4材料的疲勞與斷裂2010.3.29

1、Fatigue & Fracture4.1 疲勞概述(introduction)什么是疲勞？4.1.1擾動（變動）應力H疲勞斷裂破壞的嚴重性£H：4.1.2疲勞破壞的特點I4.1.3疲勞宏觀斷口|什么是材料的疲勞？ 1939年法國工程師poncelet J.V在巴黎大學講課時首先使用“疲勞”這一 術語，用來描述材料在循環(huán)載荷作用下 承載能力逐漸耗盡以致最后突然斷裂的 現(xiàn)象。什么是材料的疲勞?在某點或某些點承受擾動應力，且在足夠多的循環(huán)擾動作用之后形成裂紋（損傷）或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部的永久性結構變化的發(fā)展過程,稱為疲勞。（P.143,第一段）2010-4-1wzhuo

2、yt3疲勞的分類1.瓢無、腓驕、般鈔、2大錢象馳聘、關聘、制無、»3,般釉紡加怦:也川贈販務聘勰勛胎狐INIHJIIII4.1.1擾動（變動）應力頻率（f二N/t）f=100Hz, t=100h,N=ft=36 107 （次循環(huán)）s7Wn n1I1:iI|1（3/¥八0td三角波正弦波t ©1形波11» i梯形波主要控制參量o a,重要影響參量R平均應力0 m=( 0o miri)/2m vmaxmin/7應力半幅o a=( o - o min)/2 J vmaxmin/#應力變程 0=0- O maxmin應力比（循環(huán)特性參數）R= ° mi

3、r/ ° max應力比R反映了載荷的循環(huán)特性。如SSSR= _1R=0R=1對稱循環(huán)脈沖循環(huán)靜載主要控制參量：。屮重要影響參量：R頻率(f=N/t)和波形的影響是較次要的。疲勞斷裂破壞的嚴重4豈斷裂（包括疲勞、腐蝕引起的斷裂） 使美國一年損失1190億美元，為其1982年國家總產值的4% o損先最嚴重的是：車輛業(yè)（125億/年力建筑業(yè)（I D D億/年力航空業(yè)（刃億/年力金屬結初及制品業(yè)（巧億/年丿O|疲勞斷裂引起的空難達每年100次以上國際民航組織(ICAO)發(fā)表的“涉及金屬疲勞斷裂的重大飛機失事調查”指出： 80年代以來，由金屬疲勞斷裂引起的機毀人亡 重大事故，平均每年100次。

4、(不包括中、蘇)Int J. Fatigue, Vol.6, No.l, 1984工程實際中發(fā)生的疲勞斷裂破壞，占全部力學破壞的50-90%,是機械、結構失效的最常見形式。因此，工程技術人員必須認真考慮可能的疲勞斷 裂問題。按靜強度設計，滿足a<ab,為什么還發(fā)生破壞?19世紀3040年代，英國鐵路車輛輪軸在軸肩處 （應力僅為0.46。）多次發(fā)生破壞；X1954年1月，英國慧星（Comet）號噴氣客機墜入地中 海（機身在艙門拐角處開裂）；2010-4-1wzhuoyt15大型汽輪機轉子2010-4-1wzhuoyt172010-4-1wzhuoyt19葉輪疲勞斷裂破壞2010-4-1wz

5、huoyt#轉子軸疲勞開裂疲勞斷裂破壞2010-4-1wzhuoytT21葉片擊穿廠房房頂飛刁聲刁兒結詢強廈買驗 機翼破壞實驗2010-4-1wzhuoyt23飛機整機結構強度實驗 機身破壞實驗2010-4-1wzhuoyt上海高 300m東方電視塔 球徑4 5m2010-4-1wzhuoyt272010-4-1wzhuoyt#2010-4-1wzhuoyt#靜強度失效、斷裂失效和疲勞失效，是工程 中最為關注的基本失效模式。4.1.2疲勞破壞特點書上 P.144,(1)-(4)(1)疲勞斷裂是低應力脆斷。 (2)疲勞斷裂是延時斷裂。 (3)疲勞過程是損傷累積的過程。(4)微觀：裂紋萌生、穩(wěn)態(tài)擴

6、展、加速擴展。2010-4-1wzhuoyt294.1.3疲勞宏觀斷口疲勞斷口特征，有三個典型的形貌區(qū)域:1疲勞源：裂紋萌生的地方。2疲勞擴展區(qū)：裂紋亞穩(wěn)擴展形成的。3瞬時斷裂區(qū)：裂紋失穩(wěn)快速擴展形成的疲勞斷口的三個典型形貌區(qū)1疲勞源特點1 ）多在機件表面缺陷處，也可在內部 缺陷嚴重處2）疲勞源區(qū)比較光滑（因摩擦引起）3）因加工硬化，表面硬度提高；4）可以有多個疲勞源。疲勞源實物及示意圖2圖4菠勞斷口圖1選擇發(fā)展階段 疲勞核3疲勞源區(qū)4疲勞裂紋蒞屢，國5疲勞斷裂左圖為實物斷口，其中1,2,3為為疲勞源實物案例曲軸的彎曲疲勞，疲勞源在圓根處2：疲勞擴展區(qū)特征1）斷口光滑并有貝紋線（海灘花樣），有

7、時還有裂紋擴展臺階；2）貝紋線凹面指向疲勞源，凸面指向裂紋擴展方向；3）貝紋線剛開始較細密，表明裂紋擴展較慢，而后變稀疏，粗糙，表明裂紋擴 展較快；疲勞斷口的三個典型形貌區(qū)3：疲勞瞬斷區(qū)特征1）是裂紋失穩(wěn)擴展形成的區(qū)域；2）斷口比疲勞區(qū)粗糙，宏觀特征如同靜載3）脆性材料斷口呈結晶狀；4）韌性材料斷口，在心部平面應變區(qū)呈放 射狀或人字紋狀，邊緣平面應力區(qū)則有剪切 唇存在。5）高名義應力或低韌性材料，瞬斷區(qū)大2010-4-1wzhuoyt39旋轉彎曲“無應力 r集中r高標稱應力 輕度應L力集申低標稱應力 1 L礬魯丐豁 .» f " 二單向彎曲二圖4.39以簡圖說明載荷類型、應

8、力水平及缺口尖銳程度對圓柱體的疲勞、 >斷口表面形貌的影響（引自Vander Voortl）4.2疲勞的宏觀表征421疲勞曲線到底多大的載荷(10KNJ00KN)循環(huán)多少次(N)才能使一根火車車軸出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象呢?德國鐵路工程師沃勒Wohler開始作疲勞實驗 疲勞曲線：S-N曲線即o-N曲線，分兩種:1逐點描繪法2.直線擬合法逐點描繪法 _i L 一 一 一 6巾旳礙儀oNN沁心M皿M次數圖4-2-2 實測疲勞曲線示意2. 直線擬合法30CrMnSi鋼成組試驗數據序數Sa,/MPaNNso/103；IgM17001595.201 4j 26602745.437 83'630b428

9、5.631 44610、：6395.805 555907095.850 6據此可以擬合出其直線方程:IgN = 9.52 一 0.006 17a求岀直線上任意兩點的坐標，便可畫岀這條直線。設當 “ =700 時，IgN】=9. 52 - 0.006 17 x 700 = 5. 20;當乃=600 時，lgN2 = 9. 52 -0.006 17X600 = 5.82。在aIgN坐標中標出(700,5.20)及(600,5.82)兩點，然后用直線連 接這兩點，這就是最佳擬合的直線。當用直線擬合S-N曲線時，一般僅擬合有限壽命區(qū)。直線擬合法S-N曲線'&Z3OCrZVInSi鋼的S

10、Z曲線直線擬合法，在有限壽命區(qū)422疲勞壽命疲勞壽命叫：從加載開始到試樣斷裂所經歷的應力循環(huán)數，定義為該試樣的疲勞壽 命,符號叫o1-高周疲勞：應力小，工作應力低于材料的 屈服極限，甚至低于彈性極限。疲勞壽命長，Nf>105,高周疲勞；2低周疲勞：應力大，疲勞壽命短，Nf = 102105,低周疲勞。疲勞壽命Nf短壽命區(qū)長壽命區(qū)典型的疲勞壽命曲線循環(huán)應力超 出彈性極限,Nf<105周次兇娼>兇年>廈加-暖代A 循環(huán)應力低 于彈性極限, 叫>105周次疲勞極限423高周疲勞高周疲勞（高循環(huán)疲勞）作用于零件、構件的應力水平較低，工 作應力低于材料的屈服極限，甚至低于彈

11、性 極限。破壞循環(huán)次數一般高于105的疲 勞。描述高周疲勞，用SN, oN曲線。彈簧、傳動軸等的疲勞屬此類。彈簧、傳動軸"備選材料60BdsOI/io40200IO3 IO4 IO5 I06107I08循環(huán)周次/次109兒種材料的疲勞曲線424 低周疲勞(P.155, 4.2.5)低循環(huán)疲勞（低周疲勞）作用于零件、構件的應力水平較高,工作應 力高于材料的彈性極限或高于屈服極限。破 壞循環(huán)次數一般低于105的疲勞，如氣缸、壓力容器、飛機起落架、燃氣輪機零件、炮筒、橋梁、建筑物等的疲勞。曲線，應變壽命曲線描述低周疲勞，用£-N曲線，應變-壽命曲線因為零件缺口處的實際應力不容易計

12、算，而 缺口處的真實應變是可以測量的。低周疲勞也就叫做應變疲勞了。而在高周疲勞范圍內，由于試樣主要產生的只是彈性變形，塑性變形很小，用應變也很難測量，這時仍釆用SN曲線。塑性應變幅A £ pA e "N描述低周疲勞O) C71 O dm®観豈善().1O24S-T鋁合金2S鋁347型不銹鋼10102103104I05106破壞周次/N丿1 圖1-2 2()兒種材料的N |山線 £ p塑性+ E e彈性= E總(總應變幅) 低周疲勞范圍內，塑性應變幅人£卩塑性 起主要作用；高周疲勞范圍內，彈性應變幅A £ p彈性 起主要作用。4.2.5

13、 疲勞極限（P.148，422）在給定的疲勞壽命下，試樣所能承受的上限應力輻值稱為疲勞極限，記為o對于結構鋼，給定壽命Nf=107周次，應力比R=-l時 （對稱循環(huán)）測定的疲勞極限記為o_i。1-測量壽命Nf<107應力降低至。砂NR。？ 2限亢 oaJ - o aji+1 W 5 % ° 迭I回憶：應力比R反映了載荷的循環(huán)特性SSSR= _1R=0R=1對稱循環(huán)脈沖循環(huán)靜載主要控制參量：。屮重要影響參量：R頻率(f=N/t)和波形的影響是較次要的。疲勞極限。 （P.150,第二段）疲勞極限是十分重要的力學性能，實驗測定費時費力近似估算，可以采用材料的靜強度對于中、低強度鋼可以

14、近似為：o=05Ob 經驗公式：（P.150,第三段）其中， 為單軸疲勞方法測定的疲勞極限。4.2.6疲勞裂紋擴展速率1)疲勞裂紋擴展速率：(P.158)2010-4-1wzhuoyt652010-4-1wzhuoyt#疲勞裂紋在亞臨界擴展范圍內,2010-4-1wzhuoyt#2010-4-1wzhuoyt#個應力循環(huán)裂紋沿垂直于拉應力方向 擴展的距離，稱為疲勞裂紋擴展速 率，以da/dN表示。a為裂紋長度。疲勞裂紋擴展速率2）疲勞裂紋擴展速率曲線 分為I、II、III三個區(qū)。2010-4-1wzhuoyt#2010-4-1wzhuoyt#圖626裂紋長度與加載循環(huán)數關系曲線ATT圖627典

15、型的疲勞裂紋擴展速率曲線2010-4-1wzhuoyt673）裂紋擴展速率公式描述II區(qū)裂紋擴展速率，可以直接用于構件 的設計與選擇。其中C、n為實驗測定的材 料常數，可以通過查表獲得。表4-2-1為部 分材料的C、n常數。求叫4.3 疲勞斷裂機理微或L機理4. 3. 1疲勞裂紋的形成包括三個階段：微裂紋的形成萌生、長大與聯(lián)結。3.晶界或亞晶界開裂。形成方式：1表面滑移帶開裂，2夾雜物與基體相界 面分離或夾雜物斷裂,4.3.2疲勞裂紋的萌生疲勞裂紋多起源于試件表面缺陷，如劃 痕、應力集中的尖角處等。光滑試樣在交變應力反復作用下，塑性變 形滑移帶在局部表面產生的擠出和擠進部 分破壞了表面的連續(xù)性

16、，成為疲勞裂紋萌 生處。2010-4-1wzhuoyt69疲勞裂紋的萌生開始時可能萌生幾條裂紋,但往往是與外部載荷呈45。的疲勞源區(qū)的疲勞核晶面上的裂紋發(fā)展為疲勞裂紋源最大剪應力作用處。當然，也會由于內部缺陷萌 生裂紋。定義：裂紋長度為0.05-圖1菠勞斷口圖選擇發(fā)展階段2疲勞核3疲勞源區(qū)4疲勞裂紋煤“疲勞斷裂0.10mm的初始裂紋疲勞核下圖是軸的疲勞斷口，兩處標有A的部位即 第一階段萌生的裂紋，右側為它的放大圖。4.3.3疲勞裂紋的擴展 1.疲勞裂紋的擴展分兩個階段（P.164）第一階段，疲勞裂紋的擴展的第一階段的斷 口，類似于解理的形貌。沒有塑性行為的痕 跡，也沒有疲勞輝文，擴展深度極淺2

17、5 晶粒范圍。第一階段常常難以分辨。第二階段，裂紋擴展方向與拉應力垂直，擴 展途徑是穿晶，擴展速率較快。2010-4-1wzhuoyt75第二階段特征:平行疲勞條帶,掃描電子顯微鏡下為：疲勞輝文。右圖為，第二階段形成的疲勞輝紋（掃描電鏡像）2010-4-1wzh出處：L. Engel和HKlingele 著A/7 Atlas of Metal Damageuoyt53Cr12Ni2WMoV鋼疲勞斷口微觀照片:（金屬學報朋）三種破壞形式微解理型 microcleavage 低應力、脆性材料條紋型 striation微孔聚合型 microvoid coalescence高應力、韌材料條紋間距=da

18、/dN?2.疲勞裂紋的擴展圖示 第一階段：疲勞裂紋 沿最大切應力方向向 內擴展25個晶 粒。表 面疲勞裂紋擴展的兩個階段示叢E第二階段：沿垂直拉應力方向向前擴展形2010-4-1wzhuoyt552010-4-1wzhuoyt#成主裂紋,直至最后形成剪切唇。2010-4-1wzhuoyt#在第二階段，穿晶擴 展。對韌性材料有韌 性疲勞條帶；對脆性 材料有脆性條帶。 疲勞條帶“疲勞輝紋:是略呈彎曲并相互平行的溝槽狀花 樣，與裂紋方向垂 直。2010-4-1wzhFatigue striations in aluminumuoyt#疲勞的特征疲勞條帶是疲勞斷口的微觀特征貝紋線是疲勞斷口的宏觀特征2010-4-1wzhuoyt574. 4影響疲勞的因素1影響疲勞極限的因素(1) 頻率A頻率高于170周次/s時，隨頻率增加，疲勞極限提高;A頻率在50-170周次/s時，對疲勞極限影響不大；A頻率低于1周次/s時，疲勞極限降低。(2) 次載鍛煉一提高疲勞極限A接近但低于疲勞極限的應力下循環(huán)一定的次數。(3 )表面特征A表面存在缺口，疲勞極限降低；A表面粗糙度高，疲勞極限降低；A表面的微觀幾何形狀、擦痕、記號等使疲勞極限降 低。22表面強化處理一提贏裁極限2.影響疲勞壽命的因素(1)基體組織具有強度、韌性和塑性合理配合的 基體組織，