第五章 金属疲劳new

1、第五章第五章 金属的疲劳金属的疲劳u问题的提出：问题的提出：u1）许多工程结构在服役时承受变动载荷）许多工程结构在服役时承受变动载荷 （如曲（如曲轴、连杆、齿轮、桥梁等），但应力幅度并不大轴、连杆、齿轮、桥梁等），但应力幅度并不大u2）在机械零件断裂失效中有）在机械零件断裂失效中有80以上属于疲劳破以上属于疲劳破坏坏u因此：研究材料的疲劳性能有重要意义因此：研究材料的疲劳性能有重要意义 一、一、 疲劳疲劳 断口宏观特征断口宏观特征疲劳断口可分为：疲劳源；疲劳裂纹扩展区；瞬断区疲劳断口可分为：疲劳源；疲劳裂纹扩展区；瞬断区 图图 带键槽的旋转轴的弯曲疲劳断口（带键槽的旋转轴的弯曲疲劳断口（40钢

2、）钢）左：断口照片左：断口照片 右：示意图右：示意图5.1 5.1 概述概述疲劳源疲劳源 疲劳裂纹萌生的位置，多出现在机件表面（缺口、疲劳裂纹萌生的位置，多出现在机件表面（缺口、裂纹、刀痕、蚀坑），也可出现在机件内部（冶金裂纹、刀痕、蚀坑），也可出现在机件内部（冶金缺陷）缺陷）特征特征1）疲劳源区比较光滑（受反复挤压，摩擦次数多）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）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）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）及过载程度有关）疲劳裂纹扩展区疲劳裂纹扩展区 是疲劳裂纹亚临界

3、扩展的区域特征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）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）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）近疲劳源区贝纹线较密，远离疲劳源区贝纹线较疏疏 金属在循环载荷作用下，即使所受的应力低于断金属在循环载荷作用下，即使所受的应力低于断裂强度（甚至低于屈服强度），也会发生断裂，这种裂

4、强度（甚至低于屈服强度），也会发生断裂，这种现象称为疲劳。现象称为疲劳。 疲劳断裂，一般不发生明显的塑性变形，难以检疲劳断裂，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。至生命的损失。 疲劳研究的主要目的：为防止机械和结构的疲劳疲劳研究的主要目的：为防止机械和结构的疲劳失效。失效。二、二、 总结总结疲劳失效的过程和机制。疲劳失效的过程和机制。介绍估算裂纹形成寿命的方法，以及延寿技术。介绍估算裂纹形成寿命的方法，以及延寿技术。介绍一些疲劳研究的新成果。介绍一些疲劳研究的新成果。金属疲劳的基本概念和一般规

5、律。金属疲劳的基本概念和一般规律。 本章主要介绍本章主要介绍具体目的：具体目的： 精确地估算机械结构的零构件的疲劳寿命精确地估算机械结构的零构件的疲劳寿命( (简称定寿简称定寿) )，保证在服役期内零构件不会发生疲劳失效；，保证在服役期内零构件不会发生疲劳失效； 采用经济而有效的技术和管理措施以延长疲劳寿命采用经济而有效的技术和管理措施以延长疲劳寿命( (简称延寿，从而提高产品质量。简称延寿，从而提高产品质量。5.2 5.2 金属在对称循环应力下的疲劳金属在对称循环应力下的疲劳循环应力是指应力随时间呈周期性的变化，变化波形循环应力是指应力随时间呈周期性的变化，变化波形通常是正弦波，如图所示。通

6、常是正弦波，如图所示。图图5-1 5-1 各种循环加载各种循环加载方式的应力方式的应力- -时间图。时间图。 5.2.1 5.2.1 循环加载的特征参数循环加载的特征参数 加载频率加载频率f f，单位为，单位为HzHz。还有加载波形，如正。还有加载波形，如正弦波，三角波以及其它波形弦波，三角波以及其它波形 平均应力平均应力mm或应力比或应力比R R m m(max+min)(max+min)2 2 R=min /max R=min /max 应力幅应力幅a a或应力范围或应力范围 a a=/2=(/2=(maxmax- -minmin)/2,)/2, maxmax和和minmin分别为循环最大

7、应力和循环最小应力；分别为循环最大应力和循环最小应力；循环应力的特征参数：循环应力的特征参数：循环应力分为下列几种典型情况：循环应力分为下列几种典型情况：(1)(1)交变对称循环，交变对称循环，m m=0=0，R R-1-1。大多数轴类零件，。大多数轴类零件，通常受到交变对称循环应力的作用；这种应力可能是通常受到交变对称循环应力的作用；这种应力可能是弯曲应力、扭转应力、或者是两者的复合。弯曲应力、扭转应力、或者是两者的复合。 (2)(2)交变不对称循环，交变不对称循环，0 0mmaa，-1-1R R0 0。发。发动机连杆等机件受到这种循环应力动机连杆等机件受到这种循环应力- -大拉小压的作大拉

8、小压的作用。用。(3)(3)脉动循环，脉动循环，m=am=a，R R0 0。齿轮的齿根和某。齿轮的齿根和某些压力容器受到这种脉动循环应力的作用。些压力容器受到这种脉动循环应力的作用。 (4) (4)波动循环，波动循环，mama，0 0R R1 1。飞机机翼。飞机机翼下翼面、钢梁的下翼缘以及预紧螺栓等，均承下翼面、钢梁的下翼缘以及预紧螺栓等，均承受这种循环应力的作用。受这种循环应力的作用。(5)(5)随机变动应力。如汽车随道路情况受力随机变动应力。如汽车随道路情况受力图图 典型的疲劳寿命曲线典型的疲劳寿命曲线 疲劳寿命曲线又称为疲劳寿命曲线又称为WohlerWohler曲线；习惯上也称作曲线；习

9、惯上也称作S-NS-N曲线。曲线。延时断裂，应力断裂水平较低（甚至低于疲劳强度）延时断裂，应力断裂水平较低（甚至低于疲劳强度）。应力高，寿命短；应力低，寿命长。应力高，寿命短；应力低，寿命长。 从加载开始到试件断裂所经历的应力循环数，定义从加载开始到试件断裂所经历的应力循环数，定义为该试件的疲劳寿命为该试件的疲劳寿命Nf Nf 。 5.2.2 5.2.2 疲劳寿命曲线疲劳寿命曲线 几种材料的几种材料的S-NS-N曲线曲线疲劳寿命曲线可以分为三个区：疲劳寿命曲线可以分为三个区：(1)(1)低循环疲劳低循环疲劳(Low Cycle Fatigue)(Low Cycle Fatigue)区区 在很高

10、的应力下，在很少的循环次数后，试件即发生在很高的应力下，在很少的循环次数后，试件即发生断裂，并有较明显的塑性变形。一般认为，低循环疲劳发断裂，并有较明显的塑性变形。一般认为，低循环疲劳发生在循环应力超出弹性极限，疲劳寿命在生在循环应力超出弹性极限，疲劳寿命在0.250.25到到10104 4或或10105 5 次之间。因此，低循环疲劳又可称为短寿命疲劳。次之间。因此，低循环疲劳又可称为短寿命疲劳。 (2)(2)高循环疲劳高循环疲劳(High Cycle Fatigue)(High Cycle Fatigue)区区 在高循环疲劳区，循环应力低于弹性极限，疲劳在高循环疲劳区，循环应力低于弹性极限，

11、疲劳寿命长，寿命长，NfNf10105 5 次循环，且随循环应力降低而大大次循环，且随循环应力降低而大大地延长。试件在最终断裂前，整体上无可测的塑性变地延长。试件在最终断裂前，整体上无可测的塑性变形，因而在宏观上表现为脆性断裂。在此区内，试件形，因而在宏观上表现为脆性断裂。在此区内，试件的疲劳寿命长，故可将高循环疲劳称为长寿命疲劳。的疲劳寿命长，故可将高循环疲劳称为长寿命疲劳。(3)(3)无限寿命区或安全区无限寿命区或安全区 在绝大多数情况下，在绝大多数情况下，S-NS-N曲线存在一条水平曲线存在一条水平渐近线，记为渐近线，记为r（ 对称循环则为对称循环则为1 ） 。此表。此表示试件在低于某一

12、临界应力的应力下，可以经受示试件在低于某一临界应力的应力下，可以经受无数次应力循环而不断裂，疲劳寿命趋于无限，无数次应力循环而不断裂，疲劳寿命趋于无限，Nf Nf 。（将此临界应力称为材料的理论疲劳极。（将此临界应力称为材料的理论疲劳极限或耐久极限）限或耐久极限） 疲劳极限：在指定的疲劳寿命下，试件所能承受的疲劳极限：在指定的疲劳寿命下，试件所能承受的上限应力幅值。指定寿命通常取上限应力幅值。指定寿命通常取Nf=10Nf=107 7 cycles cycles。在应力。在应力比比R=-1R=-1时测定的疲劳极限记为时测定的疲劳极限记为-1-1。测定疲劳极限最简单。测定疲劳极限最简单的方法是所谓

13、的单点试验法。的方法是所谓的单点试验法。( (教材教材P96P96图图5 515)15)工程上的定义工程上的定义5.2.3 5.2.3 疲劳极限及其实验测定疲劳极限及其实验测定疲劳极限：试件可经受无限的应力循环而不发生断裂，疲劳极限：试件可经受无限的应力循环而不发生断裂，所能承受的上限循环应力幅值。所能承受的上限循环应力幅值。疲劳试验及示意图5.3 5.3 非对称循环应力下的疲劳非对称循环应力下的疲劳 大多数机械和工程结构的零件，是在非对称循环应大多数机械和工程结构的零件，是在非对称循环应力下服役的。力下服役的。 实质是研究平均应力或应力比对疲劳寿命的影响。实质是研究平均应力或应力比对疲劳寿命

14、的影响。 5. 4 5. 4 不同应力状态下的疲劳强度不同应力状态下的疲劳强度 同种材料在不同应力状态下，应力寿命曲线不同，同种材料在不同应力状态下，应力寿命曲线不同，相应的疲劳强度也不相同。相应的疲劳强度也不相同。5. 5 5. 5 疲劳强度与静强度间关系疲劳强度与静强度间关系 材料的抗拉强度越大，其疲劳强度也越大。材料的抗拉强度越大，其疲劳强度也越大。 缺口存在也会使材料的疲劳极缺口存在也会使材料的疲劳极限降低，有缺口疲劳极限记为限降低，有缺口疲劳极限记为-1n , 即即-1-1n 材料对缺口敏感程度也不一材料对缺口敏感程度也不一样。脆性材料对缺口很敏感。样。脆性材料对缺口很敏感。实验表明

15、，实验表明， q 之值随材料强度之值随材料强度的升高而增大，这说明高强度的升高而增大，这说明高强度材料的疲劳切口敏感度较高。材料的疲劳切口敏感度较高。图图 应力集中对应力集中对高强度铝合金高强度铝合金LC9LC9疲劳寿命的疲劳寿命的影响影响 5.6 5.6 疲劳切口敏感度疲劳切口敏感度 疲劳载荷谱：按某种规律随时间而变化的载荷曲线。疲劳载荷谱：按某种规律随时间而变化的载荷曲线。疲劳载荷谱示意图疲劳载荷谱示意图 5.7 5.7 累积疲劳损伤累积疲劳损伤变幅载荷：下图示意地表示零件所受的变幅应力。变幅载荷：下图示意地表示零件所受的变幅应力。010N3N2N1n3n2n1321log(Nf)图图 疲

16、劳寿命曲线与累积损伤计算示意图疲劳寿命曲线与累积损伤计算示意图 如何根据等幅载荷下测定的如何根据等幅载荷下测定的S-N曲线，估算变幅载荷曲线，估算变幅载荷下的疲劳寿命。常用的是下的疲劳寿命。常用的是Miner线性累积伤定则。线性累积伤定则。若循环若循环n1次次, 则造成的损伤度为则造成的损伤度为n1/D1；若在应力幅若在应力幅2下循环下循环n2次次, 则造成的损伤度为则造成的损伤度为n2D2=n2/Nf2。 在理论疲劳极限以下，由于在理论疲劳极限以下，由于 Nf ，所以损伤度为零，即，所以损伤度为零，即不造成损伤。不造成损伤。简述如下：简述如下： 设试件在循环应力设试件在循环应力1下的疲劳寿命

17、为下的疲劳寿命为Nf1，若在该应力，若在该应力幅下循环幅下循环1次，则劳寿命缩减的分数为次，则劳寿命缩减的分数为1Nf1 ，即造成的，即造成的损伤度为损伤度为D1，D1=1/Nf1; 当总损伤度达到临界值时，发生疲劳失效。显然，在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，损伤度的临界值为恒幅载荷下，损伤度的临界值为1.0。 若零件所受的变幅载荷有若零件所受的变幅载荷有m级，则在不同级的循环应级，则在不同级的循环应力下所造成的总损伤度为力下所造成的总损伤度为jmjjDn1 若将恒幅加载看成变幅载荷的特例，则变幅载荷若将恒幅加载看成变幅载荷的特例，则变幅载荷下损伤度的临界值也应为下

18、损伤度的临界值也应为1.0。故有。故有 即在变幅载荷下，疲劳总损伤度达到即在变幅载荷下，疲劳总损伤度达到1.0时，发生时，发生疲劳失效。此即疲劳失效。此即Miner线性累积损伤定则。线性累积损伤定则。 0 . 111mjmjfjjjjNndn5.8 5.8 疲劳失效过程和机制疲劳失效过程和机制疲劳失效过程可以分为三个主要阶段：疲劳失效过程可以分为三个主要阶段：疲劳裂纹形成，疲劳裂纹形成，疲劳裂纹扩展，疲劳裂纹扩展，当裂纹扩展达到临界尺寸时，发生最终的断裂。当裂纹扩展达到临界尺寸时，发生最终的断裂。 疲劳破坏的过程是材料内部薄弱区域组织在变动应力疲劳破坏的过程是材料内部薄弱区域组织在变动应力的作

19、用下，逐渐发生变化和损伤累积、开裂，当裂纹扩展的作用下，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始的损伤累积，最终引起整体破坏的过程开始的损伤累积，最终引起整体破坏的过程疲劳微裂纹的形成可能有三种方式：疲劳微裂纹的形成可能有三种方式： 在循环载荷作用下在循环载荷作用下,即使循环应力不超过屈服强度，即使循环应力不超过屈服强度，也会在试件表面形成滑移带也会在试件表面形成滑移带, 称为循环滑移带。称为循环滑移带。表面滑移带开裂、夹杂物与基体相界面分离或夹杂表面滑移带开裂、夹杂物与基体相界面分离或夹杂

20、物本身断裂，以及晶界或亚晶界开裂。物本身断裂，以及晶界或亚晶界开裂。拉伸时形成的滑移带分布较均匀，而循环滑移带拉伸时形成的滑移带分布较均匀，而循环滑移带则集中于某些局部区域。而且在循环滑移带中会出则集中于某些局部区域。而且在循环滑移带中会出现挤出与挤入，从而在试件表面形成微观切口。现挤出与挤入，从而在试件表面形成微观切口。5.8.1 疲劳裂纹形成过程和机制疲劳裂纹形成过程和机制 疲劳的初期，出现滑移带。随着循环数的增加，疲劳的初期，出现滑移带。随着循环数的增加，滑移带增加。滑移带增加。 除去滑移带，重新循环加载，滑移带又在原处再除去滑移带，重新循环加载，滑移带又在原处再现。现。 这种滑移带称为

21、持久滑移带这种滑移带称为持久滑移带(Persist Slip Band)。在持久滑移带中出现疲劳裂纹。在持久滑移带中出现疲劳裂纹。 已形成的微裂纹在循环加载时将继续长大。当微已形成的微裂纹在循环加载时将继续长大。当微裂纹顶端接近晶界时，其长大速率减小甚至停止长大裂纹顶端接近晶界时，其长大速率减小甚至停止长大。这必然是因为相邻晶粒内滑移系的取向不同。这必然是因为相邻晶粒内滑移系的取向不同。循环滑移带的持久循环滑移带的持久性性 微裂纹只有穿过晶界，才能与相邻晶粒内的微裂纹只有穿过晶界，才能与相邻晶粒内的微裂纹联接，或向相邻晶粒内扩展，以形成宏观微裂纹联接，或向相邻晶粒内扩展，以形成宏观尺度的疲劳裂

22、纹。尺度的疲劳裂纹。 因为晶界有阻碍微裂纹长大和联接的作用，因为晶界有阻碍微裂纹长大和联接的作用，因而有利于延长疲劳裂纹形成寿命和疲劳寿命。因而有利于延长疲劳裂纹形成寿命和疲劳寿命。较大的夹杂物或第二相，会由于夹杂物与基体界较大的夹杂物或第二相，会由于夹杂物与基体界面开裂而形成微裂纹。面开裂而形成微裂纹。 第二相在循环加载，会形成沿晶裂纹。第二相在循环加载，会形成沿晶裂纹。 第第I阶段，裂纹沿着与拉应力成阶段，裂纹沿着与拉应力成45o 的方向，即在切的方向，即在切应力最大的滑移面内扩展。第应力最大的滑移面内扩展。第I阶段裂纹扩展的距离阶段裂纹扩展的距离一般都很小，约为一般都很小，约为23个晶粒

23、。个晶粒。 第第II阶段，裂纹扩展方向与拉应力垂直。在电子显阶段，裂纹扩展方向与拉应力垂直。在电子显微镜下可显示出疲劳条带。微镜下可显示出疲劳条带。 疲劳条带是每次循环加载形成的。疲劳条带是每次循环加载形成的。 5.8.2 疲劳裂纹扩展过程和机制疲劳裂纹扩展过程和机制 疲劳裂纹扩展可分为两个阶段。疲劳裂纹扩展可分为两个阶段。 在每一循环开始时，应力为零，裂纹处于闭合在每一循环开始时，应力为零，裂纹处于闭合状态状态(a)。 当拉应力增大，裂纹张开，并在裂纹尖端沿最当拉应力增大，裂纹张开，并在裂纹尖端沿最大切应力方向产生滑移大切应力方向产生滑移(b)。 拉应力增长到最大值、裂纹进一步张开，塑性拉应

24、力增长到最大值、裂纹进一步张开，塑性变形也随之增大，使得裂纹尖端钝化变形也随之增大，使得裂纹尖端钝化(c)，因而应，因而应力集中减小，裂纹停止扩展。力集中减小，裂纹停止扩展。 卸载时，拉应力减小，裂纹逐渐闭合，裂纹尖卸载时，拉应力减小，裂纹逐渐闭合，裂纹尖端滑移方向改变端滑移方向改变(d)。 当应力变为压应力时裂纹闭合，裂纹尖端锐化当应力变为压应力时裂纹闭合，裂纹尖端锐化，又回复到原先的状态，又回复到原先的状态(e)。疲劳条带的形成的钝化模型疲劳条带的形成的钝化模型 由此可见，每加载一次，裂纹向前扩展一段距离，由此可见，每加载一次，裂纹向前扩展一段距离，这就是裂纹扩展速率这就是裂纹扩展速率da

25、dN，同时在断口上留下一疲，同时在断口上留下一疲劳条带，而且裂纹扩展是在拉伸加载时进行的。裂纹扩劳条带，而且裂纹扩展是在拉伸加载时进行的。裂纹扩展的塑性钝化模型与实验观测结果相符。展的塑性钝化模型与实验观测结果相符。 裂纹扩展的塑性钝化模型裂纹扩展的塑性钝化模型 应当指出，疲劳条带只是在塑性好的材料，尤其是应当指出，疲劳条带只是在塑性好的材料，尤其是具有面心立方晶格的铝合金、奥氏体不锈钢等的疲劳断具有面心立方晶格的铝合金、奥氏体不锈钢等的疲劳断口上清晰地观察到。口上清晰地观察到。 在一些低塑性材料中，如粗片状珠光体钢，疲劳裂在一些低塑性材料中，如粗片状珠光体钢，疲劳裂纹以微区解理纹以微区解理(

26、 Microcleavage )或沿晶分离的方式扩展，或沿晶分离的方式扩展，因而在这类材料的疲劳断口上不能观察到疲劳条带。因而在这类材料的疲劳断口上不能观察到疲劳条带。 注意，不可将疲劳条带与宏观疲劳断口上的贝壳注意，不可将疲劳条带与宏观疲劳断口上的贝壳状条纹相混淆。宏观疲劳断口上的贝壳状条纹是由于状条纹相混淆。宏观疲劳断口上的贝壳状条纹是由于循环加载条件的变化而形成的。若在电子显微镜下观循环加载条件的变化而形成的。若在电子显微镜下观察贝壳状条纹，可以看出它是由很多疲劳条带组成的察贝壳状条纹，可以看出它是由很多疲劳条带组成的。该模型的缺点：屈服强度高的材料与实验观测结果不符。该模型的缺点：屈服

27、强度高的材料与实验观测结果不符。对对a-Na-N曲线求导，即得裂纹扩展速率曲线求导，即得裂纹扩展速率dadadNdN，也，也就是每循环一次裂纹扩展的距离，单位为就是每循环一次裂纹扩展的距离，单位为 m mcyclecycle。5.9 5.9 疲劳裂纹扩展速率及门槛值疲劳裂纹扩展速率及门槛值 5.9.1 5.9.1 疲劳裂纹扩展速率的测定疲劳裂纹扩展速率的测定在固定的载荷在固定的载荷P P和应力比和应力比R R下进行。实验时下进行。实验时每隔一定的加载循环数，测定裂纹长度每隔一定的加载循环数，测定裂纹长度a a，作出作出a-Na-N关系曲线。关系曲线。图图 裂纹长度与加裂纹长度与加载循环数关系曲

28、载循环数关系曲线线再将相应的裂纹长度，代入应力场强度因子表再将相应的裂纹长度，代入应力场强度因子表达式计算出达式计算出K K。最后绘制出。最后绘制出dadadN-dN-K K关系曲关系曲线，即疲劳裂纹扩展速率曲线。线，即疲劳裂纹扩展速率曲线。图图 典型的疲典型的疲劳裂纹扩展速劳裂纹扩展速率曲线率曲线 疲劳裂纹扩展速率曲线可以分为三个区：疲劳裂纹扩展速率曲线可以分为三个区：I I区为近门槛区，裂纹扩展速率随着区为近门槛区，裂纹扩展速率随着K K的降低的降低而迅速降低，以至而迅速降低，以至dadadN0dN0。与此相对应。与此相对应K K值称为值称为疲劳裂纹扩展门槛值疲劳裂纹扩展门槛值，记为，记为

29、KthKth。当。当KKKth Kth 时，时，dadadNdN0 0。这是裂纹扩展门。这是裂纹扩展门槛值的物理定义或理论定义。实验测定的裂纹槛值的物理定义或理论定义。实验测定的裂纹扩展门槛值常定义为：扩展门槛值常定义为：dadadNdN1-31-31010-10-10 m mcyclecycle时的时的K K值。值。I I区接近于区接近于Kth Kth ，故又将，故又将I I区称为近门槛区。区称为近门槛区。II区为中部区或稳态扩展区，对应于区为中部区或稳态扩展区，对应于dadN10-8-10-6 mcycle。在。在II区；裂纹扩展速率在区；裂纹扩展速率在log（da/dN） - logK 双对数坐标上呈一直线。双对数坐标上呈一直线。I