第05章 金属的疲劳

1、第五章 金属的疲劳材料在交变应力的作用下，经过一段时间，而发生断裂的现象，叫疲劳。疲劳破坏时的最大应力<b，甚至<s；不产生明显的塑性变形，呈现脆性的突然断裂。疲劳断裂是一种非常危险的断裂。要研究疲劳的规律、机理、力学性能指标、影响因素等。§5.1 金属疲劳现象及特点一、变动载荷和循环应力1、变动载荷大小、方向或者大小和方向均随时间而变化。变化分为周期性，无规则性，相对应的应力，称为变动应力2、循环应力循环应力的波形一般近似为正弦波、矩形波和三角形波等。（1）循环应力的描叙max，min；平均应力m=1/2（max+min）应力幅a=1/2（max-min）应力比=min

2、/max（2）循环应力的种类对称交变应力；脉动应力；波动应力；不对称交变应力。二、疲劳分类及特点1、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 腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳等。（3）按循环周期 高周疲劳、低周疲劳。（4）按破坏原因 机械疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳等。2、特点（1）断裂应力<b，甚至<s；（2）出现脆性断裂；（3）对材料的缺陷十分敏感；（4）疲劳破坏能清楚显示裂纹的萌生和扩展，断裂。三、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。（表5-1）1、疲劳源裂纹的萌生地；裂

3、纹处在亚稳扩展过程中。由于应力交变，断面摩擦而光亮。加工硬化。随应力状态及应力大小的不同，可有一个或几个疲劳源。2、疲劳区（贝纹区）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。有时在疲劳区的后部，还可看到沿扩展方向的疲劳台阶（高应力作用）。3、瞬断区一般在疲劳源的对侧。脆性材料为结晶状断口；韧性材料有放射状纹理，边缘为剪切唇。§5.2 疲劳曲线及疲劳性能一、疲劳曲线1、对称循环疲劳曲线（N曲线）（1）有水平段的疲劳曲线（钢、QT）（2）无水平段的疲劳曲线（有色金属，不锈钢等）2、N曲线的测定常用旋转弯曲疲劳试验机，有效试样13根以上。用升降法测定-

4、1。再用概率统计方法处理数据。（取可信度）最后确定点的位置、联线。二、疲劳极限1、对称疲劳极限循环载荷，一般取周期N=107。-1，-1，-1P（对称拉压）2、不同应力状态下的疲劳极限根据大量的实验结果，弯曲与拉压、扭转疲劳极限之间的关系：钢：-1P=0.85-1，铸铁-1P=0.65-1铜及轻合金：-1=0.55-1，铸铁-1=0.8-1-1>-1P>-13、疲劳极限与静强度之间的关系钢：-1P=0.23（s+b）-1=0.27（s+b）铸铁：-1P=0.4b-1=0.45b铝合金：-1P=b/6+7.5(MPa)-1P=b/6-7.5(MPa)4、不对称循环疲劳极限（r）利用已

5、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）应力幅a平均应力m图 y轴上的边界点为0和-1x轴上的边界点为0和b将max分解成不同应力比r时的a和m，作图。运用时，已知r，r=a+m。（2）maxm 图y轴上的边界点为-1和-1，x轴则同前图。max=b ，利用不同的应力比r来作图。若为韧性材料max=0.2 （3）公式法上两图中的曲线可用数学公式表示可以很方便利用b ，-1， 0.2和r，求得r三、抗疲劳过载能力过载持久值材料在高于疲劳极限的应力下运行，发生疲劳断裂的应力循环周次，称为过载持久值，也称有限疲劳寿命。（图）疲劳曲线倾斜部分越陡直，

6、即损伤区窄，则持久值越高，抗疲劳过载的能力越好。过载损伤界由实验测定。疲劳过载损伤是由裂纹的亚稳扩展造成。四、疲劳缺口敏感性疲劳缺口敏感度q0<q<1Kt为理论应力集中系数，决定于缺口的几何形状与尺寸。Kf为有效应力集中系数，,和分别为光滑与缺口试样的疲劳极限，Kf的大小也和材料特性有关。   q=0，表示对缺口完全不敏感；q=1则表示对缺口十分敏感。影响q的因素：强度、硬度上升，q上升，即敏感缺口尖锐度上升，q下降。§5.3 疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值一、 疲劳裂纹扩展曲线高频疲劳试验机；固定裂纹预制长度a0、应力比r和应力幅a2 >

7、; 1作aN曲线曲线斜率da/dN为裂纹扩展速率；裂纹达到ac，da/dN无限大。二、疲劳裂纹扩展速率1、引入断裂韧度的概念K=Kman-Kmin=Y1/2每一次小扩展，便认为是一次断裂过程。2、lg(da/dN)lgK曲线（图5-16）3、曲线分析I区（初始段）KKth da/dN，裂纹不扩展。K>Kth K，da/dN，裂纹扩展但不快。II区（主要段）K，da/dN，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。4、疲劳裂纹扩展门槛值定Kth为门槛值单位MN·m-3/2或MPa·m1/2KKth, 裂纹不扩展。Kth

8、不好测定规定，平面应变条件下，da/dN=10-610-7mm/周次对应的K来代替Kth，称为工程疲劳门槛值。5、影响疲劳裂纹扩展速率的因素（1）应力比r，曲线向左上方移动。（2）过载峰 适当过载反而有益。（3）显微组织 对I、III区的da/dN影响比较明显。晶粒粗大，Kth值越高；韧性相可使Kth。三、疲劳裂纹扩展寿命的估算常选用paris公式。da/dN=C(K)nc、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n值在24之间变化。§5.4 疲劳过程及机理疲劳过程：裂纹萌生、亚稳护展、失稳扩展、断裂一、裂纹萌生及机理常将0.050.1mm的

9、裂纹定为疲劳裂纹核。引起裂纹萌生的原因：应力集中、不均匀塑性形变。方式为：表面滑移带开裂；晶界或其他界面开裂。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。通过位错的交滑移，使驻留滑移带加宽。（2）挤出峰和挤入槽滑移带在表面加宽过程中，还会向前或向后移动，形成挤出峰和挤入槽。循环过程中，峰、槽不断增加，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。2、晶界处开裂晶界就是面缺陷；位错运动易发生塞积，出现应力集中，晶界开裂。3、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

10、临界尺寸的裂纹核，才能继续长大。二、疲劳裂纹扩展过程及机理1、裂纹扩展的两个阶段（图5-24）第一阶段沿主滑移系，以纯剪切方式向内扩展；扩展速率仅0.1m数量级。第二阶段在da/dN的II区。晶界的阻碍作用，使扩展方向逐渐垂直于主应力方向；扩展速率m级；可以穿晶扩展。形成疲劳条纹（疲劳辉纹）（见书上图5-25）。一条辉纹就是一次循环的结果。2、疲劳裂纹扩展模型（1）Laird塑性钝化模型（图）裂纹不再扩展的过程，称为“塑性钝化”该模型对韧性材料的疲劳扩展很有用。材料的强度越低，裂纹扩展越快，条带越宽。（2）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（三向拉应力区）可形成新裂纹核

11、。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，可形成解理裂纹。§5.5 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；表面的沟槽等。三、工况因素1、载荷 载荷的大小和加载方式；加载频率；加载间歇；次载锻炼。2、环境 温度；周边介质；应力状况。§5.6 低周疲劳疲劳寿命为102-105次的疲劳断裂，称为低周疲劳一、

12、低周疲劳的特点1、 局部产生宏观变形，应力与应变之间呈非线性。2、 总应变t=e+p用t/2N或p /2N描叙疲劳规律。2、裂纹成核期短，有多个裂纹源。3、断口呈韧窝状、轮胎花样状。4、疲劳寿命取决于塑性应变幅。二、金属的循环硬化与循环软化1、定义与特点恒应变幅（塑性应变幅或总应变幅）循环加载过程中，材料的形变抗力不断增加，则称为循环硬化；反之为循环软化。应力应变滞后回线，只有在应力循环达到一定周期后，才是闭合的，即：达到循环稳定态。（图5-31）循环应力应变曲线高于单次应力应变曲线，则是循环硬化，反之为循环软化。2、循环软化的危害使材料的形变抗力下降，导致工件产生过量的塑性变形而失效。3、原

13、因决定于材料的初始状态，工件结构特性；应变幅，温度等。b/s1.4循环硬化b/s1.2循环硬化微观原因：位错的循环运动；相变强化；应力松驰。二、 低周疲劳的应变寿命曲线低周疲劳的N曲线，数据离散。1、总应变幅tN曲线（图5-34）e/22Nf，p /22Nf ，t/22Nf，两不同斜率的曲线叠放，必然会出现一个交点。提高强度，交点左移；提高塑性，交点右移。2、N关系式曼森公式断裂真实伸长率曼森柯芬关系式pNzf=CZ、C材料常数Z=0.20.7; C0.5ef1.0ef用上述关系式可估算材料的低周疲劳寿命§5.7其他类型疲劳一、热疲劳1、基本概念在循环热应力和热应变作用下，产生的疲劳

14、称为热疲劳。热疲劳属低周疲劳（周期短；明显塑性变形）。由温度和机械应力叠加引起的疲劳，称为热机械疲劳。2、热应力的产生外部约束，不让材料自由膨胀；内部约束，温度梯度，相互约束，产生热应力。热应变，导致裂纹的萌生，扩展3、衡量标准一定温度幅，产生一定尺寸疲劳裂纹的循环次数。4、提高热疲劳寿命的途径a） 材料 减小热膨胀系数，提高，均匀性，高温强度。b） 工件状况 减小应力集中。c） 使用 减小热冲击二、冲击疲劳1、基本概念在重复冲击载荷作用下的疲劳断裂，称为冲击疲劳。冲击次数N>105,具有典型的疲劳断口。AkN2、影响冲击疲劳的因素小能量多冲击 主要为强度。较大能量时 冲击作用下，材料易出现塑性变形，即易出现低周疲劳。能量再大时 则冲击疲劳退居次要地位，应考虑材料的断裂韧性。三、接触疲劳1、基本概念对偶件（如轴承、齿轮等）在交变接触压应力长期作用下，而在材料表面产生的疲劳损伤。形貌：点蚀，浅层剥落和深层剥落。（轴承、齿轮表面、钢轨等）接触疲劳曲线两种 换N，接1/N， 2、接触应力（赫兹应力）两物体接触，表面上产生局部的压应力，称为接触应力。接触处的接触应力为三向压应力。接触处，z>y>x超过一定深度z>x>y相应的最大切应力为：在最大切应力处，材料易出现局部塑性变形。3、接触疲劳破坏方式（1）麻点剥落局部