材料的力学性能材料的疲劳

1、2 2 疲劳与断裂疲劳与断裂 2007年11月2日，一架美军 F-15C鹰式战斗机在做空中缠斗飞行训练时，飞机突然凌空解体，一份调查结果表明，飞机的关键支撑构件桁梁出现了金属疲劳问题。 2002年5月25日，台湾华航的一架波音747客机在执行台北到香港的CI611航班途中，坠毁于澎湖外海，机上225名乘客与机组人员全部遇难。经调查证实，失事原因是金属疲劳断裂，金属疲劳裂纹竟源自1980年2月7日飞机起飞时擦地产生的刮痕。后来飞机进行维修时，刮痕并未刨光即补上补钉，金属疲劳裂纹就沿着刮痕产生。 疲劳通常指材料在受到变动（载荷）应力（一般低于疲劳通常指材料在受到变动（载荷）应力（一般低于屈服应力）

2、作用下的行为。屈服应力）作用下的行为。在变动载荷下工作的机件，如在变动载荷下工作的机件，如轴、齿轮和弹簧等，其主要的破坏形式是疲劳断裂。疲劳轴、齿轮和弹簧等，其主要的破坏形式是疲劳断裂。疲劳断裂是指机件在变动载荷作用下经过长时间工作发生的断断裂是指机件在变动载荷作用下经过长时间工作发生的断裂现象。裂现象。 在各类机件破坏中有在各类机件破坏中有80-90%80-90%是疲劳断裂，而且疲劳断是疲劳断裂，而且疲劳断裂多是在没有征兆的情况下突然发生的，所以危害性很大。裂多是在没有征兆的情况下突然发生的，所以危害性很大。金属的疲劳断裂是材料科学的重要领域之一，一直受到材金属的疲劳断裂是材料科学的重要领域

3、之一，一直受到材料科学工作者的极大关注料科学工作者的极大关注。 2.1 2.1 疲劳疲劳 变动载荷变动载荷 机件承受的变动载荷（应力）是指载荷大小或大小和方向机件承受的变动载荷（应力）是指载荷大小或大小和方向随时间按一定规律变化或呈无规则随机变化的载荷，前者称随时间按一定规律变化或呈无规则随机变化的载荷，前者称为周期变动载荷，后者称为随即变动载荷。为周期变动载荷，后者称为随即变动载荷。 周期变动载荷又分交变载荷和重复载荷两类。交变载荷是周期变动载荷又分交变载荷和重复载荷两类。交变载荷是大小、方向均随时间作周期变化的变动载荷；重复载荷是载大小、方向均随时间作周期变化的变动载荷；重复载荷是载荷大小

4、作周期变化，但载荷方向不变的变动载荷。荷大小作周期变化，但载荷方向不变的变动载荷。 变动载荷变动载荷 周期变动载荷又称为循环应力。它可以看成是由恒定的平均应力sm和变动的应力半幅sa叠加而成，即在应力变化过程中，应力s与时间t存在如下关系： s= sm+saf(t) 最大应力最大应力s smax 循环应力中数值最大的应力；最小应力最小应力s smin 循环应力中数值最小的应力；平均应力平均应力s sm 循环应力中的应力不变部分：sm =（smax +smin）/2 应力半幅应力半幅s sa 循环应力中的应力变动部分的幅值:sa =（smaxsmin）/2 应力循环对称系数（应力比）应力循环对称

5、系数（应力比）r 应力循环的部对称程度: r = smin /smax 2.1 2.1 疲劳疲劳 2.1.1 疲劳断裂的特点疲劳断裂的特点 1、疲劳断裂是低应力脆性断裂，一般是在低于屈服应力之下发生的，断裂是突然的，没有预先征兆，看不到宏观塑性变形，危害性比较大。2、疲劳破坏是长期的过程，在交变应力作用下，金属材料往往要经过几百次，甚至几百万次循环才能产生破坏。在疲劳断裂过程中，金属材料的内部组织在局部区域内逐渐发生变化。这种变化使材料受到损伤，并逐渐积累起来，当其达到一定程度后便发生疲劳断裂。因此疲劳断裂是一个损伤积累过程，并且损伤是从局部区域开始的。3、当应力循环对称系数一定时，金属材料所

6、受的最大交变应力(或交变应力半幅)愈大，则断裂前所能承受的应力循环次数愈少。当应力循环中的最大应力(或交变应力半幅)降到某一数值时，金属材料可以经受无限次应力循环而不发生疲劳断裂2.1 2.1 疲劳疲劳 2.1.1 疲劳断裂的特点疲劳断裂的特点 4、疲劳断裂也包括裂纹形成和扩展两个阶段，但是由于承受的应力小，并且是循环应力，故疲劳裂纹的裂纹在未达到临界尺寸之前扩展很慢，这就是我们熟知的裂纹亚临界扩展阶段。疲劳裂纹的亚临界扩展期很长。当疲劳裂纹尺寸达到临界值后，便迅速失稳扩展而断裂。可见，疲劳裂纹扩展包括亚临界扩展期和失稳扩展期。5、金属的疲劳按照机件所受应力的大小可分为高周疲劳和低周疲劳。所受

7、应力较低、断裂时应力循环周次很多的情况下产生的疲劳断裂称为高周疲劳。所受应力较高、断裂时应力循环周次较少的情况下产生的疲劳断裂称为低周疲劳。2.1 2.1 疲劳疲劳 2.1.2 疲劳宏观断口疲劳宏观断口 疲劳断口的宏观结构取决于材料的性质、加载方式、载荷大小等因素。 高周疲劳断口从宏观来看，一般可以分为三个区，即疲劳源区、疲劳裂纹扩展区（疲劳断裂区）和瞬时断裂区（静断区）。2.1 2.1 疲劳疲劳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：断面不断摩擦挤压，光亮度大，裂纹扩展速率小，并有加工硬化发生。（1）疲劳源：裂纹萌生的地方

8、，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）。特征：光滑并分布有贝纹线（海滩花样）。贝纹线：平行弧线，间距不同；裂纹源附近， 线条细密、裂纹扩展较慢；在远离裂纹处，线条稀疏、裂纹扩展较快。材料韧性好，疲劳区大，贝纹线细、明显。（2）疲劳扩展区：裂纹亚稳扩展形成的。贝纹线是疲劳区的最大特征，一般认为它是由载荷变动引起的，如机器运转时的开动和停歇，偶然过载引起的载荷变动，使裂纹前沿线留下了弧状台阶痕迹。在实际机件的疲劳断口中易见实验室的试样疲劳断口中不易见特征：表面粗糙；脆性材料为结晶状，塑性材料则在中间平面应变区为放射状或人字纹断口，在边缘平面应力

9、区为剪切唇。（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，塑性材料则在中间平面应变区为放射状或人字纹断口，在边缘平面应力区为剪切唇。（3）瞬时断裂区：裂纹失稳扩展形成的。2.2.1裂纹裂纹的萌生疲劳微观裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起。主要方式有表面滑移带开裂，第二相、夹杂物或其界面开裂，晶界或亚晶界开裂等。2.2 2.2 疲劳断裂过程及其机理疲劳断裂过程及其机理 2.2.2 疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹的扩展 第一阶段第一阶段：裂纹沿最大切应力：裂纹沿最大切应力方向方向(与主应力成与主应力成45o角角)的晶面的晶面扩展，每一循环只前进扩展，每一循环只前进0.1um

10、数数量级，速度很慢，扩展的距离量级，速度很慢，扩展的距离约为约为2-5个晶粒个晶粒(晶界的阻碍可促晶界的阻碍可促进裂纹转向进裂纹转向)，断口常难以分辨，断口常难以分辨特征，仅有一些擦伤痕迹。特征，仅有一些擦伤痕迹。第二阶段：晶界的阻碍作用，裂纹扩展由滑开型变为张开型，沿与拉应力垂直方向扩展，扩展速率较高。此阶段在电子显微镜下可显示出疲劳辉纹。按扩展方向分两个阶段：沿晶断裂穿晶断裂，出现疲劳辉纹微孔聚集型断裂2.2 2.2 疲劳断裂过程及其机理疲劳断裂过程及其机理 疲劳裂纹扩展机制与断口微观特征疲劳裂纹扩展机制与断口微观特征 疲劳断口上疲劳裂纹扩展第二阶段最显著的微观特征是在电子显微镜下可以观察

11、到疲劳辉纹。2.2 2.2 疲劳断裂过程及其机理疲劳断裂过程及其机理 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，是裂纹扩展时留下的微观痕迹。 SN曲线与疲劳极限曲线与疲劳极限2.3 2.3 疲劳强度指标疲劳强度指标 当应力循环对称系数一定时，金属材料断裂前所能承受的应力循环次数与所受的最大交变应力max(或交变应力半幅a)存在对应关系，这种max(或a)以对疲劳断裂周次N作图绘成的曲线，称为疲劳曲线，经常简写为SN曲线，因为它是德国人维勒(Wholer)在1860年首先发现的，故又称为维勒曲线。 SN曲线与疲劳极限曲线与疲劳极限2.3 2.3 疲劳强度指标疲劳强度指标 疲

12、劳曲线（SN曲线）：应力循环对称系数r一定时，最大交变应力max与疲劳寿命（循环周次）的关系曲线，是确定疲劳极限、建立疲劳应力判据的基础。疲劳极限 疲劳极限疲劳极限是材料能经受无限次应力循环而不发生疲劳断裂的最大应力，通常用r表示，注角r表示应力循环对称系数。对称循环旋转弯曲的疲劳极限用-1表示。 疲劳极限1) 疲劳曲线有明显水平部分： 当maxr时，N，表明试样可以经无限次应力循环也不发生疲劳断裂，称r为疲劳极限(或绝对疲劳极限、无限疲劳极限)： r =-1时，称之为对称应力循环疲劳极限，记为-1；疲劳曲线一般有两种情况：2) 某些材料（有色金属、不锈钢等）的SN曲线无明显水平部分： 规定一

13、个疲劳极限循环基数，并以循环基数值对应的应力为条件疲劳极限（或规定疲劳极限），以r（N0）表示。不同材料，循环基数取值不同，如对铸铁，规定N0 107次。N0条件疲劳极限 过载持久值与过载损伤界过载持久值与过载损伤界2.4 2.4 疲劳强度指标疲劳强度指标 过载持久值金属材料在高于疲劳极限的应力下运转时，发生疲劳断裂的应力循环周次，称为材料的过载持久值，也称有限疲劳寿命。过载持久值表征材料对过载荷的抗力。材料1抗过载能力好于材料2 过载持久值表现为SN曲线的倾斜部分：倾斜度越高、越陡，则持久值越高，表示材料的抗过载能力越强。 金属机件经受金属机件经受短期过载，短期过载，而后再在正常的工作应力下

14、运行而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（。这种短期的过载对材料的性能（-1-1或过载寿命）是否产或过载寿命）是否产生影响，取决于过载应力及过载周次。生影响，取决于过载应力及过载周次。 实验证明，材料在过载应力水平下只有运转一定周次后，实验证明，材料在过载应力水平下只有运转一定周次后，疲劳强度或疲劳寿命才会降低，造成过载损伤。疲劳强度或疲劳寿命才会降低，造成过载损伤。 金属金属材料抵抗疲劳过载损伤的能力，材料抵抗疲劳过载损伤的能力，用用过载损伤界过载损伤界或或过载过载损伤区损伤区表示。表示。过载损伤界2.4 2.4 疲劳强度指标疲劳强度指标 过载损伤界机件过载运转到过载损伤区里，都要不同程度地降低材料