武理工材料力学性能课件第5章 金属的疲劳

第五章

金属的疲劳

引言

§5.1金属疲劳现象及特点

§5.2疲劳曲线及疲劳性能

§5.3疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值

§5.4疲劳过程及机理

§5.5影响疲劳强度的因素

§5.6低周疲劳

§5.7其他类型疲劳1引言

材料构件在变动应力和应变的长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂的现象——疲劳。

疲劳属低应力循环延时断裂，其断裂应力水平往往<σb，甚至<σs；不产生明显的塑性变形，呈现突然的脆断。

∴疲劳断裂是一种非常危险的断裂。

∴工程中研究疲劳的规律、机理、力学性能指标、影响因素等，就具有重要的意义。2§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

平均应力σm=1/2（σmax+σmin）

应力幅σa=1/2（σmax-σmin）

应力比γ=σmin/σmax

（2）循环应力的种类（SeeFig5－2/P108）

对称交变；脉动；波动；不对称交变应力。3二、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（Nf＞105周次）,因断裂应力低（<σs

），所以也叫低应力疲劳。低周疲劳（Nf

{102~105}周次），由于断裂应力水平高，≥σs，往往伴有塑性变形，故称为高应力疲劳（或应变疲劳）。

（4）按破坏原因机械疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳。42、特点

（1）断裂应力<σb，甚至<σs；

（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。5三、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）67

1、疲劳源

裂纹的萌生地；裂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。

随应力状态及其大小的不同，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。返回8§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（σ~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、σ~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σ-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。9二、疲劳极限

1、对称疲劳极限

循环载荷，一般取周期N=107。

σ-1，τ-1，σ-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：σ-1p=0.85σ-1，铸铁σ-1p=0.65σ-1

铜及轻合金：τ-1=0.55σ-1，铸铁τ-1=0.8σ-1

σ-1>σ-1p>τ-1103、疲劳极限与静强度之间的关系

钢：σ-1p=0.23（σs+σb）

σ-1=0.27（σs+σb）

铸铁：σ-1p=0.4σb

σ-1=0.45σb

铝合金：σ-1p=σb/6+7.5(MPa)

σ-1p=σb/6-7.5(MPa)

114、不对称循环疲劳极限（σr）利用已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σa~平均应力σm图

y轴上的边界点为0和σ-1

x轴上的边界点为0和σb

将σmax分解成不同应力比r时的σa和σm，作图。

运用时，已知r，σr=σa+σm。12（2）σmax~σm

图

y轴上的边界点为σ-1和-σ-1，x轴则同前图。

σmax=σb

，利用不同的应力比r来作图。若为韧性材料σmax=σ0.2

（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σb

，σ-1，σ0.2和r，求得σr。13三、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。

疲劳曲线倾斜部分越陡直，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。14四、疲劳缺口敏感性疲劳缺口敏感度q0<q<1

Kt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，

σ-1和σ-1N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上升。返回15§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σa；

σ2>σ1

作a~N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。16二、疲劳裂纹扩展速率

1、引入断裂韧度的概念

△K=Kmax-Kmin=Y△σα1/2

每一次小扩展，便认为是一次断裂过程。

2、lg(da/dN)~lg△K曲线

17

3、曲线分析

I区（初始段）

△K≤△Kth

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18

4、疲劳裂纹扩展门槛值定△Kth为门槛值单位MN·m-3/2或MPa·m1/2△K≤△Kth,裂纹不扩展。

△Kth不好测定。

规定，平面应变条件下，da/dN=10-6~10-7mm/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↑。19三、疲劳裂纹扩展寿命的估算常选用paris公式。

da/dN=C(△K)n

c、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2~4之间变化。返回20§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0.05~0.1mm的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。21

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。22

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。

只有首先达到临界尺寸的裂纹核，才能继续长大。23二、疲劳裂纹扩展过程及机理

1、裂纹扩展的两个阶段

第一阶段

沿主滑移系，以纯剪切方式向内扩展；扩展速率仅.1μm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μm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。24252、疲劳裂纹扩展模型

（1）Laird塑性钝化模型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26（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。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。返回27§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。返回28§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、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。

总应变△εt=△εe+△εp

用△εt/2~N或△εp/2~N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。29二、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。

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。30

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、原因

决定于材料的初始状态，工件结构特性；应变幅，温度等。

σb/σs＞1.4循环硬化

σb/σs＜1.2循环软化

微观原因：位错的循环运动；相变强化；应力松驰。31三、低周疲劳的应变—寿命曲线低周疲劳的σ~N曲线，数据离散。

1、总应变幅△εt～N曲线

△εe/2～2Nf，△εp/2～2Nf

，△εt/2～2Nf，

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。32

2、△ε~N关系式曼森公式

断裂真实伸长率

曼森——柯芬关系式

△εpNfz=C

Z、C——材料常数

Z=0.2~0.7;C—0.5ef~1.0ef

用上述关系式可估算材料的低周疲劳寿命。

返回33§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。34

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

材料减小热膨胀系数，提高λ，均匀性，高温强度。

工件状况减小应力集中。

使用减小热冲击。35二、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。

Ak~N2、影响冲击疲劳的因素

小能量多冲击主要为强度