第五章材料的疲劳性能2

1、Mechanical properties of materials1第五章第五章 材料的疲劳性能材料的疲劳性能2引 言材料在材料在循环（交变）载荷循环（交变）载荷作用下，因累积损伤作用下，因累积损伤而发生而发生低应力破坏低应力破坏，这种现象称为，这种现象称为疲劳疲劳。本章意义：本章意义： 机械失效机械失效80%是疲劳失效，是疲劳失效，工程技术界从工程技术界从力学、材料及工艺方面开展疲劳研究，寻求有力学、材料及工艺方面开展疲劳研究，寻求有效对策，使之成为材料强度科学领域中的一个效对策，使之成为材料强度科学领域中的一个重要组成部分。重要组成部分。 疲劳断裂，材料疲劳断裂，材料(尤其是高强尤其是高

2、强度材料度材料) 疲劳断裂前，一般不会发生明显的塑疲劳断裂前，一般不会发生明显的塑性变形，难以预测和预防。性变形，难以预测和预防。3引 言n具体目的：具体目的：n精确地估算机械结构的零构件的疲劳寿命，简精确地估算机械结构的零构件的疲劳寿命，简称称定寿定寿，保证在服役期内零构件不会发生疲劳，保证在服役期内零构件不会发生疲劳失效；失效；n采用经济而有效的技术和措施以延长疲劳寿命，采用经济而有效的技术和措施以延长疲劳寿命，简称简称延寿延寿，即提高零构件质量。，即提高零构件质量。 4第第 五五 章章 材料的疲劳性能材料的疲劳性能n疲劳破坏的一般规律疲劳破坏的一般规律n疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理n疲劳

3、抗力指标疲劳抗力指标 n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 n低周疲劳和热疲劳低周疲劳和热疲劳本章内容：本章内容：5第第 一一 节节 疲劳破坏的一般规律疲劳破坏的一般规律一、变动载荷一、变动载荷 载荷大小、方向或者大小和方向均随时间而变化的载荷。变化分为周期性，无规则性。相对应的应力，称为变动应力。变动应力示意图变动应力示意图6第第 一一 节节 疲劳破坏的一般规律疲劳破坏的一般规律n循环应力的波形一般近似为正弦波、矩形波和三角形波等。n循环应力的特征参数： 最大循环应力max ，最小循环应力min平均应力：m=(max+min)/2应力幅a或应力范围：a= /2= (ma

4、x-min)/2应力比r= min /max7第第 一一 节节 疲劳破坏的一般规律疲劳破坏的一般规律循环应力的种类n对称循环：对称循环： m= 0, r = -1n脉动循环：脉动循环： m= a0, r=0; m= a a, 0 r 11.不对称循环：不对称循环：m0, -1 r 08第第 一一 节节 疲劳破坏的一般规律疲劳破坏的一般规律对称循环对称循环脉动循环脉动循环波动循环波动循环不对称循环不对称循环9第第 一一 节节 疲劳破坏的一般规律疲劳破坏的一般规律农用挂车前轴的载荷谱农用挂车前轴的载荷谱10第第 一一 节节 疲劳破坏的一般规律疲劳破坏的一般规律二、疲劳破坏的概念、分类和特点二、疲劳

5、破坏的概念、分类和特点 1、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：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积累、开裂，动应力作用下，逐渐发生变化和损伤积累、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后，发生突然断裂的过当裂纹扩展达到一定程度后，发生突然断裂的过程。程。一个从局部区域开始的损伤积累，最终引起整体一个从局部区域开始的损伤积累，最终引起整体破坏的过程。破坏的过程。11第第 一一 节节 疲劳破坏的一般规律疲劳破坏的一般规律2、分类、分类 （1）按应力状态：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、复合疲劳等。 （2）按环境和接触情况：腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳等。 （3）按循环

6、周期：高周疲劳（Nf105周次）,因断裂应力低（ s ），所以也叫低应力疲劳。 低周疲劳（ Nf 102105周次），由于断裂应力水平高（s）往往伴有塑性变形，故称为高应力疲劳（或应变疲劳）。12第第 一一 节节 疲劳破坏的一般规律疲劳破坏的一般规律3、疲劳破坏的特点、疲劳破坏的特点 （1）断裂应力）断裂应力b，甚至，甚至105次循环，次循环，且随且随循环应力降低而大大地延长。循环应力降低而大大地延长。试件在最终断裂前试件在最终断裂前,整整体上无可测的塑性变形，因而在宏观上表现为脆性体上无可测的塑性变形，因而在宏观上表现为脆性断裂。断裂。（3）无限寿命区：试件在无限寿命区：试件在低于某一临界应

7、力幅低于某一临界应力幅r的的应力下应力下，可以经受无数次应力循环而不发生断裂，可以经受无数次应力循环而不发生断裂，寿命趋于无限；即寿命趋于无限；即-1p。-1-135第二节第二节 疲劳抗力指标疲劳抗力指标平均应力对疲劳强度的影响平均应力对疲劳强度的影响a相同时，平均应力对相同时，平均应力对SN曲线的影响曲线的影响ABC平均应力越大，相同应力幅值下，材料寿命越短。ABC36第二节第二节 疲劳抗力指标疲劳抗力指标max相同时，平均应力对相同时，平均应力对SN曲线的影响曲线的影响ABC相同最大应力值下，材料的R值越大，材料的寿命越长。ABC37第第 二二 节节 疲劳抗力指标疲劳抗力指标疲劳强度与静强

8、度间关系疲劳强度与静强度间关系 实验表明，材料的抗拉强度愈大，其疲劳强度也愈大。实验表明，材料的抗拉强度愈大，其疲劳强度也愈大。 38第二节第二节 疲劳抗力指标疲劳抗力指标不对称循环应力下的疲劳极限和疲劳图不对称循环应力下的疲劳极限和疲劳图对于在不对称循环载荷下工作的材料或机对于在不对称循环载荷下工作的材料或机件，设计或使用时还需测定材料在相应的件，设计或使用时还需测定材料在相应的不对称循环载荷下的疲劳强度。一般多用不对称循环载荷下的疲劳强度。一般多用工程作图法，由疲劳图求出各种不对称循工程作图法，由疲劳图求出各种不对称循环应力下的疲劳强度。环应力下的疲劳强度。39（1）应力幅a平均应力m图

9、y轴上的边界点为0和-1 x轴上的边界点为0和b 将r分解成不同应力比r时的a和m，作图。 运用时，已知r，第第 二二 节节 疲劳抗力指标疲劳抗力指标11amrtgr211maba m疲劳图疲劳图ABC曲线的数学公式：曲线的数学公式：Geber公式公式40第二节第二节 疲劳抗力指标疲劳抗力指标maxmaxmaxmin221mtgr（2） maxm 图 y轴上的边界点为-1和-1，x轴边界点为0和b。max=b ，利用不同的应力比r来作图。21max1bmmam21min1bmmamAHBAECmax (min) m疲劳图疲劳图41第二节第二节 疲劳抗力指标疲劳抗力指标过载持久值及过载损伤界过载

10、持久值及过载损伤界 理论上，对于承受变动载荷的机件按疲劳强度（理论上，对于承受变动载荷的机件按疲劳强度（-1）设计是安全的。实际上，服役过程中，设计是安全的。实际上，服役过程中，机件不可避机件不可避免要受到偶然的过载作用免要受到偶然的过载作用，如设备紧急刹车，突然，如设备紧急刹车，突然起动等；起动等；又有的机件并不要求无限寿命，常在高于又有的机件并不要求无限寿命，常在高于疲劳强度疲劳强度-1的应力下进行有限寿命服役。的应力下进行有限寿命服役。显然仅依显然仅依据材料的疲劳强度并不能评定上述两种情况下的材据材料的疲劳强度并不能评定上述两种情况下的材料抗疲劳性能，为此提出过载持久值和过载损伤界料抗疲

11、劳性能，为此提出过载持久值和过载损伤界概念。概念。42第二节第二节 疲劳抗力指标疲劳抗力指标过载持久值（有限寿命区）过载持久值（有限寿命区） 材料在材料在高于疲劳极限的应力下工作，发生疲劳高于疲劳极限的应力下工作，发生疲劳断裂的应力循环周次称为材料的过载持久值，也称断裂的应力循环周次称为材料的过载持久值，也称为有限疲劳寿命。为有限疲劳寿命。过载持久值表征了材料对过载荷过载持久值表征了材料对过载荷的抗力，该值可由疲劳曲线的曲线倾斜部分确定。的抗力，该值可由疲劳曲线的曲线倾斜部分确定。材料在相同的过载条件（纵坐标值）能经受的应力材料在相同的过载条件（纵坐标值）能经受的应力循环周次愈多，材料对过载荷

12、的抗力愈高。循环周次愈多，材料对过载荷的抗力愈高。曲线倾斜的愈陡直，持久值就愈高。曲线倾斜的愈陡直，持久值就愈高。43第二节第二节 疲劳抗力指标疲劳抗力指标过载损伤界过载损伤界 材料在过载应力水平下只有材料在过载应力水平下只有运转一定周次后，疲劳强度或疲运转一定周次后，疲劳强度或疲劳寿命才会降低，造成过载损伤。劳寿命才会降低，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得到该材料的过载损伤界过载损伤界。过载损伤界到疲劳曲线间的影线区，过载损伤界到疲劳曲线间的影线区，称为材料的称为材料的过载损伤区过载损

13、伤区。44第二节第二节 疲劳抗力指标疲劳抗力指标疲劳缺口的敏感度疲劳缺口的敏感度 材料在变动应力作用下的缺口敏感性，常用疲劳缺口敏材料在变动应力作用下的缺口敏感性，常用疲劳缺口敏感度感度qf表征：表征： 式中：式中：Kt-理论应力集中系数，理论应力集中系数，Kt 1，可查有关手册。，可查有关手册。Kf-疲劳缺口系数，疲劳缺口系数，Kf为光滑试样和缺口试样疲劳极限之比，为光滑试样和缺口试样疲劳极限之比，Kf=-1/-1N，Kf 1，具体值与缺口几何形状，材料等因素有，具体值与缺口几何形状，材料等因素有关。关。11fftKqK45第二节第二节 疲劳抗力指标疲劳抗力指标Kt对对40Cr钢的钢的-1的

14、影响的影响回火温度：回火温度：1200；2390；3550材料的抗拉强度材料的抗拉强度愈大，其疲劳强愈大，其疲劳强度也愈大。度也愈大。46第二节第二节 疲劳抗力指标疲劳抗力指标疲劳缺口敏感度qf 0qf 1 q=0，Kf=1，-1-1N表示对缺口完全不敏感； q=1则，缺口试样疲劳过程中应力分布与弹性状态完全一样，表示材料对缺口十分敏感。47第二节第二节 疲劳抗力指标疲劳抗力指标疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值 在已经萌生了疲劳裂纹之后，在已经萌生了疲劳裂纹之后，疲劳裂纹的扩疲劳裂纹的扩展速率直接反映了材料抵抗疲劳裂纹扩展的能力，展速率直接反映了材料抵抗疲劳裂纹扩展的能

15、力，用用da/dN表示。表示。 试验测定：在固定应力比试验测定：在固定应力比r及应力幅及应力幅条件条件下，裂纹长度测量装置在疲劳试验机上，每一定下，裂纹长度测量装置在疲劳试验机上，每一定循环周次循环周次N后测出对应的裂纹长度后测出对应的裂纹长度a，直到断裂为，直到断裂为止止,作出作出a和和N的关系曲线。的关系曲线。 48第二节第二节 疲劳抗力指标疲劳抗力指标在一定循环应力条件下，在一定循环应力条件下，疲劳裂纹扩展时期长度疲劳裂纹扩展时期长度a是是不断增长的不断增长的。疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率da/dN在在扩展中也是不断增加的扩展中也是不断增加的，当加载循环周次达到当加载循环周次达到Np

16、时，时，a长达到临界裂纹尺寸长达到临界裂纹尺寸ac，da/dN增大到无限大，增大到无限大，裂纹裂纹失稳扩展而导致试样最后失稳扩展而导致试样最后断裂。断裂。疲劳裂纹扩展曲线疲劳裂纹扩展曲线49第二节第二节 疲劳抗力指标疲劳抗力指标若用若用断裂力学应力强度因子断裂力学应力强度因子KI的概念，即可将的概念，即可将a和和的影响综合在一起。的影响综合在一起。KI =Kmax-Kmin =Ymaxa1/2-Ymina1/2=Ya1/2KI就是在裂纹尖端控制裂纹疲劳扩展的复合就是在裂纹尖端控制裂纹疲劳扩展的复合力学参量，力学参量，可建立可建立da/dNK 曲线曲线，用以研究，用以研究疲劳裂纹扩展问题。疲劳裂

17、纹扩展问题。50第二节第二节 疲劳抗力指标疲劳抗力指标I区是疲劳裂纹的初始扩展阶段区是疲劳裂纹的初始扩展阶段, da/dN值很小，约值很小，约10-8-10-6mm/周次。当周次。当KIKth, lgK与与lg(da/dN)呈直线呈直线关系，通常用关系，通常用Paris公式公式表示：表示： da/dNcKn （计算（计算疲劳裂纹扩展寿命）疲劳裂纹扩展寿命）lg(da/dN)lgK曲线52第二节第二节 疲劳抗力指标疲劳抗力指标区是疲劳裂纹扩展的区是疲劳裂纹扩展的最后阶段最后阶段, 该区的该区的da/dN值很高，并随值很高，并随KI增加增加而急剧增大，很快导致而急剧增大，很快导致材料失稳断裂材料失

18、稳断裂,该区所占该区所占裂纹扩展寿命不长。裂纹扩展寿命不长。lg(da/dN)lgK曲线53第二节第二节 疲劳抗力指标疲劳抗力指标疲劳裂纹扩展寿命的估算疲劳裂纹扩展寿命的估算 常选用常选用paris公式。公式。 da/dN=c(K)n（r00时，时， KKmax） c、n材料试验常数，与材料、应力比、材料试验常数，与材料、应力比、环境等因素有关。显微组织对环境等因素有关。显微组织对n的影响不大，的影响不大，多数材料的多数材料的n值在值在24之间变化。之间变化。1、确定零件初始裂纹尺寸、确定零件初始裂纹尺寸a0、形状和位置、形状和位置2、确定、确定K的计算公式，计算临界裂纹尺寸的计算公式，计算临

19、界裂纹尺寸ac3、将、将KYa1/2代入代入Paris公式公式54第二节第二节 疲劳抗力指标疲劳抗力指标()ndac YadN0/20(2)/2(2)/20()211(2) ()ccNacnnnannncdaNdNcYanc Yaa021lnln()ccNaac Yn2时时n2时时55举例有一很宽有一很宽20钢冷轧板收到恒幅轴向交变载荷，钢冷轧板收到恒幅轴向交变载荷，名义应力名义应力max200MPa，min0MPa，这种，这种钢的静强度钢的静强度s630MPa，b670MPa，E=207GPa，KIC104MPam1/2，如果钢板裂，如果钢板裂纹为单边直裂纹，其原始长度不大于纹为单边直裂纹，

20、其原始长度不大于0.5mm，试问疲劳寿命是多少？如果试问疲劳寿命是多少？如果KIC增大到增大到208 MPam1/2，则疲劳寿命是多少？如果原始裂，则疲劳寿命是多少？如果原始裂纹增大到纹增大到2.5mm，则疲劳寿命是多少？，则疲劳寿命是多少？ (c6.91012，n3) 56举例首先计算裂纹临界尺寸ac 对于宽板单边直裂纹KI1.12a算出ac0.0686m68.6mm。 (2)/2(2)/20211(2) ()cnnncNnc Yaa然后，根据可得Nc189000周次。 57举例如果如果KIC增大到增大到208 MPam1/2，则疲劳寿，则疲劳寿命是多少？命是多少？裂纹临界尺寸为裂纹临界尺寸

21、为274mm，疲劳寿命为，疲劳寿命为198000周次。周次。如果原始裂纹增大到如果原始裂纹增大到2.5mm，则疲劳寿，则疲劳寿命是多少？命是多少？ 疲劳寿命为疲劳寿命为75000周次。周次。58第二节第二节 疲劳抗力指标疲劳抗力指标影响疲劳裂纹扩展速率的因素影响疲劳裂纹扩展速率的因素（1）应力比）应力比r，曲线，曲线向左方移动。向左方移动。应力比应力比r对疲劳裂纹扩展率的影响对疲劳裂纹扩展率的影响残余压应力有利于减小残余压应力有利于减小r，从而降低从而降低da/dN，升高，升高Kth，对疲劳寿命有益。，对疲劳寿命有益。59第二节第二节 疲劳抗力指标疲劳抗力指标（2）过载峰）过载峰 适当过载反而

22、有益。适当过载反而有益。过载峰对铝合金过载峰对铝合金da/dN的影响的影响原因：载荷原因：载荷循环负半周循环负半周时，裂纹尖时，裂纹尖端过载塑性端过载塑性区的残余压区的残余压应力应力60第二节第二节 疲劳抗力指标疲劳抗力指标（3）显微组织）显微组织 对对I、III区的区的da/dN影响比较明显，影响比较明显，对对II区影响不明显。区影响不明显。晶粒粗大，晶粒粗大，Kth值高；值高；提高疲劳裂纹萌生抗力和提高疲劳裂纹扩展抗力途径？提高疲劳裂纹萌生抗力和提高疲劳裂纹扩展抗力途径？抓主要矛盾或采用折中方法抓主要矛盾或采用折中方法韧性相可使韧性相可使Kth。61第第 三三 节节 疲劳破坏的机理疲劳破坏

23、的机理一、疲劳破坏的机理一、疲劳破坏的机理 疲劳失效过程可以分为疲劳失效过程可以分为三个主要阶段三个主要阶段：疲劳：疲劳裂纹形成，疲劳裂纹扩展，当裂纹扩展达到临界裂纹形成，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。尺寸时，发生最终的断裂。1. 疲劳裂纹的萌生疲劳裂纹的萌生 疲劳裂纹一疲劳裂纹一般形核于表般形核于表面或界面面或界面 夹杂或第二相与基体界面开裂夹杂或第二相与基体界面开裂晶界或亚晶界处开裂晶界或亚晶界处开裂表面滑移带开裂表面滑移带开裂62第三节第三节 疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理疲劳微裂纹的三种形式疲劳微裂纹的三种形式表面滑移带表面滑移带晶界晶界夹杂或第二相夹杂或第二相

24、常将常将0.050.1mm的裂纹定为疲劳裂纹核。的裂纹定为疲劳裂纹核。63第三节第三节 疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理驻留滑移带驻留滑移带在循环载荷作用下，在试样表面在循环载荷作用下，在试样表面形成循环滑移带，与静拉伸形成的均匀滑移带形成循环滑移带，与静拉伸形成的均匀滑移带不同，循环滑移带集中在某些局部区域（高应不同，循环滑移带集中在某些局部区域（高应力或薄弱区），将表面抛光后，再循环一定周力或薄弱区），将表面抛光后，再循环一定周次，滑移带仍位于原来的位置，这种次，滑移带仍位于原来的位置，这种永久保留永久保留或再现的循环滑移带称为驻留滑移带或再现的循环滑移带称为驻留滑移带。 64提高材料的滑移抗

25、力，如固提高材料的滑移抗力，如固溶强化，细晶强化等，均可溶强化，细晶强化等，均可阻止疲劳裂纹萌生，提高疲阻止疲劳裂纹萌生，提高疲劳抗力。劳抗力。第三节第三节 疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理驻留滑移带会导致挤出峰和侵入谷的出现，引起应力集中，经过一定循环后会引发微裂纹，是裂纹形成的源区。65第三节第三节 疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理 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。提高相界面强度，降低第二相或夹杂的脆性，控制其数量、形态、大小和分布，可抑制疲劳裂纹的萌生，提高疲劳抗力。 晶界处开裂 位错在晶界易发生塞积，出现应力集中，晶界开裂。晶

26、界强化、净化和细化晶粒的因素，均能抑制晶界裂纹形成，提高疲劳抗力。66第三节第三节 疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理2 疲劳断口的微观特征疲劳断口的微观特征 多数韧性材料的疲劳裂纹扩展断口上在电子显多数韧性材料的疲劳裂纹扩展断口上在电子显微镜下可观察到微镜下可观察到韧性疲劳条带韧性疲劳条带，而脆性材料中可，而脆性材料中可观察到观察到脆性疲劳条带脆性疲劳条带。 疲劳条带疲劳条带（疲劳辉纹）是略呈弯曲的并相互平（疲劳辉纹）是略呈弯曲的并相互平行的沟槽状花样，与裂纹扩展方向垂直，是裂纹行的沟槽状花样，与裂纹扩展方向垂直，是裂纹扩展时留下的微观痕迹，为疲劳断口最典型的微扩展时留下的微观痕迹，为疲劳断口最典

27、型的微观特征。观特征。 67第三节第三节 疲疲 劳劳 破破 坏坏 的的 机机 理理一条疲劳条带就是一次循环的结果a)韧性条带韧性条带 b)脆性条带脆性条带68第三节第三节 疲疲 劳劳 破破 坏坏 的的 机机 理理F-R再生核模型再生核模型疲劳裂纹的扩展是断续的。 主裂纹前方是弹塑性交界点可形成新裂纹核。主裂纹和裂纹核之间发生相向长大、桥接，使主裂纹向前扩展。 强度高的材料，形成解理微裂纹，出现主裂纹和解理微裂纹的桥接，形成脆性疲劳条带。 69第三节第三节 疲疲 劳劳 破破 坏坏 的的 机机 理理韧性条带只有相互平行的弧状条纹，脆性条带韧性条带只有相互平行的弧状条纹，脆性条带除此之外，还带有解理

28、台阶的河流花样它们除此之外，还带有解理台阶的河流花样它们大致垂直于疲劳条带线。大致垂直于疲劳条带线。a)韧性条带韧性条带 b)脆性条带脆性条带70第三节第三节 疲疲 劳劳 破破 坏坏 的的 机机 理理注意，不可将注意，不可将疲劳条带疲劳条带与与宏观疲劳断宏观疲劳断口口上的上的贝纹线贝纹线相混淆。宏观疲劳断口相混淆。宏观疲劳断口上的贝纹线是由于循环加载条件的上的贝纹线是由于循环加载条件的变变化化而形成的。若在电子显微镜下观察，而形成的。若在电子显微镜下观察，可以看到相邻贝纹线间有很多疲劳条可以看到相邻贝纹线间有很多疲劳条带。带。71第四节第四节 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

29、的因素实验表明，材料（机件）的疲劳强度不仅受载实验表明，材料（机件）的疲劳强度不仅受载荷条件，还受材料成分、组织结构、夹杂物、荷条件，还受材料成分、组织结构、夹杂物、工作环境、加工处理条件等因素影响。工作环境、加工处理条件等因素影响。工作条件工作条件 1、载荷条件、载荷条件（1）应力状态和平均应力，应力比的影响规应力状态和平均应力，应力比的影响规律已在第三节中叙述。律已在第三节中叙述。（2）在过载损伤区内的过载将降低材料的疲在过载损伤区内的过载将降低材料的疲劳强度和寿命。劳强度和寿命。 72第四节第四节 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（3）材料特别是金属在低于疲劳强度

30、的应材料特别是金属在低于疲劳强度的应力先运转一定周次，即经过力先运转一定周次，即经过次载锻炼次载锻炼，可以，可以提高材料的疲劳强度。提高材料的疲劳强度。次载锻炼对疲劳曲线的影响次载锻炼对疲劳曲线的影响这种现象是由于应这种现象是由于应力应变循环产生硬力应变循环产生硬化及局部应力集中化及局部应力集中松弛的结果。松弛的结果。73第四节第四节 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（4）间歇效应）间歇效应 实验表明：对具实验表明：对具应变时效应变时效材料，在循环加载的材料，在循环加载的运行中，若间歇空载一段时间或间隙时适当加温，运行中，若间歇空载一段时间或间隙时适当加温，可提高疲劳强

31、度，并延长疲劳寿命。可提高疲劳强度，并延长疲劳寿命。（5）载荷频率）载荷频率 在一定的频率范围（在一定的频率范围（1701000Hz）内，材料）内，材料的疲劳强度是随加载频率的增加而提高。实际测量的疲劳强度是随加载频率的增加而提高。实际测量时，采用频率为时，采用频率为50170Hz。74第四节第四节 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2、温度、温度 温度对材料疲劳强度的影响和静强度的影温度对材料疲劳强度的影响和静强度的影响规律相似也是随温度降低、疲劳强度升高，温响规律相似也是随温度降低、疲劳强度升高，温度升高，疲劳强度降低，但在某些温度范围因时度升高，疲劳强度降低，但在某

32、些温度范围因时效，热脆等现象，疲劳强度会出现峰值或谷值。效，热脆等现象，疲劳强度会出现峰值或谷值。75第四节第四节 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3、腐蚀介质、腐蚀介质 腐蚀介质因使材料表面腐蚀产生蚀坑，而腐蚀介质因使材料表面腐蚀产生蚀坑，而降低材料的疲劳强度导致腐蚀疲劳。一般腐蚀降低材料的疲劳强度导致腐蚀疲劳。一般腐蚀疲劳曲线无水平段，只能条件规定循环周次确疲劳曲线无水平段，只能条件规定循环周次确定疲劳强度。腐蚀疲劳强度与材料的静强度间定疲劳强度。腐蚀疲劳强度与材料的静强度间无正比关系。无正比关系。76第四节第四节 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

33、的因素表面状态表面状态 机件表面缺口因应力集中往往是疲劳策源地，机件表面缺口因应力集中往往是疲劳策源地，引致疲劳断裂。引致疲劳断裂。Kf和和qf越大，材料的疲劳强度就越大，材料的疲劳强度就降低得越低，且这种影响随材料强度的增高显降低得越低，且这种影响随材料强度的增高显著增加。著增加。 据此，受循环应力作用的机件选用高强材料据此，受循环应力作用的机件选用高强材料制造时，表面须经过仔细的加工，制造时，表面须经过仔细的加工，不允许有刀不允许有刀痕、擦伤或大的缺陷痕、擦伤或大的缺陷。否则材料疲劳强度会显。否则材料疲劳强度会显著降低。著降低。 77第四节第四节 影响材料及机件疲劳强度的因素影响材料及机件

34、疲劳强度的因素加工方法对弯曲疲劳极限的影响加工方法对弯曲疲劳极限的影响78第四节第四节 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尺寸因素尺寸因素 在变动载荷作用下，随机件尺寸增大时在变动载荷作用下，随机件尺寸增大时疲劳强度下降的现象，谓尺寸效应，可用尺疲劳强度下降的现象，谓尺寸效应，可用尺寸效应系数寸效应系数表示：表示： =(-1)d / (-1) 式中式中 ：(-1)d-直径为直径为d的机件疲劳强度；的机件疲劳强度； (-1)-小试样的疲劳强度；小试样的疲劳强度； 缺口试样比光滑试样的尺寸效应更明显。缺口试样比光滑试样的尺寸效应更明显。79第四节第四节 影响材料及机件疲劳强度

35、的因素影响材料及机件疲劳强度的因素表面强化及残余应力的影响表面强化及残余应力的影响 提高机件表面塑变抗力（硬度和强度），提高机件表面塑变抗力（硬度和强度），降低降低表面的有效拉应力，即可抑制材料表面疲劳裂纹表面的有效拉应力，即可抑制材料表面疲劳裂纹的萌生和扩展，的萌生和扩展，有效提高承受弯曲与扭转循环载有效提高承受弯曲与扭转循环载荷下材料疲劳强度荷下材料疲劳强度。表面残余压应力的作用使表。表面残余压应力的作用使表层中应力降低至强化层疲劳强度以下，便会制止层中应力降低至强化层疲劳强度以下，便会制止疲劳断裂，由此提高了表层疲劳强度。疲劳断裂，由此提高了表层疲劳强度。80第四节第四节 影响材料及机件

36、疲劳强度的因素影响材料及机件疲劳强度的因素81第四节第四节 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表面喷丸及滚压表面喷丸及滚压 表面喷丸表面喷丸可使机件表面形变强化，并在塑变可使机件表面形变强化，并在塑变层内产生残余应力。既提高了表层材料强度；又层内产生残余应力。既提高了表层材料强度；又能平衡抵消部分表层工作的拉应力；可降低缺口能平衡抵消部分表层工作的拉应力；可降低缺口应力集中系数和疲劳缺口敏感度，降低疲劳损伤，应力集中系数和疲劳缺口敏感度，降低疲劳损伤，提高材料疲劳抗力。提高材料疲劳抗力。 表面滚压表面滚压与喷丸的作用相似，其压应力层深与喷丸的作用相似，其压应力层深更大，适

37、于大工件。一般来说，形状复杂的机件更大，适于大工件。一般来说，形状复杂的机件采用喷丸强化；形状简单的回转的机件采用表面采用喷丸强化；形状简单的回转的机件采用表面滚压强化。滚压强化。 82第四节第四节 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表面热处理和化学热处理表面热处理和化学热处理 表面淬火及表面化学热处理，既能获得表硬表面淬火及表面化学热处理，既能获得表硬心韧的综合力学性能，又能在机件表层获得残余心韧的综合力学性能，又能在机件表层获得残余压应力，从而能有效提高机件疲劳强度和寿命。压应力，从而能有效提高机件疲劳强度和寿命。复合强化复合强化 它是将上述工艺重复结合各种表面强化的

38、一它是将上述工艺重复结合各种表面强化的一种强化工艺。如渗氮种强化工艺。如渗氮+表面淬火，渗碳表面淬火，渗碳+喷丸，表喷丸，表面淬火面淬火+喷丸（滚压）等，以更进一步提高表面喷丸（滚压）等，以更进一步提高表面强度及表面表层残余压应力，从而更有效提高疲强度及表面表层残余压应力，从而更有效提高疲劳强度和疲劳寿命。劳强度和疲劳寿命。83第四节第四节 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材料成分及组织的影响材料成分及组织的影响 1、合金成分合金成分合金成分是材料组织结构的基合金成分是材料组织结构的基本要素。结构钢中本要素。结构钢中碳碳既可以间既可以间隙隙固溶强化固溶强化基体，又可形成

39、弥基体，又可形成弥散碳化物进行散碳化物进行弥散强化弥散强化，从而，从而提高材料疲劳强度。其他合金提高材料疲劳强度。其他合金元素可元素可提高钢的淬透性提高钢的淬透性或或改善改善钢的强韧性钢的强韧性来影响疲劳强度。来影响疲劳强度。84第四节第四节 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非金属夹杂物及冶金缺陷非金属夹杂物及冶金缺陷 脆性夹杂脆性夹杂如如Al2O3等在钢中易萌生疲劳裂纹，等在钢中易萌生疲劳裂纹，而降低材料的疲劳强度。材料在冶炼、轧制、而降低材料的疲劳强度。材料在冶炼、轧制、铸造及零件焊接，热处理中产生的气孔，缩孔、铸造及零件焊接，热处理中产生的气孔，缩孔、偏析、白点、

40、折迭、裂纹等缺陷都可能是裂纹偏析、白点、折迭、裂纹等缺陷都可能是裂纹源，从而严重降低材料的疲劳强度和寿命。源，从而严重降低材料的疲劳强度和寿命。 85第四节第四节 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显微组织显微组织 晶粒大小对疲劳强度的影响，经碳钢晶粒大小对疲劳强度的影响，经碳钢及钛合金的研究发现存在及钛合金的研究发现存在Hall-Petch关系：关系： -1=i+kd-1/2 式中：式中：i位错在晶格中运动摩擦阻力位错在晶格中运动摩擦阻力 k 材料常数材料常数 d 晶粒平均直径晶粒平均直径86第四节第四节 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相对分子

41、质量和结晶度（高聚物）相对分子质量和结晶度（高聚物）疲劳强度随相对分子质量的增大而提高，随结晶度增加而降低。降低试验频率，间歇或冷却样品，增加比表面积，均可抑制热疲劳破坏。87第五节第五节 低周疲劳和热疲劳低周疲劳和热疲劳低周疲劳的特点：低周疲劳的特点：1、局部区域产生宏观塑性变形，循环应力与应、局部区域产生宏观塑性变形，循环应力与应变之间不再呈直线关系。变之间不再呈直线关系。2、低周疲劳试验时，通、低周疲劳试验时，通过控制总应变范围，或者过控制总应变范围，或者控制塑性应变范围，在给控制塑性应变范围，在给定的总应变幅或塑性应变定的总应变幅或塑性应变幅下测定疲劳寿命。幅下测定疲劳寿命。88第五节

42、第五节 低周疲劳和热疲劳低周疲劳和热疲劳3、低周疲劳破坏有几个裂纹源，由于应力、低周疲劳破坏有几个裂纹源，由于应力较大，裂纹容易形核，其形核期较短，只较大，裂纹容易形核，其形核期较短，只占总寿命的占总寿命的10%。4、低周疲劳寿命决定于塑性应变幅，而高、低周疲劳寿命决定于塑性应变幅，而高周疲劳寿命决定于应力幅或应力场强度因周疲劳寿命决定于应力幅或应力场强度因子范围。都属于循环塑性变形累积损伤。子范围。都属于循环塑性变形累积损伤。89n循环硬化和循环软化第五节第五节 低周疲劳和热疲劳低周疲劳和热疲劳90第五节第五节 低周疲劳和热疲劳低周疲劳和热疲劳91n材料产生循环硬化还是循环软化，取决于材料的材料产生循环硬化还是循环软化，取决于材料的初始状态、结构特性以及应变幅和温度等。初始状态、结构特性以及应变幅和温度等。n一般而言，退化态的材料表现为循环硬化，而加一般而言，退化态的材料表现为循环硬化，而加工硬化的材料表现为循环软化。材料的工硬化的材料表现为循环软化。材料的b/s 1.4时，表现为循环硬化，时，表现为循环硬化，b/s1.2时，表现时，表现为循环软化。应变硬化指数为循环软化。应变硬化指数n0.1时，表现为循环硬化或循环稳定。时，表现为循环硬化或循环稳定。第五节第五节 低周疲劳和热疲劳低周疲劳和热疲劳92第五节第