疲劳强度考试整理

1.疲劳的定义：材料在循环应力或循环应变作用下，由于某点或某些点产生了局部的永久

结构变化，从而在一定的循环次数以后形成裂纹或发生断裂的过程称为疲劳。

2.疲劳的分类：

(1)按研究对象可以分为材料疲劳和结构疲劳

材料疲劳——研究材料的失效机理，化学成分和微观组织对疲劳强度的影响，使用标准试件。结构疲劳——则以零部件、接头以至整机为研究对象，研究它们的疲劳性能、抗疲劳设计方法、寿命估算方法和疲劳试验方法。

(2)按失效周次可以分为高周疲劳和低周疲劳

高周疲劳——材料在低于其屈服强度的循环应力作用下，经104-105以上循环产生的失效。低周疲劳——材料在接近或超过其屈服强度的应力作用下，低于104-105次塑性应变循环产生的失效。

(3)按应力状态可以分为单轴疲劳和多轴疲劳

单轴疲劳——单向循环应力作用下的疲劳，零件只承受单向正应力或单向切应力。

多轴疲劳——多向应力作用下的疲劳，也称复合疲劳。

(4)按载荷变化情况分为恒幅疲劳、变幅疲劳、随机疲劳

恒幅疲劳——所有峰值载荷均相等和所有谷值载荷均相等。

变幅载荷——所有峰值载荷不等，或所有谷值载荷不等，或两者均不等。

随机疲劳——幅值和频率都是随机变化的，而且是不确定的。

(5)按载荷工况和工作环境可以分为常规疲劳、高低温疲劳、热疲劳、热—机械疲劳、腐

蚀疲劳、接触疲劳、微动磨损疲劳和冲击疲劳

常规疲劳——在室温和空气介质中的疲劳。

高低温疲劳——低于室温的疲劳和高于室温的疲劳。

热疲劳——温度循环变化产生的热应力所导致的疲劳。

热-机械疲劳——温度循环与应变循环叠加。

腐蚀疲劳——腐蚀环境与循环应力的复合作用。

接触疲劳——滚动接触零件在循环应力作用下产生损伤。

微动磨损疲劳——接触面的微幅相对振动造成磨损疲劳。

冲击疲劳——重复冲击载荷所导致的疲劳。

3.金属疲劳破坏机理

疲劳破坏总是由应力应变最高和位向最不利的薄弱晶粒或夹杂等缺陷处起始，并沿着一定的结晶面扩展。所以金属的疲劳破坏与多晶体的非均质性和各向异性密切相关。一般说来，金属的疲劳破坏可以分为三个阶段：疲劳裂纹萌生疲劳裂纹扩展失稳断裂

（1）疲劳裂纹萌生

①裂纹萌生的机理

疲劳裂纹总是首先在应力最高，强度最弱的基体上形成：机械加工的切削纹表面擦伤结构上的内圆角亚表面的夹杂物等应力集中处

裂纹萌生主要有以下三种形式：夹杂物和基体界面开裂（普通金属材料）、滑移带开裂（纯金属、单相合金）、晶界开裂（高温下的材料）

4.疲劳断口的形貌特征

疲劳破坏的特征和静力破坏有着本质的不同，主要有五大特征：

的情况下，破坏就可1）在交变载荷作用下，构件中的交变应力在远小于材料的强度极限b

能发生。

2）不管是脆性材料或塑性材料，疲劳断裂在宏观上均表现为无明显塑性变形的突然断裂，故疲劳断裂常表现为低应力类脆性断裂。

3）疲劳破坏常具有局部性质，而并不牵涉到整个结构的所有材料，局部改变细节设计或工艺措施，即可较明显地增加疲劳寿命。

4）疲劳破坏是一个累积损伤的过程，需经历一定的时间历程，甚至是很长的时间历程。实践已经证明，疲劳断裂由三个过程组成，即

(I)裂纹(成核)形成， (Ⅱ)裂纹扩展，(Ⅲ)裂纹扩展到临界尺寸时的快速(不稳定)断裂5）疲劳破坏断口在宏观和微观上均有其特征，特别是其宏观特征在外场目视检查即能进行观察，可以帮助我们分析判断是否属于疲劳破坏等。

疲劳破坏与静载破坏之比较

疲劳破坏 S＜Su

破坏是局部损伤累积的结果。断口光滑，有海滩条带或腐蚀痕迹。有裂纹源、裂纹扩展区、瞬断区。无明显塑性变形。应力集中对寿命影响大。

静载破坏 S＞Su

破坏是瞬间发生的。断口粗糙，新鲜，无表面磨蚀及腐蚀痕迹。韧性材料塑性变形明显。

应力集中对极限承载能力影响不大。

由断口可分析裂纹起因、扩展信息、临界裂纹尺寸、破坏载荷等，是失效分析的重要依据。疲劳断口最显著的宏观形貌特征就是无明显的塑性变形和可以划分为两个截然不同的区域：

宏观形貌特征：

1）断口呈现细晶粒，较平滑。受空气氧化或腐蚀，一般颜色较深。该区上常出现如海滩状的花纹，裂纹扩展方向与海滩状花样垂直，指向曲率半径较大的方向；

2）疲劳断口中往往有磨光标记，它是在裂纹的扩展过程中，由于裂纹面的摩擦和挤压造成的；

3）由于空气和其它介质的腐蚀作用，疲劳区多为暗色；

4）在多源疲劳中，由于各裂纹源往往不在同一平面上，而是随着裂纹的扩展逐渐合并，因此在联接处形成“台阶”。

瞬断区的宏观形貌特征：粗晶粒

（一）交变单向弯曲

疲劳断口与轴线成90o，裂纹源从交变拉应力最大一边开始。

低周疲劳——几个裂纹源，裂纹扩展不深；

高周疲劳——疲劳扩展区大，一个裂纹源，疲劳条纹更为平直。

（二）交变双向弯曲

低周疲劳——一般有两个裂纹源，同时向内扩展；

高周疲劳——第二个裂纹源与第一个裂纹源一般不会同时形成，所以两裂纹深度相差很大。

（三）旋转弯曲

低应力水平：裂纹源一般从一点开始。顺旋转方向扩展慢，逆旋转方向扩展快，最后形成瞬断区偏斜的断口。

高应力水平：圆周上产生多出裂纹源，同时向内扩展，最后形成圆的疲劳条纹和疲劳区。

（四）轴向拉压

内部缺陷：当应力分布均匀，无应力集中因素，裂纹源产生于内部，疲劳裂纹呈圆形分布。表面缺陷:表面不同位置形成裂纹源，疲劳扩展区直接相连，最后形成拉压疲劳断口的特有形态。

不同载荷情况疲劳断口的形貌

疲劳断口的微观形貌特征:

1）每个断口由若干个凹凸不平的小断片组成，断片结合处形成台阶；2）断口上有很多细小的条纹，这些条纹略带弧形，在同一个断片上连续平行，具有规则的间距，与裂纹扩展方向垂直； 3）轮胎压痕是疲劳断口的另一个主要微观形貌特征，它是由于与其相匹配的断面上的凸起或刃边对它的反复挤压或刻入造成的；4）在疲劳裂纹扩展时，还可能产生二次裂纹，二次裂纹往往呈扫帚状。

5.疲劳应力与持久极限

载荷和应力随时间变化的历程分别称为载荷谱和应力谱

应力循环：在一个周期中，应力的变化过程称为一个应力循环，应力循环一般可用循环中的最大应力，最小应力和周期 (或它的例数即频率 )来描述。