材料性能学-第5章

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5.2.2 疲劳破坏特点和疲劳分类
疲劳破坏的特点 ▶ 疲劳断裂是低应力下的脆性断裂。
一般疲劳应力水平比屈服强度低，材料断裂前不会 发生塑性变形。 ▶ 疲劳断裂属于延时断裂。 疲劳破坏过程是一个损伤累积的过程，是一种潜在 的突发性破坏。 疲劳寿命：从加载开始到试件断裂所经历的应力循 环数，定义为该试件的疲劳寿命Nf。 ▶ 疲劳破坏对缺陷(缺口、裂纹及组织缺陷)十分敏感。 ▶ 疲劳断裂也经历了裂纹萌生、裂纹稳态扩展和裂纹 失稳扩展三个阶段。
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研究疲劳的意义
研究材料在变动载荷作用下的力学响应、裂纹 萌生和扩展特性，对于评定工程材料的疲劳抗力， 进而为工程结构部件的抗疲劳设计、评估构件的 疲劳寿命以及寻求改善工程材料的疲劳抗力的.2 疲劳破坏的一般规律
5.2.1 疲劳破坏的一般规律
变动载荷(应力)是指载荷大小或大小和方向随时 间按一定规律呈周期性变化或无规则随机变化的载 荷， 前者称为周期变动载荷(应力)或循环载荷(应 力)，后者称为随机变动载荷。
该模型的缺点：屈服强度高的材料与实验观测结 果不符。
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► 再生核模型(F-R模型)
疲劳裂纹的扩展是断续的，通过主裂纹前方萌生新 裂纹核，长大并与主裂纹连接来实现。
a—拉应力半周期内，裂纹 尖端前方弹塑性交界区的第 二相或夹杂物与基体界面开 裂或脆断形成空洞，再生核。 b—主裂纹和裂纹核发生相 向长大，桥接，使主裂纹向 前扩展一段距离，从而产生 疲劳条带。
疲劳强度、过载持久值、疲劳缺口敏感度及 疲劳裂纹扩展速率等疲劳抗力指标是材料的基 本力学性能指标。
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由此可见，每加载一次，裂纹向前扩展一段距离 ，这就是裂纹扩展速率da/dN，同时在断口上留 下一疲劳条带，而且裂纹扩展是在拉伸加载时进行 的。 上述模型即是裂纹扩展的塑性钝化模型：高塑性 材料在变动循环应力作用下，裂纹尖端的塑性张开 钝化和闭合锐化，会使裂纹向前继续扩展。
裂纹扩展的塑性钝化模型与实验观测结果相符。
效断裂对加载速率的敏感性。
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高分子聚合物的疲劳破坏机理
▶ 疲劳过程：疲劳应力引发银纹→裂纹→扩展→
断裂
▶ 特点：虽符合Paris方程，但只出现一个阶段
(第二阶段)
▶ 断口
疲劳辉纹：每周期变动应力作用时裂纹的扩展 值。

疲劳斑纹：疲劳裂纹不是连续的，而是呈跳跃 式发展。

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复合材料的疲劳破坏机理
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疲劳的概念及现象 工程结构在服役过程中，由于承受变动载荷而 导致裂纹萌生和扩展以至断裂失效的全过程称为 疲劳。 统计分析显示，在机械断裂失效总数中，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。
相比金属材料，复合材料具有良好的疲劳性能。 疲劳破坏具有下述特点：
▶ 有多种疲劳损伤形式 ▶ 不会发生瞬时的疲劳破坏 ▶ 疲劳性能对加载频率较敏感 ▶ 疲劳性能对应变尤其压缩应变很敏感 ▶ 疲劳性能与纤维取向有关
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5.4 疲劳抗力指标
机械设计中：
疲劳应力判据和断裂疲劳判据是疲劳设计的 基本依据。

第II阶段，由于晶界的阻碍作用，裂纹扩展方向逐渐转 向与拉应力方向垂直。 在电子显微镜下可显示出疲劳条带。疲劳带是每次循环 加载时形成的。

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图5-7 疲劳条带 (a)韧性条带×1000 (b)脆性条带×600
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► 裂纹扩展的塑性钝化模型(L-S模型)
a—交变应力为零，循环开始时， 裂纹处于闭合状态。 b—拉应力增加，裂纹张开，且 顶端沿最大切应力方向产生滑移。 c—拉应力达到最大时，滑移区 扩大，裂纹顶端变为半圆形，并 停止扩展。裂纹顶端由于塑性变 形产生塑性钝化，应力集中减少。 d—应力反向，滑移方向改变， 裂纹表面被压拢，裂纹顶端弯折 成一对耳状切口。 e—压应力最大值时，裂纹完全 图5-8 韧性疲劳条带形成过程示意图 闭合，并恢复到开始状态。
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5.3.2 非金属材料疲劳破坏机理
陶瓷材料的疲劳破坏机理 与金属材料疲劳(在长期交变应力下，耐用应力 下降及破坏行为）相比，陶瓷疲劳含义更广:
▶ 静态疲劳：相当于金属的延迟断裂，即在一定
载荷作用下，耐用应力随时间下降。
▶ 循环疲劳：同金属疲劳。 ▶ 动态疲劳：恒定载荷速率下加载，研究材料失
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5.2.3 疲劳断口的宏观特征
疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，是研究 疲劳过程和失效原因的重要方法。 典型疲劳断口具有疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬断 区等三个特征区。 疲劳源：疲劳裂纹萌生的地方。 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：光亮度大，扩展速小，断面不断摩擦挤 压，且有加工硬化发生。
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图5-2 应力集中和名义应力的大小 对旋转弯曲疲劳断口的影响
图5-3 高周疲劳断口宏观形貌
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5.3 疲劳破坏的机理
5.3.1 金属材料疲劳破坏机理
疲劳裂纹的发展=裂纹的形核/萌生+微(短)裂纹 的扩展+长裂纹的扩展。 长裂纹的扩展，可用Paris公式进行计算，寿命相 对较短。 裂纹的萌生+微(短)裂纹的扩展，占疲劳寿命的很 大份额。 疲劳裂纹的萌生 宏观疲劳裂纹是由微观裂纹的形成、长大及连接而 形成的。 常将0.05~0.10mm的裂纹定义为疲劳裂纹核， 由此来确定疲劳裂纹的萌生期。
金属在循环应力σ(σ>σ–1)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，因循环过程中材料屈服 强度的下降(包申格效应)或在局部薄弱区域形成 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)。 滑移带在表面加宽的过程中，还会出现“挤出 带”和“侵入沟”，在此处产生应力集中，诱发微 裂纹。

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▶ 相界面开裂产生裂纹
第二相、夹杂物与基体界面的开裂、或第二相、 夹杂物本身的开裂，常会形成疲劳源。 措施：第二相、夹杂物应“少、圆、小、匀”， 以提高疲劳抗力。
▶ 晶界开裂产生裂纹
晶界弱化、粗化等也会使晶界开裂。强化、净化、 细化晶界，可提高材料的疲劳抗力。
▶ 材料内部的缺陷(如气孔、夹杂、分层、各向异
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疲劳的分类
▶ 按应力状态分类
弯曲、扭转、拉压、复合疲劳等。
▶ 按环境和接触情况分类
大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触 疲劳、冲击疲劳等。
▶ 按应力大小和寿命分类
高周疲劳：断裂寿命长(N>105次)，断裂应力水 平较低(σ<σs)，也称低应力疲劳或应力疲劳。
低周疲劳：断裂寿命短(N<102~105次)，断裂 应力水平较高(σ>σs) ，有塑性变形，也称高应力 疲劳或应变疲劳。
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疲劳裂纹一般都萌生于零件的表面，可能有三 个位置：
对纯金属或单相合金，尤其是单晶体，裂纹多 萌生在表面滑移带处，即所谓驻留滑移带的地方。

当经受较高的应力/应变幅时，裂纹萌生在晶 界处，特别是在高温下更为常见。

对一般的工业合金，裂纹多萌生在夹杂物或第 二相与基体的界面上。

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▶ 滑移带开裂产生裂纹
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图5-1 循环应力的特征 (a)r=−1 (b)r=0 (c)r=∞ (d)0<r<1 (e)r<0
循环应力分类： ► 对称循环:σm=0，r=−1， 如图5-1(a)。 ► 不对称循环:σm≠0 r≠−1，如图51(b,c,d,e)。有时还把循环 中既出现正(拉)又出现负 (压)应力的循环谓之交变应 力循环(图5-1(a) (e))。 ► 脉动循环:σm =σa，r＝ 0，如图5-1(b)。 ► 波动循环:σm>σa， 0<r<1，如图5-1(d)。 ► 脉动压缩循环(r＝∝)、 大压小拉循环(r<0)等，如 图5-1c，5e。
当然，实际机器部件承受的载荷一般多属后者， 但就工程材料的疲劳特性分析和评定而言，为简化 讨论，主要还是针对循环载荷(应力)而言的。
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循环应力的特征参数： (1)最大循环应力σmax和最小循环应力σmin
(2)应力幅σa或应力范围Δσ
σa=(σmax–σmin)/2， Δσ=σmax–σmin (3)平均应力σm或应力比r σm＝(σmax+σmin )/2，r=σmin/σmax (4)加载频率f，单位为Hz。 (5)还有加载波形，如正弦波，三角波以及其它 波形等。
材料性能学
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第五章 材料的疲劳性能
5.1 前言 5.2 疲劳破坏的一般规律 5.3 疲劳破坏的机理 5.4 疲劳抗力指标 5.5 影响材料及机件疲劳强度的因素 5.6 热疲劳
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5.1 前言
材料的设计
σs σ 材料力学： n
断裂力学： σ K ΙC πa 一次加载的安全性。
多次或长期加载的安全性如何? 如铁丝的多次 弯曲。 上章是关于裂纹试件的静力学问题，本章是裂 纹扩展的动力学问题。
图5-9 F-R再生核模型
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a—交变应力为零，循环开 始时，裂纹处于闭合状态。 b—随拉应力增加，裂纹前 端因解理断裂向前扩展。 c—在切应力作用下，沿 45°方向在很窄范围内产生 局部塑性变形。 d—发生塑性钝化，裂纹停 止扩展。 e—应力为零或进入压应力 周期，裂纹闭合，其尖端重 新变得尖锐，但裂纹已经向 图5-10 脆性疲劳条带形成过程示意图 前扩展了一个条带的距离。
当两个滑移系交替动作时，在一个循环周次之后， 便可分别形成一个挤出带和一个侵入沟。随着循环周 次增加，挤出带更凸起，侵入沟更凹进。通常认为其 中的侵入沟将发展成为疲劳裂纹的核心。