第五章 材料疲勞性能

第五章材料的疲勞性能重點：概念:疲勞、貝紋線、疲勞條帶、疲勞壽命、次載鍛煉、過載損傷、駐留滑移帶、過載持久值、疲勞缺口敏感度、熱疲勞；疲勞強(qiáng)度疲勞宏觀斷口特征和疲勞微觀斷口特征；疲勞曲線（脆性材料）及影響疲勞強(qiáng)度的因素。難點：三大材料的疲勞破壞機(jī)理2）疲勞破壞的機(jī)理3）疲勞抗力指標(biāo)4）影響材料及機(jī)件疲勞強(qiáng)度的因素1）疲勞破壞的基本概念和一般規(guī)律

本章主要內(nèi)容5）熱疲勞十五863子課題驗收匯報前言材料在交變應(yīng)力的作用下，經(jīng)過一段時間，而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，叫疲勞（定義）。疲勞破壞時的最大應(yīng)力<σb，甚至<σs；不產(chǎn)生明顯的塑性變形，呈現(xiàn)脆性的突然斷裂?！嗥跀嗔咽且环N非常危險的斷裂?！嘁芯科诘囊?guī)律、機(jī)理、力學(xué)性能指標(biāo)、影響因等。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(jī)件的疲勞斷裂會造成很大的經(jīng)濟(jì)以至生命的損失。疲勞研究的主要目的：為防止機(jī)械和結(jié)構(gòu)的疲勞失效。十五863子課題驗收匯報第一節(jié)疲勞破壞的一般規(guī)律一疲勞破壞的變動應(yīng)力1、變動載荷（概念）大小、方向或者大小和方向均隨時間而變化的載荷。變化分為周期性，無規(guī)則性，可用應(yīng)力一時間曲線描述，如圖5-1示.變動載荷在單位面積上的平均值稱為變動應(yīng)力十五863子課題驗收匯報2、循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力的波形一般近似為正弦波、矩形波和三角形波等。（1）表征循環(huán)應(yīng)力的參量最大循環(huán)應(yīng)力σmax，最小循環(huán)應(yīng)力σmin平均應(yīng)力σm=1/2（σmax+σmin）應(yīng)力幅σa或應(yīng)力范圍Δσ

σa=1/2Δσ=1/2（σmax-σmin）應(yīng)力比γ=σmin/σmax十五863子課題驗收匯報（2）循環(huán)應(yīng)力的種類(3)脈動循環(huán)：σm＝σa>0，r＝0，齒輪的齒根及某些壓力容器承受此類應(yīng)力；σm＝σa<0，r＝∞，軸承承受脈動循環(huán)壓應(yīng)力。(4)波動循環(huán)：σm>σa，0<r<1。發(fā)動機(jī)氣缸蓋、螺栓承受這種應(yīng)力。(1)對稱循環(huán),σm=0，r＝-1，大多數(shù)旋轉(zhuǎn)軸類零件承受此類應(yīng)力。(2)不對稱循環(huán)：σm≠0，-1<r<1。發(fā)動機(jī)連桿或結(jié)構(gòu)中某些支撐桿、螺栓承受此類應(yīng)力，σa>σm>0，-1<r<0。十五863子課題驗收匯報疲勞破壞是循環(huán)應(yīng)力引起的延時斷裂，其斷裂應(yīng)力水平往往低于材料的抗拉強(qiáng)度，甚至低于其屈服強(qiáng)度．疲勞斷裂壽命隨循環(huán)應(yīng)力不同而改變。應(yīng)力高，壽命短；應(yīng)力低，壽命長．當(dāng)應(yīng)力低于材料的疲勞強(qiáng)度時，壽命可無限長。二、疲勞分類及特點(5)隨機(jī)變動應(yīng)力：循環(huán)應(yīng)力呈隨機(jī)變化，如運(yùn)行時因道路或云層的變化，汽車、拖拉機(jī)及飛機(jī)等的零件，工作應(yīng)力隨時間隨機(jī)變化，如圖5-3所示。

十五863子課題驗收匯報1.分類（1）按應(yīng)力狀態(tài):彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、復(fù)合疲勞等。（2）按環(huán)境:腐蝕疲勞、熱疲勞、接觸疲勞等。（3）按循環(huán)周期:高周疲勞(低應(yīng)力疲勞)、低周疲勞(高應(yīng)力疲勞)

。（4）按破壞原因:機(jī)械疲勞、腐蝕疲勞、熱疲勞等。

十五863子課題驗收匯報疲勞破壞與靜載或一次性沖擊加載破壞比較具有以下特點：(1)是一種潛藏的突發(fā)性破壞，即出現(xiàn)脆性斷裂；

(2)疲勞破壞屬低應(yīng)力循環(huán)延時斷裂。斷裂應(yīng)力<σb，甚至<σs；(3)疲勞對缺陷(缺口、裂紋及組織)十分敏感，即對缺陷具有高度的選擇性.（4）疲勞破壞能清楚顯示裂紋的萌生和擴(kuò)展，斷裂。2．疲勞破壞的特點十五863子課題驗收匯報三、疲勞斷口的宏觀特征如圖5-4所示，典型疲勞斷口具有3個特征區(qū)——疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)。(1)疲勞源是疲勞裂紋萌生的策源地；裂紋處在亞穩(wěn)擴(kuò)展過程中。

多出現(xiàn)在機(jī)件表面，常和缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺陷相連。因應(yīng)力交變，斷面摩擦而疲勞源區(qū)光亮，而且因加工硬化，該區(qū)表面硬度會有所提高。十五863子課題驗收匯報(2)疲勞區(qū)

是疲勞裂紋亞臨界擴(kuò)展形成的區(qū)域。其宏觀特征：斷口較光滑并分布有貝紋線(或海灘花樣)，有時還有裂紋擴(kuò)展臺階（高應(yīng)力作用）

。斷口光滑是疲勞源區(qū)的延續(xù)，其程度隨裂紋向前擴(kuò)展逐漸減弱，反映裂紋擴(kuò)展快慢、擠壓摩擦程度上的差異。貝紋線是疲勞區(qū)的最典型特征，一般認(rèn)為是因載荷變動引起的，因為機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時不可避免地常有啟動、停歇、偶然過載等，均要在裂紋擴(kuò)展前沿線留下弧狀貝紋線痕跡。十五863子課題驗收匯報十五863子課題驗收匯報(3)瞬斷區(qū)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(zhì)而變．脆性材料斷口呈結(jié)晶狀；韌性材料斷口，在心部平面應(yīng)變區(qū)呈放射狀或人字紋狀，邊緣區(qū)則有剪切唇。瞬斷區(qū)大小與機(jī)件承受名義應(yīng)力及材料性質(zhì)有關(guān)，高名義應(yīng)力或低韌性材料，瞬斷區(qū)大；反之，瞬斷區(qū)則小。是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域十五863子課題驗收匯報十五863子課題驗收匯報第二節(jié)疲勞破壞的機(jī)理

主要方式有：A表面滑移帶開裂；B第二相、夾雜物與基體界面或夾雜物本身開裂；C晶界或亞晶界處開裂。如圖5-5所示。一、金屬材料疲勞破壞機(jī)理

1．疲勞裂紋的萌生裂紋萌生：通過不均勻滑移、微裂紋形成及長大而完成。大量研究表明：疲勞微裂紋由不均勻滑移和顯微開裂引起．常將0.05～0.1mm的裂紋認(rèn)定為疲勞裂紋核。十五863子課題驗收匯報（1）滑移帶開裂在循環(huán)載荷的作用下，即使循環(huán)應(yīng)力未超過材料屈服強(qiáng)度，也會在試件表面形成循環(huán)駐留滑移帶。駐留滑移帶一般只在表面形成，深度較淺。隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加，循環(huán)滑移帶會不斷地加寬。駐留滑移帶定義：在交變載荷作用下，永留或能再現(xiàn)的循環(huán)滑移帶?；茙г诒砻婕訉掃^程中，還會向前或向后移動，形成擠出峰和侵入溝。循環(huán)過程中，峰、槽不斷增加，增高（或變深）。孿晶處也易出現(xiàn)擠出峰和侵入溝。柯垂?fàn)?A．H．Cottrell)和赫爾(D．Hull)曾提出一個交叉滑移模型說明擠出峰和侵入溝的形成過程。十五863子課題驗收匯報柯垂耳-赫爾模型

拉應(yīng)力的上半周初期，位錯源S1被激活，當(dāng)位錯滑動到表面時，便在P處留下一個滑移臺階，如圖5-7(b)隨著拉應(yīng)力的增大，另一個滑移面上的位錯源S2也被激活，當(dāng)位錯滑動到表面時，在Q處留下一個滑移臺階，同時還使第一個滑移面錯開，如圖5-7(c)在壓應(yīng)力的前半周期，位錯源S1又被激活，但位錯向反向滑動，并在晶體表面留下一個反向滑移臺階P'，結(jié)果P處形成一個侵入溝，同時也使位錯源S2與滑移臺階Q錯開，如圖5-7(d)十五863子課題驗收匯報（2）晶界處開裂晶界就是面缺陷；位錯運(yùn)動易發(fā)生塞積，出現(xiàn)應(yīng)力集中，晶界開裂。兩相（包括第二相、夾雜）間的結(jié)合力差，各相的形變速率不同，易在相結(jié)合處或弱相內(nèi)出現(xiàn)開裂。只有首先達(dá)到臨界尺寸的裂紋核，才能繼續(xù)長大。（3）相界面開裂隨著壓應(yīng)力增加，位錯源S2又被激活，位錯沿相反方向運(yùn)動，滑出表面后留下一個反向的滑移臺階Q’，并在此處形成一條擠出脊，如圖5-7(e)。隨著應(yīng)力如此不斷循環(huán)，擠出脊高度與侵入溝深度將不斷增加．疲勞微裂紋也就易在此處萌生。

十五863子課題驗收匯報2．疲勞裂紋的擴(kuò)展沿垂直拉應(yīng)力方向擴(kuò)展形成主裂紋→剪切唇,多數(shù)韌性材料的第Ⅱ階段斷口→韌性疲勞條帶，脆性材料→脆性條帶。（1）裂紋擴(kuò)展的兩個階段裂紋擴(kuò)展極慢，擴(kuò)展的總量很小，所以該階段的斷口很難辨析，不易觀察到其形貌特征，只有某些擦傷的痕跡。

第Ⅰ階段是沿著最大切應(yīng)力方向向內(nèi)擴(kuò)展第Ⅱ階段疲勞裂紋穿晶擴(kuò)展十五863子課題驗收匯報十五863子課題驗收匯報疲勞條帶(疲勞輝紋)定義：是略呈彎曲并相互平行的溝槽狀花樣，與裂紋擴(kuò)展方向垂直，是裂紋擴(kuò)展時留下的微觀痕跡，為疲勞斷口最典型的微觀特征。十五863子課題驗收匯報在失效分析中，常利用疲勞微觀斷口中疲勞條帶間寬和裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅KI間關(guān)系分析破壞原因。疲勞條帶和貝紋線區(qū)別：1）疲勞條帶是疲勞斷口的微觀特征，貝紋線是斷口的宏觀特征。2）在相鄰貝紋線間可能有成千上萬條疲勞條帶。3）二者既可同時在斷口上出現(xiàn)，也可在斷口上不同時出現(xiàn)。這種不完全對應(yīng)的現(xiàn)象在對疲勞斷口分析時值得注意。

十五863子課題驗收匯報二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理常溫下陶瓷材料的疲勞含義更廣：靜態(tài)疲勞、循環(huán)疲勞和動態(tài)疲勞。循環(huán)疲勞與金屬疲勞具有相同含義，同屬長期變動應(yīng)力作用下，材料的破壞行為；靜態(tài)疲勞則相當(dāng)于金屬中的延遲斷裂，即在一定載荷作用下，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性。與金屬材料完全不同的還有：陶瓷材料常溫時，在應(yīng)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(yīng)力的疲勞效應(yīng)，因此金屬材料的損傷累積及疲勞機(jī)理對陶瓷材料并不適用。1.陶瓷材料的疲勞破壞機(jī)理十五863子課題驗收匯報相同點：疲勞破壞也同樣經(jīng)歷了裂紋萌生、疲勞裂紋擴(kuò)展、瞬時斷裂的過程。疲勞裂紋多萌生于材料表面，對表面材料的缺陷或裂縫大小十分敏感。不相同點：亞臨界擴(kuò)展速率對變動載荷應(yīng)力幅不敏感，即對裂尖的應(yīng)力強(qiáng)度因子(KI)不敏感，而是強(qiáng)烈依賴裂紋尖端的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子KImax值。擴(kuò)展的壽命過程遠(yuǎn)比金屬材料要短，并呈龜裂狀。在陶瓷材料斷口上不易觀測到疲勞貝紋和疲勞條帶，循環(huán)疲勞斷口與快速斷裂斷口形貌之間差異十分微小，均呈現(xiàn)脆性斷口特征。1.陶瓷材料的疲勞破壞機(jī)理十五863子課題驗收匯報2．高分子聚合物的疲勞破壞機(jī)理1）易產(chǎn)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(yīng)力：A：高循環(huán)應(yīng)力時，應(yīng)力很快便達(dá)到或超過材料銀紋的引發(fā)應(yīng)力，產(chǎn)生銀紋，并隨之轉(zhuǎn)變成裂紋，擴(kuò)展后導(dǎo)致材料疲勞破壞；B：中應(yīng)力循環(huán)時也會引發(fā)銀紋，并轉(zhuǎn)變?yōu)榱鸭y，裂紋擴(kuò)展速度比高應(yīng)力區(qū)低，但機(jī)理、過程相同；C：低應(yīng)力循環(huán)時因難以引發(fā)銀紋，由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，并導(dǎo)致宏觀破壞。十五863子課題驗收匯報2）對于因低應(yīng)力或本身不易產(chǎn)生銀紋的結(jié)晶態(tài)聚合物，其疲勞過程可出現(xiàn)以下現(xiàn)象：1)整個過程，疲勞應(yīng)變軟化而不出現(xiàn)硬化；2)分子鏈間剪切滑移，分子鏈斷裂，結(jié)晶損傷及晶體精細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；3)產(chǎn)生顯微孔洞(micryoid)，微孔洞聚合成微裂紋，并擴(kuò)展成宏觀裂紋；4)斷口呈裂紋擴(kuò)展形成的肋狀形態(tài)，材料呈被拉拔出的叢生簇狀結(jié)構(gòu)，每肋條間次級裂紋源顯示出細(xì)砂結(jié)構(gòu)。熱疲勞是聚合物疲勞失效的主要原因。但有時也可修補(bǔ)高分子的微結(jié)構(gòu)損傷。2．高分子聚合物的疲勞破壞機(jī)理十五863子課題驗收匯報3）聚合物疲勞斷口上可有兩種特征的條紋：疲勞輝紋（fitiguestriation)和疲勞斑紋（marking)。A:前者是每周期變動應(yīng)力作用時引起的裂紋擴(kuò)展，間距為10um左右；后者是不連續(xù)的、跳躍式的變動應(yīng)力引起的裂紋擴(kuò)展，間距為50um左右。B:較低分子量和低應(yīng)力強(qiáng)度因子有利于疲勞斑紋的產(chǎn)生；C:高分子量在所有的應(yīng)力強(qiáng)度因子條件下皆可形成疲勞輝紋。2．高分子聚合物的疲勞破壞機(jī)理十五863子課題驗收匯報3．復(fù)合材料的疲勞破壞機(jī)理

(1)有多種疲勞損傷形式：如界面脫粘、分層、纖維斷裂、空隙增長等。實際上，每種損傷模型都是由多種微觀裂紋(或微觀破壞)構(gòu)成的。(2)復(fù)合材料不會發(fā)生瞬時疲勞破壞，常常難以確認(rèn)破壞與否，故不能沿用金屬材料的判斷準(zhǔn)則。常以疲勞過程中材料彈性模量下降的百分?jǐn)?shù)(如下降1％～2％)、共振頻率變化(如1～21b)作為破壞依據(jù)。復(fù)合材料具有優(yōu)良的疲勞性能，其疲勞破壞有以下特點。十五863子課題驗收匯報3)聚合物基復(fù)合材料疲勞性能對加載頻率敏感。(4)復(fù)合材料的疲勞性能對應(yīng)變尤其壓縮應(yīng)變特別敏感。(5)復(fù)合材料的疲勞性能與纖維取向有關(guān)。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中疲勞裂紋的擴(kuò)展模式如圖5-14。原因是纖維斷裂而產(chǎn)生疲勞裂紋及裂紋擴(kuò)展。

十五863子課題驗收匯報纖維斷裂后，在纖維和基體界面產(chǎn)生剪切應(yīng)力，更利于剪切裂紋長大。(1)弱界面時，可先出現(xiàn)界面上拉伸開裂，如圖5-14(b)；(2)剪切裂紋分叉使裂紋附近應(yīng)力集中有所減緩，增加壽命。如遇低強(qiáng)度的基體，裂紋尖端的塑性變形可使分叉鈍化，阻止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，如圖5-14(a)。3．復(fù)合材料的疲勞破壞機(jī)理

十五863子課題驗收匯報A弱界面和強(qiáng)纖維情況下，裂紋沿纖維旁側(cè)以非平面應(yīng)變模式增長，如圖5-14(c)所示。B當(dāng)界面很強(qiáng)時，裂尖的高應(yīng)力集中作用于纖維上，韌纖維對高應(yīng)力敏感，裂紋會快速穿過[圖5-14(d)]C當(dāng)界面很強(qiáng)時，裂尖的高應(yīng)力集中作用于纖維上，脆纖維會突然破壞[圖5-14(e)]。圖5-14(d)和圖5-14(c)所示的疲勞裂紋擴(kuò)展模式通常會導(dǎo)致復(fù)合材料疲勞性能下降。3．復(fù)合材料的疲勞破壞機(jī)理

(3)在基體中擴(kuò)展的疲勞裂紋接近纖維時，可能有3種擴(kuò)展方式：十五863子課題驗收匯報隨堂練習(xí)題11.典型疲勞斷口具有3個特征區(qū)—

、

、

。2.疲勞區(qū)的每組貝紋線好像一簇以疲勞源為圓心的平行弧線，凹側(cè)指向

，凸側(cè)指向

方向。3.脆性材料的疲勞斷口呈

；韌性材料斷口在心部平面應(yīng)變區(qū)呈

或

，邊緣區(qū)則有

。4.陶瓷材料常溫時裂紋尖端存在循環(huán)應(yīng)力的疲勞效應(yīng)。5.金屬材料的損傷累積及疲勞機(jī)理對陶瓷材料適用。6.陶瓷材料擴(kuò)展的壽命過程遠(yuǎn)比金屬材料要短。7.陶瓷材料斷口上易觀測到疲勞貝紋和疲勞條帶8.陶瓷材料循環(huán)疲勞斷口與快速斷裂斷口形貌之間差異十分微小，均呈現(xiàn)韌性斷口特征。9.______是疲勞斷口的微觀特征，

是疲勞斷口的宏觀特征。10.疲勞條帶(疲勞輝紋)定義：十五863子課題驗收匯報11.裂紋擴(kuò)展的兩個階段，第Ⅰ階段是沿著最大

方向向內(nèi)擴(kuò)展;第Ⅰ階段沿垂直

方向擴(kuò)展形成

，直到最后形成

。12.機(jī)械疲勞是聚合物疲勞失效的主要原因。13.聚合物疲勞斷口上可有兩種特征的條紋：

和

。14.較低分子量在所有的應(yīng)力強(qiáng)度因子條件下皆可形成疲勞輝紋。15.復(fù)合材料的疲勞不能沿用金屬材料的判斷準(zhǔn)則,常以材料彈性模量下降的百分?jǐn)?shù)和共振頻率變化作為破壞依據(jù)。16.復(fù)合材料弱界面和強(qiáng)纖維情況下，裂紋沿纖維旁側(cè)以非平面應(yīng)變模式增長。17.當(dāng)復(fù)合材料界面很強(qiáng)時，裂尖的高應(yīng)力集中作用于纖維上，脆纖維會突然破壞。18.復(fù)合材料的疲勞性能對壓縮應(yīng)變特別敏感。十五863子課題驗收匯報疲勞抗力指標(biāo):1)疲勞強(qiáng)度2)過載持久值3)疲勞缺口敏感度4)疲勞裂紋擴(kuò)展速度

第三節(jié)疲勞抗力指標(biāo)十五863子課題驗收匯報

第三節(jié)疲勞抗力指標(biāo)最簡單的疲勞試驗是用一組光滑小試樣模擬火車輪軸的應(yīng)力狀態(tài)在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機(jī)上測量材料的疲勞S—N曲線，以表征疲勞應(yīng)力(S)和疲勞壽命(N)間的關(guān)系。常用的四點彎曲試驗機(jī)原理如圖5-15所示。測定疲勞曲線的方法是，按標(biāo)準(zhǔn)(GB4337-84)的規(guī)定先準(zhǔn)備若干個尺寸相同的試樣，從0.67σb到0.4σb，選擇幾個不同的最大循環(huán)應(yīng)力σ1，σ2，…，σn，分別對每個試樣進(jìn)行循環(huán)加載試驗，測定它們從加載開始到試樣斷裂所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)數(shù)N1，N2，…，Nn，然后在直角坐標(biāo)圖上將這些數(shù)據(jù)繪制成σ-N曲線，或σmax—lgN曲線。

一、疲勞試驗方法十五863子課題驗收匯報十五863子課題驗收匯報二、疲勞強(qiáng)度常見的對稱循環(huán)載荷有對稱彎曲、對稱扭轉(zhuǎn)、對稱拉壓等。對應(yīng)的疲勞強(qiáng)度分別記為σ-1、τ-1及τ-1p，其中σ-1是最常用的。疲勞強(qiáng)度定義為在指定疲勞壽命下，材料能承受的上限循環(huán)應(yīng)力。根據(jù)要求，指定的疲勞壽命可為無限周次也可為有限周次。1．對稱循環(huán)疲勞強(qiáng)度

2．不對稱循環(huán)疲勞強(qiáng)度對于在不對稱循環(huán)載荷下工作的材料或機(jī)件。一般多用工程作圖法，由疲勞圖求出各種不對稱循環(huán)應(yīng)力下的疲勞強(qiáng)度。

十五863子課題驗收匯報十五863子課題驗收匯報需要說明的是，上述疲勞圖僅適合于脆性材料。對于塑性材料，應(yīng)該用屈服強(qiáng)度σs進(jìn)行修正，如圖5-18示。十五863子課題驗收匯報3．不同應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞強(qiáng)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同種材料的疲勞強(qiáng)度：σ-1>σ-1P>τ-1十五863子課題驗收匯報4．疲勞強(qiáng)度與靜強(qiáng)度間關(guān)系鋼：σ-1P=0.23（σs+σb）σ-1=0.27（σs+σb）鑄鐵：σ-1P=0.4σbσ-1=0.45σb鋁合金：σ-1P=σb/6+7.5(MPa)σ-1=σb/6-7.5(MPa)十五863子課題驗收匯報三、過載持久值及過載損傷界1過載持久值材料在高于疲勞強(qiáng)度的一定應(yīng)力下工作，發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán)周次，也稱為有限疲勞壽命。過載持久值表征了材料對過載疲勞的抗力，該值可由疲勞曲線傾斜部分確定。曲線傾斜得愈陡直，持久值就愈高，表明材料在相同的過載條件(縱坐標(biāo)值)下能經(jīng)受的應(yīng)力循環(huán)周次愈多，材料對過載荷的抗力愈高。過載應(yīng)力又稱為材料耐久強(qiáng)度。

十五863子課題驗收匯報2．過載損傷界過載損傷界到疲勞曲線間的影線區(qū)，稱為材料的過載損傷區(qū)。把在每個過載應(yīng)力下運(yùn)行能引起損傷的最少循環(huán)周次連接起來就得到該材料的過載損傷界。如圖5-20上a，b，c，…，可由實驗確定。圖5-20過載損傷界十五863子課題驗收匯報四、疲勞缺口敏感度Kf為光滑試樣和缺口試樣疲勞強(qiáng)度之比:Kf>1，與缺口幾何形狀、材料等因素有關(guān)。實驗證明，qf并非只決定于材料的常數(shù)，當(dāng)缺口根部r<1mm時，仍與缺口形狀、尺寸有關(guān)。

材料在變動應(yīng)力作用下的缺口敏感性，常用疲勞缺口敏感度qf表征：疲勞缺口系數(shù)

理論應(yīng)力集中系數(shù)0＜qf＜1十五863子課題驗收匯報當(dāng)Kf＝1時，qf趨近零，表明材料對缺口完全不敏感；當(dāng)Kf=Kt時，qf＝1，表明材料對缺口十分敏感。一般說來，qf隨材料強(qiáng)度增高而增大。結(jié)構(gòu)鋼：qf＝0.6～0.8；球鐵：qf＝0.11～0.25；灰鑄鐵：qf＝0～0.05。十五863子課題驗收匯報五、疲勞裂紋擴(kuò)展速率及擴(kuò)展門檻值疲勞裂紋擴(kuò)展速率指的是疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展階段的速率。該階段是疲勞過程第Ⅱ階段，是材料整個疲勞壽命的主要部分。通過疲勞裂紋長度測量裝置對每一定循環(huán)周次N測出對應(yīng)的裂紋長度a，直到斷裂為止，作出a和N的關(guān)系曲線，如圖5-22所示。

用曲線的斜率da/dN表示疲勞裂紋擴(kuò)展速率

十五863子課題驗收匯報1)當(dāng)裂紋a長大到臨界裂紋尺寸ac時，da/dN無限增大，裂紋將失穩(wěn)擴(kuò)展，試樣斷裂。2)裂紋擴(kuò)展速率da/dN不僅與裂紋長度a有關(guān)，還與應(yīng)力水平有關(guān)。3)應(yīng)力增加，裂紋擴(kuò)展加快，a-N曲線向左上方移動，ac相應(yīng)減少。4)ΔKI就是裂紋尖端控制疲勞裂紋擴(kuò)展的復(fù)合力學(xué)參量。建立da/dN-ΔKI曲線，研究疲勞裂紋的擴(kuò)展問題。(5-5)疲勞裂紋擴(kuò)展曲線特點:十五863子課題驗收匯報da/dN是由ΔKI控制的，二者的關(guān)系曲線可分為I、Ⅱ、Ⅲ3個區(qū)段。1）I區(qū)是疲勞裂紋的初始擴(kuò)展階段,da/dN很小,約10-8-10-6mm/周次，從ΔKth開始，隨著ΔKI值↑，da/dN↑↑，但因該階段ΔKI值變化范圍很小，所以da/dN增加值有限，占裂紋擴(kuò)展壽命的比例較小。十五863子課題驗收匯報2）Ⅱ區(qū)是疲勞裂紋的擴(kuò)展的主要階段，占擴(kuò)展區(qū)的絕大部分，是決定壽命的主要組成部分。da/dN約10-5-10-2mm/周次，lgda/dN是由lgΔKI呈線性關(guān)系。Paris公式：3）Ⅲ區(qū)是疲勞裂紋的最后階段，該區(qū)的da/dN值很高，ΔKI↑da/dN↑↑，很快導(dǎo)致材料失穩(wěn)斷裂，該區(qū)占裂紋擴(kuò)展壽命的比例不長。十五863子課題驗收匯報在裂紋擴(kuò)展的第一階段中，當(dāng)ΔK小于某一臨界值ΔKth時，疲勞裂紋不擴(kuò)展，ΔKth叫作疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值。當(dāng)ΔK>ΔKth時裂紋擴(kuò)展較快，很快進(jìn)入第二階段。

ΔKth表征材料阻止疲勞裂紋開始擴(kuò)展的能力，該值越大，材料的疲勞裂紋擴(kuò)展的阻力就越大，材料抗疲勞裂紋擴(kuò)展的能力就越強(qiáng)。十五863子課題驗收匯報ΔKth和σ-1的區(qū)別A：σ-1(疲勞強(qiáng)度)代表的是光滑試樣的無限壽命疲勞強(qiáng)度，適用于傳統(tǒng)的疲勞強(qiáng)度設(shè)計和校核；B：ΔKth(疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值)是疲勞裂紋不擴(kuò)展的ΔKI的臨界值，代表的是裂紋試樣的無限壽命疲勞性能，適于裂紋件的設(shè)計和疲勞強(qiáng)度校核。根據(jù)定義，含裂紋件不發(fā)生疲勞斷裂（無限壽命）的校核公式為：ΔKth、a和Δσ三個參量，已知二個可求得第三個。大多金屬材料的Kth值很小，約為(5％～10％)KIC。如鋼，Kth≤9MPa·m1/2；鋁合金，Kth≤4MPa·m1/2。

十五863子課題驗收匯報隨堂練習(xí)題21.疲勞曲線上的水平線代表有限壽命區(qū)邊界；斜線段代表無限壽命區(qū)邊界。2..疲勞強(qiáng)度定義為在指定

下，材料能承受的

。3同種材料的疲勞強(qiáng)度：σ-1P>σ-1>τ-14.材料的抗拉強(qiáng)度越大，其疲勞強(qiáng)度也越大。5.過載持久值中材料在高于

的一定應(yīng)力下工作，發(fā)生疲勞斷裂的

。6.曲線傾斜得愈陡直，持久值就愈高，材料對過載的抗力愈高。7.qf趨近零，表明材料對缺口十分敏感；qf＝1，表明材料對缺口完全不敏感。8.

是疲勞裂紋不擴(kuò)展的ΔKI的臨界值，代表的是裂紋試樣的

疲勞性能，適于

的設(shè)計和疲勞強(qiáng)度校核。9.1g(da/dN)-lgΔKI曲線中，第Ⅰ區(qū)是疲勞裂紋的擴(kuò)展的主要階段，占擴(kuò)展區(qū)的絕大部分，但占裂紋擴(kuò)展壽命的比例較小。十五863子課題驗收匯報第四節(jié)影響材料及機(jī)件疲勞強(qiáng)度的因素

表5-2影響材料及機(jī)件疲勞強(qiáng)度的因素因素詳細(xì)內(nèi)容因素詳細(xì)內(nèi)容工作條件載荷條件(應(yīng)力狀態(tài)；應(yīng)力比；次載情況；平均應(yīng)力)；載荷頻率；環(huán)境溫度；環(huán)境介質(zhì)表面處理及殘余內(nèi)應(yīng)力表面噴丸及滾軋；表面熱處理；表面化學(xué)熱處理；表面涂層表面狀態(tài)及尺寸因素尺寸效應(yīng)；表面粗糙度；缺口效應(yīng)材料因素化學(xué)成分；組織結(jié)構(gòu)；纖維方向；內(nèi)部缺陷十五863子課題驗收匯報一、工作條件的影響

(1)應(yīng)力狀態(tài)和平均應(yīng)力，應(yīng)力比(2)過載損傷區(qū)(3)次載鍛煉(4)間歇效應(yīng)：(5)載荷頻率：1.載荷條件2．溫度3．腐蝕介質(zhì)十五863子課題驗收匯報應(yīng)力集中：機(jī)件表面的缺口應(yīng)力集中，往往是引起疲勞破壞的主要原因。一般用Kt表示應(yīng)力集中程度，用Kf和qf說明應(yīng)力集中對疲勞強(qiáng)度的影響程度。二、表面狀態(tài)及尺寸因素的影響1．應(yīng)力集中2.表面狀態(tài)

A:粗糙度愈低，材料的疲勞極限愈高；B:粗糙度愈高，疲勞極限愈低;C:材料強(qiáng)度愈高，表面粗糙度對疲勞極限的影響愈顯著;D:表面加工方法不同，所得到的粗糙度不同。

十五863子課題驗收匯報3．尺寸因素直徑為d的機(jī)件的疲勞強(qiáng)度小試樣的疲勞強(qiáng)度缺口試樣比光滑試樣的尺寸效應(yīng)更明顯。尺寸效應(yīng)系數(shù)機(jī)件尺寸對疲勞強(qiáng)度也有較大的影響，在彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷作用下其影響更大。一般來說，隨著機(jī)件尺寸↑，其疲勞強(qiáng)度↓，這種現(xiàn)象稱為疲勞強(qiáng)度尺寸效應(yīng)。其大小可用尺寸效應(yīng)系數(shù)表示。

十五863子課題驗收匯報三．表面強(qiáng)化及殘余應(yīng)力的影響

提高機(jī)件表面塑變抗力(硬度和強(qiáng)度)，降低表面的有效拉應(yīng)力，即可抑制材料表面疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，有效地提高承受彎曲與扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷下材料的疲勞強(qiáng)度，如圖5-25所示。表面強(qiáng)化處理具有雙重作用：提高表層強(qiáng)度；提供表層殘余壓應(yīng)力，抵消一部分表層拉應(yīng)力。表面強(qiáng)化的方法通常有表面噴丸和滾壓，表面淬火及表面化學(xué)熱處理等。

十五863子課題驗收匯報三、表面強(qiáng)化及殘余應(yīng)力的影響表面噴丸可使金屬機(jī)件表面形變強(qiáng)化，并在塑變層內(nèi)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。１）既提高了表層材料強(qiáng)度；２）又能抵消部分表層的拉應(yīng)力；３）還可降低缺口應(yīng)力集中系數(shù)和疲勞缺口敏感度，降低疲勞損傷，提高材料疲勞抗力。表面滾壓與噴丸的作用相似，其壓應(yīng)力層深更大，適于大工件。一般來說，形狀復(fù)雜的機(jī)件采用噴丸強(qiáng)化；形狀簡單的回轉(zhuǎn)機(jī)件采用表面滾壓強(qiáng)化。如經(jīng)滾壓加工的螺栓較切削制造的螺栓疲勞壽命可提高1～5倍。1．表面噴丸及滾壓KS-1212-6P強(qiáng)力噴砂機(jī)

Ks-R-8a環(huán)帶式自動噴砂機(jī)

十五863子課題驗收匯報2.表面熱處理和化學(xué)熱處理表面淬火及表面化學(xué)熱處理，既能獲得表硬心韌的綜合力學(xué)性能，又能在機(jī)件表層獲得殘余壓應(yīng)力，從而能有效地提高機(jī)件疲勞強(qiáng)度和壽命。

3．復(fù)合強(qiáng)化它是將上述各種表面強(qiáng)化工藝重復(fù)結(jié)合的一種強(qiáng)化工藝。如滲氮+表面淬火，滲碳+噴丸，表面淬火+噴丸(滾壓)等，以更進(jìn)一步提高表面強(qiáng)度及表面表層殘余壓應(yīng)力，從而更有效地提高疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命。十五863子課題驗收匯報四、材料成分及組織的影響合金成分是材料組織結(jié)構(gòu)的基本要素。各類工程結(jié)構(gòu)材料中，結(jié)構(gòu)鋼的疲勞強(qiáng)度最高，σ-1≈0.5σb，應(yīng)用也最廣泛。結(jié)構(gòu)鋼中碳是影響疲勞強(qiáng)度的重要因素，它既可間隙固溶強(qiáng)化基體，又可形成彌散碳化物進(jìn)行彌散強(qiáng)化，提高材料形變抗力和疲勞強(qiáng)度。圖5-26示出幾種低合金結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)不同淬火回火后的疲勞強(qiáng)度與硬度HRC間關(guān)系。1.合金成分十五863子課題驗收匯報2．非金屬夾雜物及冶金缺陷脆性夾雜物如A12O3、硅酸鹽(球狀)等在鋼中易萌生疲勞裂紋，而降低材料的疲勞強(qiáng)度。材料在冶煉、軋制、鑄造及零件焊接、熱處理中產(chǎn)生的氣孔、縮孔、偏析、白點、折疊、裂紋等缺陷都可能是裂紋源，從而嚴(yán)重降低材料的疲勞強(qiáng)度和壽命。3．顯微組織晶粒大小對疲勞強(qiáng)度的影響，經(jīng)對碳鋼及鈦合金的研究發(fā)現(xiàn)存在HalI-Petch關(guān)系。細(xì)化晶粒提高材料疲勞強(qiáng)度的原因：1)裂紋沿晶界開裂的位錯塞積機(jī)制2)抑制滑移帶形成和開裂。十五863子課題驗收匯報高周疲勞的疲勞強(qiáng)度：1）回火馬氏體〉回火屈氏體〉回火索氏體2）晶狀碳化物的調(diào)質(zhì)組織〉片狀碳化物正火組織3）相同硬度下：等溫淬火〉淬火回火4）淬火組織中若存在未溶鐵素體和未轉(zhuǎn)變殘余奧氏體或非馬氏體組織，則因它們易引發(fā)疲勞裂紋，而使材料疲勞強(qiáng)度降低。如鋼中存在10％殘余奧氏體時，σ-1：可降低10％～15％。鋼中含有5％非馬氏體組織時，σ-1可降低10％。對低周疲勞：其壽命主要由裂紋擴(kuò)展階段決定，并主要取決于材料塑性，而以上諸因素的影響要減弱。

十五863子課題驗收匯報第五節(jié)熱疲勞1.概念由周期變化的熱應(yīng)力或熱應(yīng)變引起的材料破壞。熱疲勞低周應(yīng)變疲勞(周期短,明顯的塑性變形)由溫度和機(jī)械應(yīng)力疊加引起的疲勞-熱機(jī)械疲勞。2.熱應(yīng)力的產(chǎn)生的原因（1）外部約束，不讓材料自由膨脹（2）內(nèi)部約束，溫度梯度，熱膨脹系數(shù)差異，產(chǎn)生熱應(yīng)力。熱疲勞裂紋多萌生于表面熱應(yīng)變最大區(qū)域，有多個裂紋源，在循環(huán)過程中，其中幾個聯(lián)接成主裂紋，并垂直表面縱深發(fā)展引起材料龜裂或斷裂。

一、熱疲勞的概念十五863子課題驗收匯報對于脆性材料，特別是陶瓷材料，在生產(chǎn)使用過程中多處在高溫狀態(tài)，溫度發(fā)生急熱、急冷變化時可能產(chǎn)生沖擊熱應(yīng)力。材料的抗熱震性(熱抗震性)：材料經(jīng)受溫度瞬變而不被破壞的能力。熱震破壞瞬時斷裂熱震斷裂熱損傷熱沖擊循環(huán)作用引起材料開裂、剝落、碎裂或變質(zhì)，最后整體損傷十五863子課題驗收匯報材料的抗熱震能力是其力學(xué)性能和熱學(xué)性能對應(yīng)于各種受熱條件的綜合表現(xiàn)，可用材料的強(qiáng)度、斷裂韌性等表征材料對熱震破壞的抗力；材料熱震破壞的動力：熱應(yīng)力和應(yīng)力場強(qiáng)度因子。目前評價材料抗熱震性有兩種觀點：A：熱彈性理論認(rèn)為，熱震溫差引起的熱應(yīng)力超過材料的斷裂應(yīng)力時，材料瞬時斷裂；B：斷裂力學(xué)理論認(rèn)為，由熱應(yīng)力產(chǎn)生并貯存于材料中的熱彈性應(yīng)變能足以支付裂紋成核和擴(kuò)展新增表面能時，便引起熱震損傷形成裂紋并擴(kuò)展。十五863子課題驗收匯報材料