材料的疲勞性能

1、第五章 材料的疲勞性能一.本章的教學目的與要求本章主要介紹材料的疲勞性能，要求學生掌握疲勞破壞的定義和特點，疲勞斷口的宏觀特征，金屬以及非金屬材料疲勞破壞的機理，各種疲勞抗力指標，例如疲勞強度，過載持久值，疲勞缺口敏感度，疲勞裂紋擴展速率以及裂紋擴展門檻值，影響材料疲勞強度的因素和熱疲勞損傷的特征及其影響因素，目的是為疲勞強度設計和選用材料建立基本思路。二教學重點與難點1. 疲勞破壞的一般規(guī)律（重點）2金屬材料疲勞破壞機理（難點）3. 疲勞抗力指標（重點）4.影響材料及機件疲勞強度的因素（重點）5熱疲勞（難點）三主要外語詞匯疲勞強度：fatigue strength 斷口：fracture 過

2、載持久值：overload of lasting value疲勞缺口敏感度：fatigue notch sensitivity 疲勞裂紋擴展速率：fatigue crack growth rate 裂紋擴展門檻值：threshold of crack propagation 熱疲勞：thermal fatigue四. 參考文獻1.張帆，周偉敏.材料性能學.上海：上海交通大學出版社，20092.束德林.金屬力學性能.北京：機械工業(yè)出版社，19953.石德珂，金志浩等.材料力學性能.西安：西安交通大學出版社，19964.鄭修麟.材料的力學性能.西安：西北工業(yè)大學出版社，19945.姜偉之，趙時熙等

3、.工程材料力學性能.北京：北京航空航天大學出版社，19916.朱有利等.某型車輛扭力軸疲勞斷裂失效分析J. 裝甲兵工程學院學報，2010,24（5）：78-81五授課內(nèi)容- 16 -第五章 材料的疲勞性能第一節(jié) 疲勞破壞的一般規(guī)律1、疲勞的定義材料在變動載荷和應變的長期作用下，因累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象，稱為疲勞。2、變動載荷指大小或方向隨著時間變化的載荷。變動應力：變動載荷在單位面積上的平均值分為：規(guī)則周期變動應力和無規(guī)則隨機變動應力3、循環(huán)載荷（應力）的表征最大循環(huán)應力：max最小循環(huán)應力：min平均應力： m=（max +min）/2應力幅a或應力范圍：=max-min a=/2=（ma

4、x-min）/2應力比（或稱循環(huán)應力特征系數(shù)）： r= min/max5、循環(huán)應力分類按平均應力、應力幅、應力比的不同，循環(huán)應力分為 對稱循環(huán)m=（max + min）/2=0 r=-1屬于此類的有：大多數(shù)旋轉(zhuǎn)軸類零件。 不對稱循環(huán)m0如：發(fā)動機連桿、螺栓（a）a m0，-1r 0，m0，r0，r=0（min=0）如：齒輪的齒根、壓力容器。m=a a 0r0 如：發(fā)動機氣缸蓋、螺栓。 隨機變動應力應力大小、方向隨機變化，無規(guī)律性。 如：汽車、飛機零件、輪船。二、疲勞破壞的特點在變動載荷作用下，材料薄弱區(qū)域，逐漸發(fā)生損傷，損傷累積到一定程度產(chǎn)生裂紋，裂紋不斷擴展失穩(wěn)斷裂。特點：從局部區(qū)域開始的損

5、傷，不斷累積，最終引起整體破壞。1、潛藏的突發(fā)性破壞，脆性斷裂（即使是塑性材料）。2、屬低應力循環(huán)延時斷裂（滯后斷裂）。3、對缺陷十分敏感（可加速疲勞進程）。三、疲勞破壞的分類1、按應力狀態(tài)： 彎曲疲勞 扭轉(zhuǎn)疲勞 拉壓疲勞 接觸疲勞 復合疲勞2、按應力大小和斷裂壽命N105，1 有限循環(huán)1 無限循環(huán)金屬材料的疲勞曲線有兩類：碳鋼、低合金鋼、球鐵等有水平線而有色合金、不銹鋼、高強度的無水平線取N=106，107或108下的疲勞強度條件疲勞強度。二、疲勞強度在指定疲勞壽命下，材料能承受的上限循環(huán)應力。 指定的疲勞壽命： 無限周次 有限周次1、對稱循環(huán)疲勞強度對稱彎曲：-1對稱扭轉(zhuǎn)：-1對稱拉壓：-

6、1p2、不對稱循環(huán)疲勞強度不對稱循環(huán)疲勞強度難以用實驗方法直接測定。一般用工程作圖法，由疲勞圖求出各種不對稱循環(huán)應力下的疲勞強度。AHB曲線上各點max值即表示由r=-11個狀態(tài)下的疲勞強度。 由此即可根據(jù)已知循環(huán)應力比r求出值作圖，在AHB上對應點的縱坐標值即為相應的疲勞強度。這種疲勞圖也可以利用Gerber關(guān)系繪制注意：上述疲勞圖僅適合于脆性材料，對于塑性材料，應該用屈服強度s進行修正。3、不同應力狀態(tài)下的疲勞強度同種材料在不同應力狀態(tài)下，相應的疲勞強度也不同，存在如下關(guān)系：鋼： -1p=0.85 -1鑄鐵： -1p=0.65 -1鋼及輕合金：-1=0.55-1鑄鐵： -1=0.80-1同

7、種材料的疲勞強度： 1 1P1 因為彎曲疲勞時，試樣表面應力最大，只有表面層才產(chǎn)生疲勞損傷。而拉壓疲勞時，應力分布均勻，整個截面都可產(chǎn)生疲勞損傷，故1 1P。扭轉(zhuǎn)疲勞時，切應力大，更容易使材料發(fā)生滑移，產(chǎn)生疲勞損傷，故1最小。 4、疲勞強度與靜強度間的關(guān)系 試驗表明，材料的抗拉強度越大，其疲勞強度也越大。對于中、低強度鋼，1與b大致成線性關(guān)系， 1=0.5b。隨著抗拉強度增大，材料的塑性、斷裂韌性降低，裂紋易于形成和擴展，疲勞強度降低。經(jīng)驗公式結(jié)構(gòu)鋼： 1P=0.23(s+ b) 1=0.27(s + b) 鑄鐵： 1P=0.4b 1=0.45b 鋁合金： 1P=1/6b +7.5MPa 1=

8、1/6b -7.5Mpa 青銅： 1=0.21b三、過載持久值及過載損傷界1、過載持久值材料在高于疲勞強度的一定應力下工作，發(fā)生疲勞斷裂的應力循環(huán)周次稱為材料的過載持久值（有限疲勞壽命）。表征了材料對過載疲勞的抗力，過載持久值可由疲勞曲線傾斜部分確定：曲線傾斜度越大，持久值越高，表明材料在相同過載條件下能承受的應力循環(huán)次數(shù)越多。2、過載損傷界實驗證明，材料在過載應力水平下，只有運轉(zhuǎn)一定周次后，才會造成過載損傷疲勞強度、疲勞壽命才會降低，短時間過載并不會造成過載損傷。 把每個過載應力下運行能引起損傷的最少循環(huán)次數(shù)連接起來，就得該材料的過載損傷界。過載損傷界到疲勞曲線間的區(qū)域過載損傷區(qū)。 材料的過

9、載損傷區(qū)越窄，則抵抗疲勞過載的能力越強（損傷界越陡）。所以，工程上經(jīng)常過載的零件，常選用疲勞損傷區(qū)窄的材料。 四、疲勞缺口敏感度零件上的臺階、拐角、健槽、螺紋、油孔等結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應力集中，作用類似于缺口，會降低材料的疲勞強度、疲勞壽命。 疲勞缺口敏感度Kt 理論應力集中系數(shù)，可查機械設計手冊，Kt 1。 Kf 疲勞缺口系數(shù)顯然，Kf 1， 0 q f 1由圖可見，在一定循環(huán)應力條件下，裂紋長度a是不斷擴展的，疲勞裂紋擴展速率da/dN也是不斷增加的。當a達到ac時， da/dN無限增大，裂紋將失穩(wěn)擴展。因此，da/dN不僅與裂紋長度a有關(guān)，還與應力水平有關(guān)。當應力增加時，da/dN增大，aN

10、曲線向左上方移動，ac 相應減小引入應力強度因子幅KI的概念：建立da/dNKI曲線，并在雙對數(shù)坐標上描繪，如圖：區(qū)：相當于疲勞裂紋的初始擴展階段，da/dN很小，約10-810-6mm/周次，從Kth開始，隨著KI增加,da/dN快速增大 區(qū)：是疲勞裂紋擴展的主要階段，da/dN約為10-510-2mm/周次，lg（da/dN）與 lgKI呈線性關(guān)系， 可用：da/dN=C（KI）n 表示 Paris公式C、n為材料常數(shù)。 區(qū)：是疲勞裂紋擴展的最后階段，da/dN 值很大。并KI增加而急劇增大，很快導致裂紋失穩(wěn)擴展。Kth處da/dN=0，即裂紋不會擴展，只有KIKth 時，da/dN0。因

11、此，Kth稱疲勞裂紋擴展門檻值，表征材料阻止疲勞裂紋開始擴展的能力。 Kth與-1的區(qū)別：-1代表光滑試樣的無限壽命疲勞強度，適用于無裂紋零件設計、校核依據(jù)。Kth代表裂紋試樣的無限壽命疲勞強度，適用于含裂紋零件的設計和校核。因此，含裂紋零件不發(fā)生疲勞斷裂無限壽命）的條件：利用公式：1、已知裂紋件的原始裂紋長度a和材料的疲勞門檻值Kth，可求得該零件在無限疲勞壽命時的承載能力：用該式算出的值顯然遠低于光滑試樣的疲勞強度-1。2、已知裂紋零件的工作載荷 ，材料的Kth，該零件無限疲勞壽命時，允許的裂紋尺寸a：Kth很難由實驗直接測得，工程上常規(guī)定在平面應變狀態(tài)下，da/dN=10-610-7mm

12、/周次時對應的KI為Kth稱為條件疲勞裂紋擴展門檻值。大多數(shù)金屬材料的Kth值很小，約為 5%10%KIC如鋼： Kth9MPam1/2，鋁合金:Kth4MPam1/2注意Paris 公式僅適用于低應力，低擴展速率da/dN104情況。根據(jù)Paris公式，可以對零件的剩余疲勞壽命進行估算?？上扔脽o損傷法測出零件的初始裂紋長度a0、形狀、位置和取向，以確定KI的值，再根據(jù)材料的斷裂韌度KIC及名義工作應力，確定臨界裂紋長度ac。最后用積分法算出剩余疲勞壽命：第四節(jié) 影響材料疲勞強度的因素一、工作條件的影響1、載荷條件 應力狀態(tài)，平均應力，應力比 在過載損傷區(qū)內(nèi)的過載，會降低材料的疲勞強度、疲勞壽

13、命 次載鍛煉材料尤其金屬在低于疲勞強度的應力循環(huán)一定周次后稱為次載鍛煉。次載應力越接近材料的疲勞強度，次載循環(huán)周期越長，鍛煉效果越好。新機器經(jīng)次載鍛煉，既跑合、又延長疲勞壽命。 間歇效應：實驗表明，對應變時效材料，在循環(huán)加載運行過程中，若間歇空載一段時間或間隙時適當加溫，可提高疲勞強度，延長壽命。 載荷頻率：在一定頻率范圍內(nèi)（1701000HZ），材料的疲勞強度隨加載頻率的增加而提高；在常用頻率范圍內(nèi)50170HZ，材料的疲勞強度不受頻率 變化影響；低于1HZ的加載，-1降低。2、溫度溫度降低，疲勞強度升高（與靜強度相似）；反之，疲勞強度降低。如結(jié)構(gòu)鋼在400以上時，疲勞強度急劇下降；耐熱鋼在

14、550650 以上時，疲勞強度明顯下降。注意高溫時材料的疲勞曲線無水平段條件疲勞強度3、腐蝕介質(zhì)腐蝕介質(zhì)的作用使材料表面產(chǎn)生蝕坑，而降低材料的疲勞強度，導致腐蝕疲勞。一般腐蝕疲勞曲線無水平段（低應力下也產(chǎn)生疲勞斷裂）條件疲勞強度二、表面狀態(tài)及尺寸因素的影響1、表面狀態(tài)a、零件表面質(zhì)量，對疲勞強度壽命影響很大，表面粗糙度， -1 、Nb、另外，使零件表面產(chǎn)生殘余壓應力層（氮化、噴丸等工藝），可顯著提高疲勞強度與壽命。2、尺寸因素尺寸效應：零件尺寸增大(三向拉應力狀態(tài))，疲勞強度下降。尺寸效應系數(shù)=（-1）d/ -1三、表面強化及殘余應力的影響表面強化：噴丸和滾壓 表面淬火 化學熱處理1、表面噴丸

15、及滾壓噴丸過程就是將大量彈丸噴射到零件表面上的過程，有如無數(shù)小錘對表面錘擊，因此，金屬零件表面產(chǎn)生極為強烈的塑性形變，使零件表面產(chǎn)生一定厚度的冷作硬化層，稱為表面強化層，此強化層會顯著地提高零件的疲勞強度?？墒菇饘俦砻嫘巫儚娀?，并在塑性變形層內(nèi)產(chǎn)生殘余壓應力，既提高了表層材料強度，又能降低表層材料的工作時的拉壓力；同時可降低缺口應力集中系數(shù)和疲勞缺口敏感度，提高材料的疲勞抗力。表面滾壓技術(shù)是在一定的壓力下用輥輪、滾球或者輥軸對被加工零件表面進行滾壓或者擠壓，使其發(fā)生塑性變形，形成強化層的工藝過程。形狀簡單的大尺寸零件滾壓強化形狀復雜的零件噴丸強化2、表面熱處理和化學熱處理表面淬火：外硬內(nèi)韌組織

16、化學熱處理：氮化，外硬內(nèi)韌， 殘余壓應力層3、復合強化滲氮+表面淬火，滲氮+噴丸，表面淬火+噴丸例如：某型車輛扭力軸在服役過程中經(jīng)常發(fā)生早期斷裂失效，失效部位位于扭力軸的端部附近, 如圖1所示。扭力軸是該型車輛行動部分減震裝置中的主要零件，當車輛行駛在起伏不平的路面或者遇到障礙時, 平衡肘以其軸為圓心產(chǎn)生擺動, 使裝配在平衡肘中的扭力軸承受扭矩, 扭力軸通過充分扭轉(zhuǎn)吸收和釋放能量, 以達到緩沖和減震的目的。因此在車輛行駛過程中, 扭力軸經(jīng)常在大應力、大應變、沖擊和交變扭矩載荷作用下工作，容易發(fā)生疲勞斷裂。扭力軸材料為45C rNMi oVA 鋼。為優(yōu)化扭力軸的減震性能, 提高其抗疲勞性能, 制

17、造中采用了淬火+ 中溫回火熱處理和表面滾壓強化處理。四、材料成分及組織的影響1、合金成分工程材料中，結(jié)構(gòu)鋼的疲勞強度最高-10.5 b結(jié)構(gòu)鋼中碳是影響疲勞強度的重要因素，既有間隙固溶強化作用，又有彌散強化作用（碳化物），提高材料的形變抗力、疲勞強度。 在一定范圍內(nèi)，隨著含碳量增大，疲勞強度增大（固溶強化，彌散強化作用增大），但含碳量太大，鋼的脆性增大， -1降低。 2、非金屬夾雜物及冶金缺陷a、脆性夾雜物（Al2O3，硅酸鹽）在鋼中易萌生疲勞裂紋，降低疲勞強度。 b、冶金缺陷（氣孔、縮孔、偏析、白點、裂紋等）都是疲勞裂紋源，降低疲勞強度和壽命。3、顯微組織 晶粒度對疲勞強度的影響 -1= i+

18、 kd -1/2 i位錯在晶格中運動摩擦阻力k 材料常數(shù)d 晶粒平均直徑，顯然，d -1 第五節(jié) 熱疲勞一、熱疲勞1.概念：由周期變化的熱應力或熱應變引起的材料破壞稱為熱疲勞。2.熱疲勞的特點：是熱塑性應變損傷累積引起的破壞，服從低周應變疲勞的規(guī)律。熱疲勞裂紋多萌生于表面熱應變最大區(qū)域，有多個裂紋源。3.脆性材料的熱震斷裂與熱損傷抗熱震性：材料經(jīng)受溫度瞬變而不被破壞的能力熱震斷裂熱震溫差引起的熱應力超過材料的斷裂應力時，引起材料瞬時斷裂。熱損傷熱沖擊循環(huán)作用引起材料開裂、 剝落、碎裂或變質(zhì)，最后整體損傷。3.熱疲勞的表征（1）材料的熱疲勞抗力常以一定溫度幅下產(chǎn)生一定尺寸疲勞裂紋的循環(huán)次數(shù)或在規(guī)定的循環(huán)周次下產(chǎn)生的裂紋長度表示（2）材料的抗熱震性用抗熱震參數(shù)表征：（a）對于極劇受熱和冷卻的材料，抗熱震參數(shù)為（b）對于緩慢受熱和緩慢冷卻的材料，抗熱