材料的疲劳性能

关于材料的疲劳性能第1页，共41页，2023年，2月20日，星期四1850-1860,Wöhler先生用试验方法研究了车轴的断裂事故，提出了应力-寿命图（S-N)和疲劳极限概念。1870-1890，Gerber研究了平均应力对寿命的影响，Goodman提出了完整的平均应力影响理论。突破了疲劳只与载荷幅值有关的理论界限。1920-Griffith用能量法研究了含裂纹体的有关材料强度理论，初步奠定了事隔20年后由Irwin发展起来的断裂力学理论基础。1945年由Miner提出的线性累计损伤理论问世；1960年，Manson-Coffin提出了塑性应变与疲劳寿命的关系；1961年Paris提出了疲劳裂纹扩展速率的概念。1974年美国军方采用了损伤容损设计方法；目前，材料的疲劳研究方兴未艾，断裂力学、损伤力学和材料物理学结合，已从宏观、细观和微观领域对疲劳问题进行着广泛的研究。前言第2页，共41页，2023年，2月20日，星期四材料的疲劳问题研究从近150多年开始一直受到人们的关注，原因之一就是工程中的零件或构件的破坏80%以上是由于疲劳引起。前言疲劳破坏表现的形式：机械疲劳—外加应力/应变波动造成的。蠕变疲劳—循环载荷与高温联合作用下的疲劳。热机械疲劳—循环受载部件的温度变动时材料的疲劳。腐蚀疲劳、接触疲劳、微动疲劳、电致疲劳等等。第3页，共41页，2023年，2月20日，星期四前言1、变动载荷→疲劳断裂。前言2、研究疲劳的一般规律、疲劳破坏过程及机理、疲劳力学性能及其影响因素等。第4页，共41页，2023年，2月20日，星期四第五章材料的疲劳性能§5.1疲劳破坏的一般规律§5.2疲劳破坏的机理（简述）§5.3疲劳抗力指标§5.4影响材料及机件疲劳强度的因素(自学)§5.5热疲劳(自学)第5页，共41页，2023年，2月20日，星期四§5.1疲劳破坏的一般规律一、疲劳破坏的变动应力二、疲劳破坏的概念和特点三、疲劳断口的宏观特征第6页，共41页，2023年，2月20日，星期四一、疲劳破坏的变动应力1、疲劳：变动载荷和应变→长期作用→累积损伤→断裂。2、变动载荷：载荷大小，甚至方向随时间而变化的载荷。3、变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值。4、变动应力分类：

规则周期变动应力(或称循环应力)；无规则随机变动应力。5、循环应力：周期性变化的应力。有正弦波、矩形波和三角波等。最常见的为正弦波。第7页，共41页，2023年，2月20日，星期四一、疲劳破坏的变动应力6、表征应力循环特征的参量①最大循环应力σmax，最小循环应力σmin；②平均应力

σm＝(σmax+σmin)/2；③应力幅σα或应力范围Δσ：

σα=Δσ/2=(σmax-σmin)/2；④应力比

r＝σmin/σmax。⑤载荷谱：载荷-时间历程曲线第8页，共41页，2023年，2月20日，星期四一、疲劳破坏的变动应力7、循环应力类型：

(1)对称循环：

σm＝0，r＝-1。

(2)不对称循环：

σm≠0，-1<r<1。

(3)脉动循环：

σm＝σα>0，r＝0

或σm＝σα<0，r＝∞。

(4)波动循环（重复载荷）：

σm>σα，0＜r＜1。

(5)随机变动应力：循环应力呈随机变化。第9页，共41页，2023年，2月20日，星期四二、疲劳破坏的概念和特点1、疲劳破坏的概念：(1)疲劳的破坏过程：变动应力→薄弱区域的组织→逐渐发生变化和损伤累积、开裂→裂纹扩展→突然断裂。(2)疲劳破坏：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。(3)疲劳寿命：机件疲劳失效前的工作时间。(4)疲劳断裂：经历了裂纹萌生和扩展过程。断口上显示出疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂区的特征。第10页，共41页，2023年，2月20日，星期四二、疲劳破坏的概念和特点2．疲劳破坏的特点：

(1)一种潜藏的突发性破坏，呈脆性断裂。

(2)疲劳破坏属低应力循环延时断裂。

(3)对缺陷具有高度的选择性。

(4)可按不同方法对疲劳形式分类。按应力状态分，有弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳及复合疲劳。按应力高低和断裂寿命分，有高周疲劳(低应力疲劳，σ＜σs)和低周疲劳(高应力疲劳或应变疲劳)。第11页，共41页，2023年，2月20日，星期四三、疲劳断口的宏观特征1、典型疲劳断口具有3个特征区

—疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区。2、疲劳源：(1)多出现在机件表面，常和缺口、裂纹等缺陷及内部冶金缺陷(夹杂、白点等)有关。(2)疲劳源区比较光亮，该区表面硬度有所提高。(3)疲劳源可以是一个，也可以是多个。第12页，共41页，2023年，2月20日，星期四三、疲劳断口的宏观特征3、疲劳区：(1)断口较光滑并分布有贝纹线(或海滩花样)，有时还有裂纹扩展台阶。(2)断口光滑是疲劳源区的延续，其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱；(3)贝纹线是疲劳区的最典型特征，一般认为是因载荷变动引起的。每组贝纹线好像一簇以疲劳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。第13页，共41页，2023年，2月20日，星期四三、疲劳断口的宏观特征4、瞬断区：(1)KⅠ≥KⅠc时，裂纹就失稳快速扩展，导致机件瞬时断裂．断口粗糙，脆性断口呈结晶状；韧性断口，在心部平面应变区呈放射状或人字纹状，边缘平面应力区则有剪切唇区存在。

(2)瞬断区一般应在疲劳源对侧。第14页，共41页，2023年，2月20日，星期四第15页，共41页，2023年，2月20日，星期四§5.2疲劳破坏的机理一、金属材料疲劳破坏机理二、非金属材料疲劳破坏机理（自学）第16页，共41页，2023年，2月20日，星期四一、金属材料疲劳破坏机理分为三个主要阶段：1、疲劳裂纹形成，2、疲劳裂纹扩展，3、当裂纹扩展达到临界尺寸时，发生最终的断裂。第17页，共41页，2023年，2月20日，星期四1、疲劳微裂纹的形成疲劳微裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起。①表面滑移带开裂；第二相、夹杂物与基体相界面或夹杂物本身断裂；晶界或亚晶界处开裂。②在环载荷作用下,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,称为循环滑移带。③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现挤出与挤入，从而在试件表面形成微观切口。第18页，共41页，2023年，2月20日，星期四循环滑移带的持久性：疲劳的初期，出现滑移带。随着循环数的增加，滑移带增加。除去滑移带，重新循环加载，滑移带又在原处再现。这种滑移带称为持久滑移带(PersistSlipBand)。在持久滑移带中出现疲劳裂纹。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。这必然是因为相邻晶粒内滑移系的取向不同。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，因而有利于延长疲劳裂纹形成寿命和疲劳寿命。表面滑移带开裂第19页，共41页，2023年，2月20日，星期四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。第二相在循环加载，会形成沿晶裂纹。

1、疲劳微裂纹的形成第20页，共41页，2023年，2月20日，星期四2、疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹扩展可分为两个阶段：第I阶段，裂纹沿着最大切应力方向向内扩展，即在切应力最大的滑移面内扩展。第I阶段裂纹扩展的距离一般都很小，约为2－3个晶粒。第II阶段，裂纹沿垂直拉应力方向向前扩展形成。在电子显微镜下可显示出疲劳条带。疲劳带是每次循环加载形成的。第21页，共41页，2023年，2月20日，星期四§5.3疲劳抗力指标一、疲劳试验方法二、疲劳强度三、过载持久值四、疲劳缺口敏感度五、疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值疲劳应力判据疲劳断裂判据第22页，共41页，2023年，2月20日，星期四§5.3疲劳抗力指标按应力状态分，有弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳及复合疲劳。第23页，共41页，2023年，2月20日，星期四一、疲劳试验方法1、旋转弯曲疲劳试验：(1)四点弯曲，对称循环(σm＝0，r＝-1)。(2)测定方法：①试样（若干），旋转弯曲疲劳试验机；②选择最大循环应力σmax

(0.67σb～0.4σb)

（σ1，σ2，σ3…～σn

）；③对每个试样进行循环加载试验直至断裂；④测定应力循环数N；

(σ1,N1),(σ2,N2)…⑤绘制σ(σmax)-N(lgN)曲线。第24页，共41页，2023年，2月20日，星期四一、疲劳试验方法2、疲劳曲线S-N曲线其他不对称循环应力也可作出相应的疲劳曲线，它们统称为S-N曲线，第25页，共41页，2023年，2月20日，星期四一、疲劳试验方法3、金属材料疲劳曲线类型：

一类有水平线→σr；

(材料的疲劳强度)

疲劳应力判据：

σ≤σr

一类无水平线→条件疲劳强度。第26页，共41页，2023年，2月20日，星期四二、疲劳强度定义：在指定疲劳寿命下，材料能承受的上限循环应力。1、对称循环(r=-1)疲劳强度弯曲(σ-1)、扭转(τ-1)、拉压(σ-1p)等。第27页，共41页，2023年，2月20日，星期四二、疲劳强度2、不对称循环(-1<r<1)疲劳强度(1)脆性材料σmax(σmin)-σm疲劳图:①AHB曲线就是在不同应力比r下的σmax值；

AEC在不同应力比r下的σmin值；

AO在不同应力比r下的σm值。②AHB曲线上各点σmax值即表示由-1<r<1各状态下的疲劳强度。其r值与AHB线上任一点与原点O的连线与横坐标夹角α存在以下关系：③r→tanα→α→σmax。第28页，共41页，2023年，2月20日，星期四二、疲劳强度(2)塑性材料σmax(σmin)-σm疲劳图：第29页，共41页，2023年，2月20日，星期四二、疲劳强度3、不同应力状态下的疲劳强度：

(1)同种材料→不同应力状态→应力—寿命曲线不同→疲劳强度也不相同。

(2)经验关系式：钢：σ-1p=0.85σ-1

铸铁：σ-1p=0.65σ-1钢及轻合金：τ-1=0.55σ-1

铸铁：τ-1=0.80σ-1(3)同种材料：

σ-1>σ-1p>τ-1。第30页，共41页，2023年，2月20日，星期四二、疲劳强度4、疲劳强度与静强度间关系：材料的抗拉强度愈大,其疲劳强度也愈大。第31页，共41页，2023年，2月20日，星期四三、过载持久值及过载损伤界过载分类：长久过载(σ>σ-1)→有限寿命服役；偶然过载。1、过载持久值(长久过载、有限疲劳寿命)：

(1)材料在高于疲劳强度的一定应力(σ>σ-1)下工作，发生疲劳断裂的应力循环周次。

(2)由疲劳曲线倾斜部分确定。

(3)材料耐久强度：即过载应力。第32页，共41页，2023年，2月20日，星期四三、过载持久值及过载损伤界2、过载损伤界（偶然过载）

(1)过载损伤界:

短期过载对材料性能的影响，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，疲劳强度或疲劳寿命才会降低，造成过载损伤。把在每个过载应力下运行能引起损伤的最少循环周次连接起来就得到该材料的过载损伤界．(2)过载损伤区：过载损伤界到疲劳曲线间的影线区。

(3)材料的过载损伤界越陡直，损伤区愈窄，则其抵抗疲劳过载能力就愈强。第33页，共41页，2023年，2月20日，星期四四、疲劳缺口敏感度qf

qf=(Kf-1)/(Kt-1)Kt理论应力集中系数；

Kf为疲劳缺口系数；Kf=σ-1/σ-1N；

0<qf<1;qf随材料强度增高而增大。第34页，共41页，2023年，2月20日，星期四五、疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值1、疲劳裂纹扩展速率(da/dN):

疲劳裂纹亚稳扩展阶段的速率。针对疲劳过程的第Ⅱ阶段。(3)固定r及Δσ；

(4)一定的N对应一定的a，直到断裂；（N，a）

(5)N-a曲线2、裂纹长度a和循环周次N的关系曲线：

(1)试样（TPB或CCT或CT）；

(2)疲劳裂纹长度测量装置；第35页，共41页，2023年，2月20日，星期四五、疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值3、疲劳裂纹扩展速率：

da/dN4、应力强度因子幅(ΔKⅠ)：

ΔKⅠ=Kmax-Kmin

=Yσmax√a-Yσmin√a=YΔσ√a5、da/dN-ΔKⅠ（lgda/dN-lgΔKⅠ）将a-N曲线上各点的da／dN

值用图解微分法或递增多项式计算法计算出来;

利用应力强度因子幅(ΔKⅠ)公式将相应各点的ΔKⅠ值求出，在双对数坐标系上描点连接即得

lgda/dN-lgΔKⅠ曲线。第36页，共41页，2023年，2月20日，星期四五、疲劳裂纹