第五章 材料的疲勞性能-材料性能學

第五章材料的疲勞性能一.疲勞破壞的變動應(yīng)力§5-1疲勞破壞的一般規(guī)律疲勞：材料在變動載荷和應(yīng)變的長期作用下，因累積損傷引起的斷裂現(xiàn)象。工程中許多機件和構(gòu)件承受變動載荷，如曲軸、連桿、齒輪、葉片、橋梁等，它們的失效主要是疲勞斷裂。本章主要研究疲勞的一般規(guī)律、疲勞破壞過程及機理、疲勞力學性能指標及影響因素。變動應(yīng)力周期變動應(yīng)力隨機變動應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力特征參量：最大應(yīng)力σmax最小應(yīng)力σmin平均應(yīng)力

σm=1/2（σmax+σmin）應(yīng)力幅

σa=1/2（σmax-σmin）應(yīng)力比

γ=σmin/σmax循環(huán)應(yīng)力分類對稱循環(huán)：σm=0，r=-1不對稱循環(huán)：σm≠0，-1＜r＜1脈動循環(huán)：σm=σa0，r=0

σm=σa

＜0，r=∞波動循環(huán)：σm

＞σa，0＜r＜1隨機變動應(yīng)力二、疲勞分類及特點1.分類按應(yīng)力狀態(tài)不同，可分為：彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、復合疲勞按環(huán)境及接觸情況不同，可分為：大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、熱疲勞、接觸疲勞按斷裂壽命和應(yīng)力高低不同，可分為：高周疲勞、低周疲勞高周疲勞特點：斷裂壽命較長，Nf>105周次，斷裂應(yīng)力水平較低，σ<σs，也稱低應(yīng)力疲勞，一般常見的疲勞都屬于此類。低周疲勞特點：斷裂壽命較短，Nf=（104-105）周次，斷裂應(yīng)力水平較高，σ≥σs，往往有塑性應(yīng)變出現(xiàn)，也稱高應(yīng)力疲勞或應(yīng)變疲勞。2.特點疲勞是延時斷裂，即具有壽命的斷裂斷裂應(yīng)力水平低于材料抗拉強度，甚至低于屈服強度。斷裂壽命隨應(yīng)力不同而變化，應(yīng)力與壽命成反比。當應(yīng)力低于某一臨界值時，壽命可達無限長。疲勞是脆性斷裂由于一般疲勞的應(yīng)力水平比屈服強度低，所以不論是韌性材料還是脆性材料，在疲勞斷裂前不會發(fā)生塑性變形及有形變預(yù)兆，它是在長期累積損傷過程中，經(jīng)裂紋萌生和緩慢亞穩(wěn)擴展到臨界尺寸ac時才突然發(fā)生的。因此，疲勞是一種潛在的突發(fā)性低應(yīng)力脆性斷裂。三.疲勞斷口的宏觀特征疲勞斷裂=裂紋萌生

+裂紋擴展疲勞斷口由3個區(qū)域組成：裂紋源疲勞裂紋擴展區(qū)瞬斷區(qū)疲勞斷口特征：貝紋線（海灘花樣）不同應(yīng)力狀態(tài)、不同應(yīng)力大小時，疲勞斷口的形貌不同。§5-2疲勞破壞的機理一.金屬材料疲勞破壞機理1.疲勞裂紋的萌生表面萌生第二相萌生晶界萌生形成駐留滑移帶在交變載荷作用下，永留或能再現(xiàn)的循環(huán)滑移帶，稱為駐留滑移帶。通過位錯的交滑移，使駐留滑移帶加寬。形成擠出脊和侵入溝滑移帶在表面加寬過程中，還會向前或向后移動，形成擠出脊和侵入溝。Cottrell和Hull的擠出脊和侵入溝形成模型2.疲勞裂紋的擴展第一階段沿主滑移系，以純剪切方式向內(nèi)擴展；擴展深度僅幾十μm，即2-5個晶粒。第二階段晶界的阻礙作用，使擴展方向逐漸垂直于主應(yīng)力方向；擴展速率μm級；可以穿晶擴展。形成疲勞條紋（疲勞輝紋）。一條輝紋就是一次循環(huán)的結(jié)果。疲勞條帶（韌性條帶、脆性條帶）疲勞裂紋擴展模型Laird塑性鈍化模型裂紋不再擴展的過程，稱為“塑性鈍化”

該模型對韌性材料的疲勞擴展很有用。

材料的強度越低，裂紋擴展越快，條帶越寬Forsyth&Ryder再生核模型疲勞裂紋的擴展是斷續(xù)的。

主裂紋前方是彈塑性交界點（三向拉應(yīng)力區(qū)）可形成新裂紋核。主裂紋和裂紋核之間發(fā)生相向長大、橋接，使主裂紋向前擴展。

強度高的材料，可形成解理裂紋。二.非金屬材料疲勞破壞機理1、陶瓷材料的疲勞破壞機理循環(huán)疲勞：在長期變動載荷作用下，材料發(fā)生破壞。靜態(tài)疲勞：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：在恒定速率加載條件下，研究材料斷裂失效對加載頻率的敏感性。疲勞破壞=裂紋萌生+疲勞裂紋擴展+瞬時斷裂不存在裂紋尖端的塑性變形及循環(huán)損傷的疲勞效應(yīng)。疲勞裂紋擴展主要決定于最大應(yīng)力強度因子，受環(huán)境、成分、組織結(jié)構(gòu)的影響。斷口具有脆性斷口特征，類似于靜載荷斷裂。2、高分子聚合物的疲勞破壞機理易產(chǎn)生銀紋的非晶態(tài)聚合物高循環(huán)應(yīng)力：銀紋形成→裂紋→高速擴展→斷裂中循環(huán)應(yīng)力：銀紋形成→裂紋→低速擴展→斷裂低循環(huán)應(yīng)力：材料微損傷累積及微觀結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生微孔洞及微裂紋，導致斷裂。不易產(chǎn)生銀紋的結(jié)晶聚合物疲勞應(yīng)變軟化分子鏈間剪切滑移、分子鏈斷裂、結(jié)晶損傷、精細結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生顯微空洞，聚合成微裂紋，擴展成宏觀裂紋斷口呈肋條形狀，拉拔的叢生簇+肋條間裂紋源細沙結(jié)構(gòu)斷口特征：有時出現(xiàn)疲勞輝紋和疲勞斑紋3、復合材料的疲勞破壞機理多種疲勞損傷形式：界面脫粘、分層、纖維斷裂、空隙增長及其組合。不發(fā)生瞬時疲勞破壞，以彈性模量的下降或共振頻率變化作為破壞依據(jù)。在循環(huán)應(yīng)力作用下，變性能變?yōu)闊崮?，溫度升高，性能下降，對加載頻率敏感。對應(yīng)變敏感，拉應(yīng)變界面開裂，壓縮應(yīng)變縱向開裂。與纖維取向有關(guān)，平行纖維方向受載的疲勞性能優(yōu)于垂直方向受載?！?-3疲勞抗力指標一.疲勞試驗方法幾種材料的疲勞（S-N）曲線旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗疲勞曲線用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗測定，其四點彎曲試驗機原理見下圖。對稱循環(huán)疲勞曲線（S~N曲線）：有水平段的疲勞曲線（鋼、QT）和無水平段的疲勞曲線（有色金屬，不銹鋼等）二、疲勞強度（疲勞極限）：1、對稱循環(huán)疲勞強度對稱彎曲σ-1，對稱扭轉(zhuǎn)τ-1，對稱拉壓σ-1p當循環(huán)應(yīng)力水平降到某一臨界值時，低應(yīng)力段變?yōu)樗骄€段，表明試樣可以經(jīng)無限次應(yīng)力循環(huán)也不發(fā)生疲勞斷裂，故將對應(yīng)的應(yīng)力稱為疲勞極限，記為σ-1（對稱循環(huán)，r=-1）。這類材料如果應(yīng)力循環(huán)107周次不斷裂，則可認定承受無限次應(yīng)力循環(huán)也不會斷裂，所以常將107周次作為測定疲勞極限的基數(shù)。另一類金屬材料，如鋁合金、不銹鋼等，其S-N曲線沒有水平部分，只是隨應(yīng)力降低，循環(huán)周次不斷增大，此時只能根據(jù)材料的使用要求規(guī)定某一循環(huán)周次下不發(fā)生斷裂的應(yīng)力作為條件疲勞極限，或稱有限壽命疲勞極限。2、不對稱循環(huán)疲勞強度

σmax(σmin)-σm疲勞圖σmax(σmin)-σm疲勞圖AHB和AEC曲線Geber方程塑性材料σmax(σmin)-σm疲勞圖3、不同應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞強度根據(jù)大量的實驗結(jié)果，彎曲與拉壓、扭轉(zhuǎn)疲勞極限之間的關(guān)系：鋼：σ-1p=0.85σ-1

鑄鐵：σ-1p=0.65σ-1

銅及輕合金：τ-1=0.55σ-1

鑄鐵：τ-1=0.8σ-1

σ-1>σ-1p>τ-14、疲勞極限與靜強度之間的關(guān)系鋼：σ-1p=0.23（σs+σb）

σ-1=0.27（σs+σb）鑄鐵：σ-1p=0.4σb

σ-1=0.45σb

鋁合金：σ-1p=σb/6+7.5(MPa)

σ-1=σb/6-7.5(MPa)

青銅：σ-1=0.21σb鋼的疲勞極限與抗拉強度的關(guān)系三.過載持久值和過載損傷界過載損傷界過載持久值材料在高于疲勞極限的應(yīng)力下運行，發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán)周次，稱為過載持久值，也稱有限疲勞壽命。過載損傷界如果金屬在高于疲勞極限的應(yīng)力水平下運轉(zhuǎn)一定周次后，其疲勞極限和疲勞壽命減小，這就造成了過載損傷。金屬材料抵抗疲勞過載損傷的能力，用過載損傷界或過載損傷區(qū)表示。

疲勞過載損傷是由裂紋的亞穩(wěn)擴展造成。四.疲勞缺口敏感度疲勞缺口敏感度q0<q<1

Kt為理論應(yīng)力集中系數(shù)，決定于缺口的幾何形狀與尺寸。

Kf為有效應(yīng)力集中系數(shù)，

σ-1和σ-1N分別為光滑與缺口試樣的疲勞極限，Kf的大小也和材料特性有關(guān)。

q=0，表示對缺口完全不敏感；q=1則表示對缺口十分敏感。

影響q的因素：

強度、硬度上升，q上升，

缺口尖銳度上升，q上升，即敏感。五.疲勞裂紋擴展速率及擴展門檻值疲勞裂紋擴展曲線疲勞裂紋擴展曲線高頻疲勞試驗機；固定裂紋預(yù)制長度a0、應(yīng)力比r和應(yīng)力幅σa；

σ2>σ1

作a-N曲線曲線斜率da/dN為裂紋擴展速率；裂紋達到ac，da/dN無限大。引入斷裂韌度：

I區(qū)（初始段）

△K≤△Kth，裂紋不擴展。

△K>△Kth，裂紋擴展但不快。

II區(qū)（穩(wěn)態(tài)段），裂紋亞穩(wěn)擴展，是決定疲勞裂紋擴展壽命的主要段。

III區(qū)（失穩(wěn)段），裂紋失穩(wěn)擴展。疲勞裂紋擴展速率表達式：Paris公式：Forman公式：考慮門檻值的公式：整個擴展過程公式：疲勞裂紋擴展壽命的估算：確定應(yīng)力強度因子的計算公式：校驗σmax/σs>0.6-0.7，確定是否需要修正。計算ac。計算剩余疲勞壽命?！?-4影響材料及機件疲勞強度的因素載荷條件應(yīng)力狀態(tài)和平均應(yīng)力、應(yīng)力比過載損傷次載鍛煉：提高疲勞強度間歇效應(yīng)：適當間歇可以提高疲勞強度載荷頻率：一.工作條件的影響載荷條件溫度降低，疲勞強度升高。腐蝕介質(zhì)腐蝕介質(zhì)的存在，降低疲勞強度。二.表面狀態(tài)和尺寸因素的影響表面狀態(tài)表面缺口降低疲勞強度。尺寸因素尺寸增大降低疲勞強度。三.表面強化及殘余應(yīng)力的影響提高表面塑變抗力，降低表面有效拉應(yīng)力，提高疲勞強度表面噴丸及滾壓

表面熱處理：火焰加熱淬火、感應(yīng)加熱淬火和低淬透性鋼的整體加熱薄殼淬火等。

和化學熱處理：滲碳、滲氮、碳氮共滲等。

復合強化表面強化處理：可產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，同時還能提高機件表面的強度和硬度，從而提高疲勞強度。四.材料成分及組織的影響合金成分合金成分是決定材料組織結(jié)構(gòu)的基本要素。在各種結(jié)構(gòu)工程材料中，結(jié)構(gòu)鋼的疲勞強度最高，這類鋼中碳是影響疲勞強度的重要元素。碳既可間隙固溶，又可以碳化物彌散析出，兼具固溶強化和彌散強化，阻止裂紋萌生和提高疲勞強度。顯微組織細化晶?？梢蕴岣卟牧系钠趶姸?。結(jié)構(gòu)鋼的正火組織因碳化物為片狀，疲勞強度最低，淬火回火組織因碳化物