲线高于应变曲线高于 它的单次应力它的单次应力-应变曲线时，则表应变曲线时，则表 明该材料具有循环硬化现象。明该材料具有循环硬化现象。 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 p 循环应变会导致材料形变抗力发生变化，使材料的强度变得不循环应变会导致材

38、料形变抗力发生变化，使材料的强度变得不 稳定。稳定。 p 特别是由循环软化材料制作的机件，在承受大应力循环使用过特别是由循环软化材料制作的机件，在承受大应力循环使用过 程中，将程中，将因循环软化产生过量的塑性变形而使机件破坏因循环软化产生过量的塑性变形而使机件破坏。 p 因此，因此，承受低周大应变的机件，应该选用循环稳定或循环硬化承受低周大应变的机件，应该选用循环稳定或循环硬化 型材料型材料。 工程指导意义工程指导意义 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 金属材料产生循环硬化还是循环软化取决于金属材料产生循环硬化还是循环软化取决于材料的初始状态材料的初始状态、结结 构特性构特性以及以及应变幅应变

39、幅和和温度温度等。其中，退火状态的塑性材料往往表等。其中，退火状态的塑性材料往往表 现为循环硬化，而加工硬化的材料则往往表现为循环软化。现为循环硬化，而加工硬化的材料则往往表现为循环软化。 循环硬化与循环软化的影响因素与划分依据循环硬化与循环软化的影响因素与划分依据 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 （1）b/ s标准标准 当当b/ s 1.4时，表现为循环硬化；时，表现为循环硬化； 当当b/ s 1.2时，表现为循环软化；时，表现为循环软化； 当当b/ s 比值在比值在1.21.4之间的材料，其倾向不定。一般此类材料之间的材料，其倾向不定。一般此类材料 比较稳定，没有明显的循环硬化和循环软化

40、现象。比较稳定，没有明显的循环硬化和循环软化现象。 （2）应变硬化指数）应变硬化指数n评判评判 n0.1时，材料表现为循环硬化或循环稳定；时，材料表现为循环硬化或循环稳定； n0.1时，材料表现为循环软化；时，材料表现为循环软化； 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 循环硬化产生原因（位错运动）循环硬化产生原因（位错运动） 例如：一些退火软金属在恒应变幅的循环载荷下，由于例如：一些退火软金属在恒应变幅的循环载荷下，由于位错往复运动位错往复运动 和交互作用，产生了阻碍位错继续运动的阻力，从而产生循环硬化和交互作用，产生了阻碍位错继续运动的阻力，从而产生循环硬化。 p 在冷加工后的金属中，在冷加工后

41、的金属中，充满位错缠结和障碍，这些障碍在加载中被充满位错缠结和障碍，这些障碍在加载中被 破坏破坏； p 在一定沉淀强化不稳定的合金中，由于在一定沉淀强化不稳定的合金中，由于沉淀结构在循环加载中被破沉淀结构在循环加载中被破 坏坏均可导致循环软化。均可导致循环软化。 三、应变三、应变寿命曲线（寿命曲线（N Nf f） 一般用一般用总应变半幅总应变半幅 /2 和和循环失效的反复次数循环失效的反复次数 2Nf 在双对数坐标上表示在双对数坐标上表示低周疲劳的疲劳抗力低周疲劳的疲劳抗力，其，其应变幅应变幅 （或塑性应变幅）是决定低周疲劳寿命的主要因素（或塑性应变幅）是决定低周疲劳寿命的主要因素。 经验表明

42、，若把经验表明，若把总应变幅总应变幅 分解为分解为弹性应变幅弹性应变幅 e 和和塑性应变幅塑性应变幅 p 时，二者与循环次数的关系都可以近时，二者与循环次数的关系都可以近 似用直线表示。似用直线表示。 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 应变应变寿命曲线（寿命曲线（ ） f N u 2NT：过渡寿命过渡寿命 u 在交点左侧（低周疲劳范围），在交点左侧（低周疲劳范围）， 塑性应变幅起主导作用塑性应变幅起主导作用，材料的，材料的 疲劳寿命由塑性控制；疲劳寿命由塑性控制； u 在交点右侧（高周疲劳范围），在交点右侧（高周疲劳范围）， 弹性应变幅起主导作用弹性应变幅起主导作用，材料的，材料的 疲劳寿命由

43、强度决定。疲劳寿命由强度决定。 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 e/22Nf 的关系：的关系： b f f e N E 2 2 E f 为为2Nf = 1 时直线的截距，称为时直线的截距，称为疲劳强度系数疲劳强度系数。 因相当于一次加载，故可取因相当于一次加载，故可取 f = f (静拉伸的断裂应力静拉伸的断裂应力) b为直线的斜率，称为为直线的斜率，称为疲劳强度指数疲劳强度指数。 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 p / 2 2Nf 的关系（的关系（Manson-Coffin经验方程）：经验方程）： c ff p N2 2 f为为2Nf=1时直线的截距，称为时直线的截距，称为疲劳塑性系数疲

44、劳塑性系数。 同理，可以取同理，可以取 f = f (静拉伸的断裂应变静拉伸的断裂应变)。 c为直线的斜率，称为为直线的斜率，称为疲劳塑性指数疲劳塑性指数。 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 因此，因此， / 2 2Nf 的关系：的关系： c ff b f fp e NN E 22 222 上式可以看成是上式可以看成是S-N曲线和曲线和Manson-Coffin曲线的叠加。曲线的叠加。既反映长既反映长 寿命的弹性应变寿命的弹性应变-寿命的关系，也反映短寿命的关系，也反映短寿命的塑性应变寿命的塑性应变-寿命的关寿命的关 系。系。 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳

45、 为了应用更为方便，曼森通过对为了应用更为方便，曼森通过对29中金属材料的试验研究发现，总应中金属材料的试验研究发现，总应 变幅变幅 t / 2与疲劳断裂寿命与疲劳断裂寿命2Nf之间存在下列关系，即之间存在下列关系，即 只要知道材料的静拉伸性能只要知道材料的静拉伸性能b、E、ef，就可以求得材料光滑试样完全，就可以求得材料光滑试样完全 对称循环下的地周疲劳寿命曲线。这种预测低周疲劳寿命的方法，称为对称循环下的地周疲劳寿命曲线。这种预测低周疲劳寿命的方法，称为通用通用 斜率法斜率法。 需要注意：需要注意：各种表面强化手段，对提高低周疲劳寿命均无明显效果各种表面强化手段，对提高低周疲劳寿命均无明显

46、效果。 高强度材料与延性材料的各个曲线交点高强度材料与延性材料的各个曲线交点 反复周次大致对应于反复周次大致对应于过渡疲劳寿命过渡疲劳寿命2NT 不同金属材料的不同金属材料的 /22Nf 曲线有一个共同的交点，曲线有一个共同的交点，对应的对应的lg( /2)约约 为为0.01。 交点交点左侧左侧，大应变量大应变量作用下，作用下，延性好延性好的材料的材料寿命长寿命长；交点右侧，交点右侧，低幅低幅 循环时，循环时，强度高强度高的材料的材料寿命长寿命长。 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 过渡疲劳寿命过渡疲劳寿命2NT ： 弹性应变所造成的损伤与塑性应变造成的损伤相等。弹性应变所造成的损伤与塑性应变

47、造成的损伤相等。e=p 当当2Nf e，材料的疲劳寿命主要取决于材料的疲劳寿命主要取决于p； 当当2Nf 2NT 时时，有，有p e，则，则e可被忽略。可被忽略。 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 在选择机件材料和决定工艺时，要区分机件服役条件是哪一类疲劳。在选择机件材料和决定工艺时，要区分机件服役条件是哪一类疲劳。 如属于如属于高周疲劳高周疲劳，应主要考虑，应主要考虑材料的强度材料的强度；如属于；如属于低周疲劳低周疲劳，则应在保持，则应在保持一定强度的基础上尽量选用塑性好一定强度的基础上尽量选用塑性好 的材料的材料。 此处提出的以此处提出的以过渡寿命过渡寿命为界划分高周疲劳和低周疲劳，比以为

48、界划分高周疲劳和低周疲劳，比以102105周次分解要严密科学得多。周次分解要严密科学得多。 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 5.6.2 热疲劳热疲劳 在有热冲击的环境下工作的构件，热疲劳是评定材料能否使用的最重在有热冲击的环境下工作的构件，热疲劳是评定材料能否使用的最重 要力学性能。如：高温合金、热作模具钢等。要力学性能。如：高温合金、热作模具钢等。 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 5.6.2 热疲劳热疲劳 定义：机件在由定义：机件在由温度循环变化温度循环变化时时产生的循环热应力及热应变作用下的疲劳产生的循环热应力及热应变作用下的疲劳，称为热疲劳。其中，称为热疲劳。其中，温度循环和温度循环和 机械应力循环叠加所引起的疲劳，称为热机械疲劳机械应力循环叠加所引起的疲劳，称为热机械疲劳。 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 产生热应力的两个条件：温度变化和机械约束产生热应力的两个条件：温度变化和机械约束 温度变化使材料膨胀收缩，但因有机械约束而产生热应温度变化使材料膨胀收缩，但因有机械约束而产生热应 力。约束可以来自力。约束可以来自外部外部（如管道温度升高时，刚性支撑约束（如管道温度升高时，刚性支撑约束 管道膨胀），也可以来自管道膨胀），也可以来自内部内部（材料截面存在温度差，一部（材料截面存在温度差，一部 分材料约束另一部分材料，使之不能自由