材料力學(xué)性能 金屬的疲勞

材料力學(xué)性能金屬的疲勞第1頁/共79頁第一節(jié)金屬疲勞破壞現(xiàn)象及特點一、變動載荷和循環(huán)應(yīng)力1、變動載荷載荷大小甚至方向均隨時間變化的載荷稱為變動載荷。變動載荷在單位面積上的平均值為變動應(yīng)力。（a）（b）：規(guī)則應(yīng)力；（c）：不規(guī)則應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力疲勞：金屬構(gòu)件在變動應(yīng)力和應(yīng)變長期作用下，由于累計損傷而引起的斷裂現(xiàn)象。第2頁/共79頁2、循環(huán)應(yīng)力：規(guī)則周期變動應(yīng)力，波形本身對稱。第3頁/共79頁最大與最小應(yīng)力平均應(yīng)力應(yīng)力幅應(yīng)力比應(yīng)力幅：循環(huán)應(yīng)力中應(yīng)力變動部分的幅值。應(yīng)力比：應(yīng)力循環(huán)對稱系數(shù)，指應(yīng)力循環(huán)的不對稱程度。第4頁/共79頁對稱交變應(yīng)力脈動應(yīng)力不對稱交變應(yīng)力波動應(yīng)力σm=0，r=-1σm>σa，0<r<1-1<r<0σm=σa>0，r=0σm=σa<0，r=∞第5頁/共79頁二、疲勞的分類及特點1、分類按應(yīng)力狀態(tài)分：彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、復(fù)合疲勞按環(huán)境和接觸情況分：大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、熱疲勞、接觸疲勞按壽命、應(yīng)力高低分：高周疲勞、低周疲勞第6頁/共79頁

(1)高周疲勞(疲勞壽命Nf>105)

斷裂應(yīng)力水平較低，σ<σs，也稱低應(yīng)力疲勞，即通常所說的疲勞——也稱機械疲勞；

(2)低周疲勞(疲勞壽命Nf＝102~105)

斷裂應(yīng)力水平較高，σ≥σs，也稱高應(yīng)力疲勞或應(yīng)變疲勞。第7頁/共79頁2、特點疲勞是低應(yīng)力循環(huán)延時斷裂；疲勞是脆性斷裂；疲勞是對缺陷十分敏感。第8頁/共79頁三、疲勞宏觀斷口的宏觀特征

疲勞源、疲勞區(qū)、瞬斷區(qū)。圖5-1疲勞宏觀斷口疲勞源疲勞區(qū)瞬斷區(qū)第9頁/共79頁

1、疲勞源：光亮度大。疲勞裂紋的萌生地；應(yīng)力狀態(tài)及大小不同，可有一個或幾個疲勞源。

2、疲勞區(qū)：光滑，分布有貝紋線。疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展所形成的斷口區(qū)域。

貝紋線是疲勞裂紋擴(kuò)展過程中留下的一條條以裂紋源為中心的同心弧線。是疲勞區(qū)的最典型宏觀特征。是判斷疲勞斷裂的重要依據(jù)。第10頁/共79頁

(1)貝紋線的實質(zhì)由載荷變動在裂紋擴(kuò)展前沿線留下的宏觀弧狀臺階痕跡，又稱疲勞停歇線。

(2)貝紋線的意義

?是疲勞斷口最典型的宏觀特征；通過其可尋找疲勞源—凹向為疲勞源，凸側(cè)指向裂紋擴(kuò)展方向，或者與此相反。

?貝紋線的間距越小，說明材料韌性越好，說明疲勞裂紋的擴(kuò)展速率越慢。?離疲勞源越近，貝紋線越密集；第11頁/共79頁

3、瞬斷區(qū)：粗糙，結(jié)晶狀或放射狀。裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的斷口區(qū)域。

?裂紋長大達(dá)到臨界尺寸；?裂紋尖端應(yīng)力集中達(dá)到斷裂強度；→裂紋尖端的應(yīng)力場強度因子達(dá)到斷裂韌度。一般在疲勞源的對側(cè)。第12頁/共79頁第二節(jié)疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能一、疲勞曲線和對稱循環(huán)疲勞極限

1、疲勞曲線：疲勞應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系曲線，即S-N曲線。圖5-2疲勞曲線第13頁/共79頁第14頁/共79頁有水平段的疲勞曲線。具有應(yīng)變時效的金屬材料具此特征兩類疲勞曲線無水平段的疲勞曲線。無應(yīng)變時效的金屬材料具此特征疲勞曲線的分類

疲勞極限條件疲勞極限第15頁/共79頁2、疲勞極限（1）疲勞極限和條件疲勞極限

疲勞極限：材料能經(jīng)受無限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最大應(yīng)力，也稱疲勞強度。通常用σr表示，對稱循環(huán)為σ-1。疲勞曲線上的水平部分所對應(yīng)的應(yīng)力疲勞斷裂的條件——對稱應(yīng)力循環(huán)：σ≥σ-1。非對稱應(yīng)力循環(huán)：σ≥σr。第16頁/共79頁條件疲勞極限：疲勞曲線沒有水平部分時，疲勞極限指的是在規(guī)定疲勞壽命下，材料能承受的上限循環(huán)應(yīng)力。無限壽命疲勞極限是有條件的第17頁/共79頁（2）不同應(yīng)力狀態(tài)下疲勞極限同一材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下測得的疲勞極限不同，但它們之間存在一定的聯(lián)系。（3）疲勞極限與靜強度之間的關(guān)系試驗表明：σb高，則σ-1高；中、低強度鋼近似σ-1＝0.5σb。第18頁/共79頁二、抗疲勞過載能力

1、過載損傷和過載持久值過載損傷：在高于疲勞極限的應(yīng)力水平下運轉(zhuǎn)一定周次后，其疲勞極限或疲勞壽命減小的現(xiàn)象。過載持久值：金屬材料在高于疲勞極限的應(yīng)力下運行時，發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán)周次。第19頁/共79頁2、過載損傷界和過載損傷區(qū)金屬材料抵抗疲勞過載的能力，用過載損傷界或過載損傷區(qū)表示。測出不同過載應(yīng)力水平和相應(yīng)的開始降低疲勞壽命的應(yīng)力循環(huán)周次，連接各試驗點得到過載損傷界。過載損傷界與過載持久值線之間的影線區(qū)稱為過載損傷區(qū)。第20頁/共79頁3、解釋過載損傷：非擴(kuò)展裂紋在σ下，N<過載損傷界，非擴(kuò)展裂紋不擴(kuò)展，或擴(kuò)展后尺寸<臨界尺寸，不會造成疲勞損傷。在σ下，N>過載損傷界，非擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展>臨界尺寸，過載造成疲勞損傷。過載損傷界越陡直，過載損傷區(qū)區(qū)域越窄，則抗疲勞過載的能力越強。第21頁/共79頁三、疲勞缺口敏感度金屬材料在交變載荷作用下的缺口敏感性，稱疲勞缺口敏感度。

無缺口有缺口Kt：理論應(yīng)力集中系數(shù)Kf：疲勞缺口系數(shù)第22頁/共79頁qf=0，Kf=1，應(yīng)力重新分布，應(yīng)力集中完全被消除，疲勞極限不因缺口存在而降低，即對缺口不敏感，缺口敏感性最小。qf=1，Kf=Kt

，沒有發(fā)生應(yīng)力重新分布，應(yīng)力集中沒有消除，即表示缺口敏感性最大。qf的意義：反映了在疲勞過程中材料發(fā)生重新分布，降低應(yīng)力集中的能力。第23頁/共79頁qf的影響因素強度

實驗表明，qf之值隨材料強度的升高而增大，這說明高強度材料的疲勞缺口敏感度較高。缺口半徑

缺口根部曲率半徑越小，缺口越尖銳，qf值越低。應(yīng)力大小高周疲勞時，qf值高，低周疲勞時，qf值低。第24頁/共79頁第三節(jié)疲勞過程及機理疲勞斷裂過程：疲勞裂紋的萌生疲勞裂紋的亞穩(wěn)擴(kuò)展疲勞裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展第25頁/共79頁一、疲勞裂紋的萌生過程及機理 由微觀裂紋形成、長大及連接形成的。主要方式有：表面滑移帶開裂；第二相、夾雜物或其界面開裂；晶界或亞晶界開裂第26頁/共79頁1、滑移帶開裂產(chǎn)生裂紋交變載荷下滑移帶的特點：低應(yīng)力不均勻性持久駐留性駐留滑移帶：在循環(huán)應(yīng)力作用下，永留或能再現(xiàn)的循環(huán)滑移帶。第27頁/共79頁擠出脊：隨駐留滑移帶的加寬，經(jīng)反復(fù)滑移，金屬從內(nèi)部擠出金屬表面；侵入溝：反復(fù)滑移將金屬擠入內(nèi)部，在表面形成溝槽。圖5-22滑移帶的擠出物、侵入溝示意圖擠出脊侵入溝第28頁/共79頁圖5-23柯垂?fàn)?赫爾模型柯垂?fàn)?赫爾的交叉滑移模型反方向滑移臺階侵入溝擠出脊提高屈服強度可提高疲勞強度！第29頁/共79頁2、相界面開裂產(chǎn)生裂紋通過控制夾雜物、第二相可以抑制疲勞裂紋萌生，提高疲勞強度！第30頁/共79頁3、晶界開裂產(chǎn)生裂紋圖5.4沿晶韌性斷裂圖5.5沿晶脆性斷裂通過強化、凈化晶界和細(xì)化晶粒，可以提高疲勞強度！第31頁/共79頁二、疲勞裂紋擴(kuò)展過程及機理圖5-24疲勞裂紋擴(kuò)展的兩個階段第32頁/共79頁1、疲勞裂紋擴(kuò)展第一階段沿主滑移系（與主應(yīng)力成45°），以純剪切方式向內(nèi)擴(kuò)展；擴(kuò)展距離僅為2~3個晶粒范圍。擴(kuò)展速度：10-4mm/次。斷口特征：一般僅有擦傷。

第33頁/共79頁2、疲勞裂紋擴(kuò)展第二階段由于晶粒位向的不同和晶界的阻礙，裂紋方向轉(zhuǎn)向與外力軸垂直，進(jìn)入第二階段疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展的主要部分。擴(kuò)展速度：10-5~10-2mm/次。斷口特征：具有略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣，稱為疲勞條帶。第34頁/共79頁

圖5-9-1韌性疲勞條帶圖5-9-2脆性疲勞條帶略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣疲勞條帶是裂紋擴(kuò)展時留下的微觀痕跡，每一條帶可以看作一次應(yīng)力循環(huán)的擴(kuò)展痕跡，是疲勞斷口最典型的微觀特征。第35頁/共79頁疲勞裂紋擴(kuò)展機理——塑性鈍化模型：拉應(yīng)力下，裂紋張開且發(fā)生塑性變形，拉應(yīng)力達(dá)到最大值，裂紋尖端變?yōu)榘雸A形，發(fā)生鈍化，裂紋尖端應(yīng)力集中減小，裂紋停止擴(kuò)展，形成一個疲勞條帶。第36頁/共79頁(1)疲勞條帶是電子顯微鏡觀察到的疲勞斷口微觀特征，一次應(yīng)力循環(huán)產(chǎn)生一條疲勞條帶；貝紋線是疲勞斷口宏觀特征，由啟動、停歇、偶然過載等大的載荷變動引起；(2)相鄰貝紋線間可能有成千上萬條疲勞條帶；(3)循環(huán)應(yīng)力下疲勞條帶是相互平行、等間距的；貝紋線在疲勞源附近較密，偏離疲勞源時則較稀疏；判斷裂紋擴(kuò)展方向通常利用貝紋線。(4)二者可以同時出現(xiàn)，也可以不同時出現(xiàn)。貝紋線和疲勞條帶的區(qū)別第37頁/共79頁

第四節(jié)疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門檻值通過塑性鈍化模型的分析

疲勞裂紋擴(kuò)展速率：在一個應(yīng)力循環(huán)周期內(nèi)，疲勞裂紋向前擴(kuò)展的距離。第38頁/共79頁一、疲勞裂紋擴(kuò)展曲線圖5-4疲勞裂紋擴(kuò)展曲線da/dN為疲勞裂紋擴(kuò)展速率；裂紋達(dá)到ac，失穩(wěn)擴(kuò)展直至斷裂。第39頁/共79頁回顧應(yīng)力場強度因子的表達(dá)式：擴(kuò)展速率不僅與應(yīng)力有關(guān)，而且與裂紋尺寸有關(guān)，復(fù)合力學(xué)參量?？山⒂伞鱇起控制作用的da/dN-△K曲線。第40頁/共79頁圖5-5疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線二、疲勞裂紋擴(kuò)展速率

1、疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線第41頁/共79頁I區(qū)—疲勞裂紋初始擴(kuò)展階段

da/dN很小，△K≤△Kth，裂紋不擴(kuò)展；△K>△Kth，裂紋擴(kuò)展，但△K變化范圍小，所占擴(kuò)展壽命不長。II區(qū)—疲勞裂紋擴(kuò)展的主要階段

da/dN較大，△K范圍大，擴(kuò)展壽命長，是決定疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的主要階段。III區(qū)—疲勞裂紋擴(kuò)展的最后階段

da/dN很大，△K↑，da/dN快速增加，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展。第42頁/共79頁

2、疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值△Kth(1)定義：疲勞裂紋不擴(kuò)展的應(yīng)力強度因子幅△K的臨界值，稱為疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值。

(2)意義：表示材料阻止疲勞裂紋開始擴(kuò)展的性能，是材料的力學(xué)性能指標(biāo)，單位與K相同。第43頁/共79頁(3)△Kth的應(yīng)用裂紋件的疲勞強度校核及裂紋件的設(shè)計。第44頁/共79頁

(4)△Kth與σ-1的異同△Kth與σ-1都是表示無限壽命的疲勞性能，都受材料成分和組織、載荷條件及環(huán)境因素等影響；

σ-1：光滑試樣的無限壽命疲勞強度，用于傳統(tǒng)的疲勞強度設(shè)計；△Kth：裂紋試樣的無限壽命疲勞性能，適于裂紋體的設(shè)計。

第45頁/共79頁帕里斯公式適用于低應(yīng)力、高周疲勞，低裂紋擴(kuò)展速率，疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線II區(qū)。

c和n是材料的試驗常數(shù)，根據(jù)lg(da/dN)-lg(△K)試驗曲線的截距和斜率求得。疲勞壽命公式及壽命估算P106。3、Paris公式第46頁/共79頁4、影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素

(1)應(yīng)力比（或平均應(yīng)力）的影響

r上升，則da/dN上升，△Kth下降。

(2)過載峰的影響適當(dāng)?shù)倪^載會使裂紋擴(kuò)展減慢或停止一段時間，出現(xiàn)所謂的裂紋擴(kuò)展過載停滯現(xiàn)象，使da/dN下降。第47頁/共79頁(3)殘余壓應(yīng)力的影響殘余壓應(yīng)力上升，則r下降，da/dN下降，△Kth

上升，對疲勞壽命有利。(4)材料組織的影響增大晶粒直徑，△Kth上升，da/dN下降。

實際中晶粒直徑的合理控制。

高強度基體上存在適量的軟相奧氏體，可以抑制裂紋在I區(qū)擴(kuò)展，提高△Kth。第48頁/共79頁第五節(jié)影響疲勞強度的主要因素疲勞強度(疲勞極限）：材料能經(jīng)受無限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最大應(yīng)力。疲勞壽命：一定σmax時的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N。一切影響強度與塑性的組織結(jié)構(gòu)因素以及影響裂紋萌生與擴(kuò)展的因素都影響疲勞強度。第49頁/共79頁表面狀態(tài)及尺寸因素的影響殘余應(yīng)力及表面強化的影響材料成分及組織的影響工作條件的影響第50頁/共79頁一、表面狀態(tài)及尺寸因素的影響1、應(yīng)力集中原因：缺口→應(yīng)力集中，高于平均應(yīng)力，微裂紋產(chǎn)生，σ-1N↓。措施：選擇qf較小的材料；增大缺口根部圓弧半徑，降低Kt和Kf。第51頁/共79頁2、表面狀態(tài)表面粗糙度提高，或有劃痕、擦傷等，類似缺口，引起應(yīng)力集中，使σ-1下降。精加工有利于提高σ-1；材料強度越高，表面粗糙度對σ-1的影響越顯著。第52頁/共79頁3、尺寸因素尺寸效應(yīng)：在彎曲，扭轉(zhuǎn)載荷作用時，隨機件尺寸增加，疲勞極限下降；強度愈高，疲勞極限下降得愈多。原因：尺寸增大，表面積相應(yīng)增加，表面含宏觀、微觀缺陷的絕對量及幾率上升。彎、扭載荷時，若表面應(yīng)力相同，試樣直徑大則應(yīng)力梯度小，即高應(yīng)力區(qū)體積大，損傷的區(qū)域大。第53頁/共79頁二、殘余應(yīng)力及表面強化的影響表面表面層應(yīng)力>疲勞強度壓應(yīng)力表面層應(yīng)力<疲勞強度表面疊加殘余壓應(yīng)力，使總應(yīng)力降低，疲勞強度提高。第54頁/共79頁表面強化處理目的——產(chǎn)生表面殘余壓應(yīng)力；提高表面強度硬度。方法——表面噴丸和滾壓處理表面化學(xué)熱處理表面淬火（表面熱處理）第55頁/共79頁a.表面噴丸和滾壓處理噴丸：用壓縮空氣將堅硬的小彈丸高速噴打向機件表面，使機件表面產(chǎn)生局部形變強化，同時產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。殘余壓應(yīng)力深度以大于表面缺陷尺寸較好。噴丸總是在熱處理強化后進(jìn)行。形狀復(fù)雜的零件采用噴丸，簡單的采用表面滾壓。第56頁/共79頁b.表面化學(xué)熱處理：包括滲碳、滲氮、碳氮共滲等。c.表面淬火（表面熱處理）：包括火焰加熱淬火、感應(yīng)加熱淬火和低淬透性鋼薄殼淬火等。原因：利用組織相變及組織應(yīng)力、熱應(yīng)力變化，使機件表面獲得高強度和殘余壓應(yīng)力。硬度：滲氮>滲碳>感應(yīng)加熱淬火強化層深度：表面淬火>滲碳>滲氮第57頁/共79頁三、材料成分及組織的影響1、合金成分——影響力學(xué)性能碳元素形成固溶強化，提高材料的形變抗力，使疲勞裂紋的萌生更加困難，從而提高疲勞極限。但HRC太高時，因為過脆，所以σ-1又↓。其他合金元素提高鋼的淬透性和改善鋼的強韌性來影響疲勞強度的。第58頁/共79頁第59頁/共79頁2、顯微組織晶粒尺寸符合Hall-Petch公式：原因：細(xì)化晶粒既阻止疲勞裂紋在晶界處萌生，又因晶界阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展，使所形成的微裂紋不容易長大連接而提高疲勞裂紋的萌生周期。第60頁/共79頁回火索氏體回火屈氏體回火馬氏體等溫淬火正火強度逐漸增高疲勞強度增高熱處理組織球狀第二相優(yōu)于片狀。第61頁/共79頁第二相軟時(未溶F，殘余A)通常使變形不均勻，故往往使σ-1↓。第62頁/共79頁3、非金屬夾雜物及冶金缺陷非金屬夾雜物及冶金缺陷一般使疲勞強度下降。提高疲勞強度的途徑：

(1)減少夾雜物數(shù)量、減小尺寸；

(2)夾雜物表面改性：添加稀土；用塑性較好的硫化物夾雜包裹脆性氧化物夾雜。第63頁/共79頁四、工作條件的影響1、載荷交變頻率的影響載荷頻率高于104次/分，隨著頻率增加，一方面能提高疲勞極限，另一方面可以增加持久值；載荷頻率在3000-10000次/分，頻率對疲勞極限沒有影響；頻率低于60次/分，疲勞極限有所降低。第64頁/共79頁2、次載鍛煉次載：機件受到的低于設(shè)計應(yīng)力（σ-1）的交變應(yīng)力。金屬在次載下先運轉(zhuǎn)一定次數(shù)后，則可以使σ-1上升的現(xiàn)象，稱為次載鍛煉。第65頁/共79頁第66頁/共79頁原因：應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)產(chǎn)生硬化，提高了材料的強度；同時局部應(yīng)力集中松弛，降低了疲勞裂紋形成的幾率。應(yīng)用：機件在安裝后，先空載或低載運行一段時間。第67頁/共79頁3、過載損傷過載：機件受到的高于設(shè)計應(yīng)力（σ-1）的交變應(yīng)力。過載損傷區(qū)內(nèi)，使σ-1↓，Nf↓。第68頁/共79頁4、環(huán)境介質(zhì)腐蝕介質(zhì)(水、鹽水、酸堿)使σ-1↓，甚至不存在疲勞極限——須使用條件疲勞極限。原因：應(yīng)力集中處由于電解質(zhì)水溶液的電化學(xué)反應(yīng)，陽極溶解——局部凹陷——疲勞裂紋——σ-1↓，Nf↓。5、環(huán)境溫度高溫使疲勞極限降低。第69頁/共79頁第70頁/共79頁工作條件表面狀態(tài)及尺寸因素表面處理及殘余內(nèi)應(yīng)力材料因素載荷條件載荷頻率環(huán)境溫度環(huán)境介質(zhì)尺寸效應(yīng)表面粗糙度缺口效應(yīng)表面噴丸及滾軋表面熱處理表面化學(xué)熱處理化學(xué)成分組織結(jié)構(gòu)