材料力学性能 金属的疲劳

疲劳极限：材料能经受无限次应力循环而不发 生疲劳断裂的最大应力，也称疲劳强度。通常用σr表 示，对称循环为σ-1。
疲劳曲线上的水平部分所对应的应力
疲劳断裂的条件—— 对称应力循环 ：σ≥σ-1。 非对称应力循环：σ≥σr。
无限寿命疲劳极限是有条件的
条件疲劳极限：疲劳曲线没有水平部分时，疲劳 极限指的是在规定疲劳寿命下，材料能承受的上限循 环应力。
1
Kf
-1 -1N
1
有缺口
qf的意义：反映了在疲劳过程中材料发生 重新分布，降低应力集中的能力。
• qf=0，Kf =1，应力重新分布，应力集中完全被消 除，疲劳极限不因缺口存在而降低，即对缺口不敏 感，缺口敏感性最小。
• qf=1，Kf = Kt ，没有发生应力重新分布，应力集中 没有消除，即表示缺口敏感性最大。
➢ 变动载荷在单位面积上 的平均值为变动应力。
循环应力
（a）（b）：规则应力；（c）：不规则应力
疲劳：金属构件在变动应力和应变长期作用下，由于累 计损伤而引起的断裂现象。
2、循环应力：规则周期变动应力，波形本身对称。
最大与最小应力 平均应力 应力幅 应力比
max、 min
m
1 2
( max
min )
(2) 低周疲劳(疲劳寿命Nf＝102~105) 断裂应力水平较高，σ≥σs，也称高应力疲劳或应变疲 劳。
2、特点 ① 疲劳是低应力循环延时断裂； ② 疲劳是脆性断裂； ③ 疲劳是对缺陷十分敏感。
三、疲劳宏观断口的宏观特征 疲劳源、疲劳区、瞬断区。
疲劳源
疲劳区
图5-1 疲劳宏观断口
瞬断区
1、疲劳源：光亮度大。 疲劳裂纹的萌生地；应力状态及大小不同，可有
➢ qf的影响因素 ① 强度
实验表明， qf之值随材料强度的升高而增大，这 说明高强度材料的疲劳缺口敏感度较高。 ② 缺口半径 缺口根部曲率半径越小，缺口越尖锐， qf值越低。 ③ 应力大小 高周疲劳时， qf值高，低周疲劳时， qf值低。
第三节 疲劳过程及机理
• 疲劳断裂过程： ✓ 疲劳裂纹的萌生 ✓ 疲劳裂纹的亚稳扩展 ✓ 疲劳裂纹的失稳扩展
2、过载损伤界和过载损伤区 金属材料抵抗疲劳过载的能力，用过载损伤界或过 载损伤区表示。
测出不同过载应力水 平和相应的开始降低 疲劳寿命的应力循环 周次，连接各试验点 得到过载损伤界。
过载损伤界与过载持 久值线之间的影线区 称为过载损伤区。
3、解释过载损伤：非扩展裂纹
➢ 在σ下，N<过载损伤界，非扩展裂纹不扩展，或 扩展后尺寸<临界尺寸，不会造成疲劳损伤。
主ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ内容
• 第一节 金属疲劳破坏现象及特点 • 第二节 疲劳曲线及基本疲劳力学性能 • 第三节 疲劳断裂过程及机理 • 第四节 疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 • 第五节 影响疲劳强度的因素 • 第六节 低周疲劳
第一节 金属疲劳破坏现象及特点
一、变动载荷和循环应力
1、变动载荷
➢ 载荷大小甚至方向均随 时间变化的载荷称为变 动载荷。
➢ 在σ下，N>过载损伤界，非扩展裂纹扩展>临界尺 寸，过载造成疲劳损伤。
过载损伤界越陡直，过载损伤区区域越窄，则 抗疲劳过载的能力越强。
三、疲劳缺口敏感度 金属材料在交变载荷作用下的缺口敏感性，
称疲劳缺口敏感度。
qf
Kf Kt
-1 -1
Kt：理论应力集中系数 Kf：疲劳缺口系数
无缺口
K
＝ max t
一个或几个疲劳源。 2、疲劳区：光滑，分布有贝纹线。 疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域。 贝纹线是疲劳裂纹扩展过程中留下的一条条以裂
纹源为中心的同心弧线。是疲劳区的最典型宏观特征。 是判断疲劳断裂的重要依据。
(1) 贝纹线的实质
由载荷变动在裂纹扩展前沿线留下的宏观弧状台 阶痕迹，又称疲劳停歇线。
(2) 贝纹线的意义 ☞ 是疲劳断口最典型的宏观特征；通过其可寻找 疲劳源—凹向为疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向，或 者与此相反。
一、疲劳裂纹的萌生过程及机理 由微观裂纹形成、长大及连接形成的。主要方 式有：
✓ 表面滑移带开裂； ✓ 第二相、夹杂物或其界面开裂； ✓ 晶界或亚晶界开裂
1、滑移带开裂产生裂纹
➢ 交变载荷下滑移带的特点：
（2）不同应力状态下疲劳极限 同一材料在不同应力状态下测得的疲劳极限不
同，但它们之间存在一定的联系。
（3）疲劳极限与静强度之间的关系 试验表明：σb高，则σ-1高；中、低强度钢近似σ-1
＝0.5σb。
二、抗疲劳过载能力
1、过载损伤和过载持久值 过载损伤：在高于疲劳极限的应力水平下运转一 定周次后，其疲劳极限或疲劳寿命减小的现象。 过载持久值：金属材料在高于疲劳极限的应力下 运行时，发生疲劳断裂的应力循环周次。
一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限 1、疲劳曲线：疲劳应力与疲劳寿命的关系曲线，即
S-N曲线。
图5-2 疲劳曲线
疲劳曲线的分类 两类疲劳曲线
有水平段的疲 劳曲线。
具有应变时效 的金属材料具 此特征
无水平段的疲劳 曲线。
无应变时效的金 属材料具此特征
疲劳极限
条件疲劳极限
2、疲劳极限 （1）疲劳极限和条件疲劳极限
☞ 贝纹线的间距越小，说明材料韧性越好，说明 疲劳裂纹的扩展速率越慢。
☞离疲劳源越近，贝纹线越密集；
3、瞬断区：粗糙，结晶状或放射状。 裂纹失稳扩展形成的断口区域。 ☞ 裂纹长大达到临界尺寸； ☞ 裂纹尖端应力集中达到断裂强度； →裂纹尖端的应力场强度因子达到断裂韧度。 一般在疲劳源的对侧。
第二节 疲劳曲线及基本疲劳力学性能
1、分类
• 按应力状态分：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、 复合疲劳
• 按环境和接触情况分：大气疲劳、腐蚀疲劳、高温 疲劳、热疲劳、接触疲劳
• 按寿命、应力高低分：高周疲劳、低周疲劳
(1) 高周疲劳(疲劳寿命Nf >105) 断裂应力水平较低，σ<σs，也称低应力疲劳，即通常 所说的疲劳——也称机械疲劳；
a
1 2
(
max
min )
min max
应力幅：循环应力中应力变动部分的幅值。 应力比：应力循环对称系数，指应力循环的 不对称程度。
σm=0，r=-1
-1<r<0
对称 交变应力
脉动应力
不对称 交变应力
波动应力
σm=σa>0，r=0 σm=σa<0，r=∞
σm>σa，0<r<1
二、疲劳的分类及特点