材料的疲勞性能

1、材料的疲勞性能一、疲勞破壞的變動應(yīng)力材料在變動載荷和應(yīng)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。 變動載荷指大小或方向隨著時間變化的載荷。變動載荷在單位面積上的平均值稱為變動應(yīng)力，分為規(guī)則周期變動應(yīng)力（或稱循環(huán)應(yīng)力）和無規(guī)則隨機(jī)變動應(yīng)力兩種。1、表征應(yīng)力循環(huán)特征的參量有：最大循環(huán)應(yīng)力： max；最小循環(huán)應(yīng)力： min ；平均應(yīng)力： m=（ max+ min ） /2 ；應(yīng)力幅 a 或應(yīng)力范圍： = max- min ， a= /2=（ max- min） /2 ；應(yīng)力比（或稱循環(huán)應(yīng)力特征系數(shù)）：r= min / max。2、按平均應(yīng)力和應(yīng)力幅的相對大小，循環(huán)應(yīng)力分為：對稱循環(huán)：

2、m=（ max+ min ） /2=0 ， r=-1 ，大多數(shù)旋轉(zhuǎn)軸類零件承受此類應(yīng)力；不對稱循環(huán)： m 0，-1<r<1 。發(fā)動機(jī)連桿或結(jié)構(gòu)中某些支撐桿、螺栓承受此類應(yīng)力， a> m>0， -1<r<0 ；脈動循環(huán)： m= a >0， r=0 ，齒輪的齒根及某些壓力容器承受此類應(yīng)力。 m= a<0， r= ，軸承承受脈動循環(huán)壓應(yīng)力；波動循環(huán)： m> a，0<r<1 ，發(fā)動機(jī)氣缸蓋、螺栓承受此種應(yīng)力；隨機(jī)變動應(yīng)力：循環(huán)應(yīng)力呈隨機(jī)變化，無規(guī)律性，如運(yùn)行時因道路或者云層的變化，汽車、拖拉機(jī)及飛機(jī)等的零件，工作應(yīng)力隨時間隨機(jī)變化。二、

3、疲勞破壞的概念和特點1、疲勞破壞概念在變動應(yīng)力作用下，材料內(nèi)部薄弱區(qū)域的組織逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開裂，當(dāng)裂紋擴(kuò)展達(dá)到一定程度后發(fā)生突然斷裂的過程，是一個從局部區(qū)域開始的損傷積累，最終引起整體破壞的過程。疲勞破壞是循環(huán)應(yīng)力引起的延時斷裂，其斷裂應(yīng)力水平往往低于材料抗拉強(qiáng)度，甚至低于其屈服強(qiáng)度。機(jī)件疲勞失效前的工作時間稱為疲勞壽命， 疲勞斷裂壽命隨循環(huán)應(yīng)力不同而改變。應(yīng)力高，壽命短；應(yīng)力低，壽命長。當(dāng)應(yīng)力低于材料的疲勞強(qiáng)度時，壽命可無限長。疲勞斷裂也經(jīng)歷了裂紋萌生和擴(kuò)展過程。由于應(yīng)力水平較低，因此具有較明顯的裂紋萌生和穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段，相應(yīng)的斷口上也顯示出疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)與瞬時斷裂區(qū)的特征。

4、2、疲勞破壞的特點（ 1）疲勞破壞與靜載或一次性沖擊加載破壞比較具有以下特點：該破壞為一種潛藏的突發(fā)性破壞，在靜載下顯示韌性或脆性破壞的材料，在疲勞破壞前均不會發(fā)生明顯的塑性變形，呈脆性斷裂，易引起事故造成經(jīng)濟(jì)損失；疲勞破壞屬于低應(yīng)力循環(huán)延時斷裂，對于疲勞壽命的預(yù)測顯得十分重要和必要；疲勞對缺陷（缺口、裂紋及組織）十分敏感，即對缺陷具有高度的選擇性。因為缺口或裂紋會引起應(yīng)力集中，加大對材料的損傷作用；組織缺陷 （夾雜、 疏松、白點、脫碳等）將降低材料的局部強(qiáng)度。二者綜合更加速疲勞破壞的起始與發(fā)展。可以按不同方法對疲勞形式分類。按應(yīng)力狀態(tài)分有彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞及復(fù)合疲勞；按應(yīng)

5、力高低和斷裂壽命分有高周疲勞和低周疲勞。三、疲勞斷口的宏觀特征1、典型疲勞斷口具有3 個特征區(qū)：疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(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。特征是光亮，因為疲勞源區(qū)裂紋表面受反復(fù)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(kuò)展區(qū)（亞臨界擴(kuò)展區(qū)）疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)特征為斷口較光滑并分布有貝紋線或裂紋擴(kuò)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(cè)指向疲勞源，凸側(cè)指向裂紋擴(kuò)展方向。近疲勞源區(qū)貝紋線較細(xì)密（裂紋擴(kuò)展較慢），

6、遠(yuǎn)疲勞源區(qū)貝紋線較稀疏、粗糙（裂紋擴(kuò)展較快）。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(yīng)力或材料韌性較差時，貝紋線區(qū)不明顯；反之，低名義應(yīng)力或高韌性材料，貝紋線粗且明顯，范圍大。（ 3）瞬斷區(qū)瞬斷區(qū)是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域。該區(qū)斷口粗糙，脆性材料斷口呈結(jié)晶狀；韌性材料斷口在心部平面應(yīng)變區(qū)呈放射狀或人字紋狀；表面平面應(yīng)力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在。瞬斷區(qū)一般在疲勞源對側(cè)，大小與名義應(yīng)力、材料性質(zhì)有關(guān)。高名義應(yīng)力或脆性材料，瞬斷區(qū)大；反之，瞬斷區(qū)小。四、金屬材料疲勞破壞的機(jī)理1、疲勞裂紋的萌生（形核）裂紋萌生常在材料薄弱區(qū)或高應(yīng)力區(qū)，通過不均勻滑移、微裂紋形成及長大而完成。通常將長 0.05-0.

7、10mm 的裂紋定為疲勞裂紋核，對應(yīng)的循環(huán)周期 N 為裂紋萌生期。 疲勞微裂紋由不均勻滑移和顯微開裂引起，主要方式有：表面滑移帶開裂，第二相、夾雜物與基體界面或夾雜物本身開裂，晶界或亞晶界處開裂。在循環(huán)載荷作用下，即使循環(huán)載荷未超過材料屈服強(qiáng)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)。稱這種永留或再現(xiàn)的循環(huán)滑移帶為駐留滑移帶。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(yīng)力集中，形成疲勞微裂紋。（ 1）表面易產(chǎn)生疲勞裂紋的原因：在許多載荷方式下，如扭轉(zhuǎn)

8、疲勞，彎曲和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞等，表面應(yīng)力最大。實際構(gòu)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(yīng)力集中而成為疲勞裂紋萌生地。相比于晶粒內(nèi)部， 自由表面晶粒受約束較小， 更易發(fā)生循環(huán)塑性變形。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(kuò)展疲勞裂紋萌生后開始擴(kuò)展，第階段沿著最大切應(yīng)力方向向內(nèi)擴(kuò)展。大多數(shù)微裂紋不繼續(xù)擴(kuò)展，成為不擴(kuò)展裂紋，個別微裂紋可延伸幾十 m長。隨即疲勞裂紋進(jìn)入第階段，沿垂直拉應(yīng)力方向向前擴(kuò)展形成主裂紋，直至最后形成剪切唇為止。在室溫及無腐蝕條件下，第階段呈穿晶擴(kuò)展，擴(kuò)展速率da/dN隨 N 的增加

9、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）呈略彎曲并相互平行的溝槽狀花樣，與裂紋擴(kuò)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(kuò)展疲勞裂紋的形成與擴(kuò)展模型。五、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理1、陶瓷材料的疲勞破壞機(jī)理靜態(tài)疲勞相當(dāng)于金屬中的延遲斷裂，即在一定載荷作用下，材料耐用應(yīng)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(yīng)力作用下，材料的破壞行為。陶瓷材料斷口呈現(xiàn)脆性斷口的特征。2、高分子聚合物

10、的疲勞破壞機(jī)理（ 1）非晶態(tài)聚合物高循環(huán)應(yīng)力時，應(yīng)力很快達(dá)到或超過材料銀紋的引發(fā)應(yīng)力，產(chǎn)生銀紋，隨后轉(zhuǎn)變成裂紋，擴(kuò)展后導(dǎo)致材料疲勞破壞。中循環(huán)應(yīng)力也會引發(fā)銀紋，形成裂紋，但裂紋擴(kuò)展速率較低（機(jī)理相同）。低循環(huán)應(yīng)力， 難以引發(fā)銀紋， 由材料微損傷累積及微觀結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生微孔及微裂紋，最終裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致宏觀破壞。（ 2）結(jié)晶態(tài)高聚合物或低應(yīng)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(yīng)變軟化而不出現(xiàn)硬化。分子鏈間剪切滑移，分子鏈斷裂，結(jié)晶損傷，晶體結(jié)構(gòu)變化。產(chǎn)生顯微孔洞，微孔洞合并成微裂紋，并擴(kuò)展成宏觀裂紋。斷口呈裂紋擴(kuò)展形成的肋狀形態(tài)，斷口呈叢生簇狀結(jié)構(gòu)（拉拔）。（ 3）高聚物的熱疲勞

11、由于聚合物為粘彈性材料，具有較大面積的應(yīng)力滯后環(huán)，所以在應(yīng)力循環(huán)過程中，外力所做的功有相當(dāng)一部分轉(zhuǎn)化為熱能；而聚合物導(dǎo)熱性能差，因此溫度急劇升高，甚至高于熔點或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，從而產(chǎn)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(chǎn)生的熱量，使聚合物升溫，可以修補(bǔ)高分子、的微結(jié)構(gòu)損傷，使機(jī)械疲勞裂紋形核困難。（ 4）聚合物疲勞斷口可觀察到兩種特征的條紋：疲勞輝紋：每周期的裂紋擴(kuò)展值為10 m（間距）。聚合物相對分子量較高時，在所有應(yīng)力強(qiáng)度因子條件下，皆可形成疲勞輝紋。疲勞斑紋：對應(yīng)著不連續(xù)、跳躍式的裂紋擴(kuò)展，間距有50 m。相對分子量較低時，在較低應(yīng)力強(qiáng)度因子條件下，易形成疲勞斑紋。3、復(fù)合材料的疲勞破壞機(jī)理（ 1）復(fù)合材料疲勞破壞的特點：多種疲勞損傷形式： 界面脫粘、 分層、纖維斷裂、 空隙增長等。不發(fā)生瞬斷， 其疲勞破壞的標(biāo)準(zhǔn)與金屬不同，常以彈性模量下降的百分?jǐn)?shù)1%-2%），共振頻率變化（1-2HZ ）作為破壞依據(jù)。聚合物