疲劳和磨损

σa-σm疲劳图
如下图1-6所示。 图中纵坐标以σa表示， 横坐标以σm表示。然后， 在不同应力比r条件下将 σmax表示的疲劳极限σr 分解为σa和σm，并在该 坐标中作ABC曲线，即 为σa-σm疲劳图。
图1-6 σa-σm疲劳图
由图可见，A点：σm=0，r=-1，σa=σ-1；C点，σm=σb ，r=1，σa=0；ABC曲线其余各点的纵、横坐标各代表每 一r下疲劳极限之σa和σm，σr=σa+σm。
疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值
疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 1.疲劳裂纹扩展曲线 图1-7为疲劳裂纹扩展曲线 由图1-7所见，在一定循环 应力条件下，疲劳裂纹扩 展时其长度a是不断增长的。 曲线的斜率表示疲劳裂纹 扩展速率da/dN。当加载循 环次数达到Np时，a长大 到临界尺寸ac。da/dN增大 到无限大，裂纹失稳扩展， 试样最后断裂。
夹杂物或其界面开裂；晶界或亚晶界等。
疲劳裂纹扩展过程及机理 疲劳微裂纹萌生后即进入裂纹扩展阶段。根据裂纹扩展 方向，裂纹扩展可分为两个阶段，如图1-9所示。 第一阶段是从表面个别 侵入沟先形成微裂纹， 随后，裂纹主要沿主滑 移方向，以纯剪切方式 向内扩展。第二阶段的 断口特征是具有略呈弯 曲并相互平行的沟槽花 样，称为疲劳条带。 图1-9 疲劳裂纹扩展两个阶段
感
疲劳宏观断口特征
疲劳断裂和其他断裂一样，其断口也保留了整个断裂过
程的所有痕迹，记载着很多断裂信息，具有明显的形貌特
征。如图1-3所示，典型疲劳断口具有三个形貌不同的区
域：疲劳源、疲劳区及瞬断区。
图1-3 疲劳宏观断口
疲劳曲线和疲劳图
疲劳曲线 疲劳曲线是疲劳应力与疲劳寿命的关系曲线，即S-N曲 线，它是确定疲劳极限、建立疲劳应力判据的基础。典型 的金属材料疲劳曲线如图1-4所示。 图中纵坐标为循环应力 的最大应力σmax；横坐 标为断裂循环周次N。 可以看出，S-N曲线由 高应力和低应力段组成。 前者寿命长，后者短。
图1-2 循环应力的类型
循环应力可用下列几个参量来表示： 最大应力σmax 最小应力σmin 平均应力σm
σm=1/2（σmax+σmin）
应力幅σa
σa=1/2（σmax-σmin）
应力比r
r=σmin/σmax
疲劳的现象及特点
1.分类
疲劳：金属机件或构件在变动应力和应变长期作用下，
由于累积损伤而引起的断裂现象称为疲劳。
图1-4 几种材料的疲劳曲线
疲劳图 疲劳图是各种循环疲劳极限的集合图，也是疲劳曲线的 另一种表达形式。由图1-5可知，由最大循环应力σmax表 示的疲劳极限σr是随应力比r（或平均应力σm）的增大而 升高的。 因此，可根据平均应力 对疲劳极限σr（σmax或 σa）的影响规律建立疲 劳图。
图1-5 不同应力比的疲劳曲线
图1-7 疲劳裂纹扩展曲线
2.疲劳裂纹扩展速率 （一）疲劳裂纹扩展速率曲线 材料的疲劳裂纹扩展速率da/dN不仅与应力水平有关， 而且与当时的裂纹尺寸也有关系，将应力范围△ σ和a复
合为应力强度因子范围△K， △K=Kmax-Kmin。如果认为疲
劳裂纹扩展的每一微小过程类似是裂纹体小区域的断裂过
程，则△K就是在裂纹尖端控制裂纹扩展的复合力学参量，
从而可以建立由△K起控制作用的da/dN—△K曲线，即疲
劳裂纹扩展速率曲线，如图1-8所示。
曲线分为I、II 、III三个区段。 在 I、III区， △K对da/dN影 响很大；在II区， △K与 da/dN 之间呈幂函数关系。
图1-8 疲劳裂纹扩展速率曲线 I区是疲劳裂纹初始扩展阶段，da/dN值很小，从△Kth开 始， da/dN快速提高，但△K变化范围小，所占扩展寿命 不长。 II区是疲劳裂纹扩展的主要阶段， da/dN较大，扩 展寿命长。 III区是疲劳裂纹扩展最后阶段， da/dN很大， 只需扩展很少周期即会导致材料失稳断裂。
金属的疲劳
变动载荷和循环应力
ຫໍສະໝຸດ Baidu1.变动载荷
变动载荷是引起疲劳破坏的外力，它是指载荷大小，甚
至方向均随时间变化的载荷。下图1-1是应力-时间曲线。
a)应力大小变化 b)、c)应力大小及方 向都变化 d)应力大小及方向无 规则变化 图1-1 变动应力示意图
2.循环应力
循环应力的波形有正弦波、矩形波和三角形波等，其中 最常见者为正弦波，如图1-2所示。
影响疲劳强度的主要因素
疲劳断裂一般是从机件表面应力集中处或材料缺陷处开
始的，或者从二者结合处发生的。因此，材料和机件的疲
劳强度不仅与材料成分、组织结构及夹杂物有关，而且还 受载荷条件、工作环境及表面处理条件的影响。主要因素 有以下几种：
表面状态的影响
（一）应力集中
机件表面的缺口应力集中，往往是引起疲劳破坏的主要
疲劳可以按不同方法进行分类：按照应力状态不同，可
分为弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳及复合疲劳；按照环
境和接触情况不同，可分为大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲
劳、热疲劳、接触疲劳等；按照疲劳的断裂寿命和应力高
低不同，可分为高周疲劳和低周疲劳。
2.特点 疲劳断裂具有以下特点： （1） 疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断 裂 （2） 疲劳是脆性断裂 （3） 疲劳对缺陷 （缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏
值越大，阻止疲劳裂纹开始扩展的能力就越大，材料就越
好。
疲劳过程及机理
疲劳裂纹萌生过程及机理 疲劳过程包括疲劳裂纹的萌生、裂纹亚稳扩展及最后失 稳扩展三个阶段。
宏观疲劳裂纹是由微观裂纹的形成、长大及连接而成的。
大量研究表明，疲劳微观裂纹都是由不均匀的局部滑移和
显微开裂引起的。主要方式有表面滑移带开裂；第二相、
原因。
（二）表面粗糙度
在循环载荷作用下，金属的不均匀滑移主要集中在金属
表面，疲劳裂纹也常常产生在表面上。表面的微观几何形 引起应力集中，使疲劳极限降低。
（二）疲劳裂纹扩展门槛值 由上图1-8可知，在I区，当△K≤ △Kth时， da/dN=0， 表示裂纹不扩展；只有当△K＞△Kth时， da/dN ＞ 0，疲 劳裂纹才开始扩展。因此， △Kth是疲劳裂纹不扩展的△K
临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值。 △Kth表示材料组织
疲劳裂纹开始扩展的性能，也是材料的力学性能指标，其