材料力學(xué)第5章

1、第五章 金屬(jnsh)的疲勞 第一節(jié) 金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)(tdin)第二節(jié) 疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能第三節(jié) 疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門檻值 第四節(jié) 疲勞過程及機(jī)理第五節(jié) 影響疲勞強(qiáng)度的因素第六節(jié) 低周疲勞 共一百一十頁 人工作久了就會(huì)感到疲勞(plo)，難道金屬工作久了也會(huì)疲勞(plo)嗎？金屬的疲勞能得到恢復(fù)嗎？金屬材料在受到交變應(yīng)力(yngl)或重復(fù)循環(huán)應(yīng)力(yngl)時(shí)，往往在工作應(yīng)力(yngl)小于屈服強(qiáng)度的情況下突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。共一百一十頁1998年6月3日，德國發(fā)生了戰(zhàn)后最慘重的一起鐵路交通事故。一列高速列車脫軌，造成100多人遇難。事故的原因已經(jīng)查清，是因?yàn)橐还?jié)車廂

2、的車輪“內(nèi)部疲勞斷裂”引起(ynq)的。首先是一個(gè)車輪的輪箍發(fā)生斷裂，導(dǎo)致車輪脫軌，進(jìn)而造成車廂橫擺，此時(shí)列車正好過橋，橫擺的車廂以其巨大的力量將橋墩撞斷，造成橋梁坍塌，壓住了通過的列車車廂，并使已通過橋洞的車頭及前5節(jié)車廂斷開，而后面的幾節(jié)車廂則在巨大慣性的推動(dòng)下接二連三地撞在坍塌的橋體上，從而導(dǎo)致了這場近50年來德國最慘重的鐵路事故。共一百一十頁共一百一十頁2007年11月2日，一架美軍 F-15C鷹式戰(zhàn)斗機(jī)在做空中纏斗飛行訓(xùn)練(xnlin)時(shí)，飛機(jī)突然凌空解體，一份調(diào)查結(jié)果表明，飛機(jī)的關(guān)鍵支撐構(gòu)件桁梁出現(xiàn)了金屬疲勞問題。共一百一十頁金屬“疲勞”一詞，最早是由法國學(xué)者J-V彭賽（Panel

3、et）于1839年提出來的。1850年德國工程師沃勒（A.Woler)設(shè)計(jì)了第一臺(tái)用于機(jī)車車軸(chzhu)的疲勞試驗(yàn)機(jī)，用來進(jìn)行全尺寸機(jī)車車軸(chzhu)的疲勞試驗(yàn)。1871年沃勒系統(tǒng)論述了疲勞壽命和循環(huán)應(yīng)力的關(guān)系，提出了S-N曲線和疲勞極限的概念，確立了應(yīng)力幅是疲勞破壞的決定因素，奠定了金屬疲勞的基礎(chǔ)。共一百一十頁本單元主要介紹金屬疲勞產(chǎn)生的原因、特點(diǎn)(tdin)，金屬疲勞試驗(yàn)、疲勞極限、提高金屬抗疲勞破壞的措施等，同時(shí)對(duì)低周疲勞、熱疲勞等其他形式的疲勞現(xiàn)象也作了介紹。共一百一十頁第一節(jié) 金屬(jnsh)疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn) 一、變動(dòng)載荷和循環(huán)應(yīng)力1、變動(dòng)載荷和變動(dòng)應(yīng)力變動(dòng)載荷：載荷大小、甚至

4、(shnzh)方向均隨時(shí)間變化的載荷。變動(dòng)應(yīng)力: 變動(dòng)載荷在單位面積上的平均值。 分規(guī)則周期變動(dòng)應(yīng)力和無規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力兩種。共一百一十頁a)應(yīng)力(yngl)大小變化 b)c）應(yīng)力大小和方向都變化 d) 應(yīng)力大小和方向無規(guī)則變化 共一百一十頁2、循環(huán)應(yīng)力規(guī)則周期性變化的應(yīng)力稱循環(huán)應(yīng)力，表征應(yīng)力循環(huán)特征的幾個(gè)(j )參量：最大應(yīng)力 max 最小應(yīng)力 min平均應(yīng)力 m=（max+min）/2應(yīng)力幅 a=（maxmin）/2應(yīng)力比 r=共一百一十頁1.平均(pngjn)應(yīng)力2.應(yīng)力(yngl)幅t一個(gè)應(yīng)力循環(huán)共一百一十頁靜應(yīng)力(yngl) R = 1循環(huán)特征(tzhng)（應(yīng)力比）對(duì)稱循環(huán) R =

5、 1脈動(dòng)循環(huán) R = 0 （）共一百一十頁常見的循環(huán)(xnhun)應(yīng)力 （1）對(duì)稱交變應(yīng)力(yngl)： m=0 r = -1（2）脈動(dòng)應(yīng)力：m=a0, r = 0 或m=aa 0r1（4）不對(duì)稱交變應(yīng)力： -1r 105 ；s 亦稱低應(yīng)力疲勞。 低周疲勞：Nf = 102105 ；s 亦稱高應(yīng)力疲勞或應(yīng)變疲勞。共一百一十頁3、疲勞(plo)破壞的特點(diǎn) （1）疲勞是低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂,斷裂壽命隨應(yīng)力不同而變化。（2） 1：理論應(yīng)力集中系數(shù)即應(yīng)力集中處最大應(yīng)力與平均應(yīng)力之比 kf =-1 /-1N 1 ：疲勞缺口系數(shù)即光滑試樣和缺口試樣疲勞極限之比。qf 疲勞缺口敏感度共一百一十頁1、qf =

6、1 即 kf = kt 缺口試樣疲勞過程中應(yīng)力分布與彈性狀態(tài)完全一樣，沒有發(fā)生應(yīng)力重新分布，材料的疲勞缺口敏感性最大。2、qf = 0 即 kf =1 -1 =-1 N 缺口不降低疲勞極限，疲勞過程中應(yīng)力產(chǎn)生(chnshng)很大重分布，疲勞缺口敏感性最小。 qf能反映在疲勞過程中材料發(fā)生應(yīng)力重分布，降低應(yīng)力集中的能力。3、一般： 0 qf 1隨著(su zhe)Na、 ，最后當(dāng)a達(dá)到ac時(shí)， 增大到無限大。應(yīng)力范圍曲線位置向左上方移動(dòng)，ac、Np共一百一十頁2、應(yīng)力(yngl)強(qiáng)度因子范圍K 由斷裂力學(xué)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子理論：如認(rèn)為疲勞(plo)裂紋擴(kuò)展的每一微小過程類似是裂紋體小區(qū)域的斷

7、裂過程，K就是裂紋尖端控制疲勞裂紋擴(kuò)展的復(fù)合力學(xué)參量。 共一百一十頁3、da/dN-k （ lgda/dN- lgk）曲線(qxin) 將a-N曲線(qxin)可轉(zhuǎn)化為由k控制的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線：da/dN -k 或 lgda/dN- lgk由曲線可知，可分為三個(gè)區(qū)：I區(qū)：疲勞裂紋初始擴(kuò)展階段da/dN很小。隨kda/dN快速提高，但k變化范圍很小， da/dN提高有限，所占擴(kuò)展壽命不長。共一百一十頁II區(qū)：疲勞裂紋擴(kuò)展的主要階段，是決定疲勞壽命的主要部分 da/dN較I區(qū)大 da/dN和k關(guān)系(gun x)可由Paris公式描述： da/dN = c（k）n 該區(qū)雖然擴(kuò)展進(jìn)程快，但k變化

8、范圍大，故所占擴(kuò)展壽命長。III區(qū)：疲勞裂紋擴(kuò)展的最后階段 da/dN很大，且隨kda/dN，只需擴(kuò)展很少周次即導(dǎo)致材料失穩(wěn)斷裂。該區(qū)所占的擴(kuò)展壽命也不長。 共一百一十頁二、疲勞(plo)裂紋擴(kuò)展門檻值 1、定義(dngy)kth疲勞裂紋不擴(kuò)展的k臨界值，稱為疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值。kth表示材料阻止裂紋開始疲勞擴(kuò)展的性能，其值越大，阻止疲勞裂紋開始擴(kuò)展的能力就越大，材料也就越好。單位: MPa.m1/2共一百一十頁疲勞裂紋(li wn)擴(kuò)展門檻值 2、kth和-1的異同：共同點(diǎn)：均表示(biosh)無限壽命的疲勞性能; 受材料成分和組織、載荷條件以及環(huán)境影響相異點(diǎn)：-1是光滑試樣無限壽命疲勞強(qiáng)度

9、，適用于傳統(tǒng)的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)和校核。kth是裂紋試樣的無限壽命疲勞性能，適用于裂紋件的設(shè)計(jì)和疲勞強(qiáng)度校核。共一百一十頁3、kth判據(jù)由kth可建立裂紋件不疲勞斷裂（無限(wxin)壽命）的校核公式：K = Y Kth由此可知： 或:共一百一十頁4、工程疲勞(plo)門檻值 工程（或條件）疲勞門檻值 在實(shí)際測定材料(cilio)的Kth時(shí)很難做到da/dN =0，因此實(shí)驗(yàn)中常規(guī)定在平面應(yīng)變條件下da/dN =10-610-7mm/周次，它所對(duì)應(yīng)的K作為Kth。 共一百一十頁三、疲勞(plo)裂紋擴(kuò)展速率的影響因素 1、應(yīng)力比（或平均應(yīng)力）的影響 2、過載峰及裂紋塑性區(qū)的影響實(shí)驗(yàn)表明：在恒載裂紋疲勞

10、擴(kuò)展期內(nèi)，適當(dāng)?shù)倪^載峰會(huì)使裂紋擴(kuò)展減慢或停滯一段時(shí)間，發(fā)生裂紋擴(kuò)展的過載停滯現(xiàn)象。裂紋尖端塑性區(qū)的殘余壓應(yīng)力使裂紋產(chǎn)生閉合效應(yīng)，減小裂紋尖端的K，從而降低(jingd)da/dN 3、 材料組織和力學(xué)性能的影響 共一百一十頁應(yīng)力比（或平均(pngjn)應(yīng)力）的影響平均應(yīng)力m=(1+r)a /(1-r) ，在a一定的條件下，rm，故平均應(yīng)力和應(yīng)力比的影響具有等效性。在m0和r0的情況(qngkung)下：（1）應(yīng)力比或平均應(yīng)力會(huì)影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線的位置，隨r或m，曲線向左上方移動(dòng)，即rda/dN，且在I、III區(qū)的影響比II區(qū)大。（2）在I區(qū)，rkthkth = kth0(1-r)/(1+

11、r)1/2 （r0）kth0 脈動(dòng)循環(huán)（r=0）下的疲勞門檻值。（3）機(jī)件內(nèi)部殘余應(yīng)力的影響殘余壓應(yīng)力rda/dN，kth，疲勞壽命殘余拉應(yīng)力rda/dN，kth，疲勞壽命共一百一十頁共一百一十頁材料(cilio)組織和力學(xué)性能的影響材料組織對(duì)I、III區(qū)da/dN影響比較明顯，對(duì)II區(qū)影響不太明顯。（1） 晶粒越粗大Kth，da/dN（2） 對(duì)亞共析鋼 C% 鐵素體含量kth（3） 鋼的淬火組織中存在一定量的AR和Bkth，da/dN（4） 鋼的回火組織一般隨回火溫度kth，但具體(jt)規(guī)律尚不清楚（5） 噴丸強(qiáng)化處理kth （6） 強(qiáng)度和韌度的影響s，KICI區(qū)：da/dN，kth II

12、I區(qū)：da/dNs，KICI區(qū)：da/dN，kth III區(qū)：da/dN 共一百一十頁四、疲勞裂紋擴(kuò)展(kuzhn)速率表達(dá)式 1、Paris公式 高周疲勞場合：在低應(yīng)力s-1；低擴(kuò)展速率da/dN10-2mm/周次；較長的疲勞壽命Nf104周次 對(duì)于II區(qū)，Paris建立(jinl)了經(jīng)驗(yàn)公式：da/dN = C（K）n C、n材料試驗(yàn)常數(shù)，由lg da/dNlgk曲線的截距和斜率來確定 lg da/dN = lgC + nlgk材料、成分、組織及強(qiáng)度對(duì)II區(qū)疲勞裂紋的擴(kuò)展影響不大。 共一百一十頁2、Forman公式(gngsh) Forman公式在Paris公式的基礎(chǔ)(jch)上，進(jìn)一步考

13、慮了應(yīng)力比和斷裂韌度對(duì)da/dN的影響，描述了裂紋在II、III區(qū)的擴(kuò)展，但未反應(yīng)I區(qū)裂紋擴(kuò)展情況。r應(yīng)力比Kc和試件厚度有關(guān)的材料斷裂韌度 共一百一十頁3、 綜合(zngh)公式 在Forman公式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮I區(qū)kth的影響：由上式知，當(dāng)kkth時(shí)，da/dN0，滿足I區(qū)裂紋擴(kuò)展(kuzhn)情況，同時(shí)亦滿足有應(yīng)力比及斷裂韌度影響的II區(qū)、III區(qū)裂紋擴(kuò)展情況。但上式較復(fù)雜，工程計(jì)算還是以Paris公式為主。 共一百一十頁五、疲勞(plo)裂紋擴(kuò)展壽命的估算1.無損探傷確定機(jī)件初始裂紋尺寸a0,形狀位置和取向，從而確定KYa1/22.根據(jù)材料斷裂韌度KIC以及工作名義應(yīng)力，確定臨界裂

14、紋尺寸ac3.根據(jù)由試驗(yàn)確定的疲勞裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式，用積分方法計(jì)算(j sun)從a0到ac所需的循環(huán)周次，即疲勞剩余壽命Nc。共一百一十頁以Paris公式為例：當(dāng)n2時(shí)疲勞(plo)剩余壽命當(dāng)n=2時(shí) 共一百一十頁第四節(jié) 疲勞過程(guchng)及機(jī)理疲勞過程包括：疲勞裂紋(li wn)萌生、裂紋(li wn)亞穩(wěn)擴(kuò)展及最后失穩(wěn)擴(kuò)展三個(gè)階段。疲勞壽命Nf由疲勞裂紋萌生期Ni和裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展期Np組成。共一百一十頁一、疲勞裂紋萌生過程及機(jī)理疲勞裂紋核 0.050.1mm 疲勞微觀裂紋由不均勻局部滑移和顯微開裂(ki li)引起。1、滑移帶開裂產(chǎn)生裂紋循環(huán)滑移 循環(huán)滑移帶 （駐留滑移帶） 循環(huán)滑

15、移帶不斷加寬 位錯(cuò)的塞積、交割，在駐留滑移帶處形成微裂紋。駐留滑移帶在加寬過程中，還會(huì)出現(xiàn)擠出脊和侵人溝，于是此處產(chǎn)生應(yīng)力集中和空洞，經(jīng)過一定循環(huán)后也會(huì)產(chǎn)生微裂紋?？麓?fàn)柡諣柲Ｐ凸惨话僖皇摴惨话僖皇摂D出(j ch)脊和侵人溝共一百一十頁柯垂?fàn)柡諣?h r)模型在拉應(yīng)力半周期內(nèi)，先在取向最有利的滑移面上位錯(cuò)源S1被激活，當(dāng)它增殖的位錯(cuò)滑動(dòng)到表面(biomin)時(shí)，便在P處留下滑移臺(tái)階。位錯(cuò)源S1與滑移臺(tái)階P處于一個(gè)平面內(nèi)。共一百一十頁在同一拉應(yīng)力半周期內(nèi)，隨著拉應(yīng)力增大，在另一個(gè)滑移面上的位錯(cuò)源S2也被激活，當(dāng)它增殖的位錯(cuò)滑動(dòng)到表面時(shí)，在Q處留下滑移臺(tái)階。同時(shí)，后一個(gè)滑移面上位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使第一個(gè)

16、滑移面錯(cuò)開(cu ki)，造成S1與P不再處于同一平面內(nèi)。共一百一十頁在壓應(yīng)力(yngl)半周期內(nèi)，位錯(cuò)源S1又被激活，位錯(cuò)向反方向滑動(dòng)，在晶體表面留下反向滑移臺(tái)階P，于是P處形成一個(gè)侵入溝。同時(shí)，造成S2與Q不再處于同一平面。共一百一十頁若應(yīng)力不斷(bdun)循環(huán)，擠出脊高度增加，侵入溝深度加深，而寬度不變?cè)谕粔簯?yīng)力半周期內(nèi)，隨著壓應(yīng)力增大，位錯(cuò)源S2又被激活，位錯(cuò)沿反方向運(yùn)動(dòng)(yndng)，滑出表面后留下一個(gè)反向的滑移臺(tái)階Q，于是在此處形成擠出脊。同時(shí)，又將S1帶回原位置，與滑移臺(tái)階P處于一個(gè)平面內(nèi)。共一百一十頁2、相界面開裂產(chǎn)生裂紋 在疲勞失效分析中，常常發(fā)現(xiàn)很多疲勞源都是由材料中的第

17、二相或夾雜物引起的，因此而提出(t ch)了第二相、夾雜物和基體界面開裂，或第二相、夾雜物本身開裂的疲勞裂紋萌生機(jī)理（微孔形核長大模型）。 3、晶界開裂產(chǎn)生裂紋多晶體材料由于晶界的存在和相鄰晶粒的不同取向性，位錯(cuò)在晶內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到晶界的阻礙，在晶界處發(fā)生位錯(cuò)塞積和應(yīng)力集中。在應(yīng)力不斷循環(huán)下，應(yīng)力集中得不到松弛，則應(yīng)力峰越來越高，當(dāng)超過晶界強(qiáng)度時(shí)就會(huì)在晶界處產(chǎn)生裂紋。 共一百一十頁二、疲勞裂紋(li wn)擴(kuò)展過程及機(jī)理疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)分(qfn)兩個(gè)階段：第一階段，疲勞裂紋形成后沿主滑移系方向以純剪切方式向內(nèi)擴(kuò)展的過程。第二階段，裂紋沿與正應(yīng)力相垂直的方向擴(kuò)展。 共一百一十頁疲勞(plo)裂紋擴(kuò)展

18、第一階段在疲勞裂紋擴(kuò)展第一階段，多數(shù)裂紋為不擴(kuò)展裂紋，少數(shù)擴(kuò)展約23個(gè)晶粒，裂紋擴(kuò)展速率很低，每一個(gè)應(yīng)力循環(huán)大約只有0.1m的擴(kuò)展量。 由于該階段裂紋擴(kuò)展速率極低，擴(kuò)展總進(jìn)程也很小，所以該階段的斷口很難分析，常?？床坏绞裁葱蚊蔡卣?，只有一些擦傷的痕跡。但在一些強(qiáng)化材料中，有時(shí)可看到周期解理或準(zhǔn)解理花樣(huyng)，甚至還有沿晶開裂的冰糖狀花樣(huyng)。 共一百一十頁疲勞裂紋(li wn)擴(kuò)展的第二階段疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展的主要部分。 其斷口最重要的特征是具有略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣，即疲勞條帶，其特點(diǎn)：（1）疲勞條帶是一系列基本上相互平行的條紋，略帶彎曲呈波浪形，并與裂紋局部擴(kuò)展方向相

19、垂直。（2）每一條紋代表一次載荷循環(huán)，疲勞紋在數(shù)量上與循環(huán)次數(shù)相等。（3）疲勞條帶間距隨應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍（K）的變化而變化。在失效分析中常利用(lyng)疲勞條帶間寬與K的關(guān)系分析疲勞破壞。（4）疲勞斷口在微觀上通常由許多大小不同，高低不同的小斷塊所組成，每一小斷塊上疲勞條帶連續(xù)而平行；但相鄰小斷塊上的疲勞條帶不連續(xù)，不平行。（5）斷口兩側(cè)斷面上的疲勞條帶基本對(duì)應(yīng)。 共一百一十頁韌性(rn xn)條帶共一百一十頁一般滑移系多的面心立方金屬，疲勞條帶比較明顯，如Al、Cu合金等；滑移系較少或組織狀態(tài)復(fù)雜的鋼鐵材料，疲勞條帶短窄而紊亂，甚至看不到。疲勞條帶與貝紋線區(qū)別(qbi)：1.疲勞條帶是疲勞

20、斷口的微觀特征； 貝紋線疲勞斷口的宏觀特征。2.在斷口上，二者可同時(shí)出現(xiàn)也可不同時(shí)出現(xiàn)。共一百一十頁塑性(sxng)鈍化模型 左側(cè)曲線：實(shí)線段表示(biosh)交變應(yīng)力的變化右側(cè)示意圖：疲勞裂紋剖面示意圖共一百一十頁交變應(yīng)力為0，裂紋呈閉合狀態(tài)；受拉應(yīng)力時(shí)，裂紋張開，裂紋尖端由于應(yīng)力集中(jzhng)，沿45方向發(fā)生滑移；共一百一十頁拉應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，滑移區(qū)擴(kuò)大，裂紋尖端變?yōu)榘雸A形，發(fā)生鈍化，裂紋停止擴(kuò)展。交變(jio bin)應(yīng)力為壓應(yīng)力時(shí)，滑移沿反方向進(jìn)行，原裂紋與新擴(kuò)展的裂紋表面被壓近，裂紋尖端被彎折成耳狀切口，為沿45方向滑移準(zhǔn)備了應(yīng)力集中條件。共一百一十頁壓應(yīng)力達(dá)到(d do)最大

21、值時(shí)，裂紋表面被壓合，裂紋尖端又由鈍變銳，形成一對(duì)尖角，在斷口上便留下一條疲勞條帶，裂紋向前擴(kuò)展一個(gè)條帶的距離。共一百一十頁課堂(ktng)習(xí)題填空1.緊湊拉伸試樣預(yù)制裂紋后在固定應(yīng)力比和應(yīng)力范圍條件下循環(huán)加載， 裂紋長度 隨 應(yīng)力循環(huán)周次 的變化曲線即為疲勞裂紋擴(kuò)展曲線。2.疲勞裂紋不擴(kuò)展的應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍臨界值，稱為 疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值 。3.產(chǎn)生疲勞微觀裂紋的主要方式有 滑移帶開裂 、相界面開裂 和 晶界開裂 。4.疲勞裂紋擴(kuò)展第二階段斷口最重要的特征是具有 疲勞條帶 。5.駐留滑移帶在加寬過程中，還會(huì)出現(xiàn) 擠出脊 和 侵入溝 ，其成因可用柯垂耳赫爾(h r)模型描述。共一百一十頁第五節(jié)

22、 影響(yngxing)疲勞強(qiáng)度的因素 一、工作條件的影響 1、載荷條件 2、 溫度(wnd)一般T疲勞強(qiáng)度但對(duì)鋼：在200400范圍內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)疲勞極限峰值。高溫時(shí)材料的疲勞曲線無水平段，只能確定條件疲勞極限。3、腐蝕介質(zhì)腐蝕介質(zhì)存在使材料表面腐蝕產(chǎn)生蝕坑，而降低材料疲勞強(qiáng)度導(dǎo)致腐蝕疲勞。腐蝕疲勞只有條件疲勞極限。共一百一十頁載荷條件(tiojin)的影響（1）平均應(yīng)力和應(yīng)力狀態(tài)對(duì)于相同材料：平均應(yīng)力m或應(yīng)力比r疲勞強(qiáng)度應(yīng)力狀態(tài)：對(duì)于同一材料-1 -1P -1 （2）過載損傷在過載損傷區(qū)內(nèi)的過載疲勞強(qiáng)度、疲勞壽命（3）次載鍛煉低于疲勞極限的應(yīng)力稱為次載。金屬在低于疲勞極限的應(yīng)力下是運(yùn)轉(zhuǎn)一定次數(shù)

23、后疲勞極限的現(xiàn)象稱為次載鍛煉。次載應(yīng)力水平越接近(jijn)疲勞極限其鍛煉效果次載鍛煉的循環(huán)周次鍛煉效果，但達(dá)到一定周次后效果就不再提高。共一百一十頁載荷條件(tiojin)的影響（4）間隙效應(yīng)試驗(yàn)表明：對(duì)應(yīng)變時(shí)效材料，在循環(huán)加載的運(yùn)行中，若間歇空載一段時(shí)間或間歇時(shí)適當(dāng)加溫，可提高疲勞強(qiáng)度、延長疲勞壽命。注意：間隙次載可提高疲勞強(qiáng)度及延長疲勞壽命，而間歇過載對(duì)疲勞壽命不但無益，甚至還會(huì)降低疲勞強(qiáng)度。（5）載荷頻率載荷頻率在一定范圍內(nèi)可提高疲勞強(qiáng)度。以鋼的-1為例頻率在1701000Hz 頻率f-1在50170Hz 影響不大低于1Hz（ 60次/min）時(shí)-1常用的疲勞試驗(yàn)機(jī) f：5001000

24、0周/min之間，此時(shí)測算(c sun)的-1較穩(wěn)定，可不考慮頻率的影響。 共一百一十頁二、表面狀態(tài)及尺寸(ch cun)因素的影響 1、表面狀態(tài)（一）應(yīng)力集中機(jī)件表面缺口應(yīng)力集中是引起疲勞破壞的主要原因，可用Kf與qf表征應(yīng)力集中對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響程度。 Kfqf疲勞強(qiáng)度（二）表面粗糙度表面粗糙度越低疲勞極限越高。材料強(qiáng)度(qingd)愈高，表面粗糙度的影響愈顯著。表面加工方法不同，所得到的粗糙度不同，因而，同一種材料的疲勞極限也不一樣。共一百一十頁2、尺寸(ch cun)因素 在變動(dòng)載荷作用下，隨機(jī)(su j)件尺寸增大，其疲勞強(qiáng)度下降的現(xiàn)象稱為尺寸效應(yīng)。尺寸效應(yīng)系數(shù)：(-1)d 直徑為d的

25、機(jī)件疲勞強(qiáng)度-1 小試樣的疲勞強(qiáng)度缺口試樣比光滑試樣的尺寸效應(yīng)更為顯著。 共一百一十頁三、表面強(qiáng)化及殘余(cny)應(yīng)力的影響 疊加殘余壓應(yīng)力，總應(yīng)力減??；疊加殘余拉應(yīng)力，總應(yīng)力增大。殘余壓應(yīng)力提高疲勞強(qiáng)度；殘余拉應(yīng)力，降低疲勞強(qiáng)度。殘余壓應(yīng)力的有利影響與外加應(yīng)力的狀態(tài)有關(guān)：彎曲疲勞時(shí)，殘余壓應(yīng)力的效果比扭轉(zhuǎn)疲勞大；拉壓疲勞時(shí)，殘余壓應(yīng)力的影響較小。殘余壓應(yīng)力提高疲勞強(qiáng)度的效果與以下因素有關(guān)：殘余壓應(yīng)力值的大小殘余壓應(yīng)力區(qū)的深度與分布(fnb)殘余壓應(yīng)力在疲勞過程中是否發(fā)生松弛等。共一百一十頁對(duì)于(duy)承受彎曲或扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷的機(jī)件通過表面強(qiáng)化可以提高疲勞強(qiáng)度。解釋原因：機(jī)件表面的硬度和強(qiáng)度疲

26、勞強(qiáng)度在機(jī)件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力疲勞強(qiáng)度表面強(qiáng)化方法包括：表面噴丸、滾壓、表面淬火以及表面化學(xué)熱處理等。（1）表面噴丸及滾壓 噴丸是用壓縮空氣將堅(jiān)硬的小彈丸高速噴打向機(jī)件表面，使機(jī)件表面產(chǎn)生局部形變強(qiáng)化；同時(shí)因塑變層周圍的彈性約束，又在塑變層內(nèi)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。殘余壓應(yīng)力大小與噴丸壓力、速度以及彈丸直徑有關(guān)，最大可達(dá)材料屈服強(qiáng)度的一半。 共一百一十頁共一百一十頁 表面滾壓與噴丸作用相似，其壓應(yīng)力層深度較大，適于大工件；表面粗糙度低時(shí)，強(qiáng)化效果更好。形狀復(fù)雜的零件可采用噴丸強(qiáng)化，形狀簡單的回轉(zhuǎn)形零件可采用表面滾壓強(qiáng)化。（2）表面熱處理及化學(xué)熱處理利用組織相變獲得表面強(qiáng)化的工藝方法，除能使機(jī)件獲得表硬

27、心韌的綜合力學(xué)性能外，還可利用表面組織相變以及組織應(yīng)力、熱應(yīng)力變化，使機(jī)件表面層獲得高強(qiáng)度和殘余壓應(yīng)力，更有效提高機(jī)件疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命。 表面強(qiáng)化處理的有利影響(yngxing)對(duì)于帶缺口的試樣和機(jī)件更為顯著，因?yàn)樵诒砻嫒笨谔幃a(chǎn)生壓應(yīng)力集中，可有效地降低缺口根部的拉應(yīng)力集中。共一百一十頁四、材料(cilio)成分及組織的影響 1、合金成分 結(jié)構(gòu)鋼中碳是影響疲勞強(qiáng)度的重要因素：間隙固溶強(qiáng)化基體 b. 形成彌散碳化物進(jìn)行彌散強(qiáng)化 其它元素在鋼中的作用：a.提高鋼的淬透性 b.改善鋼的強(qiáng)韌性來影響疲勞強(qiáng)度。 2、非金屬夾雜物及冶金缺陷非金屬夾雜物疲勞強(qiáng)度 冶金及熱加工缺陷疲勞強(qiáng)度 3、顯微組織（1

28、）晶粒細(xì)化-1，在低碳鋼和鈦合金中符合(fh)Hall-petch公式 -1 =i + kd 1/2但在中、高強(qiáng)度低合金鋼中上式不一定符合。共一百一十頁（2）鋼的熱處理組織 正火組織因碳化物為片狀，其疲勞強(qiáng)度最低；淬火回火組織因碳化物為粒狀，其疲勞強(qiáng)度比正火高?；鼗瘃R氏體疲勞強(qiáng)度回火托氏體回火索氏體相同硬度:等溫淬火組織疲勞強(qiáng)度淬水回火組織淬火組織中存在未溶鐵素體或殘余奧氏體或非馬氏體組織過早(u zo)形成疲勞裂紋疲勞強(qiáng)度 共一百一十頁第六節(jié) 低周疲勞(plo) 一、低周疲勞的特點(diǎn)金屬在循環(huán)載荷作用下，疲勞壽命為102105 的疲勞斷裂稱低周疲勞（亦稱塑性疲勞或應(yīng)變疲勞），其特點(diǎn)：1、低周疲

29、勞時(shí)，局部區(qū)域產(chǎn)生宏觀塑性變形，循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變之間不再呈直線關(guān)系，而形成如圖所示的滯后回線。2、低周疲勞試驗(yàn)時(shí)，在給定的t或p下測定疲勞壽命，不再使用S-N曲線，而應(yīng)改用總應(yīng)變幅t/22Nf曲線或塑性應(yīng)變幅p/22Nf描述材料的疲勞規(guī)律。3、低周疲勞破壞有幾個(gè)裂紋源，微觀斷口(dunku)的疲勞條帶較粗，間距較寬，常不連續(xù)。4、低周疲勞壽命決定于塑性應(yīng)變幅，而高周疲勞壽命則決定于應(yīng)力幅或應(yīng)力場強(qiáng)度因子范圍，但兩者都是循環(huán)塑性變形累積損傷的結(jié)果。 共一百一十頁低周疲勞應(yīng)力(yngl)應(yīng)變滯后回線共一百一十頁二、金屬循環(huán)硬化(ynghu)與循環(huán)軟化 1、定義金屬材料由循環(huán)開始狀態(tài)變成穩(wěn)定狀態(tài)的過程，

30、與其在循環(huán)應(yīng)變(yngbin)作用下的形變抗力變化有關(guān)。若金屬材料在恒定應(yīng)變(yngbin)范圍循環(huán)作用下，隨循環(huán)周次增加其應(yīng)力（形變抗力）不斷增加，即為循環(huán)硬化。若在循環(huán)過程中，應(yīng)力逐漸減小，則為循環(huán)軟化。對(duì)于每一個(gè)固定的應(yīng)變范圍，都能得到相應(yīng)的穩(wěn)定滯后回線。將不同應(yīng)變范圍的穩(wěn)定滯后回線的頂點(diǎn)連接起來，便可得到循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線。它是評(píng)定材料低周疲勞特性的曲線。 比較循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線與單次應(yīng)力應(yīng)變曲線可判斷循環(huán)應(yīng)變對(duì)材料性能的影響。 共一百一十頁共一百一十頁2、循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變(yngbin)曲線 共一百一十頁3、循環(huán)(xnhun)硬化與循環(huán)(xnhun)軟化的影響因素 金屬材料產(chǎn)生循環(huán)硬化還是循

31、環(huán)軟化取決于其初始狀態(tài)、結(jié)構(gòu)特性以及應(yīng)變幅和溫度等。（1）退火狀態(tài)的塑性材料易產(chǎn)生循環(huán)硬化。（2）加工硬化的材料則往往是循環(huán)軟化。（3） 材料的b/s1.4， 循環(huán)硬化； b/s1.2，循環(huán)軟化； b/s = 1.21.4 傾向不定(bdng)。（4）應(yīng)變硬化指數(shù)n0.1 ，循環(huán)軟化； n0.1， 循環(huán)硬化或循環(huán)穩(wěn)定。 共一百一十頁三、低周疲勞的應(yīng)變(yngbin)壽命曲線1、tNf曲線曼森和柯芬等提出低周疲勞壽命公式(gngsh)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖中，上式等號(hào)右邊兩項(xiàng)是兩條直線，分別代表彈性應(yīng)變幅壽命線和塑性應(yīng)變幅壽命線。其中塑性應(yīng)變幅壽命關(guān)系公式稱為曼森柯芬公式。共一百一十頁t/22Nf關(guān)系(

32、gun x)曲線 兩條直線存在一個(gè)交點(diǎn)，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壽命稱為過渡壽命。交點(diǎn)左側(cè)（低周疲勞范圍）塑性應(yīng)變幅起主導(dǎo)作用，材料疲勞壽命由塑性控制；交點(diǎn)右側(cè)（高周疲勞范圍）彈性(tnxng)應(yīng)變幅起主導(dǎo)作用，材料疲勞壽命由強(qiáng)度決定；材料強(qiáng)度交點(diǎn)左移過渡壽命材料塑性、韌性交點(diǎn)右移過渡壽命共一百一十頁曼森（S.S.Manson）通過對(duì)耐熱鋼，普通結(jié)構(gòu)鋼等29材料的研究后提出總應(yīng)變幅與疲勞斷裂壽命之間滿足：ef靜拉伸時(shí)真實(shí)斷裂應(yīng)變 efln1/(1-)斷面收縮率上式中：只要知道材料的靜拉伸性能b、E、ef或即可求得材料光滑試樣完全(wnqun)對(duì)稱循環(huán)下的低周疲勞壽命曲線。共一百一十頁2、pNf曲線(qxin

33、) 低周疲勞的壽命決定于塑性應(yīng)變幅，曼森柯芬提出了pNf的關(guān)系式：pNfz = Cz、C材料常數(shù) z=0.20.7 C=0.51ef 上式是低周疲勞的基本關(guān)系式，可用以估算材料在低周疲勞下的壽命。金屬材料的低周疲勞壽命與屈服(qf)強(qiáng)度及材料類型關(guān)系不大。只有塑性應(yīng)變幅才是決定低周疲勞壽命的控制因素。在塑性應(yīng)變幅一定時(shí)，低周疲勞壽命取決于材料的塑性。因而，機(jī)件在低周疲勞下服役時(shí)，應(yīng)注意材料的塑性。在滿足強(qiáng)度要求的前提下，應(yīng)盡量選用塑性較高的材料。各種表面強(qiáng)化手段，對(duì)低周疲勞壽命的提高均無明顯效果。 共一百一十頁四、熱疲勞(plo)、沖擊疲勞(plo) 1、 熱疲勞的概念機(jī)件在由溫度循環(huán)變化時(shí)產(chǎn)

34、生的循環(huán)熱應(yīng)力或熱應(yīng)變作用下發(fā)生的疲勞稱為熱疲勞（熱應(yīng)力疲勞）。溫度循環(huán)又常與機(jī)械應(yīng)力循環(huán)疊加引起熱機(jī)械疲勞。溫度差t引起的膨脹熱應(yīng)變?yōu)閠（為材料的線膨脹系數(shù)），如該應(yīng)變完全被約束，則產(chǎn)生的熱應(yīng)力為 Et。當(dāng)熱應(yīng)力超過材料高溫下的彈性極限時(shí)，將發(fā)生局部塑性變形，經(jīng)過足夠的溫度變動(dòng)循環(huán)后，這種熱應(yīng)變將引起疲勞裂紋，并導(dǎo)致材料龜裂或斷裂。熱疲勞和熱機(jī)械疲勞破壞(phui)均是由塑性應(yīng)變累積損傷的結(jié)果，基本服從低周應(yīng)變疲勞規(guī)律?？路已芯堪l(fā)現(xiàn)：共一百一十頁 材料的熱疲勞抗力常以在一定溫度幅下產(chǎn)生一定尺寸疲勞裂紋的循環(huán)次數(shù)或在規(guī)定的循環(huán)周次下產(chǎn)生的裂紋長度表示。 熱疲勞裂紋是在表面熱應(yīng)變(yngbin)最大的區(qū)域形成的，也常從應(yīng)力集中處萌生。裂紋源一般有幾個(gè)，裂紋擴(kuò)展方向垂直于表面，向縱深擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂。一般，脆性材料導(dǎo)熱性差，熱疲勞危險(xiǎn)性較大；塑性好的材料其疲勞壽命較高。 共一百一十頁2、材料(cilio)的抗熱震性 對(duì)于脆性材料，特別是陶瓷材料，在生產(chǎn)使用(shyng)過程中多處在高溫狀態(tài)，溫度發(fā)生急熱急冷變化時(shí)