疲勞與疲勞斷裂解析課件

1、疲 勞 與 疲 勞 斷 裂 金屬在循環(huán)載荷作用下，即使所受的應(yīng)力低于屈服強度，也會發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。 疲勞斷裂，一般不發(fā)生明顯的塑性變形，難以檢測和預(yù)防，因而機件的疲勞斷裂會造成很大的經(jīng)濟以至生命的損失。 疲勞研究的主要目的：為防止機械和結(jié)構(gòu)的疲勞失效。緒言 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(diào)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。(不包括中、蘇)疲勞斷裂引起的空難達每年100次以上 工程實際中發(fā)生的疲勞斷裂破壞，占全部力學(xué)破壞的50-90%，是機械、結(jié)構(gòu)失效的最常見形式。 因此，工程技術(shù)人員必須認(rèn)真考慮可能的

2、疲勞斷裂問題。21.1 疲勞斷裂失效的基本形式 機械零件疲勞斷裂失效形式很多。 按交變載荷的形式不同，可分為拉壓疲勞、彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、接觸疲勞、振動疲勞等； 按疲勞斷裂的總周次的大?。∟f）可分為高周疲勞（Nf105）和低周疲勞（Nf104）； 按零件服役的溫度及介質(zhì)條件可分為機械疲勞（常溫、空氣中的疲勞）、高溫疲勞、低溫疲勞、冷熱疲勞及腐蝕疲勞等。 但其基本形式只有兩種，即由切應(yīng)力引起的切斷疲勞及由正應(yīng)力引起的正斷疲勞。其它形式的疲勞斷裂，都是由這兩種基本形式在不同條件下的復(fù)合。1 疲勞斷裂的基本形式和特征21 疲勞斷裂的基本形式和特征21、正斷疲勞失效 正斷疲勞的初裂紋，是由正應(yīng)力引起

3、的。 正斷疲勞的特點是：初裂紋所在平面大致上與應(yīng)力軸相垂直。 大多數(shù)的工程金屬構(gòu)件的疲勞失效都是以此種形式進行的。特別是體心立方金屬及其合金以這種形式破壞的所占比例更大；上述力學(xué)條件在試件的內(nèi)部裂紋處容易得到滿足，但當(dāng)表面加工比較粗糙或具有較深的缺口、刀痕、蝕坑、微裂紋等應(yīng)力集中現(xiàn)象時，正斷疲勞裂紋也易在表面產(chǎn)生。 高強度、低塑性的材料、大截面零件、小應(yīng)力振幅、低的加載頻率及腐蝕、低溫條件均有利于正斷疲勞裂紋的萌生與擴展。 1 疲勞斷裂的基本形式和特征22、切斷疲勞失效 切斷疲勞初始裂紋是由切應(yīng)力引起的。 切斷疲勞的特點是：初裂紋的所在平面與應(yīng)力軸約成45角，并沿其滑移面擴展。 由于面心立方結(jié)

4、構(gòu)的單相金屬材料的切斷強度一般略低于正斷強度，所以對于這類材料，其零件的表層比較容易滿足上述力學(xué)條件，因而多以切斷形式破壞。例如鋁、鎳、銅及其合金的疲勞初裂紋，絕大多數(shù)以這種方式形成和擴展。低強度高塑性材料制作的中小型及薄壁零件、大應(yīng)力振幅、高的加載頻率及較高的溫度條件都將有利于這種破壞形式的產(chǎn)生。1 疲勞斷裂的基本形式和特征2 1、疲勞斷裂的突發(fā)性 疲勞斷裂雖然經(jīng)過疲勞裂紋的萌生、亞臨界擴展、失穩(wěn)擴展三個元過程，但是由于斷裂前無明顯的塑性變形和其它明顯征兆，所以斷裂具有很強的突發(fā)性。即使在靜拉伸條件下具有大量塑性變形的塑性材料，在交變應(yīng)力作用下也會顯示出宏觀脆性的斷裂特征。因而斷裂是突然進行

5、的。 2、疲勞斷裂應(yīng)力很低 循環(huán)應(yīng)力中最大應(yīng)為幅值一般遠低于材料的強度極限和屈服極限。例如，對于旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞來說，經(jīng)107次應(yīng)力循環(huán)破斷的應(yīng)力僅為靜彎曲應(yīng)力的2040%；對于對稱拉壓疲勞來說，疲勞破壞的應(yīng)力水平還要更低一些。對于鋼制構(gòu)件，在工程設(shè)計中采用的近似計算公式為：1 疲勞斷裂的基本形式和特征 或1.2 疲勞斷裂失效的一般特征 2 3、疲勞斷裂是一個損傷積累的過程 疲勞斷裂不是立即發(fā)生的，而往往經(jīng)過很長的時間才完成的。疲勞初裂紋的萌生與擴展均是多次應(yīng)力循環(huán)損傷積累的結(jié)果。 在工程上通常把試件上產(chǎn)生一條可見的初裂紋的應(yīng)力循環(huán)周次（N0）或?qū)0與試件的總壽命Nf的比值（N0/ Nf）作為表

6、征材料疲勞裂紋萌生孕育期的參量。 疲勞裂紋萌生的孕育期與應(yīng)力幅的大小、試件的形狀及應(yīng)力集中狀況、材料性質(zhì)、溫度與介質(zhì)等因素有關(guān)。 4、疲勞斷裂對材料缺陷的敏感性 金屬的疲勞失較具有對材料的各種缺陷均為敏感的特點。因為疲勞斷裂總是起源于微裂紋處。這些微裂紋有的是材料本身的冶金缺陷，有的是加工制造過程中留下的，有的則是使用過程中產(chǎn)生的。1 疲勞斷裂的基本形式和特征2 5、疲勞斷裂對腐蝕介質(zhì)的敏感性 金屬材料的疲勞斷裂除取決于材料本身的性能外，還與零件運行的環(huán)境條件有著密切的關(guān)系。對材料敏感的環(huán)境條件雖然對材料的靜強度也有一定的影響，但其影響程度遠不如對材料疲勞強度的影響來得顯著。大量實驗數(shù)據(jù)表明，

7、在腐蝕環(huán)境下材料的疲勞極限較在大氣條件下低得多，甚至就沒有所說的疲勞極限。1 疲勞斷裂的基本形式和特征目前評定金屬材料疲勞性能的基本方法就是通過試驗測定其S-N曲線(疲勞曲線)，即金屬承受最大交變應(yīng)力max與其相應(yīng)的斷裂循環(huán)周次N之間的關(guān)系曲線。不同金屬材料的S-N曲線形狀是不同的，大致可以分為兩類2 S-N曲線（1）所加交變應(yīng)力降低到這個水平數(shù)值時，試樣可承受無限次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂。因此將水平部分所對應(yīng)的應(yīng)力稱之為金屬的疲勞極限。中低強度結(jié)構(gòu)鋼、鑄鐵等材料的S-N曲線屬于這一類。對這一類材料在測試其疲勞極限時，不可能做到無限次應(yīng)力循環(huán)，而試驗表明，這類材料在交變應(yīng)力作用下，如果應(yīng)力循環(huán)達到1

8、07周次不斷裂，則表明它可承受無限次應(yīng)力循環(huán)也不會斷裂，所以對這類材料常用107周次作為測定疲勞極限的基數(shù)。（2）另一類疲勞曲線沒有水平部分，其特點是隨應(yīng)力降低，循環(huán)周次N不斷增大，但不存在無限壽命。如圖1(b)所示。在這種情況下，常根據(jù)實際需要定出一定循環(huán)周次下所對應(yīng)的應(yīng)力作為金屬材料的“條件疲勞極限” 。23.1 疲勞斷口的宏觀形貌及其特征 由于疲勞斷裂的過程不同于其他斷裂，因而形成了疲勞斷 裂特有的斷口形貌，這是疲勞斷裂分析時的根本依據(jù)。 典型的疲勞斷口的宏觀形貌結(jié)構(gòu)可分為疲勞核心、疲勞源區(qū)、疲勞裂紋的選擇發(fā)展區(qū)、裂紋的快速擴展區(qū)及瞬時斷裂區(qū)等五個區(qū)域。一般疲勞斷口在宏觀上也可粗略地分為

9、疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)三個區(qū)域，更粗略地可將其分為疲勞區(qū)和瞬時斷裂區(qū)兩個部分。大多數(shù)工程構(gòu)件的疲勞斷裂斷口上一般可觀察到三個區(qū)域，因此這一劃分更有實際意義。3 疲勞斷口形貌及其特征2 3 疲勞斷口形貌及其特征1、疲勞裂紋源區(qū)疲勞裂紋源區(qū)是疲勞裂紋萌生的策源地，是疲勞破壞的起點，多處于機件的表面，源區(qū)的斷口形貌多數(shù)情況下比較平坦、光亮，且呈半圓形或半橢圓形。因為裂紋在源區(qū)內(nèi)的擴展速率緩慢，裂紋表面受反復(fù)擠壓、摩擦次數(shù)多，所以其斷口較其他兩個區(qū)更為平坦，比較光亮。在整個斷口上與其他兩個區(qū)相比，疲勞裂紋源區(qū)所占的面積最小。當(dāng)零件表面存在某類裂紋時，則零件無疲勞裂紋萌生期，疲勞裂紋在交變

10、載荷作用下直接由該類裂紋根部向縱深擴展，這時斷口上不再出現(xiàn)疲勞源區(qū)，只有裂紋擴展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)。2、疲勞裂紋擴展區(qū)疲勞裂紋擴展區(qū)是疲勞裂紋形成后裂紋慢速擴展形成的區(qū)域，該區(qū)是判斷疲勞斷裂的最重要特征區(qū)域，其基本特征是呈現(xiàn)貝殼花樣或海灘花樣，它是以疲勞源區(qū)為中心，與裂紋擴展方向相垂直的呈半圓形或扇形的弧形線，又稱疲勞弧線。疲勞弧線是裂紋擴展過程中，其頂端的應(yīng)力大小或狀態(tài)發(fā)生變化時，在斷裂面上留下的塑性變形的痕跡3、瞬時斷裂區(qū)由于疲勞裂紋不斷擴展，使零件或試樣的有效斷面逐漸減小，因此，應(yīng)力不斷增加。對塑性材料，當(dāng)疲勞裂紋擴展至凈截面的應(yīng)力達到材料的斷裂應(yīng)力時，便發(fā)生瞬時斷裂。與其他兩個區(qū)相比，瞬斷

11、區(qū)的明顯特征是具有不平坦的粗糙表面，而裂紋源區(qū)及裂紋擴展區(qū)則為光亮區(qū)。瞬斷區(qū)的斷口形貌及其所占面積取決于材料性質(zhì)、幾何形狀、應(yīng)力集中程度、加載方式及大小以及環(huán)境等因素，若應(yīng)力較高或材料韌性較差，則瞬斷區(qū)面積較大；反之，則瞬斷區(qū)就較小。24.1疲勞斷裂的形式 1、彎曲疲勞斷裂 金屬零件在交變的彎曲應(yīng)力作用下發(fā)生的疲勞破壞稱為彎曲疲勞斷裂。彎曲疲勞又可分為單向彎曲疲勞、雙向彎曲疲勞及旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞三類。其共同點是初裂紋一般源于表面，然后沿著與最大正應(yīng)力垂直的方向向內(nèi)擴展，當(dāng)剩余截面不能承受外加載荷時，構(gòu)件發(fā)生突然斷裂。 （1）單向彎曲疲勞斷裂 象吊車懸臂之類的零件，在工作時承受單向彎曲負荷。承受脈動

12、的單向彎曲應(yīng)力的零件，其疲勞核心一般發(fā)生在受拉側(cè)的表面上。疲勞核心一般為一個，斷口上可以看到呈同心圓狀的貝紋花樣，且呈凸向。最后斷裂區(qū)在疲勞源區(qū)的對面，外圍有剪切唇。 4 金屬零件的疲勞斷裂失效2 （2）雙向彎曲疲勞斷裂 某些齒輪的齒根承受雙向彎曲應(yīng)力的作用一。零件在雙向彎曲應(yīng)力作用下產(chǎn)生的疲勞斷裂，其疲勞源區(qū)可能在零件的兩側(cè)表面，最后斷裂區(qū)在截面的內(nèi)部。兩個疲勞核心并非同時產(chǎn)生，擴展速度也不一樣，所以斷口上的疲勞斷裂區(qū)一般不完全對稱。材料的性質(zhì)、負荷的大小、結(jié)構(gòu)特征及環(huán)境因素等都對斷口的形貌有影響，其趨勢與單向彎曲疲勞斷裂基本相同。 （3）旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂 許多軸類零件的斷裂多屬于旋轉(zhuǎn)彎曲疲

13、勞斷裂。旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂時，疲勞源區(qū)一般出現(xiàn)在表面，但無固定地點，疲勞源的數(shù)量可以是一個也可以是多個。疲勞源區(qū)和最后斷裂區(qū)相對位置一般總是相對于軸的旋轉(zhuǎn)方向而逆轉(zhuǎn)一個角度。由此可以根據(jù)疲勞源區(qū)與最后斷裂區(qū)的相對位置推知軸的旋轉(zhuǎn)方向。 當(dāng)軸的表面存在較大的應(yīng)力集中時，可以出現(xiàn)多個疲勞源區(qū)。此時最后斷裂區(qū)將移至軸件的內(nèi)部。4 金屬零件的疲勞斷裂失效2 2、拉壓疲勞斷裂 拉壓疲勞斷裂最典型例子是各種蒸汽錘的活塞桿在使用中發(fā)生的疲勞斷裂。在通常情況下，拉壓疲勞斷裂的疲勞核心多源于表面而不是內(nèi)部。但當(dāng)構(gòu)件內(nèi)部存在有明顯的缺陷時，疲勞初裂紋將起源于缺陷處。此時，在斷口上將出現(xiàn)兩個明顯的不同區(qū)域，一是光亮的

14、圓形疲勞區(qū)（疲勞核心在此中心附近），周圍是瞬時斷裂區(qū)。 應(yīng)力集中和材料缺陷將影響疲勞核心的數(shù)量及其所在位置，瞬時斷裂區(qū)的相對大小與負荷大小及材料性質(zhì)有關(guān)。4 金屬零件的疲勞斷裂失效2 3 扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂 各類傳動軸件的斷裂主要是扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂的斷口形貌，主要有三種類型。 （1）正向斷裂 斷裂表面與軸向成45角，即沿最大正應(yīng)力作用的平面發(fā)生的斷裂。單向脈動扭轉(zhuǎn)時為螺旋狀；雙向扭轉(zhuǎn)時，其斷裂面呈星狀，應(yīng)力集中較大的呈鋸齒狀。 （2）切向斷裂 斷面與軸向垂直，即沿著最大切應(yīng)力所在平面斷裂，橫斷面齊平。 （3）混合斷裂 橫斷面呈階梯狀，即沿著最大切應(yīng)力所在平面起裂并在正應(yīng)力作用下擴展引起的斷

15、裂。 正向斷裂的宏觀形貌一般為纖維狀，不易出現(xiàn)疲勞弧線。切向斷裂較易出現(xiàn)疲勞弧線。4 金屬零件的疲勞斷裂失效4 金屬零件的疲勞斷裂失效正向斷裂 切向斷裂 切向斷裂 2 4、振動疲勞斷裂 許多機械設(shè)備及其零部件在工作時往往出現(xiàn)在其平衡位置附近作來回往復(fù)的運動現(xiàn)象，即機械振動。機械振動在許多情況下都是有害的。它除了產(chǎn)生噪音和有損于建筑物的動負荷外，還會顯著降低設(shè)備的性能及工作壽命。由往復(fù)的機械運動引起的斷裂稱為振動疲勞斷裂。 4 金屬零件的疲勞斷裂失效25.1 疲勞斷裂原因分析 1、零件的結(jié)構(gòu)形狀 零件的結(jié)構(gòu)形狀不合理，主要表現(xiàn)在該零件中的最薄弱的部位存在轉(zhuǎn)角、孔、槽、螺紋等形狀的突變而造成過大的

16、應(yīng)力集中，疲勞微裂紋最易在此處萌生。 2、表面狀態(tài) 不同的切削加工方式（車、銑、刨、磨、拋光）會形成不同的表面粗糙度，即形成不同大小尺寸和尖銳程度的小缺口。這種小缺口與零件幾何形狀突變所造成的應(yīng)力集中效果是相同的。由于表面狀態(tài)不良導(dǎo)致疲勞裂紋的形成是金屬零件發(fā)生疲勞斷裂的另一重要原因。 5 影響疲勞原因及措施2 3、材料及其組織狀態(tài) 材料選用不當(dāng)或在生產(chǎn)過程中由于管理不善而錯用材料造成的疲勞斷裂也時有發(fā)生。金屬材料的組織狀態(tài)不良是造成疲勞斷裂的常見原因。任何增加材料抗拉強度的熱處理通常均能提高材料的疲勞抗力。組織的不均勻性，如非金屬夾雜物、疏松、偏析、混晶等缺陷均使疲勞抗力降低而成為疲勞斷裂的

17、重要原因。5 影響疲勞原因及措施2 4、裝配與聯(lián)接效應(yīng) 裝配與聯(lián)接效應(yīng)對構(gòu)件的疲勞壽命有很大的影響。 正確的擰緊力矩可使其疲勞壽命提高5倍以上。容易出現(xiàn)的問題是，認(rèn)為越大的擰緊力對提高聯(lián)接的可靠性越有利，使用實踐和疲勞試驗表明，這種看法具有很大的片面性。 5使用環(huán)境 環(huán)境因素（低溫、高溫及腐蝕介質(zhì)等）的變化，使材料的疲勞強度顯著降低，往往引起零件過早的發(fā)生斷裂失效。例如鎳鉻鋼（0.28C，11.5 Ni，0.73Cr），淬火并回火狀態(tài)下在海水中的條件下疲勞強度大約只是在大氣中的疲勞極限的20。5 影響疲勞原因及措施5.2 影響疲勞的因素材料的組織結(jié)構(gòu)對疲勞的影響表面狀況對疲勞的影響環(huán)境介質(zhì)對疲

18、勞的影響溫度對疲勞的影響3 金屬零件的疲勞斷裂失效（1）晶體結(jié)構(gòu)的影響在體心立方金屬中的位錯運動需要更大的應(yīng)力。體心立方金屬的屈服強度通常較高一些，而且在這些材料令的加工硬化速率又較低，因此使疲勞極限接近于其極限強度，疲勞強度高于面心立方結(jié)構(gòu)的材料。（2）堆垛層錯能的影響 具有高層錯能的材料(即擴展位錯寬度窄的)比較容易發(fā)生交滑移，位錯的運動可以通過交滑移的方式而繞過障礙使形變繼續(xù)進行，因此，能促使持久滑移帶的形成，有利于疲勞裂紋的萌生和擴展。具有高層錯能的材料的疲勞抗力是比較低的。相反，具有低縣錯能的材料的疲勞抗力是比較高的。（3）晶粒大小的影響 對大多數(shù)金屬材料而言，其疲勞極限是隨著晶粒的

19、減小而提高。（4）第二相性質(zhì)的影響 對于起強化作用的第二相能夠有效的提高疲勞性能，而對于不起強化作用的第二相往往要降低疲勞性能。（5）非金屬夾雜物的影響 減少夾雜物的數(shù)量，減少夾雜物的尺寸都能有效地提高疲勞極限。1.材料的組織結(jié)構(gòu)對疲勞的影響3 金屬零件的疲勞斷裂失效2.表面狀況對疲勞的影響（1）表面缺口的影響 在缺口根部存在著較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，此處的實際最大應(yīng)力遠遠高于平均應(yīng)力，疲勞裂紋優(yōu)先在此產(chǎn)生。構(gòu)件的表面缺口的應(yīng)力集中效應(yīng)是導(dǎo)致疲勞斷裂的各因素中最主要的因素之一。（2）表面狀況的影響 表面粗糙度增加，會使材料的疲勞極限大為下降。這種影響隨著材料強度的提高而愈明顯。（3）表面殘余應(yīng)力狀態(tài)的影響 表層的殘余壓應(yīng)力能提高材料的疲勞性