材料与材料性能

概述《材料力学性能》第六章断裂韧性基础第五章金属的疲劳金属在循环载荷作用下，即使所受的应力低于屈服强度，也会发生断裂，这种现象称为疲劳。疲劳断裂，一般不发生明显的塑性变形，难以检测和预防，因而机件的疲劳断裂会造成很大的经济以至生命的损失。疲劳研究的主要目的：为防止机械和结构的疲劳失效。变动载荷是指载荷的大小、方向随时间变化的载荷，其单位面积上的平均值为变动应力。变动应力可分为周期变动应力（也称循环应力）和无规则随机变动应力。生产中机件正常工作时，其变动应力多为循环应力。变动载荷和循环应力第五章金属的疲劳图变动应力示意图a)应力大小变化b)、c)应力大小及方向都变化d)应力大小及方向无规则的变化变动应力第五章金属的疲劳循环应力的波形有正弦波、矩形波和三角波等。表征应力循环特征的参量有：最大循环应力σmax，最小循环应力σmin平均应力:σm=(σmax+σmin)/2应力幅或应力范围:σa=(σmax-σmin)/2应力比:r=σmin/σmax循环应力及其特征参量第五章金属的疲劳图循环应力的类型a)、e)交变应力b)、c)、d)重复循环应力对称交变应力σm=0,r=-1脉动应力σm=σa>0,r=0σm=σa<0,r=-∞波动应力σm>σa,0<r<1不对称交变应力-1<r<0

常见的循环应力第五章金属的疲劳疲劳现象及特点1.分类疲劳定义：机件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象。(1)按应力状态不同，可分为：弯曲疲劳、扭转疲劳、挤压疲劳、复合疲劳(2)按环境及接触情况不同，可分为：大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳(3)按断裂寿命和应力高低不同，可分为：高周疲劳、低周疲劳，这是最基本的分类方法第五章金属的疲劳高周疲劳特点：断裂寿命较长，Nf>105周次，断裂应力水平较低，σ<σs，也称低应力疲劳，一般常见的疲劳都属于此类。低周疲劳特点：断裂寿命较短，Nf=（104-105）周次，断裂应力水平较高，σ≥σs，往往有塑性应变出现，也称高应力疲劳或应变疲劳。第五章金属的疲劳

高周疲劳与低周疲劳疲劳特点（1）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至低于屈服强度。断裂寿命随应力不同而变化，应力高寿命短，应力低寿命长。当应力低于某一临界值时，寿命可达无限长。（2）疲劳是脆性断裂由于一般疲劳的应力水平比屈服强度低，所以不论是韧性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前不会发生塑性变形及有形变预兆，它是在长期累积损伤过程中，经裂纹萌生和缓慢亚稳扩展到临界尺寸ac时才突然发生的。因此，疲劳是一种潜在的突发性断裂。第五章金属的疲劳疲劳特点第五章金属的疲劳（3）疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感由于疲劳破坏是从局部开始的，所以它对缺陷具有高度的选择性。缺口和裂纹因应力集中增大对材料的损伤作用，组织缺陷（夹杂、疏松、白点、脱碳等）降低材料的局部强度，三者都加快了疲劳破坏的开始和发展。疲劳断口特征第五章金属的疲劳疲劳断口保存了整个断裂过程的所有痕迹，记载了很多断裂信息，具有明显的形貌特征，因此，对疲劳断口的分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的一种重要方法。典型的疲劳断口有三个特征区：疲劳源、疲劳裂纹亚临界扩展区、瞬断裂区（疲劳裂纹快速扩展失稳区）疲劳断口示意图第五章金属的疲劳典型疲劳断口第五章金属的疲劳疲劳源在断口上，疲劳源一般在机件表面，常与缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相连，由于应力集中引发疲劳裂纹。材料内部存在严重冶金缺陷时，因局部强度降低也会在机件内部产生疲劳源。第五章金属的疲劳疲劳区是疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域，该区是判断疲劳断裂的重要特征依据。宏观特征：断口比较光滑并分布有贝纹线（或海滩花样）。贝纹线是疲劳区的最大特征，一般是由载荷变动引起的，如机器运转时的开动和停歇。贝纹线圆心为疲劳源，一般情况下，贝纹线凸侧指向扩展方向。贝纹线离源区越近，间距越小。第五章金属的疲劳瞬断区瞬断区是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域。在疲劳裂纹亚稳扩展阶段，随着应力不断循环，裂纹尺寸不断长大，当裂纹长大到临界尺寸ac时，因裂纹尖端的应力场强度KI达到材料的断裂韧度KIC，则裂纹失稳快速扩展，导致机件最后瞬时断裂。宏观特征：断口比疲劳区粗糙。脆性材料为结晶状断口。韧性材料在边缘区为剪切唇。第五章金属的疲劳疲劳源区的宏观特征及位置判别疲劳源区一般位于零件的表面或亚表面的应力集中处，由于疲劳源区暴露于空气与介质中的时间最常，裂纹扩展速率较慢。同时，在不同高度起源的裂纹在扩展中相遇，汇合形成辐射状的条纹或台阶。因此，疲劳源区一般具有如下特征：氧化或腐蚀较重，颜色较深；断面平坦、光滑、细密，有些断口可以看到闪光的小刻面；有向外辐射的放射台阶或条纹；在源区虽看不到疲劳弧线，但疲劳弧线以源区为中心。第五章金属的疲劳疲劳曲线和对称循环疲劳曲线疲劳曲线疲劳曲线：是疲劳应力与疲劳寿命的关系曲线，即S-N曲线，是确定疲劳极限、建立疲劳应力判据的基础。1860年，维勒（Wöhler）在解决火车轴断裂时，首先提出了疲劳曲线和疲劳极限的概念，所以后人也称该曲线为维勒曲线。第五章金属的疲劳图几种材料的疲劳曲线合金钢wc0.47%碳钢铝合金灰铸铁1041051031061071081090204060应力σmax/10MPa循环周次/次高应力段和低应力段，高应力段寿命短，低应力段寿命长。应力水平下降，断裂循环周次增加。疲劳曲线第五章金属的疲劳对于一般具有应变时效的金属材料，如碳钢、球铁等，当循环应力水平降到某一临界值时，低应力段变为水平线段，表明试样可以经无限次应力循环也不发生疲劳断裂，故将对应的应力称为疲劳极限，记为σ-1（对称循环，r=-1）。这类材料如果应力循环107周次不断裂，则可认定承受无限次应力循环也不会断裂，所以常将107周次作为测定疲劳极限的基数。另一类金属材料，如铝合金、不锈钢等，其S-N曲线没有水平部分，只是随应力降低，循环周次不断增大，此时只能根据材料的使用要求规定某一循环周次下不发生断裂的应力作为条件疲劳极限。

疲劳极限第五章金属的疲劳疲劳曲线的测定通常疲劳曲线用旋转弯曲疲劳试验测定，其四点弯曲试验机原理见下图。第五章金属的疲劳试验时，用升降法测定条件疲劳极限或疲劳极限σ-1

，用成组试验法测定高应力部分，然后将上述试验数据整理，拟合成疲劳曲线。用升降法测定疲劳极限时，有效试样数一般大于13根，试验取3-5级应力水平，每级应力增量一般为σ-1的（3-5）%。第一根试样的应力水平应略高于σ-1，如果无法预计σ-1

，则对一般材料取(0.45-0.50)σb。第二根试样的应力水平根据第一根试样结果（破坏或通过）而定，如果第一根试样断裂，则对第二根试样施加的应力降低（3-5）%，反之，要升高（3-5）%.其余试样的应力值均应依,此法办理，直至全部完成试验。这时的条件疲劳极限为第五章金属的疲劳σ1σ4σ2σ0σ3σN图升降法示意图Δσ－应力增量×－试样断裂○－试样通过12103411514768161213159升降法测定疲劳极限第五章金属的疲劳图示为40CrNiMo试样调制处理后用升降法得到的试验结果，则条件疲劳极限为：S-N曲线的高应力（有限寿命）部分用成组试验法测定，即取4-5级较高应力水平，在每级应力水平下，测定3-5根左右试样的数据，然后进行数据处理，计算中值（存活率50%）的疲劳寿命。在测定的时要注意三点：

(1)确定各组应力水平。在4-5级水平应力中的第一级应力水平σ1：对光滑试样取0.6-0.7σb,对缺口试样取0.3-0.4σb，而第二级应力水平σ2比第一级低20-40MPa,以后各级水平应力一次减少。成组试验法第五章金属的疲劳(3)如果出现越出，即在某一水平下的平均寿命大于规定的107，则这一组疲劳寿命取排列中值（奇数），获取中间两数值的平均值（偶数）。

举例：某一水平应力下测得如下5试样的疲劳寿命：(2)每一级应力水平下的中值疲劳寿命N50的计算，采用将每一级应力水平下测得的疲劳寿命N1，N2，…..Nn带入下面的公式计算：则中值疲劳寿命N50为用升降法测得的σ-1作为S-N曲线的最低应力水平点，与成组试验法的测定结果拟合成直线或曲线，就可得到存活率为50%的中值S-N曲线。第五章金属的疲劳

疲劳曲线的确定28同一材料在不同应力状态下测得的疲劳极限不相同，但是它们之间存在一定的联系。根据试验确定，对称弯曲疲劳极限(σ-1)与对称拉压(σ-1p)、扭转（τ-1）疲劳极限之间存在下列关系：钢：σ-1p=0.85σ-1铸铁：σ-1p=0.65σ-1，τ-1=0.8σ-1铜及轻合金：τ-1=0.55σ-1不同应力状态下的疲劳极限第五章金属的疲劳疲劳极限与静强度的关系试验表明，金属材料的抗拉强度越大，其疲劳极限也越大。对于中、低强度钢，疲劳极限与抗拉强度间大体呈线性关系。σb较高时，这种近线性关系就会发生偏离，这是由于强度较高时，材料的塑性和断裂韧性下降，裂纹易于形成和扩展所致。第五章金属的疲劳疲劳图和不对称循环疲劳极限很多机件是在不对称循环载荷下工作的，因此需要测定材料的不对称循环疲劳极限，以满足这类机件的设计和选材的需要。通常用工程作图法，由疲劳图求得各种不对称循环的疲劳极限。根据不同的作图方法有两种疲劳图：第五章金属的疲劳

σa-σm疲劳图在不同应力比r条件下将σmax表示的疲劳极限σr分解为σa和σm，并在该坐标系中作ABC曲线，则得到σa-σm疲劳图。OB:σr与r的几何关系：所以只要知道应力比r，代入上式就可求出，在图上作角度的直线，与AC交于点B，即可求出相应r的疲劳极限第五章金属的疲劳σmax(σmin)-σm疲劳图将不同应力比r下的疲劳极限，分别以σmax(σmin)和σm表示于坐标系中而形成疲劳图。AHB就是在不同r下的疲劳极限σrmax。

A点

B点第五章金属的疲劳抗疲劳过载能力金属机件偶然经受短期过载，材料原来的疲劳极限可能没有变化，也可能有所降低，这要具体视材料所受过载应力及相应的累计过载周次而定。如果金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后，其疲劳极限和疲劳寿命减小，这就造成了过载损伤。金属材料抵抗疲劳过载损伤的能力，用过载损伤界或过载损伤区表示。第五章金属的疲劳过载损伤界由实验确定：测出不同过载应力水平和相应的开始降低疲劳寿命的应力循环周次，得到不同的试验点，连接各点便得到过载损伤界。过载损伤界与疲劳曲线高应力区直线段之间的影线区，称为过载损伤区。机件过载运转到这个区域里，都要不同程度地降低材料疲劳极限，在持久值附近，降低的越多。材料的过载损伤界（或过载持久值）越陡直，损伤区越窄，则其抵抗疲劳过载的能力越强。第五章金属的疲劳疲劳缺口敏感度机件由于使用的需要，常常带有台阶、拐角、键槽、油孔、螺纹等，这些结构类似于缺口作用，会改变应力状态造成应力集中。常用疲劳缺口敏感度qf来评价交变载荷下缺口的影响，第五章金属的疲劳Kf=Kt，即缺口试样疲劳过程中应力分布与弹性状态完全一样，没有发生应力重新分布，这时缺口降低疲劳极限最严重，疲劳缺口敏感度qf=1，材料的缺口敏感性最大。Kf=1，σ-1=σ-1N，缺口不降低疲劳极限，说明疲劳过程中应力产生了很大的重分布，应力集中效应完全被消除，qf=0，材料的缺口敏感性最小。高周疲劳时：大多数金属都对缺口十分敏感；低周疲劳时：大多数金属都对缺口不太敏感，这是因为后者缺口根部区域已处于塑性区内，发生应力松弛，使应力集中降低所致。疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值疲劳过程由裂纹萌生、亚稳扩展及最后失稳扩展组成。其中裂纹亚稳扩展是决定机件整个疲劳寿命的重要组成部分。研究疲劳裂纹的扩展规律、扩展速率及其影响因素，对延长疲劳寿命和预测实际机件疲劳剩余寿命均具有重要意义。第五章金属的疲劳疲劳裂纹扩展曲线在高频疲劳试验机上测定疲劳裂纹扩展曲线。用途及特点：

本系列电磁谐振式高频疲劳试验机主要用于测量金属材料及构件在拉、压或拉压交变负荷下的疲劳性能。本系列试验机配用相应的夹具附件，可以进行三点弯曲、四点弯曲、板试样拉伸、圆试样拉伸、齿轮、螺栓、连杆、链条等疲劳试验，还可以进行裂纹扩展速率及程控加荷等试验。PLG高频疲劳试验机（长春产）第五章金属的疲劳疲劳裂纹曲线测定过程：先预制疲劳裂纹，随后在固定应力比r和应力范围△σ条件下循环加载记录裂纹长度a随N循环扩展增长情况，便可可作出疲劳裂纹扩展曲线：a-N曲线。当加载循环周次达到Np时，a长大到临界裂纹尺寸ac，疲劳裂纹扩展速率增大到无限大，裂纹失稳扩展，最终断裂。第五章金属的疲劳疲劳裂纹扩展曲线材料的疲劳裂纹扩展速率不仅与应力水平有关，而且与当时的断裂尺寸有关，则将应力范围△σ与a复合为应力强度因子范围△K

。如果认为疲劳裂纹扩展的每一微小过程类似是裂纹体小区域的断裂过程，则△K就是在裂纹尖端控制裂纹扩展的复合力学参量，从而建立由△K起控制作用的曲线，也就是疲劳裂纹扩展速率曲线。第五章金属的疲劳疲劳裂纹扩展门槛值△Kth是疲劳裂纹不扩展的△K临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值，表示材料阻止疲劳裂纹开始扩展的性能，也是材料的力学性能指标，其值越大，阻止疲劳裂纹开始扩展的能力就越大，材料越好。△Kth与疲劳极限σ-1相似，都是表示无限寿命的疲劳性能，也都受材料成分和组织、载荷条件及环境因素的影响。但是σ-1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，△Kth是裂纹试样的无限寿命疲劳性能，适于裂纹件的设计和校核。第五章金属的疲劳

疲劳裂纹扩展的三个阶段《材料力学性能》第七章疲劳第一阶段：疲劳裂纹不扩展扩展。第二阶段：Paris方程适用，在对数坐标中这一阶段为直线关系。第三阶段：裂纹又加速扩展，当Kmax达到K1c时试样就断裂了。第五章金属的疲劳影响疲劳裂纹扩展速率的因素

1.应力比r（或平均应力σm）的影响由于压应力使裂纹闭合不会使裂纹扩展，所以研究r对da/dN的影响，都是在r>0的情况下进行的。从右图可知，随着r的增加，曲线向左上方移动，使da/dN升高，而且在I、III的影响比在II区的大。第五章金属的疲劳过载峰的影响实际机件在工作时很难一直是恒定载荷，往往会有偶然过载。实验表明：在恒载裂纹疲劳扩展区内，适当的过载峰会使裂纹扩展减慢或停滞一段时间，发生裂纹扩展过载停滞现象，并延长疲劳寿命。第五章金属的疲劳裂纹扩展发生过载停滞的原因，可用裂纹尖端塑性区的残余应力影响来说明。在应力循环正半周时，过载拉应力产生较大的塑性区，当这个较大的塑性区在循环负半周时，因阻止周围弹性变形恢复而产生残余压应力，这个压应力迭加于裂纹上，使裂纹提前闭合，减少裂纹尖端的△K，从而降低da/dN，这种影响一般称为裂纹闭合效应。第五章金属的疲劳材料组织的影响在材料裂纹扩展过程中，材料组织对I、III区的da/dN影响比较明显，而对II区的da/dN影响不明显。一般晶粒越粗大，其△Kth值越高，da/dN越低。如当钢的淬火组织中存在一定量的残余奥氏体和贝氏体等韧性组织时，可以提高钢的△Kth，降低da/dN。第五章金属的疲劳疲劳裂纹萌生机理宏观疲劳裂纹是由微观裂纹的形成、长大及连接而成的，常将0.05~0.1mm的裂纹定为疲劳裂纹核，并由此确定疲劳裂纹萌生期。疲劳微观裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起的，主要方式有表面滑移带开裂，第二相、夹杂物或其界面开裂，晶界或亚晶界开裂等。第五章金属的疲劳滑移带开裂产生裂纹试验表明：金属在循环应力（σ>σ-1）长期作用下，即使其应力低于屈服应力，也会发生循环位移并形成循环滑移带。用电解抛光方法很难将已产生的表面循环滑移带去除，即使能去除，当对试样重新循环加载时，则循环滑移带又在原处出现，这种永留或再现的循环滑移带称为驻留滑移带。随着加载循环周次的增加，循环滑移带不断加宽，当加宽到一定程度时，由于位错的塞积和交割作用，便在驻留滑移带形成微裂纹。驻留滑移带在加宽过程中，还会出现挤出脊和侵入沟，于是产生应力集中和空洞，经过一定循环后也会产生微裂纹。滑移带开裂产生裂纹第五章金属的疲劳相界面开裂产生裂纹在疲劳失效分析中，常常发现很多疲劳源都是由材料中的第二相或夹杂物引起的，因此提出了第二相、夹杂物本身开裂的疲劳裂纹萌生机理。只要能降低第二相或夹杂物的脆性，提高相界面强度，控制第二相或夹杂物的数量、形态、大小和分布，使之“少、圆、小、匀”，均可抵制或延缓裂纹在第二相或夹杂物附近萌生，提高疲劳强度。第五章金属的疲劳晶界开裂产生裂纹多晶材料由于晶界的存在和相邻晶粒的不同取向性，位错在某一晶粒内部运动时会受到晶界的阻碍作用，在晶界处发生位错塞积和应力集中现象，在应力不断循环，晶界处的应力集中得不到松弛时，则应力峰越来越高，当超过晶界强度时就会在晶界上产生裂纹。凡是使晶界弱化和晶粒粗化的因素，如晶界有低熔点夹杂物等有害元素和成分偏析、晶界析氢及晶粒粗化等，均易产生晶界裂纹，降低疲劳强度。第五章金属的疲劳疲劳裂纹扩展过程根据裂纹扩展方向，裂纹扩展可分为两个阶段：第一阶段：从表面个别侵入沟（或挤出脊）先形成微裂纹，然后裂纹主要沿主滑移系方向，以纯剪切方式向内扩展。此阶段，裂纹扩展速率很低，每个应力循环约有0.1微米数量级的扩展率，第一阶段裂纹扩展时，由于晶界的不断阻碍作用，裂纹扩展逐渐转向垂直拉应力方向，进入第二阶段扩展。第二阶段中通常只有一个裂纹扩展，可观察到疲劳条纹。第五章金属的疲劳电镜分析表明：第二阶段的断口特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样，称为疲劳条带条纹(疲劳辉纹)。它是裂纹扩展时留下的微观痕迹，每条带可以视为应力循环的扩展痕迹，裂纹的扩展方向与条带垂直。一般来讲，材料强度越低，裂纹扩展越快，疲劳条带越宽。第五章金属的疲劳

疲劳裂纹第二阶段扩展特征注意：疲劳条纹与贝纹线的区别疲劳条纹：微观特征贝纹线：宏观特征两者可同时出现，或分别出现。塑性材料中，疲劳裂纹扩展模型(塑性钝化模型)《材料力学性能》第七章疲劳疲劳裂纹扩展模型图(a),在交变应力为零时裂纹闭合，这是在开始一循环周次时的原始状态。图(b)，裂纹张开，在裂纹尖端沿最大切应力方向产生滑移。图(c),裂纹张开至最大，塑性变形的范围也随之扩大。由于塑性变形的结果，裂纹尖端的应力集中减小，裂纹尖端钝化。理想状态是假定裂纹尖端张开呈半圆形，这时裂纹便停止扩展。图(d)，当应力变为压缩应力时，滑移方向也改变了，裂纹表面逐被压缩。图(e)，到压缩应力为最大值时，裂纹便完全闭合，又恢复到原始状态。第五章金属的疲劳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。表面粗糙度表面的微观几何形状，如刀痕、擦伤和磨裂等，都能像微小而锋利的缺口一样，引起应力集中，降低疲劳极限。表面粗糙度越低，材料的疲劳极限越高；表面粗糙度越高，材料的疲劳极限越低；材料强度越高，表面粗糙度对疲劳极限的影响越显著。表面脱碳、氧化等缺陷也会降低疲劳强度。影响疲劳强度的主要因素第五章金属的疲劳残余应力的影响残余应力可以与外加工作应力叠加，构成合成总应力。叠加残余压应力，总应力减小，叠加残余拉应力，总应力增大。因此，机件表面残余应力状态对疲劳强度（主要低应力高周疲劳强度）有显著影响。残余压应力提高疲劳强度；残余拉应力降低疲劳强度。第五章金属的疲劳表面强化处理可在机件表面产生有利的残余压应力，同时还能

提高机件表面的强度和硬度，从而提高疲劳强度。

(1)表面喷丸及滚压喷丸是用压缩空气将坚硬的弹丸高速喷打向机件表面，使机件表面产生局部形变强化，同时因塑变层周围的弹性约束，又在塑变层内产生残余压应力。喷丸强化的效果与被喷的材料强度有关，材料强度越高，喷丸效果越好，所以一般机件的喷丸总是在热处理强化后进行。表面滚压和喷丸的作用相似，但是其压应力层深度较大，很适用于大工件，而且表面粗糙度低时，强化效果更好。表面强化的影响第五章金属的疲劳表面热处理及化学热处理表面淬火包括火焰加热淬火、感应加热淬火和低淬透性钢的整体加热薄壳淬火等。表面化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗等。它们都是利用组织相变获得表面强化的工艺方法，也是常用的表面强化方法。在有效提高疲劳强度和疲劳寿命的同时，可提高表面耐磨性和耐蚀性。第五章金属的疲劳材料成分及组织的影响（一）合金成分合金成分是决定材料组织结构的基本要素。在各种结构工程材料中，结构钢的疲劳强度最高，所以应用十分