講解—材料的疲勞性能

1、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 過載持久值

2、：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.工程材

3、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）：78-81五授課內容第五章 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=（max-min）/2應力

4、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)旋轉軸類零件。 不對稱循環(huán)m0如：發(fā)動機連桿、螺栓（a）a> m>0，-1<r<0（b）a> 0，m<0，r<-1 脈動循環(huán)m=a>0，r=0（min=0）如：齒輪的齒根、壓力容器。m=a<0，r=（max=0）如：軸承（壓應力） 波動循環(huán)m> a 0<r<1 min>0 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，

5、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N>105，<s 高周疲勞低應力疲勞N=102105，s 低周疲勞高應力疲勞四、疲勞破壞的表征疲勞壽命疲勞壽命：材料疲勞失效前的工作時間，即循環(huán)次

6、數(shù)N。N -10疲勞曲線: 應力，N五、疲勞斷口的宏觀特征典型疲勞斷口具有3個特征區(qū)：疲勞源 疲勞裂紋擴展區(qū) 瞬斷區(qū)1、疲勞源疲勞裂紋萌生區(qū)，多出現(xiàn)在零件表面，與 加工刀痕、缺口、裂紋、蝕坑等相連。 特征：光亮，因為疲勞源區(qū)裂紋表面受反復擠壓、摩擦次數(shù)多。疲勞源可以是一個，也可以有多個。如：單向彎曲，只有一個疲勞源；雙向彎曲，可出現(xiàn)兩個疲勞源。2、疲勞裂紋擴展區(qū)（亞臨界擴展區(qū)）特征：斷口較光滑并分布有貝紋線或裂紋擴展臺階。貝紋線是疲勞區(qū)最典型的特征，是一簇以疲勞源為圓心的平行弧線，凹側指向疲勞源，凸側指向裂紋擴展方向，近疲勞源區(qū)貝紋線較細密（裂紋擴展較慢），遠疲勞源區(qū)貝紋線較稀疏、粗糙（裂紋擴

7、展較快）。貝紋線（海灘花樣）貝紋線區(qū)的大小取決于過載程度及材料的韌性，高名義應力或材料韌性較差時，貝紋線區(qū)不明顯；反之，低名義應力或高韌性材料，貝紋線粗且明顯，范圍大。名義載荷根據額定功率用力學公式計算出作用在零件上的載荷。即機器平穩(wěn)工作條件下作用于零件上的載荷。計算載荷=載荷系數(shù)*名義載荷3、瞬斷區(qū)裂紋失穩(wěn)擴展形成的區(qū)域斷口特征：斷口粗糙，脆性材料斷口呈結晶狀；韌性材料斷口在心部平面應變區(qū)呈放射狀或人字紋狀；表面平面應力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在。瞬斷區(qū)一般在疲勞源對側瞬斷區(qū)大小與名義應力、材料性質有關高名義應力或脆性材料，瞬斷區(qū)大；反之，瞬斷區(qū)小。第二節(jié) 疲勞破壞的機理一、金屬材料疲勞破壞的機理1

8、、疲勞裂紋的萌生（形核）第階段在循環(huán)應力作用下，裂紋萌生常在材料薄弱區(qū)或高應力區(qū)。通過不均勻滑移或顯微開裂 （如第二相、夾雜物、晶界或亞晶界）等方式完成。通常將長0.05-0.10mm的裂紋定為疲勞裂紋核，對應的循環(huán)周期N，為微裂紋萌生期。駐留滑移帶：在循環(huán)載荷作用下，即使循環(huán)載荷未超過材料屈服強度，也會在材料表面形成循環(huán)滑移帶不均勻滑移，其與靜拉伸形成的均勻滑移不同，循環(huán)滑移帶集中于某些局部區(qū)域，用電解拋光法也難以去除，即使去除了，再重新循環(huán)加載，還會在原處再現(xiàn)。不均勻滑移駐留滑移帶在表面加寬過程中，會形成擠出脊和侵入溝，從而引起應力集中，形成疲勞微裂紋形核（萌生）。擠出和侵入模型表面易產生

9、疲勞裂紋的原因（1）在許多載荷方式下，如扭轉疲勞，彎曲和旋轉彎曲疲勞等，表面應力最大。（2）實際構件表面多存在類裂紋缺陷，如缺口，臺階，鍵槽，加工劃痕等，這些部位極易由應力集中而成為疲勞裂紋萌生地。（3）相比于晶粒內部，自由表面晶粒受約束較小，更易發(fā)生循環(huán)塑性變形。（4）自由表面與大氣直接接觸，因此，如果環(huán)境是破壞過程中的一個因素，則表面晶粒受影響較大。2、疲勞裂紋的擴展 第階段疲勞裂紋形核后，在室溫及無腐蝕條件下第階段屬于微裂紋擴展第階段呈穿晶擴展，擴展速率da/dN 隨 N的增加而增大。在多數(shù)韌性材料的第 階段，斷口用電子顯微鏡可看到韌性條帶而脆性材料中可看到脆性條帶。疲勞條帶（輝紋）呈略

10、彎曲并相互平行的溝槽狀花樣，與裂紋擴展方向垂直。與貝紋線不同,疲勞條帶是疲勞斷口的微觀特征。疲勞條帶形成的原因：裂紋尖端的塑性張開，鈍化和閉合鈍化，使裂紋向前延續(xù)擴展疲勞裂紋的形成與擴展模型。韌性疲勞條帶與脆性疲勞條帶形貌疲勞條帶的形成模型(Laird-Smith模型）：疲勞條帶的形成模型再生核模型（F-R）韌性條帶與脆性條帶的區(qū)別：二、非金屬材料疲勞破壞機理1、 陶瓷材料的疲勞破壞機理靜態(tài)疲勞相當于金屬中的延遲斷裂，即在一定載荷作用下，材料耐用應力隨時間下降的現(xiàn)象。動態(tài)疲勞在恒定加載條件下，研究材料斷裂失效對加載速率的敏感性。循環(huán)疲勞在長期變動應力作用下，材料的破壞行為。陶瓷材料斷

11、口呈現(xiàn)脆性斷口的特征。2、高分子聚合物的疲勞破壞機理 非晶態(tài)聚合物a、高循環(huán)應力時，應力很快達到或超過材料銀紋的引發(fā)應力，產生銀紋，隨后轉變成裂紋，擴展后導致材料疲勞破壞。b、中循環(huán)應力也會引發(fā)銀紋，形成裂紋，但裂紋擴展速率較低（機理相同）。c、低循環(huán)應力，難以引發(fā)銀紋，由材料微損傷累積及微觀結構變化產生微孔及微裂紋，最終裂紋擴展導致宏觀破壞。 結晶態(tài)高聚合物或低應力循環(huán)的非晶態(tài)高聚合物，疲勞過程有以下現(xiàn)象：整個過程，疲勞應變軟化而不出現(xiàn)硬化。分子鏈間剪切滑移，分子鏈斷裂，結晶損傷，晶體結構變化。產生顯微孔洞，微孔洞合并成微裂紋，并擴展成宏觀裂紋。斷口呈裂紋擴展形成的肋狀形態(tài)，斷口呈叢生簇狀結

12、構（拉拔）。 高聚物的熱疲勞由于聚合物為粘彈性材料，具有較大面積的應力滯后環(huán)，所以在應力循環(huán)過程中，外力所做的功有相當一部分轉化為熱能；而聚合物導熱性能差，因此溫度急劇升高，甚至高于熔點或玻璃化轉變溫度，從而產生熱疲勞。熱疲勞常是聚合物疲勞失效的主要原因。因此疲勞循環(huán)產生的熱量，使聚合物升溫，可以修補高分子、的微結構損傷，使機械疲勞裂紋形核困難。聚合物疲勞斷口可觀察到兩種特征的條紋A、疲勞輝紋每周期的裂紋擴展10m（間距）。聚合物相對分子量較高時，在 所有應力強度因子條件下，皆可形成疲勞輝紋。B、疲勞斑紋不連續(xù)、跳躍式的裂紋擴展，50m間距而相對分子量較低時，在較低應力強度因子時，易形成疲勞斑

13、紋。3、復合材料的疲勞破壞機理 復合材料疲勞破壞的特點a、多種疲勞損傷形式：界面脫粘、分層、纖維斷裂、空隙增長等。b、不發(fā)生瞬斷，其疲勞破壞的標準與金屬不同，常以彈性模量下降的百分數(shù)1%-2%），共振頻率變化（1-2HZ）作為破壞依據。c、聚合物基復合材料，以熱疲勞為主，對加載頻率感。d、較大的應變引起纖維與基體界面開裂形成疲勞源（纖維、基體的變形量不同）壓縮應變使復合材料縱向開裂，故對壓縮敏感。e、復合材料的疲勞性能與纖維取向有關纖維是主要承載組分，沿纖維方向具有很好的疲勞強度；而沿纖維垂直方向，疲勞強度較低。對于復合材料，界面結合非常重要，因為：基體與纖維的E不同，變形量不同，故界面產生很

14、大的剪切應力。第三節(jié) 疲勞抗力指標一、疲勞試驗方法實驗設備：旋轉彎曲疲勞試驗機實驗方法 用一組光滑試樣，測量N曲線，即疲勞應力疲勞壽命曲線。實驗標準GB433784旋轉彎曲疲勞試驗機：臨界值1 材料的疲勞強度 >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：-1對稱拉壓：-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

15、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同種材料的疲勞強度： 1> 1P>1 因為彎曲疲

16、勞時，試樣表面應力最大，只有表面層才產生疲勞損傷。而拉壓疲勞時，應力分布均勻，整個截面都可產生疲勞損傷，故1> 1P。扭轉疲勞時，切應力大，更容易使材料發(fā)生滑移，產生疲勞損傷，故1最小。 4、疲勞強度與靜強度間的關系 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。經驗公式結構鋼： 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=1/6b -7.5Mpa 青銅：

17、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)。 材料的過載損傷區(qū)越窄，則抵抗疲勞過載的能力

18、越強（損傷界越陡）。所以，工程上經常過載的零件，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、油孔等結構，產生結構應力集中，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當Kf =1時，q f =0 表明材料對缺口完全不敏感。 Kf = Kt時，q f =1 表明材料對缺口十分敏感。結構鋼：q f =0.6-0.8，敏感度高球鐵： q f =0.11-0.25灰鑄鐵：q f =0-0.05，不敏感五、疲勞裂紋擴

19、展速率及擴展門檻值1、擴展速率是指疲勞裂紋亞穩(wěn)擴展階段的速率（第階段）。2、實驗測定 利用三點彎曲切口試樣或中心裂紋試樣或緊湊拉伸試樣。在固定應力比r及應力幅下進行疲勞試驗。通過疲勞裂紋長度測量裝置，測出每一定循環(huán)周次N對應的裂紋長度a，直到試樣斷裂為止。作出aN曲線，如圖，疲勞裂紋擴展曲線2>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，還與應力水平有關。當應力增加時，da/dN增大，aN曲線向左上方移動，ac 相應減小引入應力強度因子幅KI

20、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KI>Kth 時，da/dN>0。因此，Kth稱疲勞裂紋擴展門檻值，表征材

21、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。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/周次時對應的KI為Kth稱為條件疲勞

22、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： Kth9MPa·m1/2，鋁合金:Kth4MPa·m1/2注意Paris 公式僅適用于低應力，低擴展速率da/dN<10-2mm/周次和較長壽命Nf>104情況。根據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)內的

23、過載，會降低材料的疲勞強度、疲勞壽命 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（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。如結構鋼在400

24、以上時，疲勞強度急劇下降；耐熱鋼在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、腐蝕介質腐蝕介質的作用使材料表面產生蝕坑，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

25、 表面淬火 化學熱處理1、表面噴丸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，金屬零件表面產生極為強烈的塑性形變，使零件表面產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?，并在塑性變形層內產生殘余壓應力，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

26、和化學熱處理表面淬火：外硬內韌組織化學熱處理：氮化，外硬內韌， 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，結構鋼的疲勞強度最高-10.5 b結構鋼中碳是影響疲勞強度的重要因素，既有間隙固溶強化