06 材料的疲劳.
材料的疲劳性能
图5－11
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● 三、 过载持久值及过载损伤界 ●研究意义： ●过去人们一直认为，承受交变载荷作用的机件
按-1确定许用应力是安全的，但是没有考虑特
殊情况。实际上，机件在服役过程中不可避免 地要受到偶然的过载荷作用，如汽车的急刹车、 突然启动等。还有些机件不要求无限寿命，而 是在高于疲劳极限的应力水平下进行有限寿命 的服役。在这些情况下，仅依据材料的疲劳极 限是不能全面准确评定材料的抗疲劳性能的， 所以我们要了解过载持久值和过载损伤界。
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规则周期变动应力（循环应力） 无规则随机变动应力
变动应力如图5－1 所示。
生产中机件正常工作 时，其变动应力多为循 环应力，实验室也容易 模拟，所以研究较多。
应力大小变化
应力大小、方向无规则变化
应力大小、方向都变化
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图5－1 变动应力示意图
σ
r=0 r=–1
r=–∞
1 1
2
2
8
3
3 5 7 9
4
46
5
6
10 12 14
11 13
水平下进行，如图5－8所示。
图5－8 升降法测定疲劳极限示意图
原则是：凡前一个试样达不到规定的循环周次就断裂(用
表示)，则后一个试样就在低一级应力水平下进行试验；若
前一个试样在规定循环周次下仍然未断(用 表示)，则后一个
试样就在高一级应力水平下进行，如此得到13个以上的有效
●本章主要介绍:
● 金制 属。 疲介 劳绍 的估 基算 本裂 概纹 念形 和成 一寿 般命 规的 律方 。法 疲。 劳 失 效 的 过 程 和 机
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第一节疲劳破坏的一般规律
材料疲劳曲线
材料疲劳曲线
材料疲劳曲线是指在材料疲劳过程中，应力与循环次数之间的关系曲线。
材料
的疲劳性能是指在受到交变应力作用下，材料在一定循环次数内所能承受的应力幅值。
材料的疲劳性能对材料的使用寿命和安全性有着重要的影响。
因此，了解材料的疲劳性能对于材料的设计和使用具有重要意义。
材料疲劳曲线通常是以应力幅值和循环次数为坐标轴，绘制出的曲线。
在曲线上，通常会有一个疲劳极限，即材料在一定循环次数内所能承受的最大应力幅值。
当应力幅值超过疲劳极限时，材料就会发生疲劳破坏。
因此，疲劳极限是评价材料疲劳性能的重要指标之一。
材料的疲劳曲线受到多种因素的影响，如材料的组织结构、应力水平、环境条
件等。
在绘制材料疲劳曲线时，需要考虑这些因素对材料疲劳性能的影响，并进行相应的修正。
只有准确地绘制出材料的疲劳曲线，才能更好地评估材料的疲劳性能，指导材料的设计和使用。
了解材料的疲劳曲线对于材料的设计和选择具有重要的意义。
通过对材料的疲
劳曲线进行分析，可以选择出合适的材料，设计出更加耐用的产品。
此外，还可以通过对材料疲劳曲线的研究，改进材料的疲劳性能，提高产品的使用寿命和安全性。
总之，材料的疲劳曲线是评价材料疲劳性能的重要指标之一，了解材料的疲劳
曲线对于材料的设计和使用具有重要的意义。
只有准确地绘制出材料的疲劳曲线，才能更好地评估材料的疲劳性能，指导材料的设计和使用。
通过对材料的疲劳曲线进行分析，可以选择出合适的材料，设计出更加耐用的产品。
此外，还可以通过对材料疲劳曲线的研究，改进材料的疲劳性能，提高产品的使用寿命和安全性。
材料的疲劳名词解释
材料的疲劳名词解释材料的疲劳是一个在材料科学和工程中广泛研究的现象。
它指的是当材料在受到持续或重复的载荷作用下，会逐渐失去其强度和耐久性，导致结构或部件的破坏。
疲劳强度和寿命是评估材料耐久性的关键参数，对于许多工程应用来说至关重要。
1. 疲劳裂纹疲劳破坏的关键特征是疲劳裂纹，它是材料中由于应力作用下的微裂纹扩展所致的一种裂纹。
疲劳裂纹通常在外部无法察觉到的微小缺陷处形成并逐渐扩展，最终导致材料破坏。
疲劳裂纹的形成和扩展是疲劳破坏的主要机制之一。
2. 疲劳寿命疲劳寿命是指材料在特定应力水平下能够承受多少个载荷循环，直到发生破坏的次数。
疲劳寿命取决于材料的性质、应力水平、载荷类型以及环境条件等因素。
通过研究疲劳寿命，可以评估材料的耐久性，并设计出更耐久的材料或结构。
3. 应力幅应力幅是指材料在疲劳循环中的应力变化范围。
应力幅越大，材料的疲劳寿命通常越短。
应力幅的大小对于设计和使用材料时至关重要，过大的应力幅会导致材料失效的风险增加。
4. 疲劳强度疲劳强度是指材料在特定应力幅条件下能够承受的循环载荷次数，直到产生疲劳破坏。
疲劳强度是一个重要的材料特性，可以通过实验测试和理论分析来确定。
5. 疲劳寿命预测疲劳寿命预测是指通过实验测试、数值模拟和统计方法等手段，预测材料在特定应力水平下的疲劳寿命。
疲劳寿命预测的准确性对于工程设计和结构安全至关重要，可以帮助延长材料和结构的使用寿命。
6. 疲劳强化疲劳强化是指通过特殊的处理方法，在不改变材料物理性质的前提下提高材料的疲劳寿命和疲劳强度。
常见的疲劳强化方法包括热处理、表面处理和应力处理等，通过这些方法可以改善材料的耐久性。
7. 循环载荷循环载荷是指材料在疲劳试验中受到的重复加载和卸载作用，以模拟实际工况下的循环荷载。
循环载荷的研究可以帮助了解材料在实际使用过程中的行为，提高结构的设计安全性。
总结：材料的疲劳是一个重要的材料学和工程学领域的研究课题。
通过研究疲劳裂纹、疲劳寿命、应力幅、疲劳强度、疲劳寿命预测、疲劳强化和循环载荷等相关参数和现象，可以深入理解材料疲劳行为，并为设计和改进工程结构提供更可靠、更耐久的材料。
材料的疲劳特
减载槽
济性后，采用具有高疲劳强度的材料，并配以适当的热处理和各种
表面强化处理。
适当提高零件的表面质量，特别是提高有应力集中部位的表面加工 质量，必要时表面作适当的防护处理。
尽可能地减少或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸，对于延 长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用。
机械零件的抗断裂强度
力点M或N。
相应的疲劳极限应力应是极限应力曲线
上的某一个点所代表的应力(s m ,s a ) 。
计算安全系数及疲劳强度条件为：
Sca
s m ax s max
s m s a sm sa
S
根据零件工作时所受的约束来确定应力可能发生的变化规律，从而决定
以哪一个点来表示极限应力。
机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种：
用A'Ｇ'C折线表示零件材料的极限应力线图是其中一种近似方法。
A'Ｇ'直线的方程为： s 1 s a ss m
CＧ'直线的方程为：
s a s m s s
σ为试件受循环弯曲应力时的材 料常数，其值由试验及下式决定：
s
2s 1 s 0 s0
对于碳钢，σ≈0.1~0.2，对于合金钢，σ≈0.2~0.3。
s
m rN
N
C ( N C
N
ND)
D点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着
无限寿命区其方程为：
s rN s r （N ND )
由于ND很大，所以在作疲劳试验时，常 规定一个循环次数N0(称为循环基数)，用N0
s－N疲劳曲线
及其相对应的疲劳极限σr来近似代表ND和 σr∞，于是有：
s
m rN
N
材料的疲劳和断裂行为
材料的疲劳和断裂行为疲劳和断裂是材料工程中的重要研究领域。
疲劳是指材料在经历了重复加载或应力变化后，由于内部微观缺陷逐渐积累，最终导致材料的失效。
而断裂则是指材料在承受高应力或者外力集中作用下发生裂纹扩展的现象。
本文将深入探讨材料的疲劳和断裂行为，并分析其机理和影响因素。
一、疲劳行为材料的疲劳行为广泛存在于我们生活和工作的各个领域。
例如，金属材料在机械工程中的零部件、桥梁结构和飞机构件等地方，由于长期受到复杂的力学载荷，易出现疲劳失效。
疲劳失效不仅会给工程的安全性和可靠性带来威胁，也会增加维修和更换的成本。
1. 疲劳断裂机理在受疲劳加载作用下，材料内部的微观缺陷会逐渐积累导致裂纹的形成和扩展。
这些微观缺陷包括晶界、夹杂物、夹层、腐蚀坑等。
当应力斑马纹通过这些缺陷时，会导致位错的生成和扩展，从而引起材料的疲劳断裂。
2. 疲劳寿命与应力幅关系材料的疲劳寿命与应力幅之间存在一定的关系。
应力幅越大，疲劳寿命越短；应力幅越小，疲劳寿命越长。
这是由于应力幅增加会导致材料内部位错、裂纹等缺陷的生成和扩展速度增加，从而缩短了材料的使用寿命。
3. 影响疲劳行为的因素除了应力幅外，疲劳行为还受到多种因素的影响。
其中包括材料的力学性能、表面质量、温度、湿度、载荷频率、环境介质等。
材料的力学性能如强度、韧性、硬度等，对材料的疲劳行为具有重要影响。
同时，表面质量的好坏、温度和湿度的变化也会引起材料内部微观缺陷的形成和扩展。
二、断裂行为除了疲劳行为外，材料的断裂行为也是值得重视的。
断裂指的是材料在受到高应力或者外力集中作用下发生裂纹扩展的现象。
在工程实践中，为了减缓断裂失效对工程结构和设备造成的危害，需要对材料的断裂行为进行深入研究。
1. 断裂机理材料的断裂机理可以分为静态断裂和动态裂纹扩展两个阶段。
静态断裂是指在裂纹形成之前，材料的应力集中到达临界值，导致断裂开始。
而动态裂纹扩展则是指裂纹在外力作用下迅速扩展，直到材料完全失效。
疲劳性能的名词解释
疲劳性能的名词解释疲劳性能是指材料在循环加载下抵抗疲劳破坏的能力。
在工程领域中，疲劳性能是一个重要的指标，因为大部分工程材料都会承受来自振动、震动、往复负荷等循环加载的作用，而长时间的循环加载容易导致材料疲劳破坏。
材料的疲劳性能由多种因素影响，包括材料的结构、组织、力学性质以及实际应用环境等。
在解释疲劳性能之前，我们需要先了解一下疲劳现象的发生机制。
疲劳破坏是由于材料在交变载荷下，发生了局部的应力和应变集中，导致了微小裂纹的产生和扩展，最终引起裂纹扩展至材料的断裂。
这个过程可以用疲劳寿命曲线来描述，曲线上通常包含着几个特殊阶段。
首先是初始阶段，此时材料受到振动或往复负荷作用的初期，应力集中在材料表面，形成微小裂纹。
其次是传播阶段，随着循环次数的增加，裂纹开始扩展并逐渐影响材料的整体性能。
最后是失效阶段，当裂纹扩展至一定程度，无法再承受正常负载时，材料会发生疲劳破坏。
疲劳性能评价的一个重要参数是疲劳寿命，即材料在特定循环次数下发生疲劳破坏的时长。
疲劳寿命通常由S-N曲线（应力-循环次数曲线）来表示，它显示了材料在不同应力水平下的疲劳寿命。
该曲线上通常有三个关键指标，即疲劳极限、疲劳强度和疲劳极限循环次数。
疲劳极限是指材料在无限次循环加载下不发生疲劳破坏的应力水平，它是材料疲劳性能的重要指标之一。
疲劳强度是指材料在特定的循环次数下能够承受的最大应力水平。
而疲劳极限循环次数表示在特定的应力水平下，材料能够承受多少次循环加载，才会发生疲劳破坏。
材料的疲劳性能受到多种因素的影响。
首先是材料的组织结构，如晶粒大小、晶界特性等。
细小的晶粒和良好的晶界结合会提高材料的疲劳性能。
其次是应力水平和应力幅度，较低的应力水平和较小的应力幅度会延长材料的疲劳寿命。
此外，温度、湿度、腐蚀环境等也对材料的疲劳性能有影响。
为了改善材料的疲劳性能，人们采取了一系列的措施。
例如，通过增加材料的硬度和强度，改变材料的组织结构，提高晶界的结合力等方式来增强材料的疲劳性能。
材料的疲劳性能
应力范围△σ越大 ，则裂纹扩展越快 ， Np、ac越小。
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材料旳疲劳裂纹扩展速率与Δσ和a 有关。 将应力范围△σ与a复合定义为应力 强度因子范围△K ：
K Kmax Kmin Ymax a Ymax a Y a
△K：控制裂纹扩展旳复合力学参量
（1）将a-N曲线上各点旳da／dN 值用图 解微分法或递增多项式计算法计算出来; （2）利用应力强度因子幅(ΔKⅠ)公式将 相应各点旳ΔKⅠ值求出， （3）在双对数坐标系上描点连接即得
在变动载荷作用下，随机件尺寸增大使疲劳强度下降旳现象，称为 尺寸效应，可用尺寸效应系数ε来表达
48
三、表面强化及残余应力旳影响
机理：提升机件表面塑变抗力，降低表面旳有效拉应力，即可 克制材料表面疲劳裂纹旳萌生和扩展，有效提升承受弯曲与扭 转循环载荷下材料旳疲劳强度
lgda/dN-lgΔKⅠ曲线。
41
lg(da/dN)-lgΔKⅠ曲线：
I区是疲劳裂纹旳初始扩展阶段:
da/dN = 10-8～10-6 mm/周次；
从ΔKth开始，ΔKⅠ↑， da/dN迅 速提升，但ΔKⅠ范围较小，裂纹扩 展有限。
Ⅱ区是疲劳裂纹扩展旳主要阶段，占据亚稳扩展旳绝大部分，是决 定疲劳裂纹扩展寿命旳主要构成部分，da/dN = 10-5～10-2 mm/周次，
第五章 材料旳疲劳性能
§5-1疲劳破坏旳一般规律 §5-2疲劳破坏旳机理 §5-3疲劳抗力指标 §5-4影响材料及机件疲劳强度旳原因 §5-5热疲劳
1
机械零件总是处于不断运动状态
曲轴
连杆
2
第一节 疲劳破坏旳一般规律
一、疲劳破坏旳变动应力
疲劳：工件在变动载荷和应变长久作用下，因累积 损伤而引起旳断裂现象。
材料的疲劳极限
材料的疲劳极限
以材料的疲劳极限为标题，我们将探讨材料疲劳极限的概念、影响因素以及如何评估和提高材料的疲劳极限。
材料的疲劳极限是指材料在循环加载下能够承受的最大应力或应变。
在实际应用中，许多材料都会在长时间的循环加载下发生疲劳破坏，因此疲劳极限是评估材料耐久性的重要指标之一。
材料的疲劳极限受多种因素的影响。
首先，材料的组织结构对疲劳极限起着重要作用。
材料中的缺陷、晶界、孔隙等微观结构会导致应力集中，从而降低疲劳极限。
其次，外界环境条件也会对疲劳极限产生影响，如温度、湿度等。
高温、潮湿环境会加速材料的疲劳破坏。
此外，材料的加载方式、频率和幅值也会影响疲劳极限。
评估材料的疲劳极限通常采用疲劳试验。
在疲劳试验中，材料会被加载到一定的应力或应变水平下进行循环加载，通过观察材料的疲劳寿命和破坏形态来评估材料的疲劳极限。
常见的疲劳试验方法包括拉伸-压缩试验、弯曲试验和旋转弯曲试验等。
为了提高材料的疲劳极限，可以采取多种措施。
首先，优化材料的组织结构，减少缺陷和孔隙的存在，提高材料的均匀性和一致性。
其次，选择适当的热处理工艺，通过改变材料的晶界和位错结构来提高材料的疲劳极限。
此外，合理设计材料的加载方式和频率，避免过大的应力集中和频繁的循环加载。
最后，提高材料的强度和硬
度，增加材料的抗疲劳性能。
材料的疲劳极限是评估材料耐久性的重要指标。
了解材料的疲劳极限对于设计和选择材料具有重要意义。
通过优化材料的组织结构、选择适当的热处理工艺以及合理设计加载方式，可以提高材料的疲劳极限，延长材料的使用寿命。
材料的疲劳寿命
材料的疲劳寿命材料的疲劳寿命是指在循环载荷作用下，材料失效之前所能承受的循环载荷次数。
疲劳寿命是材料工程中至关重要的指标，特别是对于高强度和高可靠性要求的应用。
本文将探讨材料的疲劳寿命及其相关的影响因素和测试方法。
一、疲劳寿命的定义及重要性疲劳是材料在受到交变载荷作用时，由于内部微观缺陷的存在，造成材料性能随时间逐渐衰退的现象。
而疲劳寿命是指在给定的载荷幅值下，材料可以承受的循环载荷次数。
疲劳寿命的长短直接影响材料的可靠性和寿命，对于工程设计与材料选择具有重要意义。
二、影响疲劳寿命的因素1. 循环载荷幅值：循环载荷幅值是指应力或应变在正负方向上的偏移值。
循环载荷幅值越大，材料的疲劳寿命越短。
2. 材料的强度和韧性：材料的强度和韧性对疲劳寿命有显著影响。
强度越高、韧性越好的材料，其疲劳寿命越长。
3. 温度和环境条件：温度和环境条件对于材料的疲劳寿命有显著影响。
高温环境和腐蚀介质会加速材料的疲劳损伤，降低疲劳寿命。
4. 表面质量和处理：材料表面的裂纹、缺陷和划伤等表面缺陷会成为疲劳裂纹的起始点，缩短疲劳寿命。
正确的表面处理方法可以提高疲劳寿命。
三、疲劳寿命的测试方法1. Wöhler曲线测试：Wöhler曲线测试是最常用的疲劳寿命测试方法之一。
该方法通过不同载荷幅值下施加循环载荷，统计材料失效之前的循环载荷次数，绘制出载荷幅值与疲劳寿命的关系曲线。
2. 声发射测试：声发射测试通过检测材料在疲劳过程中的微小裂纹扩展产生的声音信号，来确定疲劳寿命。
3. 应力松弛试验：应力松弛试验是通过施加一定载荷后释放载荷，观察材料在循环载荷下应力松弛的情况，从而推测其疲劳寿命。
四、延长材料的疲劳寿命的方法1. 合理设计：在工程设计中，合理设计材料的形状和结构，减少应力集中和应力过大的区域，可以延长材料的疲劳寿命。
2. 表面处理：正确的表面处理方法可以消除或修复材料表面的缺陷，提高疲劳寿命。
3. 控制环境条件：控制温度和腐蚀介质等环境条件，可以减缓疲劳损伤的速率，延长材料的疲劳寿命。
《材料的疲劳》课件
材料内部的微裂纹、孔洞和杂质等缺 陷，会在应力集中处引发应力集中， 导致疲劳裂纹的萌生和扩展。
微观组织
材料的微观组织结构，如相的组成和 分布，也会影响疲劳性能。例如，多 相合金的1 02
温度
温度对材料的疲劳性能有显著影响。在低温环境下，金属材料的疲劳强 度通常会提高；而在高温环境下，由于蠕变和氧化等作用，疲劳强度会 降低。
疲劳数据的处理与解释
数据整理
对实验数据进行整理，包 括应力、应变、寿命等数 据。
数据分析
对整理后的数据进行统计 分析，找出材料的疲劳规 律。
结果解释
根据数据分析结果，解释 材料的疲劳行为和机理。
疲劳寿命预测
经验公式法
利用已知材料的疲劳试验数据，建立经验公式来 预测其他条件下的疲劳寿命。
有限元分析法
由于温度循环或热冲击引起的 疲劳。
环境疲劳
由于腐蚀、氧化、辐射等因素 引起的疲劳。
疲劳的危害
01
02
03
结构安全
疲劳失效可能导致结构突 然断裂，从而造成严重事 故和人员伤亡。
经济损失
频繁的疲劳失效会导致设 备维修和更换成本的增加 ，影响生产效率和经济效 益。
社会影响
疲劳失效可能对公共安全 和基础设施造成威胁，如 桥梁、铁路、管道等。
应力均值
应力均值也会影响材料的疲劳寿 命，通常应力均值越高，疲劳寿 命越长。
应力循环特征
应力循环具有对称性和非对称性 两种特征，对称循环下材料的疲 劳寿命较长，而非对称循环下材 料的疲劳寿命较短。
材料的疲劳极限
疲劳极限的定义
01
材料在一定条件下抵抗疲劳的能力，即在一定的应力幅值和循
环次数下不发生疲劳断裂的最大应力值。
材料的疲劳性能
滑ห้องสมุดไป่ตู้带开裂
（1）驻留滑移带 在交变载荷作用下，永留或能再现的循环滑移
带，称为驻留滑移带。 通过位错的交滑移，使驻留滑移带加
（2）挤出脊和侵入沟 滑移带在表面加宽过程中，还会向前或向后移
动，形成挤出峰和挤入槽。 （3）循环过程中，峰、槽不断增加，增高（或变
深）。（柯垂耳-赫尔模型）。 孪晶处也易出现挤出峰和挤入槽。
陶瓷材料的疲劳破坏机理 静态疲劳、循环疲劳和动态疲劳 循环疲劳与金属疲劳具有相同含义，同属长期 变动应力作用下，材料的破坏行为 静态疲劳则相当于金属中的延迟断裂，即在一 定载荷作用下，材料耐用应力随时间下降的 现象 动态疲劳是在恒定速率加载条件下研究材料断 裂失效对加载速率的敏感性。
1、疲劳源 裂纹的萌生地；裂纹处在亚稳扩展过程中。 由于应力交变，断面摩擦而光亮。且表面加工硬化。 随应力状态及其大小的不同，可有一个或几个疲劳源。
2、疲劳区（贝纹区） 断面比较光滑，并分布有贝纹线。 循环应力低，材料韧性好，疲劳区大，贝纹线细、明显。 有时在疲劳区的后部，还可看到沿扩展方向的疲劳台阶
应力低（<σs ），所以也叫低应力疲劳。 低周疲劳（ Nf {102-105}周次），由于断裂 应力水平高， ≥σs ，往往伴有塑性变形， 故称为高应力疲劳（或应变疲劳） 破坏原因 机械疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳。
疲劳宏观断口的特征
断口拥有三个形貌不同的 区域：疲劳源、疲劳区、瞬断 区。
随材质、应力状态的不同， 三个区的大小和位置不同。 （表5-1）
疲劳造成的事故
1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然 出轨，造成100多人遇难身亡的严重后果。事后经过 调查，人们发现，造成事故的原因竟然是因为一节车 厢的车轮内部疲劳断裂而引起。从而导致了这场近 50年来德国最惨重铁路事故的发生。 2001年11月7日，四川宜宾南门大桥一断为三，造 成两死两伤。专家分析，断桥是多种因素共同作用的 结果：落后的工艺无法杜绝吊索生锈，而过度的金属 疲劳加速了大桥夭折。
材料科学中的断裂和疲劳
材料科学中的断裂和疲劳材料科学是研究材料结构、性能、制备与应用的一门学科，断裂和疲劳是其中重要的研究内容。
在材料的应力下，出现破裂现象称为断裂，而在反复加载下，产生裂纹逐渐扩展而失效的现象称为疲劳。
了解材料的断裂和疲劳行为对材料的应用和加工具有重要意义。
断裂是材料失效的一种突发性的现象，直接影响材料的使用寿命和安全性。
在断裂过程中，材料常常会发生裂纹扩展和断面形态改变。
研究材料断裂需要从分子、微观结构和宏观层面入手，包括材料的组织、缺陷、微观应力和应变分布等方面。
针对不同的材料类型，断裂研究方法也不尽相同。
一般来说，材料断裂的方式有两种，即韧性断裂和脆性断裂。
韧性材料在受到应力的情况下，能够发生著名的“韧性断裂”，即在承受最大应力之前迅速发生塑性变形，吸收大量的能量，并伴随着断面形态的改变和拉伸变形。
而脆性材料在受到应力时，由于其致密的晶格结构，断裂常常是突然的、不可预测的，并伴随着断面形态的裂纹状。
疲劳是材料失效的另一种常见现象。
在连续循环加载下，材料中的微小裂纹会逐渐扩大，最终导致失效。
疲劳失效是机械工程领域中的重要问题，因为它会直接影响到机械结构的寿命和安全。
疲劳失效的预测需要深入研究材料的疲劳行为、裂纹扩展规律和力学性质。
疲劳试验可以通过不同的加载方式、不同的加载频率和载荷幅值进行，以验证材料的疲劳性能和失效机制。
对于材料的疲劳性能研究，常常会用到S-N（应力-循环次数）曲线。
该曲线将材料的疲劳寿命与应力-循环次数联系起来。
在S-N曲线中，应力水平越高，材料的寿命越短，疲劳强度越低。
材料的疲劳性能还与其他因素有关，如试样几何形状、表面质量、温度等。
最近几十年来，随着材料科学和力学的发展，断裂和疲劳理论得到了不断的加强。
在研究和预测材料的疲劳行为方面，新的模型和算法不断涌现。
例如，弯曲式疲劳试验可以比拉伸式疲劳试验更好地模拟材料在使用环境下承受应力的情况，从而更加准确地预测材料的疲劳寿命。
材料疲劳试验
材料疲劳试验材料疲劳试验是一种用于评估材料在受到交变应力作用下的耐久性能的实验方法。
在工程实践中，材料的疲劳性能对于零部件的设计和使用寿命具有重要意义。
本文将介绍材料疲劳试验的基本原理、常用方法和应用领域。
1. 基本原理。
材料在受到交变应力作用下会发生疲劳损伤，其疲劳寿命是材料的一个重要指标。
材料的疲劳寿命受到多种因素的影响，如应力幅值、应力比、试验温度等。
疲劳试验的基本原理是通过施加交变载荷，观察材料在不同应力水平下的疲劳寿命，从而评估其耐久性能。
2. 常用方法。
疲劳试验常用的方法包括拉伸-压缩疲劳试验、弯曲疲劳试验和旋转疲劳试验等。
拉伸-压缩疲劳试验是最常见的一种方法，通过交变拉伸和压缩载荷作用于试样上，观察其疲劳寿命。
弯曲疲劳试验适用于弯曲受力零部件的疲劳性能评价，而旋转疲劳试验则适用于轴类零部件的疲劳性能评价。
3. 应用领域。
材料疲劳试验在航空航天、汽车制造、机械制造等领域具有广泛的应用。
在航空航天领域，材料的疲劳性能直接关系到飞机的安全性，因此对于航空材料的疲劳试验尤为重要。
在汽车制造领域，发动机零部件、悬挂系统等零部件的疲劳性能也是关乎汽车安全和可靠性的重要指标。
在机械制造领域，各种机械零部件的疲劳性能评价对于设备的可靠性和使用寿命具有重要意义。
综上所述，材料疲劳试验是评估材料耐久性能的重要手段，通过对材料在交变应力下的疲劳行为进行研究，可以为工程实践提供重要的参考依据。
随着材料科学和试验技术的不断发展，疲劳试验方法也在不断创新和完善，为材料的疲劳性能评价提供了更加可靠和精准的手段。
因此，加强对材料疲劳试验的研究和应用具有重要的理论和实践意义。
材料疲劳的定义
材料疲劳的定义
材料疲劳是指材料在受到周期性载荷作用时，随着时间的推移，经历了连续的应力、应变循环后逐渐产生裂纹并扩展，最终导致材料失效的一种现象。
材料疲劳也是一种不可逆的破坏过程，会导致材料的强度、韧性和刚度等性能逐渐下降，最终失去使用价值。
材料疲劳是材料力学和材料科学中的重要研究领域之一，因为它几乎存在于所有材料的使用和制造过程中。
无论是金属、塑料、陶瓷、复合材料还是混凝土等材料，在受到循环载荷作用时，都会出现疲劳现象。
材料疲劳是由于材料内部的微观缺陷，如晶格缺陷、夹杂物、孔隙等，在应力周期变化的作用下，引发材料内部微观结构的变化，从而逐渐积累疲劳损伤和裂纹，最终导致材料疲劳破坏。
材料疲劳的发生机理有很多种，大致可以分为4类：表面疲劳、热疲劳、蠕变疲劳和低周疲劳。
表面疲劳主要是由于表面应力集中和表面微小裂纹的扩展；热疲劳主要是由于高温下的热应力和热膨胀引起的材料内部微观结构变化；蠕变疲劳主要是由于高温下的材料内部蠕变引起的微观变形和微观缺陷的积累；低周疲劳主要是由于低载荷下材料内部晶格和微观结构的变化所致。
材料疲劳的应力和应变循环是其发生和发展的关键因素。
应力循环是指材料受到的载荷在一定范围内周期性地变化，而应变循环则是指材料在受到载荷作用时所产生的应变周期性地变化。
疲劳寿命则是指材料在特定应力或应变循环下能够承受的循环次数，称为疲劳寿命或循环寿命。
材料疲劳的研究不仅对于材料科学和工程学有着重要的理论与实践意义，也是现代工程设计和制造中不可或缺的一环。
通过深入了解材料疲劳机理、疲劳寿命预测和控制，能够有效提高工程材料和产品的寿命和可靠性，为人们的生产和生活带来更多的安全和价值。
材料疲劳力学分析与寿命
材料疲劳力学分析与寿命在现代工程领域中，材料的疲劳性能是一个至关重要的考量因素。
无论是航空航天中的飞机零部件，还是汽车工业中的发动机组件，又或是桥梁等大型基础设施，材料在长期反复的载荷作用下都可能发生疲劳失效。
这种失效往往是在应力水平远低于材料的静态强度极限时发生的，给工程结构的安全性和可靠性带来了巨大的潜在威胁。
因此，深入研究材料疲劳力学并准确预测其疲劳寿命，对于保障工程结构的正常运行和延长使用寿命具有极其重要的意义。
材料疲劳的本质是在循环载荷作用下，材料内部微观结构逐渐发生损伤和累积，最终导致宏观裂纹的形成和扩展。
循环载荷的特点可以是周期性的、随机的或者是两者的组合。
当材料受到循环载荷时，其内部的原子晶格会发生微小的滑移和变形。
随着载荷循环次数的增加，这些滑移和变形会逐渐集中在某些局部区域，形成所谓的“疲劳源”。
从力学角度来看，材料疲劳的分析涉及到多个方面。
首先是应力分析，包括确定应力的大小、方向和变化规律。
这需要对加载条件、结构几何形状以及材料的力学性能等因素进行综合考虑。
其次是应变分析，因为应变能够更直接地反映材料内部的微观变形情况。
此外，还需要考虑材料的多轴应力状态，因为在实际工程中，材料往往承受着复杂的多向应力。
在进行材料疲劳力学分析时，常用的方法有实验研究和理论分析。
实验研究通过对材料试样进行疲劳试验，获取疲劳寿命数据和相关的力学性能参数。
常见的疲劳试验包括旋转弯曲疲劳试验、拉压疲劳试验和疲劳裂纹扩展试验等。
这些试验可以在不同的应力水平、加载频率和环境条件下进行，以模拟实际工程中的各种工况。
理论分析则基于力学原理和数学模型来预测材料的疲劳性能。
其中，应力寿命（SN）曲线是一种常用的描述材料疲劳特性的方法。
该曲线表示在不同应力水平下，材料达到疲劳失效所需的循环次数。
通过对SN 曲线的分析，可以初步评估材料在给定应力条件下的疲劳寿命。
然而，SN 曲线方法存在一定的局限性，它无法考虑材料的局部应力集中和微观结构对疲劳寿命的影响。
《材料的疲劳》课件
基于SN曲线，根据应力幅值得出不同寿命。
损伤累积法
根据材料疲劳失效的疲劳寿命曲线，采用累积损伤理论进行疲劳寿命预测。
残余变形法
在疲劳变形时记录样品的残余变形并得出寿命。
延长材料疲劳寿命的方法
1
提高材料强度
提高材料固有强度可以增加疲劳寿命。
2
降低应力幅值
通过加工处理、构造优化等方式减少应力幅值，降低疲劳风险。
疲劳现象的特点
不可逆性
材料的疲劳变形和破坏是不可逆的。
急剧突出
疲劳断裂往往是急剧发生的，难于预知。
逐渐加重
疲劳寿命较长，一旦开始疲劳变形，变形 程度会逐渐加重。
与本质无关
对于同一种材料、同一种用途条件下，疲 劳寿命会因设计不同而不同。
疲劳引起的失效类型
1
表面裂纹
最容易被检测和诊断的疲劳失效。
2
内部毛细裂纹
材料的疲劳
材料的疲劳是指受到周期性的应力或应变作用，在强度限制范围内反复发生 的变形和破坏现象。
产生疲劳的原因
应力循环
材料在应力下来回循环变形 和破坏。
振动疲劳
材料在震动过程中受到的应 力循环导致疲劳。
海洋环境疲劳
海洋工程、船舶、海上风电 机组等在海洋环境下易受疲 劳损伤。
重复负载
材料受到长时间、重复负载 作用导致疲劳。
因为位置难以非破坏性评估，而造成较大的安全隐患。
3
微观缺陷
微观缺陷的应力集中效应是引起疲劳破坏的根本原因。
疲劳的影响因素
化学因素
温度变化
湿度Leabharlann 在化学环境下，材料受腐蚀、 氧化等影响会导致疲劳失效。
材料受热冷变化引起内部应 力变化，也会引起疲劳失效。
材料疲劳试验
材料疲劳试验
材料疲劳试验是材料工程领域中一项重要的实验方法，用于评估材料在受到循环加载时的耐久性能。
疲劳是指材料在受到交变应力作用下逐渐发生裂纹并最终破坏的现象，而材料疲劳试验就是为了研究材料在这种应力作用下的性能表现。
首先，进行材料疲劳试验前需要准备好试验样品。
样品的准备需要符合相关标准，保证样品的一致性和可比性。
接下来，将样品置于试验机中，施加循环加载，通过观察样品的变形、裂纹扩展情况以及最终破坏形态来评估材料的疲劳性能。
在进行材料疲劳试验时，需要注意以下几个方面。
首先是试验条件的选择，包括加载幅值、频率、环境温度等因素，这些条件的选择需要符合实际使用环境中的应力情况。
其次是试验数据的采集和分析，通过实时监测样品的应力应变情况，可以获取到疲劳寿命、裂纹扩展速率等重要数据，对材料的性能进行评估。
最后是试验结果的解读，根据试验数据和分析结果，评估材料的疲劳性能，为材料的设计和选用提供依据。
材料疲劳试验的意义在于可以帮助工程师和设计师了解材料在实际工作条件下的耐久性能，预测材料的使用寿命，指导材料的设计和选用。
通过疲劳试验，可以发现材料的强度、韧性、抗裂纹扩展能力等重要性能指标，为材料的改进和优化提供参考。
同时，疲劳试验也可以帮助解决工程实际中的疲劳失效问题，提高材料的可靠性和安全性。
总之，材料疲劳试验是一项重要的实验方法，对于评估材料的耐久性能具有重要意义。
通过合理选择试验条件、准确采集和分析试验数据，可以全面评估材料的疲劳性能，为工程实践提供可靠的数据支持。
希望本文的介绍能够帮助大家更好地了解材料疲劳试验的意义和方法，为材料工程领域的发展贡献一份力量。
材料的疲劳特性
于是有：
m rN
N
m rN0
N
0
m r
N
0
C
机械零件疲劳强度
5
有限寿命区内循环次数N与疲劳极限σrN的关系为：
rN
rm
N0 N
m
N
r rN
N0
式中，σr、N0及m的值由材料试验确定。
思考
称为应变疲劳，或低周疲劳，N=103~104。
低周疲劳为什么也称为应变疲劳？
机械零件疲劳强度
3
CD段：机械零件的疲劳大多处于这一阶段，也称
有限寿命疲劳阶段。应力与循环次数关系:
rmNN C (NC ≤N ≤ND )
rN ——有限寿命疲劳极限，r代表该变应力的循环特性，
N代表相应的应力循环次数。
机械零件疲劳强度
疲劳断裂过程
产生微小裂纹 微裂纹逐渐扩展 突然脆性断裂
裂纹断 裂源区
裂纹扩 展区
5 表面光滑
前沿线
表面粗糙
瞬间断 裂区
摘 自 ： 《Roloff/Matek Muhs等编著
Maschinenelemente》Dieter
机械零件疲劳强度
6
疲劳断裂具有以下特征：
疲劳断裂的最大应力远小于静应力下的材料极限应 力：σmax< σb(或σs)。
C ——材料常数
m ——应力状态不同的特性系数（弯曲：m=9；接触：m=6）
D点之后：无限寿命疲劳阶段，σr与N无关，D点的
极限应力记为σr∞,称为持久疲劳极限。
rN r （N ND )
CD段——有限疲劳寿命阶段 D点之后——无限疲劳寿命阶段
材料的疲劳
材料的疲劳材料的疲劳是指材料在受到交变荷载作用下，经历了长时间反复循环载荷，最终引起材料失效的现象。
疲劳失效通常发生在应力远小于材料屈服强度的情况下，因此可以说疲劳是材料的弱点之一。
材料在疲劳过程中会经历以下几个阶段：起始、扩展和失效。
起始阶段是指材料开始受到交变载荷作用，产生微小的裂纹。
裂纹的起始往往发生在材料晶界或缺陷处，然后逐渐扩展到整个材料截面。
一旦裂纹扩展到一定程度，就会导致材料失效。
材料的疲劳失效与循环载荷的幅值、频率和应力比等因素密切相关。
幅值是指载荷的最大峰值和最小峰值之间的差值。
频率是指载荷每单位时间内的循环次数。
应力比是指最小应力和最大应力之间的比值。
这些因素会对材料的疲劳寿命产生重要影响。
材料的疲劳寿命是指材料在特定循环载荷条件下能承受的循环次数。
疲劳寿命与材料的性能密切相关，包括强度、韧性、硬度等。
不同材料的疲劳寿命差异很大，一些高强度材料因其内部微观结构的不均匀性，容易产生裂纹，从而导致疲劳失效。
为了提高材料的疲劳寿命，可以采取以下几种方法：首先是合理设计材料的形状和尺寸，避免出现应力集中。
其次是加工和处理材料时，控制好温度和应力的变化，减少材料的内部残余应力。
此外，合理选择材料的组织和热处理方法也可以提高材料的疲劳寿命。
在实际应用中，材料的疲劳失效往往是无法避免的。
因此，人们常常希望通过定期检测和监测，及时发现材料的疲劳裂纹，采取修复或更换的措施，以确保材料的可靠运行。
总之，材料的疲劳是一种常见的失效形式，特点是在应力远小于屈服强度的情况下发生。
正确的设计、加工和处理方法可以提高材料的疲劳寿命。
及时发现和修复疲劳裂纹也是确保材料可靠性的重要措施。
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疲劳辉纹是略呈弯曲的 并相互平行的沟槽状花 样，与裂纹扩展方向垂 直，是裂纹扩展时留下 的微观痕迹。
驻留滑移带会导致挤出峰和侵入谷的出现，引起应力 集中，经过一定循环后会引发微裂纹，是裂纹形成的 源区。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 二、疲劳裂纹扩展
按扩展方向分两个阶段： 第一阶段：裂纹沿最大切应力 方向(与主应力成45o角)的晶面 扩展，每一循环只前进0.1um数 量级，速度很慢，扩展的距离 约为2-5个晶粒(晶界的阻碍可促 进裂纹转向)，断口常难以分辨 特征，仅有一些擦伤痕迹。
疲劳：材料在受到变动（载荷）应力（一般低于屈服 应力）作用下的行为。 统计分析显示，在机械失效总数中，疲劳失效约占 80%以上，如曲轴、连杆、齿轮、弹簧、轧辊等都是在 变动载荷下工作的。
疲劳断裂，一般不发生明显的塑性变形，难以检测和 预防，因而机件的疲劳断裂会造成很大的经济以至生命 的损失。 ∴工程中研究疲劳的规律、机理、力学性能指标、影响
应力循环对称系数（应力比）
r=σmin/σmax
循环应力的种类（按r来分）
对称循环交变应力（r=-1）：大多数轴类零件，如火车轴 的弯曲、曲轴的扭转； 重复循环应力（0<r<1）：如发动机缸盖螺栓的循环应力； 不对称交变循环应力（r<0）：如发动机连杆的循环应力；
二、疲劳分类及特点
分类 （1）按应力状态： 弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、 复合疲劳等。 （2）按环境及接触情况： 腐蚀疲劳、热疲劳、接触 疲劳等。 （3）按断裂寿命和应力高低大小：低应力下，高周 疲劳（＞105周次）；高应力下，低周疲劳（ 102~105 周次） 。这是最基本的分类方法。
6.1 疲劳现象
一、变动载荷
定义：载荷大小或大小和 方向随时间按一定规律变化 或呈无规则随机变化的载荷。
交变载荷 周期变动载荷
分类
随机变动载荷
重复载荷
周期变动载荷－－循环应力
特征参数：
最大应力σmax 最小应力σmin 平均应力 σm=（σmax＋σmin）/2 应力半幅 σa=（σmax－σmin）/2
疲劳微观裂纹都是由不均 匀的局部滑移和显微开裂引 起。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 裂等。
滑移带开裂产生裂纹
材料在循环应力σ的长期作用下，即使其应力低于 屈服强度σs，也会发生循环滑移并形成循环滑移带。 静载下：σ>σs，均匀滑移带； 循环载荷下：σ<σs，循环过程中在某些晶粒、或 局部薄弱区域内形成不均匀滑移带。 这种滑移首先在材料表面形成，然后扩展到材料内 部，形成驻留滑移带（不能消除）－驻留滑移带。
第六章 材料的疲劳
6.1 疲劳现象 6.2 疲劳断裂过程及其机理 6.3 疲劳裂纹扩展速率与门槛值 6.4 疲劳强度指标 6.5 影响疲劳性能的因素 6.6 低周疲劳 6.7 陶瓷材料的疲劳
引言
材料的设计： 材料力学： 断裂力学： 以上是一次加载的安全性；多次或长期加载的 安全性如何？ ？？？
（2）疲劳扩展区：裂纹亚稳扩展形成的。
特征：光滑并分布有贝纹线（海滩 花样）。 贝纹线：平行弧线，间距不同；裂 纹源附近， 线条细密、裂纹扩展较 慢；在远离裂纹处，线条稀疏、裂纹 扩展较快。 材料韧性好，疲劳区大，贝纹线细、 明显。
贝纹线是疲劳区的最大特征，一般认为它是由载荷变动引 起的，如机器运转时的开动和停歇，偶然过载引起的载荷 变动，使裂纹前沿线留下了弧状台阶痕迹。
因素等，具有重要的意义。
2007年11月2日，一架美军 F-15C 鹰式战斗机在做空中缠斗飞行训练 时，飞机突然凌空解体，一份调查 结果表明，飞机的关键支撑构件— —桁梁出现了金属疲劳问题。
2002年5月25日，台湾华航的一架波 音747客机在执行台北到香港的 CI611航班途中，坠毁于澎湖外海， 机上225名乘客与机组人员全部遇难。 经调查证实，失事原因是金属疲劳 断裂，金属疲劳裂纹竟源自1980年2 月7日飞机起飞时擦地产生的刮痕。 后来飞机进行维修时，刮痕并未刨 光即补上补钉，金属疲劳裂纹就沿 着刮痕产生。
疲劳断裂特点
（1）断裂应力<σb，甚至<σs，容易出现脆性断 裂； （2）对材料的缺陷十分敏感； （3）疲劳断口能清楚显示裂纹的萌生、扩展和 断裂。 （4）疲劳失效受载荷历程的影响（疲劳前的过 载会影响疲劳强度）。
三、疲劳宏观断口特征
疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记载 着很多断裂信息，具有非常明显的形貌特征。 这些特征与材料性质、应力状态、应力大小、环 境因素有直接的关系。 分析疲劳断口是研究疲劳过程、分析疲劳失效原 因的一种重要而且有效方法。
在实际机件的疲劳断口中－－易见 实验室的试样疲劳断口中－－不易见
（3）瞬时断裂区：裂纹失稳扩展形成的。
特征：表面粗糙；脆性材料为结晶状，塑性材料 则在中间平面应变区为放射状或人字纹断口，在边 缘平面应力区为剪切唇。
6.2 疲劳断裂过程及机理
一、疲劳裂纹的萌生
材料的疲劳破坏过程：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。 宏观疲劳裂纹由微观裂纹的形成、长大及连接而成，常将 0.05~0.1mm的裂纹定为疲劳裂纹核，由此确定疲劳裂纹萌生 期（N0）。
典型疲劳断口由疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬时 断裂区三部份构成。
随材质、应力状态的不同，三个区的大小和位置 不同。
（1）疲劳源：裂纹萌生的地方，常处于机件的表面或缺口、 裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷处，或机件截面尺寸不连续的区 域（有应力集中）。
当材料内部存在严重冶金缺 陷（夹杂、缩孔、偏析、白点） 时，因局部强度的降低，也会 在材料内部产生疲劳源。 形貌特点：断面不断摩擦挤 压，光亮度大，裂纹扩展速率 小，并有加工硬化发生。
穿晶断裂， 出现疲劳辉 纹
微孔聚集 型断裂
第二阶段：晶界的阻碍作用，裂纹扩展由滑开型变为张开型， 沿与拉应力垂直方向扩展，扩展速率较高。此阶段在电子显微镜 下可显示出疲劳辉纹。
三、疲劳裂纹扩展机制与疲劳断口微观特征
第二阶段形成的疲劳辉纹是疲劳断口的主要微观特征， 是用来判断是否由疲劳引起断裂的判据之一。