材料的疲劳性能

2026/4/27材料的疲劳性能

工程中很多机件都是在变动载荷下工作的，如曲轴、连杆、齿轮、桥梁……，它们的主要失效形式是疲劳断裂。据统计，疲劳破坏在失效中占80％以上！极易造成人身伤亡和重大经济损失。因此，我们必须研究材料在变动载荷下的力学响应、裂纹萌生和扩展的特性，借以评价材料的疲劳抗力，为工程结构设计、评价构件的疲劳寿命以及寻求改善工程材料的疲劳性能指标打下基础。本章主要介绍:金属疲劳的基本概念和一般规律。疲劳失效的过程和机制。介绍估算裂纹形成寿命的方法。2026/4/27

第一节疲劳破坏的一般规律一、疲劳破坏的变动应力疲劳：工件在变动载荷和应变长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象。

变动载荷是指载荷的大小、甚至方向都随时间变化的载荷，其单位面积上的平均值称为变动应力。规则周期变动应力（循环应力）无规则随机变动应力2026/4/27图5－1变动应力示意图应力大小变化应力大小、方向都变化变动应力如图5－1所示。应力大小、方向无规则变化

生产中机件正常工作时，其变动应力多为循环应力，实验室也容易模拟，所以研究较多。2026/4/271.轴对称循环应力，σm=0，r=-1大多数轴类零件，通常受到交变对称循环应力的作用；这种应力可能是弯曲应力、扭转应力、或者是两者的复合。

t图5-2循环应力的类型σr=–1r=–∞

r=00<r<1r<02026/4/27

2.不对称循环；σm≠0，连杆、螺栓.结构中某些支撑件受到这种循环应力-大拉小压的作用。t图5-2循环应力的类型σr=–1r=–∞

r=00<r<1r<02026/4/273.脉动循环；r=0，r=-∞，齿轮的齿根和某些压力容器受到这种脉动循环应力的作用。

4.波动循环；σm>σa，0<r<1，飞机机翼下翼面、钢梁的下翼缘以及预紧螺栓等，均承受这种循环应力的作用。2026/4/27

图5－4正弦波循环应力特征参数周期T

max

min

m

a

a循环应力波形有正弦波、矩形波、三角波等，其中常见的为正弦波，如图5－4所示。几个力学参量：平均应力：应力幅：应力比：t周期：T最大应力：

max

最小应力：

min

2026/4/27二、疲劳破坏本质和特点

1．疲劳破坏的本质

疲劳破坏的过程是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累积、开裂，当裂纹扩展到一定程度后发生突然断裂的过程，是一个从局部区域开始的损伤累积，最终引起整体破坏的过程。σ－1<<σb2026/4/272、疲劳现象分类按应力状态弯曲疲劳扭转疲劳拉压疲劳复合疲劳按环境情况大气疲劳腐蚀疲劳高温疲劳接触疲劳热疲劳2026/4/27按断裂寿命和应力大小高周疲劳低周疲劳Nf≥105

≤

s

Nf=102~105

s≤

高周疲劳断裂寿命长，无变形。低周疲劳断裂寿命短，应力高。疲劳寿命：机件疲劳失效前的工作时间。2026/4/273.疲劳断裂的特点：(1)疲劳是低应力循环延时断裂。其应力水平往往低于材料的屈服强度或抗拉强度，应力高时寿命短，应力低时寿命长。当应力低于材料的疲劳极限时，寿命可达无限长。(2)疲劳是脆性断裂。一般疲劳的应力水平低于材料的屈服强度，所以不管是韧性材料还是脆性材料，疲劳断裂前不会发生塑性变形，因此危害性极大。2026/4/27(3)疲劳对缺陷十分敏感。疲劳破坏从局部开始，对缺陷具有高度的选择性。缺口和裂纹产生应力集中，组织缺陷（夹杂、疏松、白点等）降低材料的局部强度，二者都会加快疲劳破坏的形成和发展。(4)疲劳断裂也是裂纹萌生和扩展的过程。由于应力水平低，裂纹扩展缓慢，断口有明显的疲劳源和扩展区，也有一般脆性断口的放射线等。2026/4/27三、疲劳断口的宏观特征包括疲劳源、疲劳区、瞬断区疲劳源：比较光亮，有加工硬化现象，可以有多个，与夹杂、缩孔、偏析、白点等相连，常和缺口、裂纹、刀痕、蚀坑有关。

2026/4/27疲劳区：断口光滑，有贝纹线和裂纹扩展台阶，低应力或高韧性材料贝纹线粗且明显，疲劳区是裂纹亚稳扩展形成的，该区是判断疲劳断裂的重要依据。其宏观特征是：断口比较光滑且分布有贝纹线，有时还有裂纹扩展台阶。断口光滑是疲劳区的延续，其光滑程度随裂纹向前扩展逐渐减弱。瞬断区疲劳区疲劳源2026/4/27

贝纹线是疲劳区最重要的特征，一般认为它是由载荷变动引起的，使裂纹前沿留下了弧状的台阶痕迹。贝纹线是一簇几乎平行的弧线，其凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向。贝纹线之间的间距不同，越靠近疲劳源贝纹线越密，表示裂纹扩展较慢，远离疲劳源贝纹线稀疏，表示裂纹扩展较快。当有几个疲劳源时，可以根据疲劳源区的光亮程度和贝纹线的密度判断疲劳源产生的顺序。源区光亮度越大、贝纹线越多越密者，其疲劳源就越先产生。2026/4/27瞬断区疲劳区疲劳源瞬断区：脆性材料断口呈结晶状，韧性材料呈放射状，或人字纹状，有剪切唇。一般位于疲劳源的对侧。瞬断区是裂纹最后失稳扩展形成的区域。随着应力的不断循环，裂纹扩展达到临界尺寸时就发生了失稳扩展导致断裂。瞬断区比较粗糙，脆性材料，区域为结晶状；韧性材料，中间为放射状，边缘部分为剪切唇。瞬断区大小与材料和应力有关－材料韧性差、应力高，则瞬断区大，反之小。2026/4/27（一）疲劳曲线和疲劳极限四点弯曲实验机。r=-1,平均应力σm=0,对称循环，在0.4～0.67σb内选择应力。S表示最大应力值，N表示经历的循环周次，σ－1表示疲劳强度，有色合金无水平线，有限寿命N=106~8下的条件疲劳强度。图5－6图5－5一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限第二节疲劳曲线及基本疲劳力学性能2026/4/27（二）疲劳曲线的测定

大量的试验表明，金属的疲劳曲线有两种类型：一种是有水平线段的疲劳曲线，如图5－7(a)所示，一般的结构钢和球墨铸铁就是这种曲线。另一种是无水平线段的疲劳曲线，如图5－7(b)所示，有色金属、不锈钢、高强度钢是此种曲线。图5－7两类不同的疲劳曲线σ循环周次N循环周次Nσ(a)有水平线段(b)无水平线段σ1σ2σ3σ4σRσ5107N1N2N3N4NσN2026/4/27

1

2

3

4

5

6

1

2

34

567

8

9

1011

121314图5－8升降法测定疲劳极限示意图一是用成组实验法测定高应力部分,然后拟合。二是采用升降法测定材料的条件疲劳极限。从略高于预计疲劳极限的应力水平开始，逐渐降低，整个试验在3～5个应力水平下进行，如图5－8所示。

原则是：凡前一个试样达不到规定的循环周次就断裂(用

表示)，则后一个试样就在低一级应力水平下进行试验；若前一个试样在规定循环周次下仍然未断(用表示)，则后一个试样就在高一级应力水平下进行，如此得到13个以上的有效数据。将出现第一对相反结果(图中3和4点)以前的数据舍去(图中1和2点)，余下的为有效数据。2026/4/27疲劳极限的计算公式：式中：m－有效试验总次数(断与未断均包括在内)；n－应力水平级数；Vi－第i级应力水平下的试验次数；

i－第i级应力水平。2026/4/27580546519492464

1

42

637

9

1110

125

图5-940CrNiMo钢的升降图8

13例：图5-9所示为40CrNiMo钢调质处理试样用升降法测定的试验结果，计算其疲劳极限。(MPa)此题中，m=13，n=4，故

r=1/13(2×546＋5×519＋5×492＋1×464)=508MPa解：2026/4/27测定时注意两个问题：

第一级应力水平要略高于预计的疲劳极限。对于钢材，

r≈0.45～0.5

b，建议取

1＝0.5

b。应力增量

一般为预计疲劳极限的3％~5％，钢材取

=(1.5%~2.5%)

b。

评定升降图是否有效，可依据以下两条来进行：A.有效数据点必须大于13个；B.

和

的比例大体上各占一半2026/4/27(三)不同应力状态下的疲劳强度σ－1P对称抗拉压疲劳强度，τ－1对称扭转疲劳强度，σ－1对称弯曲疲劳强度。同种材料铸铁钢及轻合金钢图5－122026/4/27（四）疲劳强度与静强度间关系

中低强度钢结构钢铸铁铝合金青铜2026/4/27二、疲劳图和不对称循环疲劳极限1.σa-σm疲劳图以σa为纵坐标，σm为横坐标。在不同应力比r条件下，将疲劳极限σr=σmax,σmin=rσmax分解为σa和σm，并在该坐标系中做ABC曲线，即为“σa-σm疲劳图”。2026/4/27图中A点：σm=0，r=-1，σa=σ-1；

C点：σm=σb

，r=1，σa=0；ABC曲线其余各点的纵横坐标各代表每一应力比下的疲劳极限之σa和σm，

σr＝σa+σm。在ABC曲线上任取一点B和原点O连线，其几何关系为：2026/4/27因此，如果知道应力比r，将其代入上式，即可得到tgα和α，而后从坐标原点引直线，令其和横坐标的夹角等于α值，该直线交于ABC，交点B便是所求的点，其纵横坐标之和即为相应的的疲劳极限。图中的E为脉动循环的疲劳极限σ0，将r＝0代入上式，得，tgα＝（1－0）／（1+0）＝1，α＝45º因此，过原点O做45º角得直线交于ABC线，交点E的纵横坐标之和即为σ0。2026/4/27常用的ABC曲线的数学解析式：Geber公式Goodman公式Soderberg公式根据此关系式，可根据材料的和（），绘制疲劳图。2026/4/272.σmax(σmin)-σm疲劳图纵坐标以σmax和σmin表示，横坐标以σm表示。然后将不同r下的疲劳极限，分别以σmax、σmin和σm绘于坐标系中，就形成这种疲劳图。其中AHB曲线就是在不同r下的疲劳极限σmax。而AEC就是同样条件下的σmin。图5－1045º2026/4/27图5－10B点：σm＝0，r=-1,σa=σ-1=σmax属对称循环A点：σm＝σb，r=1,σa=0属静拉伸状态α=45º45º2026/4/27(a)一般金属材料，无论何种处理状态，其疲劳极限σ－1＝0.3－0.5σb，总低于静载下的屈服强度。(b)有缺口疲劳极限一定比无缺口旋转弯曲疲劳极限低10％一25％。(c)完全对称循环与不对称应力循环相比，σ－1是最低的疲劳强度，而应力比r越大可承受的最大应力σmax越高，或者在相同的σmax情况下，疲劳寿命越长。2026/4/27

对于韧性材料，σs取代σb（图5－11）。（可不讲）有人通过试验指出，右图中BP线与纵轴的交角为55º。取OB=OC=σ-1，过B点取θ≈55º作直线BP，和σmax＝σ0.2的水平线相交于P，再取PQ＝QR得R点，连接AR及RC，即得塑性材料σmax(σmin)-σm疲劳图。σ0表示脉动循环（σmin＝0，r＝0）下的疲劳极限。图5－112026/4/27

三、过载持久值及过载损伤界研究意义：过去人们一直认为，承受交变载荷作用的机件按

-1确定许用应力是安全的，但是没有考虑特殊情况。实际上，机件在服役过程中不可避免地要受到偶然的过载荷作用，如汽车的急刹车、突然启动等。还有些机件不要求无限寿命，而是在高于疲劳极限的应力水平下进行有限寿命的服役。在这些情况下，仅依据材料的疲劳极限是不能全面准确评定材料的抗疲劳性能的，所以我们要了解过载持久值和过载损伤界。2026/4/27

过载持久值

r

N图5－13过载持久值

金属材料在高于疲劳极限的应力下运行时，发生疲劳断裂的循环周次称为材料的过载持久值图中曲线高应力部分

，也称有限疲劳寿命，它表征了材料对过载的抗力。

曲线越陡，过载持久值越高，说明材料在相同的过载荷下能承受的应力循环周次越多，材料的抗过载能力越强。2026/4/27

过载损伤界曲线

是先期已经发生过载试样的结果。金属机件经受短期过载，但应力循环周次还未达到过载持久值，试样先在高于条件疲劳极限的应力下运转一定周次，再在过载持久值下继续实验并测出疲劳寿命，如果不影响疲劳寿命，说明尚未达到过载损伤界，若疲劳寿命缩短，说明已造成了疲劳损伤。2026/4/27

通过反复实验便可确定某一过载水平下，开始降低疲劳寿命的应力循环周次。继续在别的过载应力下实验，确定过载损伤点，将其连接起来就得到了过载损伤界，如图5－13所示。过载损伤界越陡直，过载损伤区越窄，说明材料的抗过载能力越强。工程上有时宁可选疲劳极限低而过载损伤区窄的材料以保安全。

N图5－13过载损伤界和过载持久值

r

过载损伤界过载持久值过载损伤区

过载损伤区

2026/4/27

机件由于使用的需要，常带有台阶、健槽、油孔、螺纹等类似于缺口的结构，会改变应力状态，产生应力集中。金属材料在交变载荷下的缺口敏感性用疲劳缺口敏感度qf来表示：式中：Kt－理论应力集中系数，可从有关手册中查到；Kf－疲劳缺口系数，>1，

-1为光滑试样的疲劳极限，

-1N为缺口试样的疲劳极限。四、疲劳缺口敏感度132026/4/27qf越大对缺口越敏感，高强度钢对裂纹敏感，因为无塑性变形释放应力；曲率半径越大越敏感，因为r越大相当于裂纹长度越接近或者超过裂纹临界扩展尺寸ac。2026/4/27当Kf＝1时，qf＝0，对缺口完全不敏感；

当Kf＝Kt

时qf＝1，对缺口十分敏感。

结构钢，qf＝0.6-0.8，球铁qf＝0.11-0.25，灰铁qf＝0-0.05。（铸铁中石墨片尺寸一般大于临界裂纹扩展尺寸，再有缺口影响不大）2026/4/27第三节疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值一、疲劳裂纹扩展曲线

疲劳裂纹扩展速率是指疲劳裂纹亚稳扩展阶段的速率。

通过三点弯曲切口试样TPB或紧凑拉伸试样CT在固定r和应力幅Δσ下由试验测定长度，绘制a～N曲线，求导确定da/dN。应力越大，裂纹扩展越快，a～N曲线越向左上方移动。aNσ2σ1σ2>σ1ac2ac1da/dN图5－15疲劳裂纹扩展曲线2026/4/27绘制lg（da/dN）－lg△K1

关系曲线

I区为近门槛区：裂纹扩展速率随着△KI的降低而迅速降低，以至da／dN→0。（书中5-17、5-18、5-21横坐标刻度应是对数值）与此相对应△KI值称为疲劳裂纹扩展门槛值，记为△Kth。图5－16da/dN～

K的关系曲线当△K1≤△Kth

时，对应于da／dN＝10-8-10-6m／cycle。二、疲劳裂纹扩展速率（一）疲劳裂纹扩展速率曲线Ⅲ区

da/dNlg

KⅠ区

Ⅱ区

Kth2026/4/27II区为中部区或稳态扩展区裂纹扩展速率在logda/dN-log△KI

双对数坐标上呈一直线。

da／dN＞10-5-10-2m／cycle,III区为裂纹快速扩展区并随着△KI的增大而迅速升高。当△

KI=KIC

时，试件或零件断裂。图5－17各种钢的疲劳裂纹扩展速率的分散带2026/4/27（二）疲劳裂纹扩展的影响因素1.应力比r和平均应力σm的影响

σa一定，由于压应力使裂纹闭合，不会扩展。所以

r>0、

m>0,r随σm增加而增大。

随r和

m的增加，曲线向左上方移动，且对Ⅰ区和Ⅲ区的影响较大，从而使da/dN提高，

Kth降低。图5-18应力比对疲劳裂纹扩展速率的影响2026/4/272.过载峰及塑性区的影响裂纹长度

循环周次

图5－19过载峰对裂纹扩展的影响表示峰值载荷无峰值载荷实际机件在工作时很难是一直恒载的。实验表明，在恒载裂纹扩展期间，适当的过载峰会使裂纹扩展减慢或停滞一段时间，即所谓的过载停滞，如图5－19所示。2026/4/27图5－20过载在裂纹尖端形成塑性区停滞原因可用裂纹尖端塑性区的残余压应力影响来说明。如图5－20所示，过载拉应力产生较大塑性区，此塑性区会产生残余压应力，这将使裂纹提前闭合，使

Kth减小，da/dN降低，这称为裂纹闭合效应。当疲劳裂纹扩展使裂纹尖端走出大塑性区后，应力恢复正常，裂纹扩展也恢复正常。生产实际中，一定的软相铁素体分布于马氏体基体上会增大裂纹的闭合效应，使材料的疲劳寿命明显提高。2026/4/273.材料组织的影响热处理对ΔKth值的影响主要体现在回火，高温回火的组织韧性好，ΔKth值较高。低温回火的组织强度高，塑、韧性差，ΔKth低。中温回火介于两者之间。下图是300M钢的疲劳裂纹扩展速率曲线。图5－212026/4/27

Kth和

-1都是表示材料无限寿命的疲劳性能，但二者有所不同：

-1表示的是光滑试样的无限寿命疲劳强度，用于传统的疲劳强度设计和校核；而

Kth是裂纹试样无限寿命疲劳性能，适用于裂纹体的设计和校核。

三、疲劳裂纹扩展寿命的估算2026/4/27疲劳剩余寿命（书中有例题）探伤获得a0，断裂韧性公式求得ac，由paris公式求得下式：

当n＝2时，2026/4/27例题：某汽轮机转子的σ0.2=672MPa；KIc=34.1MPa∙m1/2；da/dN=10-11×(ΔK)4.工作时，因启动或停机在转子中心孔壁得最大合成惯性应力σ0＝352MPa。经超声波探伤，得知中心孔壁附近有2a0＝8mm得圆片状深藏裂纹，裂纹离孔壁距h=5.3mm。如果此发动机平均每周启动和停机各一次，试估算转子在循环惯性力作用下的疲劳寿命。2026/4/27解答：1.计算KIQ裂纹形状参数。圆片裂纹a/c=1，查得Φ=2.46，求得Q=2.40因此2.计算裂纹临界尺寸2026/4/273.估算疲劳寿命Kmin=0时，2026/4/27第四节疲劳破坏的机理一、金属材料的疲劳裂纹萌生疲劳裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起：1）表面滑移带开裂；2）第二相、夹杂物和基体表面或夹杂物本身开裂；3）晶界或亚晶界开裂。⊥

⊥⊥

⊥

⊥

滑移面碳化物裂纹晶内碳化物开裂σσ图5－222026/4/27图5-24柯垂尔模型图5－23

图5-23挤出与浸入过程的形成可用柯垂尔交滑移模型来说明。如图5-24所示，拉应力的半周期内，取向最有利的滑移面上，位错源S1被激活，它增殖的位错滑移到表面在P处留下一个滑移台阶；随拉应力增大，另一滑移面上的位错源S2也被激活，它增殖的位错在Q处留下滑移台阶，与此同时，位错运动使滑移面错开，S1和P不再处于同一平面。2026/4/27图5-24柯垂尔模型在压应力的半周期，S1又被激活，位错反方向滑动，留下一个反向台阶P’，在P处形成一个“侵入沟”，S2和Q也不再处于一个平面，S2激活，位错反向运动，留下一反向滑移台阶Q’，形成一个“挤出脊”，此时又将位错源S1带回原位置与P处于同平面。这样，应力不断循环下去，“挤出脊”高度和“侵入沟”深度不断增加，宽度不变。2026/4/27这一模型从几何和能量上看是可能的，但它所产生的“挤出脊”和“侵入沟”是分别出现在两个滑移系统中，这与实际情况不大一样，实验中看到的“挤出脊”和“侵入沟”常常在同一滑移系统的相邻部位上。

从以上疲劳裂纹形成的机理看，只要能提高材料的滑移抗力，比如采用固溶强化、细晶强化等使屈服强度提高的手段，均可以阻止疲劳裂纹的萌生，提高疲劳抗力。2026/4/27二、疲劳裂纹的扩展第一阶段：裂纹沿着最大切应力扩展，存在解理花样，第二阶段：穿晶扩展阶段，拉应力区存在疲劳条带(韧性条带、脆性条带)。解理裂纹扩展方向韧性条带晶粒表面滑移裂纹剪切唇第二阶段失稳扩展第一阶段σ图5-25疲劳裂纹扩展的三个阶段2026/4/27

电镜分析表明：此阶段断口特征是具有略弯曲并相互平行的沟槽花样，称为疲劳条带（条纹、辉纹），它是扩展时留下的微观痕迹，每一条带可以视为一次应力循环的扩展痕迹，裂纹的扩展方向和条带垂直，如图5－26所示。a)韧性疲劳条带b)脆性疲劳条带注意，不可将疲劳条带与宏观疲劳断口上的贝壳状条纹相混淆。若在电子显微镜下观察贝壳状条纹，可以看出它是由很多疲劳条带组成的。图5－26疲劳条带2026/4/27此模型是Laird和Smith提出来的，因裂纹尖端的塑性张开钝化和闭合锐化，会使裂纹向前延续扩展，在每一循环开始时，应力为零，裂纹处于闭合状态(见图5-27(a))。当拉应力增大，裂纹张开，并在裂纹尖端沿最大切应力方向产生滑移(见图5-27(b))。塑性钝化模型(L-S模型)图5－272026/4/27拉应力增长到最大值、裂纹进一步张开，塑性变形也随之增大，使得裂纹尖端钝化(图5-27(c))，因而应力集中减小，裂纹停止扩展。卸载时，拉应力减小，裂纹逐渐闭合，裂纹尖端滑移方向改变(图5-27(d))。当应力变为压应力时裂纹闭合，裂纹尖端锐化，又回复到原先的状态(图5-27(e))。每加载一次，裂纹向前扩展一段距离，同时在断口上留下一疲劳条带。图5－272026/4/27再生核模型F—R此模型是Forsyth和Ryder提出的。（a）拉应力半周期内裂纹尖端形成空洞，再生核；（b）再生核裂纹与主裂纹桥接σσσσ图5－28F－R再生核模型2026/4/27工作条件表面状态及尺寸因素表面处理材料因素影响因素载荷条件载荷频率环境温度环境介质应力状态应力比过载情况次载情况平均应力尺寸效应表面粗糙度缺口效应表面喷丸及滚压表面热处理表面涂层化学成分组织结构各向异性内部缺陷第五节影响材料及机件疲劳强度的因素2026/4/27

一、工作条件的影响

1．载荷条件

①次载锻炼：材料在低于疲劳强度的应力先运转一定周次而使材料的疲劳强度提高的现象。右图为45＃钢经淬火、200℃回火后在0.9

－1应力锻练循环2×106周次后的疲劳曲线，明显向右上方移动，表明次载锻练既提高了疲劳极限，又延长了疲劳寿命。

图5－292026/4/27图5-30次载应力对铸铁σ－1的影响提高σ－1百分率3010次载应力MPa

次载锻炼周次

提高σ－1百分率030图5-31次载周次对铸铁σ－1的影响

次载锻练的效果和下列因素有关：次载水平越接近疲劳极限，锻练效果越明显，如图5-30所示。次载锻练的循环周次越长，其锻练效果越好，但达到一定周次后就不再提高，如图5-31所示。2026/4/27②间歇效应：对应变时效材料，在循环加载运行过程中，若间歇空载运行一定时间或适当加温而使材料疲劳强度提高的现象。实际机件工作时大都是非连续运行的，其

－1和实验室中连续加载的

－1相比有明显的差别，间歇是造成这种影响的主要原因。具有强烈应变时效的20＃、45＃及40Cr钢在循环加载运行中，若间歇空载一定时间后，可以提高疲劳强度和疲劳寿命。2026/4/27

图5－32为45＃钢每间歇5分钟再加载循环25000周次的疲劳曲线。和连续加载的曲线相比，间歇曲线向右上方移动了一定距离，表明间歇加载既提高了疲劳强度，也延长了疲劳寿命。循环周次Nσ图5－3245＃钢周期间歇对疲劳寿命的影响周期间隙5min连续试验2026/4/2727030033036039010010003001234

图5－33疲劳极限与频率的关系1－铬钢2－含C0.4％碳钢3－含Ni3.6%，含Cr12%钢4－含C0.2％钢

－1(Mpa)每秒循环周次(Hz)③载荷频率：在100～1000Hz之间，

－1随频率增加而提高，而在150Hz以下，

－1基本没有什么变化。通常疲劳试验机的载荷频率在10～150Hz之间，大多数材料的

－1比较稳定，变化在5％以下，一般不必考虑频率的影响。2026/4/27④应力比r=0.3r=0r=-0.3r=-1循环周次Nσ-1图5－34应力比对疲劳曲线的影响

它对疲劳强度的影响是不同的，如图5－34所示。2026/4/272.温度图5－35钢疲劳强度与温度的关系100200300400500600温度(℃)疲劳极限(Mpa)含C0.58％钢拉压含C0.16％钢扭转

温度对疲劳强度的影响规律为：对钢来讲，在200℃～400℃范围内疲劳极限会出现峰值，如图5－35所示。这种现象可能和钢的时效硬化有关。200℃400℃2026/4/27

耐热钢在550℃～650℃以上疲劳强度才会明显降低。当温度超过材料的再结晶温度以后，材料的失效方式转变为蠕变。一般来说，具有高蠕变强度的材料，其疲劳强度也高。高温时材料疲劳曲线没有水平线段，所以只能规定一定的循环周次去确定条件疲劳强度。2026/4/273．腐蚀介质：蚀坑降低疲劳强度具有腐蚀性的环境介质会使金属表面产生蚀坑缺陷，降低材料疲劳强度，产生腐蚀疲劳。腐蚀疲劳曲线无水平线段，不存在无限寿命的疲劳极限，只有条件疲劳极限。腐蚀疲劳极限与静强度

b之间不存在正比关系，所以不能用金属强化方法提高腐蚀疲劳强度。2026/4/274.表面状态：在循环载荷作用下，金属的不均匀滑移主要集中在金属表面，裂纹也常常在表面产生。表面的微观几何形状如刀痕、擦伤或磨削裂纹等都象小缺口一样产生应力集中使疲劳极限降低。表面粗糙度越低，疲劳极限越高；材料强度越高，粗糙度对疲劳极限的影响越显著。图5－362026/4/275.尺寸因素：机件尺寸对疲劳强度有较大影响，在弯曲、扭转载荷作用下影响更大。一般来说，随着机件尺寸的增大，疲劳强度下降——尺寸效应，其大小可用尺寸效应系数来表示：ε＝(

-1)d/

-1

式中：(

-1)d——直径为d的机件疲劳强度；

-1——小试样的疲劳强度。尺寸效应的原因在于：机件尺寸增大会增加机件表面的各种缺陷，从