第5章 材料的疲劳性能

1、1 第五章第五章 材料的疲劳性能材料的疲劳性能 5-15-1疲劳破坏的一般规律疲劳破坏的一般规律 5-25-2疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理 5-35-3疲劳抗力指标疲劳抗力指标 5-45-4影响材料及机件疲劳强度的因素影响材料及机件疲劳强度的因素 5-55-5热疲劳热疲劳 2 机械零件总是处于不断运动状态 曲轴连杆 3 疲劳：疲劳：工件在变动载荷和应变工件在变动载荷和应变长期作用长期作用下，因下，因累积累积 损伤损伤而引起的断裂现象。而引起的断裂现象。 变动载荷：变动载荷：载荷大小，甚至方向随时间变化的载荷。载荷大小，甚至方向随时间变化的载荷。 变动应力：变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值

2、，可分变动载荷在单位面积上的平均值，可分 为规则为规则周期变动应力周期变动应力( (或称循环应力或称循环应力) )和和无规则随机变动无规则随机变动 应力应力两种两种 第一节第一节 疲劳破坏的一般规律疲劳破坏的一般规律 一、疲劳破坏的变动应力一、疲劳破坏的变动应力 4 5 一般机件承受的变动应力多为一般机件承受的变动应力多为循环应力循环应力。循环应力是。循环应力是 周期性变化的应力，变化的波形有正弦波、矩形波和三角周期性变化的应力，变化的波形有正弦波、矩形波和三角 波等。其中最常见的为正弦波。波等。其中最常见的为正弦波。 表征应力循环特征的参量有：表征应力循环特征的参量有： 6 按照应力幅和平均

3、应力的相对大小，循环应力有以下按照应力幅和平均应力的相对大小，循环应力有以下 几种类型，如图几种类型，如图5-25-2所示：所示： t 7 循环应力的类型：循环应力的类型： 8 疲劳破坏过程：疲劳破坏过程：材料内部薄弱区域的组织在变动应力材料内部薄弱区域的组织在变动应力 作用下，逐渐发生变化和损伤累积、开裂，当裂纹扩展达作用下，逐渐发生变化和损伤累积、开裂，当裂纹扩展达 到一定程度后发生突然断裂的过程，是一个从局部区域开到一定程度后发生突然断裂的过程，是一个从局部区域开 始的损伤累积，最终引起整体破坏的过程始的损伤累积，最终引起整体破坏的过程。 二、疲劳破坏的概念和特点二、疲劳破坏的概念和特点

4、 夹杂物纯铁 9 疲劳破坏疲劳破坏是循环应力引起的延时断裂，其断裂应力是循环应力引起的延时断裂，其断裂应力 水平往往低于材料的抗拉强度，甚至低于其屈服强度水平往往低于材料的抗拉强度，甚至低于其屈服强度 。机件疲劳失效前的工作时间称为。机件疲劳失效前的工作时间称为疲劳寿命疲劳寿命，疲劳断，疲劳断 裂寿命随循环应力不同而改变。裂寿命随循环应力不同而改变。应力应力高高，机件寿命，机件寿命短短 ；应力；应力低低，寿命，寿命长长。当应力低于材料的。当应力低于材料的疲劳强度疲劳强度时，时， 寿命可无限长。寿命可无限长。 疲劳断裂疲劳断裂断口具有较为明显的裂纹萌生和稳态扩展断口具有较为明显的裂纹萌生和稳态扩

5、展 阶段，相应的端口上会显示出疲劳源、裂纹扩展区和阶段，相应的端口上会显示出疲劳源、裂纹扩展区和 瞬断区特征。瞬断区特征。 10 疲劳破坏特点疲劳破坏特点： (1)(1)是一种潜藏的突发性破坏是一种潜藏的突发性破坏 (2)(2)低应力循环延时断裂低应力循环延时断裂 (3)(3)对缺陷敏感对缺陷敏感 (4)(4)可按不同方法分类可按不同方法分类 11 三、疲劳断口的宏观特征三、疲劳断口的宏观特征 典型疲劳断口具有典型疲劳断口具有3 3个特征区个特征区- -疲劳源、疲劳裂纹扩展疲劳源、疲劳裂纹扩展 区、瞬断区区、瞬断区。 12 p 产生于表面形状或内部冶金缺陷，为疲劳裂纹产生于表面形状或内部冶金缺

6、陷，为疲劳裂纹萌生的萌生的 策源地策源地 p 表面受反复挤压，摩擦次数多，疲劳源区比较光亮表面受反复挤压，摩擦次数多，疲劳源区比较光亮 p 可以有多个可以有多个 疲劳源：疲劳源： 13 p 疲劳裂纹亚临界扩展形成的区域疲劳裂纹亚临界扩展形成的区域 p 断口光滑断口光滑 p 存在贝纹线存在贝纹线 p 凸侧指向裂纹扩展方向凸侧指向裂纹扩展方向 p 近疲劳源区细密近疲劳源区细密 疲劳区：疲劳区： 铁路货车切轴断裂图 14 15 p 失稳扩展形成的区域失稳扩展形成的区域 p 断口比疲劳区粗糙断口比疲劳区粗糙 p 脆性材料断口呈结晶状；韧性材料断口，在心部脆性材料断口呈结晶状；韧性材料断口，在心部 平面

7、应变区呈放射状或人字纹状，边缘平面应力平面应变区呈放射状或人字纹状，边缘平面应力 区则有剪切唇区存在区则有剪切唇区存在 瞬断区：瞬断区： 16 5-2 疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理 一、金属材料疲劳破坏机理一、金属材料疲劳破坏机理 1.1.疲劳裂纹的萌生疲劳裂纹的萌生 产生位置产生位置：材料薄弱区或高应力区：材料薄弱区或高应力区 裂纹核大小裂纹核大小：0.05mm-0.1mm0.05mm-0.1mm 开裂方式开裂方式：表面滑移带开裂；第二相、夹杂物与基：表面滑移带开裂；第二相、夹杂物与基 体界面或杂质本身开裂；晶界或亚晶界处开裂。体界面或杂质本身开裂；晶界或亚晶界处开裂。 疲劳裂纹的三种形式

8、17 18 机理：机理： 在循环载荷的作用下，试样会在表面区域形成循环在循环载荷的作用下，试样会在表面区域形成循环 滑移带。该滑移带随着循环周次的增加而在表面不滑移带。该滑移带随着循环周次的增加而在表面不 断加宽。在加宽过程中，会出现挤出脊和侵入沟。断加宽。在加宽过程中，会出现挤出脊和侵入沟。 19 Cottrel和Hull的侵入挤出模型 2.2.疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹的扩展 第第阶段：阶段：沿着最大切应力方向向内沿着最大切应力方向向内 扩展扩展。其中多数微裂纹并不继续扩展，。其中多数微裂纹并不继续扩展， 成为不扩展裂纹，只有个别微裂纹可成为不扩展裂纹，只有个别微裂纹可 延伸几十延伸几十m(m

9、(即即2-52-5个晶粒个晶粒) )长。长。 u 裂纹扩展极慢，扩展的总量很小，裂纹扩展极慢，扩展的总量很小， 因此该阶段的断口很难辨析，不容因此该阶段的断口很难辨析，不容 易观察到形貌特征，只有某些擦伤易观察到形貌特征，只有某些擦伤 的痕迹。的痕迹。 21 第第阶段阶段: :沿垂直拉应力方沿垂直拉应力方 向向向前扩展形成主裂纹，向前扩展形成主裂纹， 直至最后形成剪切唇为止直至最后形成剪切唇为止。 22 第第阶段的裂纹扩展速率阶段的裂纹扩展速率da/dNda/dN 随循环周次随循环周次而而。大部分循环。大部分循环 周期内，约为周期内，约为10-510-2mm/次次. 在韧性材料断口可看到在韧性

10、材料断口可看到韧性断韧性断 裂条带裂条带，脆性材料可见，脆性材料可见脆性条脆性条 带带。 疲劳条带示意图 疲劳条带 23 韧性疲劳条带形成过程 高塑性材料（Al、Ni等）在变 动循环应力下，裂纹尖端的塑 性张开钝化和闭合锐化，会使 裂纹向前延伸。 塑性钝化模型（塑性钝化模型（L-S模型）模型） 特点：特点： u循环拉应力时，张开钝化 u循环压应力时，闭合锐化 u一个循环，形成一个疲劳韧带 24 F-RF-R再生核模型再生核模型 a)拉应力半周期内裂纹尖端形成空洞，再生核 b)再生核裂纹与主裂纹桥接 再生核模型（再生核模型（F-R模型）模型） 25 二、非金属材料疲劳破坏机理二、非金属材料疲劳破

11、坏机理 1.陶瓷材料 2.高分子聚合物 3.3.复合材料疲劳破坏机理复合材料疲劳破坏机理 特点：特点： u疲劳损伤形式有多种。增强纤维有减缓裂纹扩展作用。 u不发生瞬时破坏，常以弹性模量、共振频率下降为依据。 u导热性差，温度易升高，对加载频率敏感。 u界面易称为疲劳源，因此抗压缩能力差。 u疲劳性能与纤维取向有关。 26 在纤维增强复合材料中疲劳裂纹的扩展模式在纤维增强复合材料中疲劳裂纹的扩展模式 (a) 在纤维裂纹处产生剪切裂纹 (b)在基体裂纹前面的界面上的拉伸开裂 (c)强纤维侧的基体裂纹 (d)基体裂纹前面的韧性纤维产生裂纹 (e)基体裂纹前面的脆性纤维断裂 27 5-3疲劳抗力指标

12、疲劳抗力指标 指标指标： 疲劳强度疲劳强度、过载持久值过载持久值、疲劳缺口敏疲劳缺口敏 感度感度、疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率 28 一、疲劳测试方法一、疲劳测试方法 旋转弯曲疲劳试验机装置图S-N曲线图 测试方法：测试方法： 1) 选择几个不同的循环应力1、 2 、3 2) 测定从加载到试样断裂所需要的循环周次N1、N2、N3 3) 得到-N曲线（或S-N曲线） 29 S-N曲线 特点：特点： 1) ，N;，N 2) -1p-1 原因：原因： 弯曲时，试样表面应力最 大，只有表面层才产生疲 劳损伤，而拉压时，截面 应力分布均匀，整个截面 都可能疲劳损伤；扭转时 切应力大，易使材料发生 滑

13、移，产生疲劳损伤 4.疲劳极限与静强度的关系疲劳极限与静强度的关系 试验表明，金属材料的b越大，其-1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。 钢的疲劳强度和抗拉强度的关系钢的疲劳强度和抗拉强度的关系 35 1.1.过载持久值过载持久值 材料在材料在高于疲劳强度高于疲劳强度的一定应力下工作，发生疲的一定应力下工作，发生疲 劳断裂的应力循环周次称为劳断裂的应力循环周次称为过载持久值过载持久值，也称为，也称为有限有限 疲劳寿命

14、疲劳寿命。 过载持久值表征了材料对过载荷疲劳的抗力，该过载持久值表征了材料对过载荷疲劳的抗力，该 值可由疲劳曲线倾斜部分确定。曲线倾斜的愈陡直，值可由疲劳曲线倾斜部分确定。曲线倾斜的愈陡直， 持久值就愈高，表明材料在相同的过载条件下能经受持久值就愈高，表明材料在相同的过载条件下能经受 的应力循环周次愈多，材料对过载荷的抗力愈高。的应力循环周次愈多，材料对过载荷的抗力愈高。 三、过载持久值三、过载持久值 36 2.2.过载损伤界过载损伤界 实际上，机件往往预先受短期过载，而以后再在正常实际上，机件往往预先受短期过载，而以后再在正常 的工作应力下运行。这种短期的过载对材料的性能是否产的工作应力下运

15、行。这种短期的过载对材料的性能是否产 生影响，取决于过载应力及过载周次。材料在过载应力水生影响，取决于过载应力及过载周次。材料在过载应力水 平下只有运转一定的周次后，疲劳强度或寿命才会降低，平下只有运转一定的周次后，疲劳强度或寿命才会降低， 造成过载损伤。造成过载损伤。 把在每个过载应力下运行能引起把在每个过载应力下运行能引起 损伤的最少循环周次连接起来就损伤的最少循环周次连接起来就 得到该材料的过载损伤界得到该材料的过载损伤界。 37 实际机件常常带有实际机件常常带有台阶、拐角、键槽、油孔、螺纹台阶、拐角、键槽、油孔、螺纹 等结构，其作用类似于缺口，造成该区域的等结构，其作用类似于缺口，造成

16、该区域的应力集中应力集中， 因而会缩短机件疲劳寿命，降低材料疲劳强度。因而会缩短机件疲劳寿命，降低材料疲劳强度。 材料在变动应力作用下的缺口敏感性，常用材料在变动应力作用下的缺口敏感性，常用疲劳缺口疲劳缺口 敏感度敏感度qf表征，即表征，即 qf=（Kf-1）/（Kt-1） 式中：式中：Kt为理论应力集中系数，为理论应力集中系数，Kf为疲劳缺口系数。为疲劳缺口系数。 四、疲劳缺口敏感度四、疲劳缺口敏感度 38 一般来说一般来说，qf随材料强度增高而增大随材料强度增高而增大。 结构钢：结构钢： qf = 0.6-0.8； 球铁：球铁： qf = 0.11-0.25； 灰铸铁：灰铸铁： qf =

17、0-0.05。 39 五、疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值五、疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值 疲劳扩展速率：疲劳裂纹亚稳扩展阶段的速率。该阶段是疲 劳过程的第二阶段，是材料寿命的主要组成部分。 试样测试：三点弯曲切口、中心裂纹、紧凑拉伸 Three Point Bending Central Crack TensionCompact Tension 40 先预制先预制疲劳裂纹疲劳裂纹a a0 0，随后在，随后在 固定固定应力比应力比r r和应力范围和应力范围 条件下循环加载记录裂纹长条件下循环加载记录裂纹长 度度a a随随N N循环扩展增长情况，循环扩展增长情况， 便可作出疲劳裂纹扩展曲线：便可作出

18、疲劳裂纹扩展曲线： a-Na-N曲线曲线。 当加载循环周次达到当加载循环周次达到N Np p时，时，a a 长大到长大到临界裂纹尺寸临界裂纹尺寸a ac c，裂，裂 纹扩展速率纹扩展速率增大到无限大，增大到无限大， 裂纹失稳扩展，最终断裂。裂纹失稳扩展，最终断裂。 疲劳裂纹扩展速率：da/dN 应力范围越大 ，则裂纹扩展越快 ， Np、ac越小。 试验步骤试验步骤 41 材料的疲劳裂纹扩展速率与和a 有关。 将应力范围与a复合定义为应力 强度因子范围K ： maxminmaxmax KKKYaYaYa K：控制裂纹扩展的复合力学参量 （1）将a-N曲线上各点的dadN 值用图 解微分法或递增多

19、项式计算法计算出来; （2）利用应力强度因子幅(K)公式将相 应各点的K值求出， （3）在双对数坐标系上描点连接即得 lgda/dN-lgK曲线。 42 lg(da/dN)-lgK曲线： I区是疲劳裂纹的初始扩展阶段: da/dN = 10-810-6 mm/周次； 从Kth开始，K， da/dN快 速提高，但K范围较小，裂纹扩 展有限。 区是疲劳裂纹扩展的主要阶段，占据亚稳扩展的绝大部分，是决 定疲劳裂纹扩展寿命的主要组成部分，da/dN = 10-510-2 mm/周次， K变化范围大，扩展寿命长。 K 与裂纹扩展速率呈幂指函数关系：Paris公式：da/dN = C(K)n。 区是疲劳裂

20、纹扩展的最后阶段， da/dN 很大， 随K的升高很快 提高，只扩展很少周次便导致材料断裂。 43 Kth是疲劳裂纹不扩展（da/dN=0） 的K临界值，称为疲劳裂纹扩展 门槛值，表示材料阻止疲劳裂纹开 始扩展的性能，也是材料的力学性 能指标 Kth值越大，阻止疲劳裂纹开始 扩展的能力就越大，材料越好。 Kth与疲劳极限-1相似，都是表示无限寿命的疲劳性能，也 都受材料成分和组织、载荷条件及环境因素的影响。 但是-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，适于 裂纹件的设计和校核。 lgda/dN-lgK曲线 44 根据Kth的定义可以

21、建立裂纹不发生疲劳断裂的校核公式： th KYaK 若已知裂纹件的裂纹尺寸a和材料的疲劳裂纹门槛值Kth，则可 求得该件无限疲劳寿命的承载能力： th K Y a 若已知裂纹件的工作载荷和材料的疲劳裂纹门槛值Kth，则可 求得裂纹的允许尺寸： 2 th 2 K1 a() Y 实验时，常规定在平面应变条件下da/dN = 10-610-7mm/周次所 对应K的作为Kth，称为工程疲劳裂纹门槛值。 45 在疲劳裂纹扩展区，KI 与裂纹扩展 速率之间呈幂指函数关系： n da c( K) dN Paris公式可以描述各种材料和各种 试验条件下的疲劳裂纹扩展，为疲 劳机件的设计或失效提供有效的寿 命估算方法，但其只适用于低应力、 低扩展速率和高周疲劳场合。 46 疲劳剩余寿命：初始裂纹长a0扩展到临界长ac所需的循环周次N。 无损探伤确定a0、形状、位置、取向，确定K； 根据K C 及确定ac； 根据疲劳裂纹扩展速率表达式，通过积分的方法计算从a0到ac