第五章 金屬的疲勞

1、材料性能學(xué)第五章第五章 金屬的疲勞金屬的疲勞材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum主要內(nèi)容主要內(nèi)容疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門(mén)檻疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門(mén)檻值值疲勞曲線(xiàn)及基本疲勞力學(xué)性能疲勞曲線(xiàn)及基本疲勞力學(xué)性能金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)疲勞過(guò)程及機(jī)理疲勞過(guò)程及機(jī)理影響疲勞強(qiáng)度的主要因素影響疲勞強(qiáng)度的主要因素低周疲勞低周疲勞材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum疲勞與彗星號(hào)客機(jī)機(jī)械

2、零件失效中有機(jī)械零件失效中有8080以上屬于疲勞破壞以上屬于疲勞破壞材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleumn最大應(yīng)力最大應(yīng)力 b b，（，（ 0， r=0 or m=a a， 0r1 不對(duì)稱(chēng)交變應(yīng)力：不對(duì)稱(chēng)交變應(yīng)力：r10105 5周次，斷裂應(yīng)力水平較周次，斷裂應(yīng)力水平較低，低，-1p-1（2）具體數(shù)值關(guān)系）具體數(shù)值關(guān)系鋼：鋼： -1p0.85-1鑄鐵鑄鐵 ：-1p0.65-1，-10.8-1銅及輕合金：銅及輕合金： -1 0.55-1材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Mater

3、ials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum3.3.疲勞極限與靜強(qiáng)度的關(guān)系疲勞極限與靜強(qiáng)度的關(guān)系n金屬材料的金屬材料的b b越大，其疲勞極限也越大。越大，其疲勞極限也越大。 n線(xiàn)性關(guān)系，線(xiàn)性關(guān)系，b b較低時(shí)，較低時(shí)，-1-1=0.5=0.5b b s/b材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼:-1p=0.23( s+ b) -1=0.27( s+ b)鑄鑄 鐵：鐵： -1p=0.4 b -1=0.4 5 b鋁合金：鋁合金：-1p=

4、1/6 b+7.5MPa -1p=1/6 b-7.5MPa青青 銅：銅：-1=0.21 b經(jīng)驗(yàn)公式:材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum4.4.疲勞曲線(xiàn)的測(cè)定疲勞曲線(xiàn)的測(cè)定 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī) 升降法測(cè)定升降法測(cè)定-1-1， 1313根根 成組法測(cè)高應(yīng)力部分成組法測(cè)高應(yīng)力部分材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum二、疲勞圖和不對(duì)稱(chēng)循環(huán)疲勞極限二、疲勞圖和不對(duì)稱(chēng)循環(huán)疲

5、勞極限l 不對(duì)稱(chēng)循環(huán)不對(duì)稱(chēng)循環(huán)(載荷載荷)疲勞極限疲勞極限l 工程作圖法工程作圖法疲勞圖疲勞圖（各種循環(huán)疲勞極限的（各種循環(huán)疲勞極限的集合圖）集合圖）a-m疲勞圖疲勞圖max (min) -m疲勞圖疲勞圖材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleuml 應(yīng)力比r對(duì)疲勞極限的影響r r增加，增加，S SN N曲線(xiàn)上移，曲線(xiàn)上移， r r升高升高材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum1. a-m疲

6、勞圖r am（ABC線(xiàn)上）線(xiàn)上）maxminmaxmin112112amrtgrmax rmax a+m材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of PetroleumABC曲線(xiàn)數(shù)學(xué)解析式smabmabmaGeberGoodmanGeber1111121公式公式公式材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum2. max(min)-m疲勞圖nAHB，在不同，在不同r下的下的疲勞極限疲勞極限maxn疲勞極限隨疲勞極限隨

7、m或或r的的增加而增加，但增加而增加，但a減減小小maxmaxmaxmin2112mtgr材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum塑性材料max-m疲勞圖材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum三、抗疲勞過(guò)載能力三、抗疲勞過(guò)載能力n偶然短時(shí)過(guò)載偶然短時(shí)過(guò)載-1-1n過(guò)載損傷過(guò)載損傷：如果金屬在高于疲勞極限的應(yīng)力水平如果金屬在高于疲勞極限的應(yīng)力水平下運(yùn)轉(zhuǎn)一定周次后，其疲勞極限和疲勞壽命減小下

8、運(yùn)轉(zhuǎn)一定周次后，其疲勞極限和疲勞壽命減小的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。n一定過(guò)載應(yīng)力一定過(guò)載應(yīng)力 + + 一定周次一定周次 過(guò)載損傷過(guò)載損傷n金屬材料抵抗過(guò)載損傷的能力金屬材料抵抗過(guò)載損傷的能力過(guò)載損傷界、過(guò)載損傷界、過(guò)載損傷區(qū)過(guò)載損傷區(qū)累積過(guò)載周次累積過(guò)載周次材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleuml 過(guò)載損傷界過(guò)載損傷界l 過(guò)載持久值：過(guò)載持久值：高應(yīng)力區(qū)高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力循環(huán)周次應(yīng)力循環(huán)周次l 過(guò)載損傷區(qū)過(guò)載損傷區(qū) 離持久值線(xiàn)越近，離持久值線(xiàn)越近，r降降低的越多。低的越多。 越陡直越好越陡直越好n 原因：

9、非擴(kuò)展裂紋原因：非擴(kuò)展裂紋材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum四、疲勞缺口敏感度四、疲勞缺口敏感度nKtKt：理論應(yīng)力集中系數(shù)，：理論應(yīng)力集中系數(shù)，K Kt t = =maxmax/, , 11nKfKf：疲勞缺口系數(shù)，：疲勞缺口系數(shù)， K Kf f = =-1-1/-1N -1N , , 11nK Kf f=K=Kt t，q qf f=1=1，材料的缺口敏感性最大。，材料的缺口敏感性最大。nK Kf f=1=1，-1-1=-1N-1N，缺口不降低疲勞極限，缺口不降低疲勞極限，q qf

10、f=0=0，材料的缺，材料的缺口敏感性最小?？诿舾行宰钚?。nq qf f值能反映材料降低應(yīng)力集中的能力。值能反映材料降低應(yīng)力集中的能力。材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleuml影響因素影響因素高周疲勞時(shí)：大多數(shù)金屬都對(duì)缺口十分敏感；高周疲勞時(shí)：大多數(shù)金屬都對(duì)缺口十分敏感；低周疲勞時(shí)：對(duì)缺口不太敏感低周疲勞時(shí)：對(duì)缺口不太敏感塑性區(qū)內(nèi)應(yīng)力松塑性區(qū)內(nèi)應(yīng)力松弛，應(yīng)力集中降低弛，應(yīng)力集中降低強(qiáng)度、硬度上升，強(qiáng)度、硬度上升，q qf f上升，即敏感上升，即敏感缺口尖銳度上升，缺口尖銳度上升， q qf

11、 f降低。降低。材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum5.3 5.3 疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門(mén)檻值疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門(mén)檻值n先預(yù)制疲勞裂紋，固定先預(yù)制疲勞裂紋，固定r和和na-N曲線(xiàn)曲線(xiàn)nda/dN：裂紋擴(kuò)展速率：裂紋擴(kuò)展速率n1 2：ac和和Np減小。減小。一、疲勞裂紋擴(kuò)展曲線(xiàn)一、疲勞裂紋擴(kuò)展曲線(xiàn)疲勞過(guò)程：裂紋萌生、亞穩(wěn)擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展疲勞過(guò)程：裂紋萌生、亞穩(wěn)擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China Universi

12、ty of Petroleum二、疲勞裂紋擴(kuò)展速率二、疲勞裂紋擴(kuò)展速率（一）（一） 疲勞裂紋擴(kuò)展速率疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線(xiàn)曲線(xiàn)nda/dNda/dN應(yīng)力水平、裂紋尺寸應(yīng)力水平、裂紋尺寸n與與a a復(fù)合為復(fù)合為應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍范圍K K nK K控制裂紋擴(kuò)展的復(fù)合力控制裂紋擴(kuò)展的復(fù)合力學(xué)參量學(xué)參量n疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線(xiàn)疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線(xiàn)aYaYaYKKK minmaxminmax材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum曲線(xiàn)分析l I I區(qū)（初始段）區(qū)（初始段）nKKth da/dN

13、很小，裂紋很小，裂紋不擴(kuò)展不擴(kuò)展nKKth K，da/dN，裂紋擴(kuò)展但不快。裂紋擴(kuò)展但不快。l IIII區(qū)（主要段）區(qū)（主要段）nK，da/dN，裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)，裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展，決定疲勞裂紋擴(kuò)展壽命展，決定疲勞裂紋擴(kuò)展壽命l IIIIII區(qū)（最后段）區(qū)（最后段）nK，da/dN，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展展材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum（二）疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值（二）疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值l 定義：疲勞裂紋不擴(kuò)展的定義：疲勞裂紋不擴(kuò)展的K臨界值，臨界值， 記為記為Kth，表示，表示材料阻止疲勞裂

14、紋開(kāi)始擴(kuò)展的性能，材料阻止疲勞裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的性能，510%KIC 材料的力學(xué)性能指標(biāo)。其值越大，材料越好。材料的力學(xué)性能指標(biāo)。其值越大，材料越好。 l Kth與與-1相似相似無(wú)限壽命疲勞強(qiáng)度無(wú)限壽命疲勞強(qiáng)度 -1，光滑試樣，用于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和校核，光滑試樣，用于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和校核， Kth，裂紋試樣，適于裂紋件，裂紋試樣，適于裂紋件22)(1thththKYaaYKKaYK或裂紋件無(wú)限壽命校核公式：材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleuml 疲勞極限（疲勞極限（r）l S-N曲線(xiàn)曲線(xiàn)材料性能學(xué)材料性

15、能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleuma-m疲勞圖max-m疲勞圖材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleuml 疲勞缺口敏感度疲勞缺口敏感度l 過(guò)載損傷過(guò)載損傷材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleuml a-N曲線(xiàn)曲線(xiàn)材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)

16、China University of Petroleum曲線(xiàn)KdNdal 疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值，疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值，Kth材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum（三）（三）Paris公式公式l 區(qū)區(qū) c、n材料試驗(yàn)常數(shù)，材料試驗(yàn)常數(shù)，n=24與材料、與材料、r、環(huán)境有關(guān)，組織影響小、環(huán)境有關(guān)，組織影響小 l 適用場(chǎng)合：適用場(chǎng)合：高周疲勞高周疲勞25. 21025. 3120 . 3121035. 1:106 . 5:109 . 6:KdNdaMKdNdaAKdNdaPF鋼不銹鋼鋼nKcdN

17、da材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum（四）影響（四）影響da/dN的因素的因素1. r（或（或m）的影響）的影響n(yōu)r r，曲線(xiàn)向左上方移，曲線(xiàn)向左上方移動(dòng)，動(dòng)，da/dNda/dN升高升高n對(duì)對(duì)、區(qū)的影響更大區(qū)的影響更大nr r，降低降低KKthth材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum2. 過(guò)載峰的影響n(yōu)存在偶然過(guò)載存在偶然過(guò)載n過(guò)載適當(dāng)，反而有益過(guò)載適當(dāng)，反而有益裂紋擴(kuò)展過(guò)載

18、停滯裂紋擴(kuò)展過(guò)載停滯材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum 裂紋閉合效應(yīng)：裂紋閉合效應(yīng)： 阻止周?chē)鷱椥宰冃巫柚怪車(chē)鷱椥宰冃位謴?fù)恢復(fù)壓應(yīng)力壓應(yīng)力 殘余壓應(yīng)力迭加，殘余壓應(yīng)力迭加，裂紋提前閉合，減裂紋提前閉合，減少少K K，降低，降低da/dNda/dN原因：原因：裂紋尖端塑性區(qū)的殘余壓應(yīng)力裂紋尖端塑性區(qū)的殘余壓應(yīng)力材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum3. 材料組織的影響n(yōu)對(duì)對(duì)I I、I

19、IIIII區(qū)的影響較明顯區(qū)的影響較明顯n晶粒越粗大晶粒越粗大，其，其K Kthth值越值越高，高，da/dNda/dN越低。越低。n韌性相可使韌性相可使K Kththn噴丸強(qiáng)化，噴丸強(qiáng)化，K Kthth材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum三、疲勞裂紋擴(kuò)展壽命估算三、疲勞裂紋擴(kuò)展壽命估算由由 和和 得：得： nKcdNda 11)()2(2N2222c0c0aaN0cnncnnaaYcnaYcdadN nnaYcdacdadN K所以裂紋擴(kuò)展壽命：所以裂紋擴(kuò)展壽命：aY K材料性能學(xué)材料性

20、能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum舉例舉例 某軸某軸KIC=48.2MPa.m1/2，s823MPa，da/dN=10-14（K）4，啟動(dòng)時(shí)最大應(yīng)力，啟動(dòng)時(shí)最大應(yīng)力max368MPa，min0，經(jīng)檢，經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)表面有半橢圓裂紋，裂紋尺寸驗(yàn)發(fā)現(xiàn)表面有半橢圓裂紋，裂紋尺寸a4mm，c=12.5mm,如此軸每周啟動(dòng)一次，試估算該軸的疲勞壽命。如此軸每周啟動(dòng)一次，試估算該軸的疲勞壽命。解題思路：解題思路：1 1、求、求K KI I（, a, a）表達(dá)式）表達(dá)式; ;2 2、計(jì)算裂紋臨界尺寸、計(jì)算裂紋臨界尺寸;

21、 ;3 3、計(jì)算疲勞壽命、計(jì)算疲勞壽命; ;材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum1. 求求KI（,a）表達(dá)式）表達(dá)式表面半橢圓型裂紋表面半橢圓型裂紋 a1 . 1KI 22. 132. 05 .12/4/2查表可得查表可得其中，由其中，由 ca所以：所以：aKI 材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum2. 計(jì)算裂紋臨界尺寸計(jì)算裂紋臨界尺寸可得：可得：由由aKI 22cICC3682

22、.481K1a mm5 . 5m0055. 0材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum3、計(jì)算疲勞壽命、計(jì)算疲勞壽命 c0caa4N0cNacdadN 可得：可得：和和aKKI 41410dKdNa 由由 （周次）（周次）379368105.54414 ada 414a10 dadN積分后得：積分后得：每年每年52周，大約可用周，大約可用379/52=7.3年年材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Pet

23、roleum5.4 5.4 疲勞過(guò)程及機(jī)理疲勞過(guò)程及機(jī)理l 疲勞過(guò)程：裂紋萌生、亞穩(wěn)擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展疲勞過(guò)程：裂紋萌生、亞穩(wěn)擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展l 疲勞壽命疲勞壽命Nf=N0+Np N0疲勞裂紋萌生期疲勞裂紋萌生期 Np疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展期疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展期材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum一、疲勞裂紋萌生過(guò)程及機(jī)理一、疲勞裂紋萌生過(guò)程及機(jī)理l 疲勞裂紋核疲勞裂紋核0.050.1mm的裂紋的裂紋l 疲勞微觀裂紋由疲勞微觀裂紋由不均勻的局部滑移不均勻的局部滑移和和顯微開(kāi)裂顯微開(kāi)裂引起引起l 主要方

24、式：主要方式：表面滑移帶開(kāi)裂表面滑移帶開(kāi)裂 第二相、夾雜物或其界面開(kāi)裂第二相、夾雜物或其界面開(kāi)裂 晶界或亞晶界開(kāi)裂等晶界或亞晶界開(kāi)裂等材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum（一）滑移帶開(kāi)裂產(chǎn)生裂紋（一）滑移帶開(kāi)裂產(chǎn)生裂紋（1）駐留滑移帶）駐留滑移帶l 循環(huán)應(yīng)力（循環(huán)應(yīng)力（s-1）循環(huán)滑移循環(huán)滑移循環(huán)滑移帶。不均勻，循環(huán)滑移帶。不均勻，總是集中分布于某些局部薄弱區(qū)域。總是集中分布于某些局部薄弱區(qū)域。l 駐留滑移帶：在交變載荷作用下，永留或能再現(xiàn)的循環(huán)駐留滑移帶：在交變載荷作用下，永留或能再現(xiàn)

25、的循環(huán)滑移帶?；茙?。l 僅在表面形成、較淺，加寬，僅在表面形成、較淺，加寬，位錯(cuò)塞積和交割位錯(cuò)塞積和交割微裂紋微裂紋材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum（2）擠出脊和侵入溝）擠出脊和侵入溝滑移帶向前滑移帶向前擠出峰，向后移動(dòng)擠出峰，向后移動(dòng)侵入溝侵入溝峰、溝不斷增加，增高峰、溝不斷增加，增高應(yīng)力集中、空洞應(yīng)力集中、空洞微裂紋微裂紋材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum交叉滑移模型交

26、叉滑移模型材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum（二）相界面開(kāi)裂產(chǎn)生裂紋（二）相界面開(kāi)裂產(chǎn)生裂紋第二相、夾雜物和基體界面開(kāi)裂第二相、夾雜物和基體界面開(kāi)裂 本身開(kāi)裂本身開(kāi)裂要求：要求：“少、圓、小、勻少、圓、小、勻” 材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum（三）晶界開(kāi)裂產(chǎn)生裂紋（三）晶界開(kāi)裂產(chǎn)生裂紋位錯(cuò)塞積和應(yīng)力集中位錯(cuò)塞積和應(yīng)力集中v 晶界弱化或晶粒粗化晶界弱化或晶粒粗化v 晶界晶界強(qiáng)

27、化或強(qiáng)化或晶粒晶粒細(xì)化細(xì)化材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum二、疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及機(jī)理二、疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及機(jī)理l 階段：階段：個(gè)別侵入溝（或擠出脊）先形成微裂紋個(gè)別侵入溝（或擠出脊）先形成微裂紋沿沿主滑移系方向主滑移系方向，以純剪切方式，以純剪切方式 da/dN低，約低，約0.1ml 階段：階段：裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展垂直拉垂直拉應(yīng)力方向應(yīng)力方向 m級(jí)，可以穿晶擴(kuò)展級(jí)，可以穿晶擴(kuò)展 在在da/dN的的II區(qū)區(qū) 斷口特征：疲勞條帶（條斷口特征：疲勞條帶（條紋）紋）出現(xiàn)疲勞條紋微孔聚集穿晶沿晶

28、方式材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum斷口特征：具有略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣，斷口特征：具有略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣，稱(chēng)為稱(chēng)為疲勞條帶疲勞條帶（條紋）（條紋）材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleuml 塑性鈍化模型塑性鈍化模型 塑性張開(kāi)鈍化和閉合銳化塑性張開(kāi)鈍化和閉合銳化 塑性鈍化：塑性鈍化：由于塑性變形由于塑性變形使裂尖應(yīng)力集中減小，滑使裂尖應(yīng)力集中減小，滑移停止，裂紋不再

29、擴(kuò)展的移停止，裂紋不再擴(kuò)展的過(guò)程。過(guò)程。 適于韌性材料適于韌性材料材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum總結(jié)：金屬疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展的過(guò)程總結(jié)：金屬疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展的過(guò)程l萌生萌生滑移帶開(kāi)裂；滑移帶開(kāi)裂； 第二相、夾雜物或其界面開(kāi)裂；晶界或亞第二相、夾雜物或其界面開(kāi)裂；晶界或亞晶界開(kāi)裂晶界開(kāi)裂l亞穩(wěn)擴(kuò)展亞穩(wěn)擴(kuò)展I I階段：沿主滑移系，純剪切方式；擴(kuò)展速率低階段：沿主滑移系，純剪切方式；擴(kuò)展速率低IIII階段：垂直于主應(yīng)力方向；擴(kuò)展速率階段：垂直于主應(yīng)力方向；擴(kuò)展速率mm級(jí)；可以穿晶級(jí)

30、；可以穿晶擴(kuò)展。形成擴(kuò)展。形成疲勞條紋疲勞條紋。塑性鈍化塑性鈍化模型模型l失穩(wěn)擴(kuò)展失穩(wěn)擴(kuò)展材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum5.5 5.5 影響疲勞強(qiáng)度的主要因素影響疲勞強(qiáng)度的主要因素材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum一、表面狀態(tài)的影響一、表面狀態(tài)的影響（一）應(yīng)力集中（一）應(yīng)力集中表面缺口應(yīng)力集中表面缺口應(yīng)力集中，引起疲勞破壞的主要原因。，引起疲勞破壞的主要原因。材料性能學(xué)材料

31、性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum（二）表面粗糙度（二）表面粗糙度 微觀幾何形狀：刀痕、微觀幾何形狀：刀痕、擦傷和磨裂擦傷和磨裂 表面粗糙度，材料強(qiáng)度表面粗糙度，材料強(qiáng)度 表面脫碳、氧化表面脫碳、氧化材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum二、殘余應(yīng)力及表面強(qiáng)化的影響二、殘余應(yīng)力及表面強(qiáng)化的影響l 殘余應(yīng)力疊加工作應(yīng)力殘余應(yīng)力疊加工作應(yīng)力 殘余壓應(yīng)力提高殘余壓應(yīng)力提高r 原因：殘余壓應(yīng)力在缺口處集

32、中，有效降低拉應(yīng)力峰值原因：殘余壓應(yīng)力在缺口處集中，有效降低拉應(yīng)力峰值l 表面強(qiáng)化處理表面強(qiáng)化處理 產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力， 提高表面強(qiáng)度和硬度，提高提高表面強(qiáng)度和硬度，提高r r材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力，表面強(qiáng)度和硬度，表面強(qiáng)度和硬度，r r材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleuml 常用表面強(qiáng)化方法常用表面強(qiáng)化方法(1) 表面噴丸及滾壓表面

33、噴丸及滾壓 噴丸噴丸是用壓縮空氣將堅(jiān)硬的彈丸高速?lài)姶蛳驒C(jī)件表面，是用壓縮空氣將堅(jiān)硬的彈丸高速?lài)姶蛳驒C(jī)件表面，使機(jī)件表面產(chǎn)生局部使機(jī)件表面產(chǎn)生局部形變強(qiáng)化形變強(qiáng)化，同時(shí)因塑變層周?chē)膹棧瑫r(shí)因塑變層周?chē)膹椥约s束，又在塑變層內(nèi)產(chǎn)生性約束，又在塑變層內(nèi)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力殘余壓應(yīng)力。 材料強(qiáng)度越高，效果越好材料強(qiáng)度越高，效果越好 表面滾壓表面滾壓材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum(2) 表面熱處理及化學(xué)熱處理 表面淬火表面淬火：火焰火焰、感應(yīng)感應(yīng)、激光激光 表面化學(xué)熱處理表面化學(xué)熱處理：滲碳滲碳

34、、滲氮、碳氮共滲等、滲氮、碳氮共滲等 硬度：硬度： 滲滲N N滲滲C C表面淬火噴丸、滾壓表面淬火噴丸、滾壓 殘殘分布梯度：噴丸、液壓滲分布梯度：噴丸、液壓滲N N滲滲C C表面淬火表面淬火材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum三、材料成分及組織的影響三、材料成分及組織的影響合金成分合金成分顯微組織顯微組織非金屬夾雜物及冶金缺陷非金屬夾雜物及冶金缺陷C，合金元素211kdi材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University

35、 of Petroleum5.6 5.6 低周疲勞低周疲勞較高應(yīng)力和較少循環(huán)次數(shù)較高應(yīng)力和較少循環(huán)次數(shù)材料在循環(huán)載荷作用下，疲勞壽命為材料在循環(huán)載荷作用下，疲勞壽命為102105次次的疲勞斷裂稱(chēng)為的疲勞斷裂稱(chēng)為低周疲勞低周疲勞。也稱(chēng)也稱(chēng)塑性疲勞或應(yīng)變疲勞塑性疲勞或應(yīng)變疲勞。一、低周疲勞的特點(diǎn)一、低周疲勞的特點(diǎn)材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum（一）低周疲勞的特點(diǎn)(1) 循環(huán)應(yīng)力與應(yīng)變形循環(huán)應(yīng)力與應(yīng)變形成滯后回線(xiàn)成滯后回線(xiàn)pet t總應(yīng)變范圍總應(yīng)變范圍p塑性應(yīng)變范圍塑性應(yīng)變范圍p彈性應(yīng)變

36、范圍彈性應(yīng)變范圍材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum(2) 控制控制t或或p(3) 低周疲勞破壞有幾個(gè)裂紋源低周疲勞破壞有幾個(gè)裂紋源(4) 壽命取決于塑性應(yīng)變幅壽命取決于塑性應(yīng)變幅p fpftNN2222或材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum（二）低周疲勞的金屬循環(huán)硬化與循環(huán)軟化 循環(huán)硬化：循環(huán)硬化：金屬材料在恒定應(yīng)變范圍循環(huán)作用下，隨著循金屬材料在恒定應(yīng)變范圍循環(huán)作用下，隨著循環(huán)

37、周次的增加，其應(yīng)力不斷增加環(huán)周次的增加，其應(yīng)力不斷增加 循環(huán)軟化：循環(huán)軟化：在循環(huán)過(guò)程中，應(yīng)力逐漸減小在循環(huán)過(guò)程中，應(yīng)力逐漸減小材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleuml 循環(huán)軟化的危害循環(huán)軟化的危害 形變抗力下降，導(dǎo)致工件產(chǎn)生過(guò)量的塑性變形而失效。形變抗力下降，導(dǎo)致工件產(chǎn)生過(guò)量的塑性變形而失效。l 循環(huán)硬化或軟化循環(huán)硬化或軟化 決定于材料的初始狀態(tài)，結(jié)構(gòu)特性；應(yīng)變幅，溫度等。決定于材料的初始狀態(tài)，結(jié)構(gòu)特性；應(yīng)變幅，溫度等。 退火狀態(tài)退火狀態(tài)循環(huán)硬化循環(huán)硬化，加工硬化態(tài)，加工硬化態(tài)循環(huán)軟化循

38、環(huán)軟化 b b/s s1.41.4，循環(huán)硬化；，循環(huán)硬化；b b/s s1.21.2，循環(huán)軟化，循環(huán)軟化 微觀原因：微觀原因：位錯(cuò)的循環(huán)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的循環(huán)運(yùn)動(dòng)材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum（三）低周疲勞的應(yīng)變-壽命曲線(xiàn)n曼森（曼森（S. S. Manson）和柯芬（）和柯芬（L. F. Coffin） 雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖 兩條直線(xiàn)迭加兩條直線(xiàn)迭加總應(yīng)變幅總應(yīng)變幅-壽命曲線(xiàn)壽命曲線(xiàn)cffbffpetNNE)2()2(222 cffpN )2(2 彈性應(yīng)變彈性應(yīng)變幅幅-壽命線(xiàn)壽命線(xiàn)塑

39、性應(yīng)變塑性應(yīng)變幅幅-壽命線(xiàn)壽命線(xiàn)曼森曼森-柯芬公式柯芬公式材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleuml 過(guò)渡壽命過(guò)渡壽命(2N(2Nf f) )t t 左側(cè)：低周疲勞，塑性應(yīng)變幅主導(dǎo)，左側(cè)：低周疲勞，塑性應(yīng)變幅主導(dǎo)，塑性塑性控制控制 右側(cè)：高周疲勞，彈性應(yīng)變幅主導(dǎo)，右側(cè)：高周疲勞，彈性應(yīng)變幅主導(dǎo)，強(qiáng)度強(qiáng)度決定決定材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleumn曼森曼森t/22Nf關(guān)系：關(guān)系：nb、

40、E、斷裂真應(yīng)變、斷裂真應(yīng)變ef（或（或）低周疲勞壽命曲線(xiàn)低周疲勞壽命曲線(xiàn)n通用斜率法通用斜率法n各種表面強(qiáng)化手段，對(duì)提高低周疲勞壽命均無(wú)明顯效果各種表面強(qiáng)化手段，對(duì)提高低周疲勞壽命均無(wú)明顯效果6 . 06 . 012. 0)2()2)(5 . 32 fffbtNeNE 材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum二、熱疲勞二、熱疲勞 熱疲勞：熱疲勞：機(jī)件在由溫度循環(huán)變化時(shí)產(chǎn)生的循環(huán)熱應(yīng)力及熱機(jī)件在由溫度循環(huán)變化時(shí)產(chǎn)生的循環(huán)熱應(yīng)力及熱應(yīng)變作用下發(fā)生的疲勞。應(yīng)變作用下發(fā)生的疲勞。 熱機(jī)械疲勞熱機(jī)械疲

41、勞：溫度循環(huán)：溫度循環(huán)+ +機(jī)械應(yīng)力循環(huán)機(jī)械應(yīng)力循環(huán) 兩個(gè)條件：兩個(gè)條件：溫度變化溫度變化和和機(jī)械約束機(jī)械約束（內(nèi)部或外部）（內(nèi)部或外部） 內(nèi)部約束內(nèi)部約束：存在溫度差，各部分材料互相約束，不能自由：存在溫度差，各部分材料互相約束，不能自由膨脹膨脹 膨脹熱應(yīng)變膨脹熱應(yīng)變t t 熱應(yīng)力熱應(yīng)力- -EEt t 塑性應(yīng)變累積損傷塑性應(yīng)變累積損傷材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum三、沖擊疲勞三、沖擊疲勞 沖擊疲勞：機(jī)件在重復(fù)沖擊載荷作用下的疲勞斷裂沖擊疲勞：機(jī)件在重復(fù)沖擊載荷作用下的疲勞斷裂

42、沖擊次數(shù)沖擊次數(shù)N105次次 由沖擊疲勞曲線(xiàn)確定沖擊疲勞極限。由沖擊疲勞曲線(xiàn)確定沖擊疲勞極限。 沖擊疲勞抗力表示：沖擊疲勞抗力表示：沖擊疲勞極限沖擊疲勞極限 沖斷周次沖斷周次N N 沖斷能量沖斷能量 沖擊能量高時(shí)，主要取決于塑性；沖擊能量低時(shí)，主要取沖擊能量高時(shí)，主要取決于塑性；沖擊能量低時(shí)，主要取決于強(qiáng)度決于強(qiáng)度材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum 循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力第五章 金屬的疲勞材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China Uni

43、versity of Petroleum高周疲勞、低周疲勞高周疲勞、低周疲勞斷口特征：斷口特征：疲勞的特點(diǎn)疲勞的特點(diǎn) 具有壽命的斷裂具有壽命的斷裂 脆性斷裂脆性斷裂 對(duì)缺陷十分敏感對(duì)缺陷十分敏感 疲勞源：光亮、表面疲勞源：光亮、表面 疲勞區(qū)：疲勞區(qū)：貝紋線(xiàn)貝紋線(xiàn) 瞬斷區(qū)：粗糙、瞬斷區(qū)：粗糙、aaaac c材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum 疲勞極限（疲勞極限（-1）l 疲勞曲線(xiàn)疲勞曲線(xiàn)(S-N曲線(xiàn)曲線(xiàn))材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China Uni