材料的疲劳性能

材料的疲惫性能

一,本章的教学目的与要求

本章主要介绍材料的疲惫性能，要求同学把握疲惫破坏的定义和特点，疲惫断口

的宏观特征，金属以及非金属材料疲惫破坏的机理，各种疲惫抗力指标，例如疲

惫强度，过载长久值，疲惫缺口敏感度，疲惫裂纹扩展速率以及裂纹扩展门槛值,

影响材料疲惫强度的因素和热疲惫损伤的特征及其影响因素，目的是为疲惫强度

设计和选用材料建立基本思路。

二.教学重点与难点

1.疲惫破坏的一般规律（重点）

2.金属材料疲惫破坏机理（难点）

3.疲惫抗力指标（重点）

4.影响材料及机件疲惫强度的因素（重点）

5热疲惫（难点）

三.主要外语词汇

疲惫强度:fatiguestrength断口:fracture过载长久值：overloadoflastingvalue

疲惫缺口敏感度：fatiguenotchsensitivity疲惫裂纹扩展速率：fatiguecrackgrowth

rate裂纹扩展门槛值：thresholdofcrackpropagation热疲惫：thermalfatigue

四.参考文献

1.张帆，周伟敏.材料性能学.上海：上海交通高校出版社，2009

2.束德林.金属力学性能.北京：机械工业出版社，1995

3.石德珂，金志浩等.材料力学性能.西安：西安交通高校出版社，1996

4.郑修麟.材料的力学性能.西安：西北工业高校出版社，1994

5.姜伟之，赵时熙等.工程材料力学性能.北京：北京航空航天高校出版社，1991

6.朱有利等.某型车辆扭力轴疲惫断裂失效分析[J].装甲兵工程学院学报,201（）,24

（5）：78-81

五.授课内容

第五章材料的疲惫性能

第一节疲惫破坏的一般规律

1、疲惫的定义

材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为

疲惫。

2、变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。

变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值

分为：规章周期变动应力和无规章随机变动应力

3、循环载荷（应力）的表征

①最大循环应力：Omax

②最小循环应力：Omin

③平均应力：Om=（Ornax+Oinin）/2

④应力幅Oa或应力范BlA。：Ao=Omax-OminOa=Aa/2=（Omax-Omin）/2

⑤应力比（或称循环应力特征系数）：F=Omin/Omiix

5、循环应力分类

按平均应力、应力幅、应力比的不同，循环应力分为

①对称循环Om=（Omax+Omin）/2=0r=-1

属于此类的有：大多数旋转轴类零件。

②不对称循环

如：发动机连杆、螺栓

（a）Oa>Om>0,-1<r<0

（b）oa>0,om<0,r<-l

③脉动循环

Om=Oa>0,F=0（Omin=0）如：齿轮的齿根、压力容器。

Gm=Oa<0,r=CO（Omax=0）如：轴承（压应力）

④波动循环

Om>aa0<r<lOmin>0如：发动机气缸盖、螺栓。

⑤随机变动应力

应力大小、方向随机变化，无规律性。如：汽车、飞机零件、轮船。

二、疲惫破坏的特点

在变动载荷作用下，材料薄弱区域，渐渐发生损伤，损伤累积到肯定程度T

产生裂纹，裂纹不断扩展一失稳断裂。

特点：从局部区域开头的损伤，不断累积，最终引起整体破坏。

1、潜藏的突发性破坏，脆性断裂（即使是塑性材料）。

2、属低应力循环延时断裂（滞后断裂）。

3、对缺陷格外敏感（可加速疲惫进程）。

三、疲惫破坏的分类

1、按应力状态：弯曲疲惫

祖转疲惫

拉压疲惫

接触疲惫

复合疲惫

2、按应力大小和断裂寿命

N>105,6<6s高周疲惫一低应力疲惫

25

N=1O^1O,6>6S低周疲惫一►高应力疲惫

四、疲惫破坏的表征一疲惫寿命

五、疲惫断口的宏观特征

典型疲惫断口具有3个特征区：疲惫源疲惫裂纹扩展区瞬断区

1、疲惫源

疲惫裂纹萌生区，多消灭在零件衣而，与加工刀痕、缺口、裂纹、蚀坑等相

连。

特征：光亮，由于疲惫源区裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多。

疲惫源可以是一个，也可以有多个。如：单向弯曲，只有一个疲惫源；双向

弯曲，可消灭两个疲惫源。

2、疲惫裂纹扩展区（亚临界扩展区）

特征：断口较光滑并分布有贝纹线或裂纹扩展台阶。

贝纹线是疲惫区最典型的特征,是一簇以疲惫源为圆心的平行弧线，凹侧指

向疲惫源，凸侧指向裂纹扩展方向，近疲惫源区贝纹线较细密（裂纹扩展较慢）,

远疲惫源区贝纹线较稀疏、粗糙（裂纹扩展较快）。

贝纹线（海滩花样）

贝纹线区的大小取决于过载程度及材料的韧性，高名义应力或材料韧性较差

时，贝纹线区不明显；反之，低名义应力或高韧性材料，贝纹线粗且明显，范围

大。

名义载荷

依据额定功率用力学公式计算出作用在零件上的载荷。即机器平稳工作条件

下作用于零件上的载荷。

计算载荷二载荷系数*名义载荷

3、瞬断区

裂纹失稳扩展形成的区域

断口特征：

断口粗糙，脆性材料断口呈结晶状；韧性材料断口在心部平面应变区呈放射

状或人字纹状；表面平面应力区则有剪切唇区存在。

瞬断区一般在疲惫源对侧

瞬断区大小与名义应力、材料性质有关

高名义应力或脆性材料，瞬断区大；反之，瞬断区小。

其次节疲惫破坏的机理

一、金属材料疲惫破坏的机理

1、疲惫裂纹的萌生（形核）

第I阶段在循环应力作用下，裂纹萌生常在材料薄弱区或高应力区。通过不

均匀滑移或显微开裂（如其次相、夹杂物、晶界或亚晶界）等方式完成。

通常将长0.05-0.10mm的裂纹定为疲惫裂纹核，对应的循环周期N,为微裂纹萌

生期。

驻留滑移带：

在循环载荷作用下，即使循环载荷未超过材料屈服强度，也会在材料表面形

成循环滑移带一不均勺猾移，其与静拉伸形成的均匀滑移不同,循环滑移带集中

于某些局部区域，用电解抛光法也难以去除，即使去除了，再重新循环加载，还

会在原处再现。

不均匀滑移

驻留滑移带在表面加宽过程中，会形成挤出脊和侵入沟，从而引起应力集中，

形成疲惫微裂纹一形核（萌生）。

挤出和侵入模型

图5-7Cottrell和Hull的侵入和挤出模型

表面易产生疲惫裂纹的缘由

（1）在很多载荷方式下，如扭转疲惫，弯曲和旋转弯曲疲惫等，表面应力最大。

（2）实际构件表面多存在类裂纹缺陷，如缺口，台阶，键槽，加工划痕等，这

些部位极易由应力集中而成为疲惫裂纹萌生地。

（3）相比于晶粒内部，自由表面晶粒受约束较小，更易发生循环塑性变形。

（4）自由表面与大气直接接触，因此，假如环境是破坏过程中的一个因素，则

表面晶粒受影响较大。

2、疲惫裂纹的扩展-第II阶段

疲惫裂纹形核后，在室温及无腐蚀条件下

第I阶段属于微裂纹扩展

第II阶段呈穿晶扩展，扩展速率da/dN随N的增加而增大。

在多数韧性材料的第H阶段，断口用电子显微镜可看到韧性条带而脆性材

料中可看到脆性条带。

疲惫条带（辉纹）呈略弯曲并相互平行的沟槽状花样，与裂纹扩展方向垂

直0

与贝纹线不同，疲惫条带是疲惫断口的微观特征。

疲惫条带形成的缘由：

裂纹尖端的塑性张开，钝化和闭合钝化，使裂纹向前连续扩展疲惫裂纹的形

成与扩展模型。

韧性疲惫条带与脆性疲惫条带形貌

图5-9疲劳条带

（a）物性条格xi00。（b）晚件条带X60。

疲惫条带的形成模型（Laird-Smith模型）:

图5-10韧性城劳条曲形成过程本意图

疲惫条带的形成模型一再生核模型(F-R)

(a)

图5-11F-R再生核模型

M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

韧性条带与脆性条带的区分：

⑹

图5-12两种疲劳条带示意图

(a)韧性条带(b)脆性条带

二、非金属材料疲惫破坏机理

1、陶瓷材料的疲惫破坏机理

静态疲惫相当于金属中的延迟断裂，即在肯定载荷作用下，材料耐用应力随

时间下降的现象。

动态疲惫在恒定加载条件下，争辩材料断裂失效对加载速率的敏感性。

循环疲惫在长期变动应力作用下，材料的破坏行为。

陶瓷材料断口呈现脆性断口的特征。

2、高分子聚合物的疲惫破坏机理

⑴非晶态聚合物

a,高循环应力时，应力很快达到或超过材料银纹的引发应力，产生银纹，随后

转变成裂纹，扩展后导致材料疲惫破坏。

b、中循环应力也会引发银纹，形成裂纹，但裂纹扩展速率较低（机理相同）。

c、低循环应力，难以引发银纹，由材料微损伤累积及微观结构变化产生微孔及

微裂纹，最终裂纹扩展导致宏观破坏。

⑵结晶态高聚合物或低应力循环的非晶态高聚合物，疲惫过程有以下现象：

①整个过程，疲惫应变软化而不消灭硬化。

②分子链间剪切滑移，分子链断裂，结晶损伤，晶体结构变化。

③产生显微孔洞，微孔洞合并成微裂纹，并扩展成宏观裂纹。

④断口呈裂纹扩展形成的肋状形态，断口呈丛生簇状结构（拉拔）。

（3）高聚物的热疲惫

由于聚合物］粘标:性材料，具有较大面积的应力滞后环，所以在应力循环过程中，

外力所做的功有相当一部分转化为热能；而聚合物导热性能差，因此温度急剧上

升，甚至高于熔点或玻璃化转变温度，从而产生热疲惫。

热疲惫常是聚合物疲惫失效的主要缘由。因此疲惫循环产生的热量，使聚合物升

温，可以修补高分子、的微结构损伤，使机械疲惫裂纹形核困难。

⑷聚合物疲惫断口可观看到两种特征的条纹

A、疲惫辉纹

每周期的裂纹扩展10pm（间距）。

聚合物相对分子量较高时，在全部应力强度因子条件下，皆可形成疲惫辉

纹。

B、疲惫斑纹

不连续、跳动式的裂纹扩展，50pm间距

而相对分子量较低时，在较低应力强度因子时，易形成疲惫斑纹。

3、复合材料的疲惫破坏机理

（1）复合材料疲惫破坏的特点

a、多种疲惫损伤形式：界面脱粘、分层、纤维断裂、空隙增长等。

b、小发生瞬断，其疲惫破坏的标准与金属不同，常以弹性模量下降的白分数

1%-2%）,共振频率变化（1-2HZ）作为破坏依据。

c、聚合物基复合材料，以热疲惫为主，对加载频率感。

d、较大的应变引起纤维与基体界面开裂形成疲惫源（纤维、基体的变形量不同）

压缩应变使复合材料纵向开裂，故对压缩敏感。

e、复合材料的疲惫性能与纤维取向有关纤维是主要承载组分，沿纤维方向具有

很好的疲惫强度；而沿纤维垂直方向，疲惫强度较低。

对于复合材料，界面结合格外重要，由于：基体与纤维的E不同，变形量不同,

故界面产生很大的剪切应力。

第三节疲惫抗力指标

一、疲惫试验方法

试验设备：旋转弯曲疲惫试验机

试验方法用一组光滑试样，测量。一N曲线，即疲惫应力一疲惫寿命曲线。

试验标准GB4337—84

旋转弯曲疲惫试验机：

图5-15旋转弯曲疲劳试验机装置图

临界值。一1材料的疲惫强度

o>a-i有限循环

o<o-i无限循环

金属材料的疲惫曲线有两类：

碳钢、低合金钢、球铁等有水平线

而有色合金、小锈钢、高强度的尢水平线取N=10%IO7或下的疲惫强度

T条件疲惫强度。

二、疲惫强度

在指定疲惫寿命下，材料能承受的上限循环应力。

指定的疲惫寿命：无限周次有限周次

1、对称循环疲惫强度

对称弯曲：0-1

对称扭转：工./

对称拉压：0-1P

2、不对称循环疲惫强度

不对称循环疲惫强度难以用试验方法直接测定。一般用工程作图法，由疲惫

图求出各种不对称循环应力下的疲惫强度。

AHB曲线上各点加水值即表示由r=-1-l个状态下的疲惫强度。

tga=刍"=—氾四一=二-

5〃bmax+bmin,+r

由此即可依据已知循环应力比r求出a值作图，在AHB上对应点的纵坐标

值即为相应的疲惫强度。

这种疲惫图也可以利用Gerber关系绘制

留意：上述疲惫图仅适合于脆性材料，对于塑性材料，应当用屈服强度os

进行修正。

5-18细性材料外。（。.）

一。^疲劳图E

3、不同应力状态下的疲惫强度

同种材料在不同应力状态下，相应的疲惫强度也不同，存在如下关系：

钢：o-iP=0.85o-i

铸铁：oip=0.65o-i

钢及轻合金：T-I=0.55O-I

铸铁：T-I=0.80O-I

同种材料的疲惫强度：o-i>o-iP>T-I

由于弯曲疲惫时，试样表面应力最大，只有表面层才产生疲惫损伤。而拉压

疲惫时，应力分布均匀，整个截面都可产生疲惫损伤，故扭转疲惫时,

切应力大，更简洁使材料发生滑移，产生疲惫损伤，故J最小。

4、疲惫强度与静强度间的关系

试验表明，材料的抗拉强度越大，其疲惫强度也越大。对于中、低强度钢，

J与。b大致成线性关系，a-i=0.5obo随着抗拉强度增大，材料的塑性、断裂韧

性降低，裂纹易于形成和扩展，疲惫强度降低。

阅历公式

结构钢：o-n>=0.23(Os+Oh)

O-I=0.27(GS+Ob)

铸铁：a-ip=0.4ob

o-i=0.45ob

铝合金：a-ip=l/6ob+7.5MPa

o-i=l/6ob-7.5Mpa

青铜：o-i=0.21Ob

三、过载长久值及过载损伤界

1、过载长久值

材料在高于疲惫强度的肯定应力下工作，发生疲惫断裂的应力循环周次称为

材料的过载长久值（有限疲惫寿命）。

表征了材料对过载疲惫的抗力，过载长久值可由疲惫曲线倾斜部分确定：曲

线倾斜度越大，长久值越高，表明材料在相同过载条件下能承受的应力循环次数

越多。

2、过载损伤界

试验证明，材料在过载应力水平下，只有运转肯定周次后，才会造成过我损

伤一疲惫强度、疲惫寿命才会降低，短时间过载并不会造成过载损伤。

把每个过载应力下运行能引起损伤的最少循环次数连接起来，就得该材料的

过载损伤界。

过载损伤界到疲惫曲线间的区域一过载损伤区。

材料的过载损伤区越窄，则抵制疲惫过载的力量越强（损伤界越陡）。所以,

工程上经常过载的零件，常选用疲惫损伤区窄的材料。

四、疲惫缺口敏感度

零件上的台阶、拐角、健槽、螺纹、油孔等结构，产生结构应力集中，作用

类似于缺口，会降低材料的疲惫强度、疲惫寿命。

疲惫缺口敏感度Kf-1

a,=-----------

跖一理论应力集中系数，可查《机械设计手册》,Kt>lo

Kf—疲惫缺口系数

明显，Kt>l,0<qf<1长=

JgN

当Kf=l时，qf=（）表明材料对缺口完全不敏感。qJf—

f

时，q.l表明材料对缺口格外敏感。Kt-1

结构钢：qf=0.6-0.8,敏感度高

球铁：qf=0.11-0.25

灰铸铁:qf=0-0.05,不敏感

五、疲惫裂纹扩展速率及扩展门槛值

1、扩展速率是指疲惫裂纹亚稳扩展阶段的速率（第n阶段）。

2、试验测定

利用三点弯曲切口试样或中心裂纹试样或紧凑拉伸试样。在固定应力比r及

应力幅/〃下进行疲惫试验。通过疲惫裂纹长度测量装置，测出每肯定循环周次

N对应的裂纹长度a,宜到试样断裂为止。

作出a-N曲线，如图，疲惫裂纹扩展曲线

A(yi>A(y\

由图可见，在肯定循环应力条件下，裂纹长度。是不断扩展的，疲惫裂纹扩

展速率da/dN也是不断增加的。当〃达到々时，da/dN无限增大，裂纹将失稳

扩展。

因此，da/dN不仅与裂纹长度a有关,还与应力水平有关。

当应力增加时，da/dN增大,a—N曲线向左上方移动，公相应减小

引入应力强度因子幅/K/的概念：

△5=(“ax-1而=町皿泼-丫%右=

建立da/dN—/K/曲线,并在双对数坐标上描绘，如图:

收AK

I区：相当于疲惫裂纹的初始扩展阶段，da/dN很小，约10-8〜]0%]向周次，从

AKh开头，随着AKi增加,da/dN快速增大

II区：是疲惫裂纹扩展的主要阶段，da/dN约为炉〜]0^3周次，jg(da/dN)

与IgAKi呈线性关系，

可用：da/dN二C(AKi)n表示

---------Paris公式

C、n为材料常数。

IH区：是疲惫裂纹扩展的最终阶段，da/dN值很大。并AKi增加而急剧增大，很

快导致裂纹失稳扩展。

AKh处da/dN=O,即裂纹不会扩展,只有Ki>AKh时，da/dN>Oo因此,AKh

称疲惫裂纹扩展门槛值，表征材料阻挡疲惫裂纹开头扩展的力量。

△Kh与CM的区分：

8代表光滑试样的无限寿命疲惫强度，适用于无裂纹零件设计、校核依据。

AKh代表裂纹试样的无限寿命疲惫强度，适用于含裂纹零件的设计和校核。

因此，含裂纹零件不发生疲惫断裂无限寿命)的条件•：

利用公式：

A/C,=Y\cr4a<\Kth

1、已知裂纹件的原始裂纹长度。和材料的疲惫门槛值/Ke可求得该零件在无

限疲惫寿命时的承载力量:

4K卜

ACT<t

Y4^

用该式算出的A。值明显远低于光滑试样的疲惫强度Q-Io

2、已知裂纹零件的工作载荷，材料的AKh,该零件无限疲惫寿命时，允许

的裂纹斥口二1I?

a2

Y[A<TJ

△Klh很难由试验直接测得，工程上常规定在平面应变状态下，da/dN=10-6〜

1()-7mm/周次时对应的AKi为AKh—称为条件疲惫裂纹扩展门槛值。

大多数金属材料的AKh值很小，约为5%〜10%K【c

如钢:AKth<9MPam,2,

铝合金:△KthaMPam"2

留意Paris公式仅适用于低应力，低扩展速率da/dN<10'mm/周次和较长寿

命ND104状况。

依据Paris公式，可以对零件的剩余疲惫寿命进行估算。

可先用无损伤法测出零件的初始裂纹长度。。、外形、位置和取向，以确定AKi

的值，再依据材料的断裂韧度AKic及名义工作应力A。，确定临界裂纹长度

最终用积分法算出剩余疲惫寿命：

第四节影响材料疲惫强度的因素

一、工作条件的影响

1、载荷条件

①应力状态，平均应力，应力比

②在过载损伤区内的过载，会降低材料的疲惫强度、疲惫寿命

③次载熬炼材料尤其金属在低于疲惫强度的应力循环肯定周次后称为次我熬

炼。

‘次载应力越接近材料的疲惫强度，次载循环周期越长，熬炼效果越好。

新机器经次载熬炼，既跑合，又延长疲惫寿命。

④间歇效应：试验表明，对应变时效材料，在循环加载运行过程中，若间歇空

载一段时间或间隙时适当加温，可提高疲惫强度，延长寿命。

⑤载荷频率：在肯定频率范围内（170-1000HZ）,材料的疲惫强度随加载频率

的增加而提高；在常用频率范围内50〜170Hz，材料的疲惫强度不受频率变化

影响；低于1HZ的加载，降低。

2、温度

温度降低，疲惫强度上升（与静强度相像）；反之，疲惫强度降低。

如结构钢在4（）0℃以上时，疲惫强度急剧下降；耐热钢在550-650℃以上时,

疲惫强度明显下降。

留意高温时材料的疲惫曲线无水平段一条件疲惫强度

3、腐蚀介质

腐蚀介质的作用使材料表面产生蚀坑，而降低材料的疲惫强度，导致腐蚀疲

惫。

一般腐蚀疲惫曲线无水平段（低应力下也产生疲惫断裂）一条件疲惫强度

二、表面状态及尺寸因素的影响

1、表面状态

a、零件表面质量，对疲惫强度寿命影响很大，表面粗糙度3o-il>N：

b、另外，使零件表面产生残余压应力层（氮化、喷丸等工艺），可显著提高疲惫

强度与寿命。

2、尺寸因素

尺寸效应：零件尺寸增大（三向拉应力状态），疲惫强度下降。

尺寸效应系数£=（0-1）11/0-1

三、表面强化及残余应力的影响

表面强化：喷丸和滚压

表面淬火

化学热处理

1、表面喷丸及滚压

喷丸过程就是将大量弹丸喷射到零件表面上的过程，有如很多小锤对表面锤

击，因此，金属零件表面产生极为猛烈的塑性形变，使零件表面产生肯定厚度的

冷作硬化层，称为表面强化层，此强化层会显著地提高零件的疲惫强度。

可使金属表面形变强化，并在塑性变形层内产生残余压应力，既提高了表层材料

强度，又能降低表层材料的工作时的拉压力；同时可降低缺口应力集中系数和疲

惫缺口敏感度，提高材料的疲惫抗力。

表面滚压技术是在肯定的压力下用短轮、滚球或者辐轴对被加工零件表面进

行滚压或者挤压，使其发生塑性变形，形成强化层的工艺过程。

外形简洁的大尺寸零件T滚压强化

外形简单的零件一喷丸强化

2、表面热处理和化学热处理

表面淬火：外硬内韧组织

化学热处理：氮化，外硬内韧，残余压应力层

3、复合强化

渗氮+表面淬火，渗氮+喷丸，表面淬火+喷丸

例如：

某型车俩扭力轴在服役过程中经常发生早期断裂失效，失效部位位于扭力轴的端

部四周，如图1所示。出力轴是该型车辆行动部分减震装置中的主要零件，当车

辆行驶在起伏不平的路面或者遇到障碍时，平衡肘以其轴为圆心产生摇摆，使

装配在平衡肘中的扭力轴承受扭矩，扭力轴通过充分扭转吸取和释放能量，以

达到缓冲和减震的目的。因此在车辆行驶过程中，扭力轴经常在大应力、大应变、

冲击和交变扭矩载荷作用下工作，简洁发生疲惫断裂。扭力轴材料为45crNMioVA

钢。为优化扭力轴的减震性能，提高其抗疲惫性能，制造中接受了淬火+中温回

火热处理和表面滚压强化处理。

四、材料成分及组织的影响

1、合金成分

工程材料中，结构钢的疲惫强度最高8Ho.50b

结构钢中碳是影响疲惫强度的重要因素，既有间隙固溶强化作用，乂有弥散

强化作用（碳化物），提高材料的形变抗力、疲惫强度。

在肯定范围内，随着含碳量增大，疲惫强度增大（固溶强化，弥散强化作用

增大），但含碳量太大，钢的脆性增大，8降低。

2、非金属夹杂物及冶金缺陷

a、脆性夹杂物（ALO3,硅酸盐）在钢中易萌生疲惫裂纹，降低疲惫强度。

b、冶金缺陷（气孔、缩孔、偏析、白