第五章 材料的疲勞性能

1、第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能1第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能 5-15-1疲勞破壞的一般規(guī)律疲勞破壞的一般規(guī)律5-25-2疲勞破壞的機理疲勞破壞的機理5-35-3疲勞抗力指標疲勞抗力指標5-45-4影響材料及機件疲勞強度的因素影響材料及機件疲勞強度的因素5-55-5熱疲勞熱疲勞第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能2 工件在工件在變動載荷和應變長期作用下，因累積損傷變動載荷和應變長期作用下，因累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象而引起的斷裂現(xiàn)象，稱為，稱為疲勞疲勞。 由于變動載荷和應變是導致疲勞破壞的外動力，由于變動載荷和應變是導致疲勞破壞的外動力，所以應該先對其進行了解。所

2、以應該先對其進行了解。變動載荷變動載荷是指是指載荷大小，載荷大小，甚至方向隨時間變化的載荷甚至方向隨時間變化的載荷。變動載荷在單位面積上。變動載荷在單位面積上的平均值稱為變動應力，可分為規(guī)則周期變動應力的平均值稱為變動應力，可分為規(guī)則周期變動應力( (或或稱循環(huán)應力稱循環(huán)應力) )和無規(guī)則隨機變動應力兩種，可用應力和無規(guī)則隨機變動應力兩種，可用應力- -時間曲線描述，如圖時間曲線描述，如圖5-l5-l所示。所示。第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能3第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能4 一般機件承受的變動應力多為循環(huán)應力。循環(huán)應力是一般機件承受的變動應力多為循環(huán)應力。循環(huán)應力是周

3、期性變化的應力，變化的波形有正弦波、矩形波和三角周期性變化的應力，變化的波形有正弦波、矩形波和三角波等。其中波等。其中最常見的為正弦波最常見的為正弦波。 表征應力循環(huán)特征的參量有：表征應力循環(huán)特征的參量有：第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能5一、疲勞破壞的變動應力一、疲勞破壞的變動應力 按照應力幅和平均應力的相對大小，循環(huán)應力有以下按照應力幅和平均應力的相對大小，循環(huán)應力有以下幾種類型，如圖幾種類型，如圖5-25-2所示：所示：第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能6 一般機件承受的變動應力多為循環(huán)應力，是周期性變一般機件承受的變動應力多為循環(huán)應力，是周期性變化的應力。表征應力循環(huán)

4、特征的參量有：化的應力。表征應力循環(huán)特征的參量有：第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能71. 1. 疲勞破壞的概念疲勞破壞的概念疲勞破壞過程疲勞破壞過程是材料內部薄弱區(qū)域的組織在變動應力作是材料內部薄弱區(qū)域的組織在變動應力作用下，逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開裂，當裂紋擴展達到用下，逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開裂，當裂紋擴展達到一定程度后發(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)域開始的損傷累積，最終引起整體破壞的過程。的損傷累積，最終引起整體破壞的過程。疲勞破壞是循環(huán)應力引起的延時斷裂，其斷裂應力水平疲勞破壞是循環(huán)應力引起的延時斷裂，其斷裂應力水平往

5、往低于材料的抗拉強度，甚至低于其屈服強度。機件疲往往低于材料的抗拉強度，甚至低于其屈服強度。機件疲勞失效前的工作時間稱為勞失效前的工作時間稱為疲勞壽命疲勞壽命，疲勞斷裂壽命隨循環(huán)，疲勞斷裂壽命隨循環(huán)應力不同而改變。應力不同而改變。應力高，機件壽命短；應力低，壽命長。當應力低于材應力高，機件壽命短；應力低，壽命長。當應力低于材料的疲勞強度時，壽命可無限長料的疲勞強度時，壽命可無限長。 第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能82. 2. 疲勞破壞的特點疲勞破壞的特點 疲勞破壞與靜載或一次性沖擊加載破壞相比較，具疲勞破壞與靜載或一次性沖擊加載破壞相比較，具有以下特點：有以下特點： (1)(1)該

6、破壞是一種該破壞是一種潛藏的突發(fā)性破壞潛藏的突發(fā)性破壞，在靜載下顯，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，易引起事故造成經濟損失。顯的塑性變形，呈脆性斷裂，易引起事故造成經濟損失。 (2)(2)疲勞破壞屬疲勞破壞屬低應力循環(huán)延時斷裂低應力循環(huán)延時斷裂，對于疲勞壽，對于疲勞壽命的預測就顯得十分重要和必要。命的預測就顯得十分重要和必要。第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能9 (3)(3)疲勞對疲勞對缺陷缺陷( (缺口、裂紋及組織缺口、裂紋及組織) )十分敏感十分敏感，即對缺陷具有高度的選擇性。因為缺

7、口或裂紋會引即對缺陷具有高度的選擇性。因為缺口或裂紋會引起應力集中，加大對材料的損傷作用；組織缺陷起應力集中，加大對材料的損傷作用；組織缺陷( (夾雜、疏松、白點、脫碳等夾雜、疏松、白點、脫碳等) )，將降低材料的局部，將降低材料的局部強度，二者綜合更加速疲勞破壞的起始與發(fā)展。強度，二者綜合更加速疲勞破壞的起始與發(fā)展。第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能10 (4) (4)可按不同方法對疲勞形式分類?？砂床煌椒▽ζ谛问椒诸?。 接接應力狀態(tài)應力狀態(tài)分：有彎曲疲勞、扭轉疲勞、拉壓分：有彎曲疲勞、扭轉疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞反復合疲勞；疲勞、接觸疲勞反復合疲勞； 按按應力高低和斷裂壽命應力

8、高低和斷裂壽命分：有高周疲勞和低周分：有高周疲勞和低周疲勞。高周疲勞的斷裂壽命疲勞。高周疲勞的斷裂壽命(N)(N)較長，斷裂應力水平較長，斷裂應力水平較低，又稱低應力疲勞，為常見的材料疲勞形式；較低，又稱低應力疲勞，為常見的材料疲勞形式；低周疲勞的斷裂壽命較短，斷裂應力水平較高，常低周疲勞的斷裂壽命較短，斷裂應力水平較高，常稱為高應力疲勞或應變疲勞。稱為高應力疲勞或應變疲勞。第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能11三、疲勞斷口的宏觀特征三、疲勞斷口的宏觀特征 如圖如圖5-45-4所示，典型疲勞斷口具有所示，典型疲勞斷口具有3 3個特征區(qū)個特征區(qū)- -疲勞源、疲勞源、疲勞裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū)

9、疲勞裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū)。第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能12 疲勞源疲勞源是疲勞裂紋萌生的策源地，是疲勞裂紋萌生的策源地，多出現(xiàn)在機件表多出現(xiàn)在機件表面，常和缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺陷相連面，常和缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺陷相連。但若。但若材材料內部存在嚴重冶金缺陷料內部存在嚴重冶金缺陷，也會因局部材料強度降低而，也會因局部材料強度降低而在機件內部引發(fā)出疲勞源。因疲勞源區(qū)裂紋表面受反復在機件內部引發(fā)出疲勞源。因疲勞源區(qū)裂紋表面受反復擠壓，摩擦次數多，疲勞源區(qū)比較擠壓，摩擦次數多，疲勞源區(qū)比較光亮，而且因加工硬光亮，而且因加工硬化，該區(qū)表面硬度化，該區(qū)表面硬度會有所提高。會有所提高。

10、第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能13 疲勞區(qū)疲勞區(qū)是疲勞裂紋亞臨界擴展形成的區(qū)域。其宏觀是疲勞裂紋亞臨界擴展形成的區(qū)域。其宏觀特征是：特征是：斷口較光滑并分布有貝紋線斷口較光滑并分布有貝紋線( (或海灘花樣或海灘花樣) )，有，有時還有裂紋擴展臺階時還有裂紋擴展臺階。 斷口光滑是疲勞源區(qū)的延續(xù)，其程度隨裂紋向前擴斷口光滑是疲勞源區(qū)的延續(xù)，其程度隨裂紋向前擴展逐漸減弱，反映裂紋擴展快慢、擠壓摩擦程度上的差展逐漸減弱，反映裂紋擴展快慢、擠壓摩擦程度上的差異。異。貝紋線是疲勞區(qū)的最典型特征，一般認為是因載荷貝紋線是疲勞區(qū)的最典型特征，一般認為是因載荷變動引起的，因為機器運轉時不可避免地常有

11、啟動、停變動引起的，因為機器運轉時不可避免地常有啟動、停歇、偶然過載等，均要在裂紋擴展前沿線留下弧狀貝紋歇、偶然過載等，均要在裂紋擴展前沿線留下弧狀貝紋線痕跡線痕跡。第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能14 瞬斷區(qū)瞬斷區(qū)是裂紋失穩(wěn)擴展形成的區(qū)域。該區(qū)的斷是裂紋失穩(wěn)擴展形成的區(qū)域。該區(qū)的斷口比疲勞區(qū)粗糙，宏觀特征如同靜載，隨材料性質口比疲勞區(qū)粗糙，宏觀特征如同靜載，隨材料性質而變。而變。 脆性材料斷口呈結晶狀；韌性材料斷口，在心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，邊緣平面應力部平面應變區(qū)呈放射狀或人字紋狀，邊緣平面應力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在區(qū)則有剪切唇區(qū)存在

12、。第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能15 5-2疲勞破壞的機理疲勞破壞的機理一、金屬材料疲勞破壞機理一、金屬材料疲勞破壞機理 1. 1.疲勞裂紋的萌生疲勞裂紋的萌生 金屬材料的疲勞過程也是裂紋萌生和擴展的過程。金屬材料的疲勞過程也是裂紋萌生和擴展的過程。因變動應力的循環(huán)作用，裂紋萌生往往在材料薄弱區(qū)或因變動應力的循環(huán)作用，裂紋萌生往往在材料薄弱區(qū)或高應力區(qū)，通過不均勻滑移、微裂紋形成及長大而完成。高應力區(qū)，通過不均勻滑移、微裂紋形成及長大而完成。 疲勞微裂紋疲勞微裂紋由不均勻滑移和顯微開裂引起由不均勻滑移和顯微開裂引起。主要方。主要方式有：表面滑移帶開裂；第二相、夾雜物與基體界面或式有

13、：表面滑移帶開裂；第二相、夾雜物與基體界面或雜質本身開裂；晶界或亞晶界處開裂。雜質本身開裂；晶界或亞晶界處開裂。第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能16 2. 2.疲勞裂紋的擴展疲勞裂紋的擴展 疲勞裂紋萌生后便開始擴展。疲勞裂紋萌生后便開始擴展。第第階段是階段是沿著最大切應力沿著最大切應力方向向內擴展方向向內擴展。其中多數微。其中多數微裂紋并不繼續(xù)擴展，成為不裂紋并不繼續(xù)擴展，成為不擴展裂紋，只有個別微裂紋擴展裂紋，只有個別微裂紋可延伸幾十可延伸幾十um(um(即即2525個晶個晶粒粒) )長。長。第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能17 隨即疲勞裂紋便進隨即疲勞裂紋便進入第入第階

14、段，沿垂直拉階段，沿垂直拉應力方向向前擴展形成應力方向向前擴展形成主裂紋，宜至最后形成主裂紋，宜至最后形成剪切唇為止剪切唇為止。第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能18二、非金屬材料疲勞破壞機理二、非金屬材料疲勞破壞機理 1. 1.陶瓷材料的疲勞破壞機理陶瓷材料的疲勞破壞機理 常溫下陶瓷材料的疲勞與金屬有所不同，其含義常溫下陶瓷材料的疲勞與金屬有所不同，其含義更廣：有更廣：有靜態(tài)疲勞、循環(huán)疲勞靜態(tài)疲勞、循環(huán)疲勞和和動態(tài)疲勞動態(tài)疲勞之分。之分。 其中其中循環(huán)疲勞循環(huán)疲勞與金屬疲勞具有相同含義，同屬在與金屬疲勞具有相同含義，同屬在長期變動應力作用下，材料的破壞行為；長期變動應力作用下，材料的

15、破壞行為；靜態(tài)疲勞則靜態(tài)疲勞則相當于金屬中的延遲斷裂相當于金屬中的延遲斷裂，即在一定載荷作用下，材，即在一定載荷作用下，材料可耐受應力隨時間下降的現(xiàn)象；料可耐受應力隨時間下降的現(xiàn)象；動態(tài)疲勞是在恒定動態(tài)疲勞是在恒定速率加載條件下研究材料斷裂失效對加載速率的敏感速率加載條件下研究材料斷裂失效對加載速率的敏感性性。第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能19 與金屬材料完全不同的與金屬材料完全不同的疲勞疲勞力學特性還有：陶力學特性還有：陶瓷材料常溫時，在應力作用下不發(fā)生或很難發(fā)生塑瓷材料常溫時，在應力作用下不發(fā)生或很難發(fā)生塑性變形，裂紋尖端根本不存在循環(huán)應力的疲勞效應。性變形，裂紋尖端根本不存在

16、循環(huán)應力的疲勞效應。因此金屬材料的損傷累積及疲勞機理對陶瓷材料并因此金屬材料的損傷累積及疲勞機理對陶瓷材料并不適用。不適用。 但但與金屬材料與金屬材料相同相同的是：的是：疲勞破壞也同樣經歷疲勞破壞也同樣經歷了裂紋萌生、疲勞裂紋擴展、瞬時斷裂的過程了裂紋萌生、疲勞裂紋擴展、瞬時斷裂的過程。第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能20 疲勞裂紋多萌生于材料表面，對疲勞裂紋多萌生于材料表面，對表面材料的缺陷或表面材料的缺陷或裂縫大小十分敏感裂縫大小十分敏感。陶瓷材料疲勞裂紋的亞臨界擴展速。陶瓷材料疲勞裂紋的亞臨界擴展速率對變動載荷應力幅不度敏感，而是強烈依賴裂紋尖端率對變動載荷應力幅不度敏感，而是

17、強烈依賴裂紋尖端的最大應力強度因子，的最大應力強度因子，一旦一旦裂紋尖端裂紋尖端應力超過非線性形應力超過非線性形變起始點，材料強度就大幅度衰減變起始點，材料強度就大幅度衰減。 此外，裂紋擴展速率還明顯依賴于環(huán)境、材料成分、此外，裂紋擴展速率還明顯依賴于環(huán)境、材料成分、組織結構等，其程度遠比金屬材料高，擴展的壽命過程組織結構等，其程度遠比金屬材料高，擴展的壽命過程遠比金屬材料要短，并呈龜裂狀。遠比金屬材料要短，并呈龜裂狀。第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能21二、非金屬材料疲勞破壞機理二、非金屬材料疲勞破壞機理 2. 2.高分子聚合物的疲勞破壞機理高分子聚合物的疲勞破壞機理 在拉應力作用

18、下，由于在拉應力作用下，由于非晶態(tài)聚合物的表面和內部非晶態(tài)聚合物的表面和內部會出現(xiàn)銀紋會出現(xiàn)銀紋，因此，不同結構的聚合物疲勞破壞機理也，因此，不同結構的聚合物疲勞破壞機理也有差異。易產生銀紋的非晶態(tài)聚合物的疲勞破壞過程主有差異。易產生銀紋的非晶態(tài)聚合物的疲勞破壞過程主要決定于外加名義應力。要決定于外加名義應力。 高循環(huán)應力時高循環(huán)應力時，應力很快便達到或超過材料銀紋的，應力很快便達到或超過材料銀紋的引發(fā)應力，產生銀紋，并隨之轉變成裂紋，擴展后導致引發(fā)應力，產生銀紋，并隨之轉變成裂紋，擴展后導致材料疲勞破壞。材料疲勞破壞。第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能22 中應力循環(huán)中應力循環(huán)時也會

19、產生銀紋，并轉變成裂紋，裂紋擴展速時也會產生銀紋，并轉變成裂紋，裂紋擴展速度比高應力區(qū)低，但機理、過程相同；度比高應力區(qū)低，但機理、過程相同； 低應力循環(huán)低應力循環(huán)時因難以引發(fā)銀紋，由材料微損傷累積及微觀時因難以引發(fā)銀紋，由材料微損傷累積及微觀結構產生微孔洞及微裂紋，并導致宏觀破壞。結構產生微孔洞及微裂紋，并導致宏觀破壞。 由于聚合物為粘彈性材料，由于聚合物為粘彈性材料，具有較大面積的應力滯后環(huán)，具有較大面積的應力滯后環(huán)，所以在循環(huán)過程中部分機械能轉化為熱能，使導熱性差的試所以在循環(huán)過程中部分機械能轉化為熱能，使導熱性差的試樣本身溫度急劇上升，甚至高于熔點或玻璃化轉變溫度，從樣本身溫度急劇上升

20、，甚至高于熔點或玻璃化轉變溫度，從而產生熱疲勞而產生熱疲勞。熱疲勞常是聚合物疲勞失效的主要原因；但熱疲勞常是聚合物疲勞失效的主要原因；但是，疲勞循環(huán)產生的熱量，有時也可以用來修補高分子的微是，疲勞循環(huán)產生的熱量，有時也可以用來修補高分子的微結構損傷。結構損傷。第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能23二、非金屬材料疲勞破壞機理二、非金屬材料疲勞破壞機理 3. 3.復合材料的疲勞破壞機理復合材料的疲勞破壞機理 與金屬材料相比，復合材料具有良好的疲勞性能，與金屬材料相比，復合材料具有良好的疲勞性能，其疲勞破壞有以下特點：其疲勞破壞有以下特點：有多種疲勞損傷形式有多種疲勞損傷形式：如界面脫粘、分

21、層、纖維斷裂、：如界面脫粘、分層、纖維斷裂、空隙增長?？障对鲩L。復合材料不會發(fā)生瞬時的疲勞破壞復合材料不會發(fā)生瞬時的疲勞破壞。第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能24聚合物基復合材料承受循環(huán)應力時，因材料導聚合物基復合材料承受循環(huán)應力時，因材料導熱性能差，又可吸收機械能變?yōu)闊崮埽也灰滓轃嵝阅懿?，又可吸收機械能變?yōu)闊崮?，且不易逸散，因此溫度明顯升高，導致材料性能下降，顯散，因此溫度明顯升高，導致材料性能下降，顯示出復合材料的疲勞性能示出復合材料的疲勞性能對加載頻率敏感對加載頻率敏感。復合材料的疲勞性能復合材料的疲勞性能對應變尤其是壓縮應變特對應變尤其是壓縮應變特別敏感。別敏感。復合材料的

22、疲勞性能復合材料的疲勞性能與纖維取向有關與纖維取向有關。第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能25 5-3疲勞抗力指標疲勞抗力指標 在機械設計中，疲勞應力判據和斷裂在機械設計中，疲勞應力判據和斷裂疲勞是疲勞設計的基本依據，其中作為疲勞是疲勞設計的基本依據，其中作為材材料疲勞抗力指標料疲勞抗力指標的的疲勞強度、過載持久值、疲勞強度、過載持久值、疲勞缺口敏感度及疲勞裂紋擴展速率疲勞缺口敏感度及疲勞裂紋擴展速率等都等都是材料的基本力學性能指標。是材料的基本力學性能指標。第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能26 5-3疲勞抗力指標疲勞抗力指標 疲勞強度的定義疲勞強度的定義：在指定疲勞壽命下，

23、材料能承在指定疲勞壽命下，材料能承受的上限循環(huán)應力受的上限循環(huán)應力。根據要求，指定的疲勞壽命可為。根據要求，指定的疲勞壽命可為無限周次也可為有限周次。無限周次也可為有限周次。 應力對疲勞強度有很大影響，應根據實際循環(huán)應應力對疲勞強度有很大影響，應根據實際循環(huán)應力狀態(tài)測定選用相應的疲勞強度。材料的抗拉強度愈力狀態(tài)測定選用相應的疲勞強度。材料的抗拉強度愈大，其疲勞強度也愈大。大，其疲勞強度也愈大。一、疲勞強度一、疲勞強度第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能27 5-3疲勞抗力指標疲勞抗力指標 過去一直認為，對于承受變動載荷的機件按疲勞過去一直認為，對于承受變動載荷的機件按疲勞強度設計是安全的

24、。實際上，強度設計是安全的。實際上，服役過程中機件不可避服役過程中機件不可避免要受到偶然的過載作用，如設備緊急剎車、突然起免要受到偶然的過載作用，如設備緊急剎車、突然起動等；又有的機件并不要求無限壽命，常在高于疲勞動等；又有的機件并不要求無限壽命，常在高于疲勞強度的應力下進行有限壽命服役強度的應力下進行有限壽命服役。 顯然僅依據材料的疲勞強度并不能評定上述兩種顯然僅依據材料的疲勞強度并不能評定上述兩種情況下的材料抗疲勞性能，為此，提出情況下的材料抗疲勞性能，為此，提出過載持久值過載持久值和和過載損傷界過載損傷界的概念。的概念。二、過載持久及過載損傷界二、過載持久及過載損傷界第五章第五章 材料的

25、疲勞性能材料的疲勞性能28 1. 1.過載持久值過載持久值 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)周次勞斷裂的應力循環(huán)周次稱為稱為過載持久值過載持久值，也稱為，也稱為有限有限疲勞壽命疲勞壽命。 過載持久值表征了材料對過載荷疲勞的抗力，該過載持久值表征了材料對過載荷疲勞的抗力，該值可由疲勞曲線傾斜部分確定。曲線傾斜的愈陡直，值可由疲勞曲線傾斜部分確定。曲線傾斜的愈陡直，持久值就愈高，表明材料在相同的過載條件下能經受持久值就愈高，表明材料在相同的過載條件下能經受的應力循環(huán)周次愈多，材料對過載荷的抗力愈高。的應力循環(huán)周次愈多，材料對過載荷的抗力愈高。第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能292.2.過載損傷界過載損傷界 實際上，機件往往預先受