第五章材料疲劳性能

1、2022-5-61第五章 材料的疲劳性能u重点重点：概念概念:疲劳、贝纹线、疲劳条带、疲劳寿命、次载锻疲劳、贝纹线、疲劳条带、疲劳寿命、次载锻炼、过载损伤、驻留滑移带、过载持久值、疲劳缺口敏感炼、过载损伤、驻留滑移带、过载持久值、疲劳缺口敏感度、热疲劳；疲劳强度度、热疲劳；疲劳强度 疲劳宏观断口特征和疲劳微观断口特征；疲劳宏观断口特征和疲劳微观断口特征； 疲劳曲线（脆性材料）及影响疲劳强度的因素。疲劳曲线（脆性材料）及影响疲劳强度的因素。u难点难点：三大材料的疲劳破坏机理：三大材料的疲劳破坏机理2）疲劳破坏的机理3）疲劳抗力指标4）影响材料及机件疲劳强度的因素1）疲劳破坏的基本 概 念和一般规

2、律 本章主要内容本章主要内容5）热疲劳2022-5-62前言u材料在交变应力的作用下，经过一段时间，而发生断裂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，叫的现象，叫疲劳（定义）疲劳（定义）。 u疲劳破坏时的最大应力疲劳破坏时的最大应力b，甚至，甚至0a0，r r0 0，齿轮的齿根及某些压力容，齿轮的齿根及某些压力容器承受此类应力；器承受此类应力； mma0aama，0r10r1。发动机气缸盖、螺栓承受这。发动机气缸盖、螺栓承受这种应力。种应力。(1)(1)对称循环对称循环,m=0,m=0，r r-1-1，大多数旋转轴类，大多数旋转轴类零件承受此类应力。零件承受此类应力。(2)(2

3、)不对称循环不对称循环： m0m0，-1r1-1rm0am0，-1r0-1r0。2022-5-66疲劳破坏疲劳破坏是循环应力引起的延时断裂，其断裂应力水平往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疲劳断裂往低于材料的抗拉强度，甚至低于其屈服强度疲劳断裂寿命随循环应力不同而改变。寿命随循环应力不同而改变。应力高，寿命短；应力低，寿命长当应力低于材料的疲应力高，寿命短；应力低，寿命长当应力低于材料的疲劳强度时，寿命可无限长。劳强度时，寿命可无限长。二、疲劳分类及特点二、疲劳分类及特点 (5) (5) 随机变动应力随机变动应力：循环应力呈：循环应力呈随机变化

4、，如运行时因道路或云随机变化，如运行时因道路或云层的变化，汽车、拖拉机及飞机层的变化，汽车、拖拉机及飞机等的零件，工作应力随时间随机等的零件，工作应力随时间随机变化，如图变化，如图5-35-3所示。所示。 2022-5-671. 1. 分类分类（1 1）按应力状态）按应力状态: : 弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲 劳、复合疲劳等。劳、复合疲劳等。 （2 2）按环境）按环境: : 腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳等。腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳等。（3 3）按循环周期）按循环周期: : 高周疲劳高周疲劳( (低应力低应力疲劳疲劳) )、低、低周疲劳周疲劳( (高应力疲劳高应力疲劳)

5、 ) 。（4 4）按破坏原因）按破坏原因: : 机械疲劳、腐蚀疲劳、热疲机械疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳等。劳等。 2022-5-68 疲劳破坏与静载或一次性冲击加载破坏比较具有以疲劳破坏与静载或一次性冲击加载破坏比较具有以下特点：下特点：(1)(1)是一种潜藏的突发性破坏，即是一种潜藏的突发性破坏，即出现出现脆性断裂脆性断裂； (2)(2)疲劳破坏属低应力疲劳破坏属低应力循环延时断裂循环延时断裂。断裂应力。断裂应力b b，甚至甚至-1P-12022-5-6404疲劳强度与静强度间关系u钢： -1P=0.23（s+b） -1=0.27（s+ b ）u铸铁： -1P=0.4 b -1=0.45 bu铝

6、合金：-1P= b /6+7.5(MPa) -1= b /6-7.5(MPa)2022-5-641三、过载持久值及过载损伤界三、过载持久值及过载损伤界1 过载持久值过载持久值u材料在高于疲劳强度的一定应力下工作，发生疲劳断裂材料在高于疲劳强度的一定应力下工作，发生疲劳断裂的应力循环周次，也称为的应力循环周次，也称为有限疲劳寿命有限疲劳寿命。u过载持久值表征了材料对过载疲劳的抗力，该值可由疲过载持久值表征了材料对过载疲劳的抗力，该值可由疲劳曲线倾斜部分确定。劳曲线倾斜部分确定。u曲线倾斜得愈陡直，持久值就愈高，表明材料在相同的曲线倾斜得愈陡直，持久值就愈高，表明材料在相同的过载条件过载条件( (

7、纵坐标值纵坐标值) )下能经受的应力循环周次愈多，材下能经受的应力循环周次愈多，材料对过载荷的抗力愈高。过载应力又称为材料耐久强度。料对过载荷的抗力愈高。过载应力又称为材料耐久强度。 2022-5-6422 2过载损伤界过载损伤界u过载损伤界到疲劳曲线间的影线区，称为材料的过载损伤界到疲劳曲线间的影线区，称为材料的 过载损伤区。过载损伤区。u把在每个过载应力把在每个过载应力下运行能引起损伤下运行能引起损伤的最少循环周次连的最少循环周次连接起来就得到该材接起来就得到该材料的过载损伤界。料的过载损伤界。 u如图如图5-205-20上上a a，b b，c c，可由实验确，可由实验确定。定。图图5-2

8、0 5-20 过载损伤界过载损伤界2022-5-643四、疲劳缺口敏感度uK Kf f为光滑试样和缺口试样疲劳强度之比为光滑试样和缺口试样疲劳强度之比: :uK Kf f11，与缺口几何形状、材料等因素有关。，与缺口几何形状、材料等因素有关。u实验证明，实验证明，q qf f并非只决定于材料的常数，当缺口根部并非只决定于材料的常数，当缺口根部r1mmr KKthth时裂纹扩展较快，时裂纹扩展较快，很快进入第二阶段。很快进入第二阶段。 KKthth表征材料阻止疲劳裂纹开始扩展的能力，表征材料阻止疲劳裂纹开始扩展的能力，该值越大，材料的疲劳裂纹扩展的阻力就越大，该值越大，材料的疲劳裂纹扩展的阻力就

9、越大，材料抗疲劳裂纹扩展的能力就越强。材料抗疲劳裂纹扩展的能力就越强。2022-5-650KKthth和和-1-1的区别的区别A A：-1-1( (疲劳强度疲劳强度) )代表的是光滑试样的无限寿命疲劳强度，适用代表的是光滑试样的无限寿命疲劳强度，适用于传统的疲劳强度设计和校核；于传统的疲劳强度设计和校核；B B：Kth (Kth (疲劳裂纹扩展门槛值疲劳裂纹扩展门槛值) )是疲劳裂纹不扩展的是疲劳裂纹不扩展的KKI I的临界的临界值，代表的是裂纹试样的无限寿命疲劳性能，适于裂纹件的设值，代表的是裂纹试样的无限寿命疲劳性能，适于裂纹件的设计和疲劳强度校核。计和疲劳强度校核。 根据定义，含裂纹件不

10、发生疲劳断裂（无限寿命）的校核公式根据定义，含裂纹件不发生疲劳断裂（无限寿命）的校核公式为：为：KKthth、a a和和三个参量，已知二个可求得第三个。三个参量，已知二个可求得第三个。大多金属材料的大多金属材料的K Kthth值很小值很小，约为，约为(5(51010)K)KICIC。如钢，。如钢，K Kthth9 9 MPamMPam1/21/2；铝合金，；铝合金，K Kthth4MPam4MPam1/21/2。 thIKaYK2022-5-651随堂练习题随堂练习题21.疲劳曲线上的水平线代表有限寿命区边界；斜线段代表无限寿命区边界。2. .疲劳强度定义为在指定 下，材料能承受的 。3同种材

11、料的疲劳强度：-1P-1-14.材料的抗拉强度越大，其疲劳强度也越大。5.过载持久值中材料在高于 的一定应力下工作，发生疲劳断裂的 。6. 曲线倾斜得愈陡直，持久值就愈高，材料对过载的抗力愈高。7. qf趋近零，表明材料对缺口十分敏感；qf1，表明材料对缺口完全不敏感。8. 是疲劳裂纹不扩展的KI的临界值，代表的是裂纹试样的 疲劳性能，适于 的设计和疲劳强度校核。9.1g(da/dN)-lgKI曲线中，第区是疲劳裂纹的扩展的主要阶段，占扩展区的绝大部分，但占裂纹扩展寿命的比例较小。2022-5-652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5-2 影响材料及机

12、件疲劳强度的因素 因素因素详细内容详细内容因素因素详细内容详细内容工作条件工作条件载荷条件载荷条件( (应力状态；应力状态；应力比；次载情况；应力比；次载情况；平均应力平均应力) )；载荷频率；环境温度；载荷频率；环境温度；环境介质环境介质表面处理及表面处理及残余内应力残余内应力表面喷丸及滚轧；表面喷丸及滚轧；表面热处理；表面热处理；表面化学热处理；表面化学热处理；表面涂层表面涂层表面状态表面状态及尺寸因及尺寸因素素尺寸效应；尺寸效应；表面粗糙度；表面粗糙度；缺口效应缺口效应材料因素材料因素化学成分；组织结构；化学成分；组织结构；纤维方向；内部缺陷纤维方向；内部缺陷2022-5-653一、工作

13、条件的影响一、工作条件的影响 u(1) 应力状态和平均应力， 应力比u(2) 过载损伤区u(3)次载锻炼次载锻炼u(4)间歇效应：u(5)载荷频率：1.1.载荷条件载荷条件2 2温度温度2022-5-654 应力集中：机件表面的缺口应力集中，往往是引起疲劳破坏的主要原因。一般用Kt表示应力集中程度，用Kf和qf说明应力集中对疲劳强度的影响程度。二、表面状态及尺寸因素的影响二、表面状态及尺寸因素的影响1A:A:粗糙度愈低，材料的疲劳极限愈高；粗糙度愈低，材料的疲劳极限愈高；B:B:粗糙度愈高，疲劳极限愈低粗糙度愈高，疲劳极限愈低; ;C:C:材料强度愈高，表面粗糙度对疲劳极限的影响愈显著材料强度

14、愈高，表面粗糙度对疲劳极限的影响愈显著; ;D:D:表面加工方法不同，所得到的粗糙度不同。表面加工方法不同，所得到的粗糙度不同。 2022-5-6553 3尺寸因素尺寸因素1d1）（直径为d的机件的疲劳强度 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。 尺寸效应系数 u机件尺寸对疲劳强度也有较大的影响，在弯曲、扭转载荷作用下其影响更大。一般来说，随着机件尺寸，其疲劳强度，这种现象称为疲劳强度尺寸效应疲劳强度尺寸效应。其大小可用尺寸效应系数表示。 2022-5-656三表面强化及残余应力的影响三表面强化及残余应力的影响 u提高机件表面塑变抗力(硬度和强度)，降低表面的有效拉应力，即可抑

15、制材料表面疲劳裂纹的萌生和扩展，有效地提高承受弯曲与扭转循环载荷下材料的疲劳强度，如图5-25所示。u表面强化处理具有双重作用双重作用：提高表提高表层强度；提供表层残余压应力，抵消层强度；提供表层残余压应力，抵消一部分表层拉应力。一部分表层拉应力。 u表面强化的方法通常有表面喷丸和滚表面喷丸和滚压压，表面淬火及表面化学热处理表面淬火及表面化学热处理等。 2022-5-657三、表面强化及残余应力的影响u表面喷丸表面喷丸可使金属机件表面形变强化，并在塑变层内产生残余压应力。u）既提高了表层材料强度；u）又能抵消部分表层的拉应力；u）还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，提高材料

16、疲劳抗力。u表面滚压表面滚压与喷丸的作用相似，其压应力层深更大，适于大工件。一般来说，形状复杂的机件采用喷丸强化；形状简单的回转机件采用表面滚压强化。如经滚压加工的螺栓较切削制造的螺栓疲劳寿命可提高15倍。1表面喷丸及滚压表面喷丸及滚压KS-1212-6P强力喷砂机 Ks-R-8a环带式自动喷砂机 2022-5-6582. 表面热处理和化学热处理u表面淬火及表面化学热处理，既能获得表硬心韧表硬心韧的综合力学性能，又能在机件表层获得残余压应力残余压应力，从而能有效地提高机件疲劳强度和寿命。 u它是将上述各种表面强化工艺重复结合的一种强化工艺。如渗氮+表面淬火，渗碳+喷丸，表面淬火+喷丸(滚压)等

17、，以更进一步提高表面强度及表面表层残余压应力，从而更有效地提高疲劳强度和疲劳寿命。2022-5-659四、材料成分及组织的影响四、材料成分及组织的影响u合金成分是材料组织结构的基本要素。各类工程结构材料中，结构钢的疲劳强度最高，-1 0.5b，应用也最广泛。u结构钢中碳碳是影响疲劳强度的重要因素，它既可间隙固溶强化固溶强化基体，又可形成弥散碳化物进行弥弥散强化散强化，提高材料形变抗力和疲劳强度。u图5-26示出几种低合金结构钢经不同淬火回火后的疲劳强度与硬度HRC间关系。1. 合金成分合金成分2022-5-6602非金属夹杂物及冶金缺陷非金属夹杂物及冶金缺陷u脆性夹杂物如A12O3、硅酸盐(球

18、状)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、铸造及零件焊接、热处理中产生的气孔、缩孔、偏析、白点、折叠、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。 3显微组织显微组织u晶粒大小对疲劳强度的影响，经对碳钢及钛合金的研究发现存在HalI-Petch关系。u细化晶粒提高材料疲劳强度的细化晶粒提高材料疲劳强度的原因原因：1)1)裂纹沿晶界开裂的位错塞积机制裂纹沿晶界开裂的位错塞积机制 2)2)抑制滑移带形成和开裂。抑制滑移带形成和开裂。2/1i1kd 2022-5-661u高周疲劳的疲劳强度：高周疲劳的疲劳强度：1）回火马氏体回火屈氏体回火索氏体2）晶状碳化物

19、的调质组织片状碳化物正火组织3）相同硬度下：等温淬火淬火回火4）淬火组织中若存在未溶铁素体和未转变残余奥氏体或非马氏体组织，则因它们易引发疲劳裂纹，而使材料疲劳强度降低。 如钢中存在10残余奥氏体时，-1：可降低1015。钢中含有5非马氏体组织时，-1可降低10。u对低周疲劳：对低周疲劳：其寿命其寿命主要由裂纹扩展阶段决定，并主要取决于材料塑性材料塑性，而以上诸因素的影响要减弱。 2022-5-662第五节第五节 热疲劳热疲劳 1.概念概念u由周期变化的热应力或热应变引起的材料破坏。热疲劳低周应变疲劳(周期短,明显的塑性变形)u由温度和机械应力叠加引起的疲劳-热机械疲劳。2.2.热应力的产生的

20、原因热应力的产生的原因u（1）外部约束，不让材料自由膨胀u（2）内部约束，温度梯度，热膨胀系数差异，产生热应力。u热疲劳裂纹多萌生于表面热应变最大区域，有多个裂纹源，在循环过程中，其中几个联接成主裂纹，并垂直表面纵深发展引起材料龟裂或断裂。 一、热疲劳的概念一、热疲劳的概念2022-5-663u对于脆性材料，特别是陶瓷材料，在生产使用过程中多处在高温状态，温度发生急热、急冷变化时可能产生冲击热应力。 u材料的抗热震性材料的抗热震性( (热抗震性热抗震性) )：材料经受温度瞬变而不被破坏的能力。热震破坏 瞬时断裂 热震断裂 热损伤 热冲击循环作用引起材料开裂、剥落、碎裂或变质，最后整体损伤 20

21、22-5-664u材料的抗热震能力材料的抗热震能力是其力学性能和热学性能对应于各种受热条件的综合表现，可用材料的强度、断裂韧性等表征材料对热震破坏的抗力；u材料热震破坏的动力材料热震破坏的动力：热应力热应力和应力场强度因子应力场强度因子。u目前评价材料抗热震性有两种观点两种观点： A：热弹性理论认为，热震温差引起的热应力超过材料的断裂应力时，材料瞬时断裂； B：断裂力学理论认为，由热应力产生并贮存于材料中的热弹性应变能足以支付裂纹成核和扩展新增表面能时，便引起热震损伤形成裂纹并扩展。2022-5-665u材料热疲劳抗力常以在一定温度幅下产生一定尺寸疲劳裂纹的循环次数或在规定的循环周次下产生的裂

22、纹长度表示。u材料的抗热震性常用抗热震参数表征：（1）对于急剧受热和冷却的材料，抗热震断裂参数为：fc1T =RE材料热震断裂的临界温度 断裂强度 E、分别为弹性模量、泊松比、热膨胀系数。 2022-5-666（2）对于缓慢受热和冷却的材料，抗热震断裂参数也由临界温度差表征： RAEAfc)1 (AT =R与构件几何形状和热处理条件相关的常数 热导率 （3）当材料(构件)表面以恒定速率 进行加热或冷却时，抗热震参数可由临界变温速率 表示 ： .TcdT/dt.TRATRcp.fc质量定压热容 材料密度 2022-5-667二、热疲劳损伤u热疲劳属于低周疲劳范畴，它和低周疲劳从本质上讲均受恒定的应变控制，只是它是由于温度反复变化，造成相应的应变变化引起的，有时也会叠加上机械应力，是热应力和机械应力叠加的综合结果。 u热疲劳破坏是由材料内部损伤积累引起的，按照Coffin-Manson关系式，低周低周疲劳中，塑性应变占主导地位疲劳中，塑性应变占主导地位，并可由下式计算出： ffNcp)22（意味着不论塑性应变幅如何影响疲劳失效寿命，最终失效积累的塑性变形量