不同温度下材料的疲劳强度
第五章__材料的疲劳性能(1)分析
疲劳微裂纹形成的三种形式
表面滑移带开裂解释 1）在循环载荷作用下，即使循环应力未超过材料屈服强 度，也会在试样表面形成循环滑移带 2）循环滑移带集中于某些局部区域（高应力或簿弱区） 3）循环滑移带很难去除，即使去除，再次循环加载时， 还会在原处再现 （驻留滑移带）
特征： 1）驻留滑移带一般只在表面形成，深度较浅，随循环次数 的增加，会不断地加宽 2）驻留滑移带在表面加宽过程中，会出现挤出脊和侵入 沟，在这些地方引起应力集中，引发微裂纹
四：疲劳裂纹扩展速率
试验表明：测量疲劳裂纹长度和循环周数的关系如图
疲劳裂纹扩展曲线
Δσ2﹥Δσ1
从图可知： 1）曲线的斜率da/dN（疲劳裂纹扩展速率）在整个过程中 是不断增长的 2）当da/dN无限增大，裂纹将失稳扩展，试样断裂 3）应力增加，裂纹扩展加快，a-N曲线向左上方移动，ac相 应减小 结论：裂纹扩展速率da/dN 和应力水平及裂纹长度有关 根据断裂力学： 可定义应力强度因子幅为
特征 1）疲劳源区比较光滑（受反复挤压，摩擦次数多） 2）表面硬度因加工硬化有所提高 3）可以是一个，也可能有多个疲劳源（和应力状态及 过载程度有关）
疲劳裂纹扩展区
是疲劳裂纹亚临界扩展的区域
特征 1）断口较光滑，分布有贝纹线（或海滩花样），有时还有 裂纹扩展台阶 2）贝纹线是疲劳区的最典型特征，贝纹线是以疲劳源为圆 心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向 3）近疲劳源区贝纹线较密，远离疲劳源区贝纹线较疏
5.2 疲劳破坏机理
一：金属材料疲劳破坏机理
疲劳裂纹的萌生
1）在材料簿弱区或高应力区，通过不均匀滑移， 微裂纹形成及长大而完成 2）定义裂纹长度为0.05—0.10mm时为裂纹疲劳 核，对应的循环周期为裂纹萌生期
常用的金属材料疲劳极限试验方法
常用的金属材料疲劳极限试验方法疲劳试验可以预测材料或构件在交变载荷作用下的疲劳强度，一般该类试验周期较长，所需设备比较复杂，但是由于一般的力学试验如静力拉伸、硬度和冲击试验，都不能够提供材料在反复交变载荷作用下的性能，因此对于重要的零构件进行疲劳试验是必须的。
MTS 810金属材料疲劳试验的一些常用试验方法通常包括单点疲劳试验法、升降法、高频振动试验法、超声疲劳试验法、红外热像技术疲劳试验方法等。
单点疲劳试验法适用于金属材料构件在室温、高温或腐蚀空气中旋转弯曲载荷条件下服役的情况。
该种方法在试样数量受限制的情况下，可近似测定疲劳曲线并粗略估计疲劳极限。
试验所需的疲劳试验机一般为弯曲疲劳试验机和拉压试验机。
升降法疲劳试验升降法疲劳试验是获得金属材料或结构疲劳极限的一种比较常用而又精确的方法，在常规疲劳试验方法测定疲劳强度的基础上或在指定寿命的材料或结构的疲劳强度无法通过试验直接测定的情况下，一般采用升降法疲劳试验间接测定疲劳强度。
主要用于测定中、长寿命区材料或结构疲劳强度的随机特性。
所需试验机一般为拉压疲劳试验机。
高频振动疲劳试验法常规疲劳试验中交变载荷的频率一般低于200Hz，无法精确测得一些零件在高频环境状态下的疲劳损伤。
高频振动试验利用试验器材产生含有循环载荷频率为1000Hz左右特性的交变惯性力作用于疲劳试样上，可以满足在高频、低幅、高循环环境条件下服役金属材料的疲劳性能研究。
高频振动试验主要用于军民机械工程的需要。
试验装置通常包括：控制仪、电荷适配器、功率放大器、加速度计、振动台等。
超声法疲劳试验超声法疲劳试验是一种加速共振式的疲劳试验方法，其测试频率（20kHz）远远超过常规疲劳测试频率（小于200Hz）。
超声疲劳试验可以在不同载荷特征、不同环境和温度等条件下进行，为疲劳研究提供了一个很好的手段。
嘉峪检测网提醒超声疲劳试验一般用于超高周疲劳试验，主要针对10^9以上周次疲劳试验。
高周疲劳时，材料宏观上主要表现为弹性的，所以在损伤本构关系中采用应力、应变等参量的弹性关系处理，而不涉及微塑性。
solidworks材料在不同温度下的强度
Solidworks材料在不同温度下的强度随着科技的不断进步，工程材料的应用范围越来越广泛。
Solidworks作为一种常用的工程设计软件，对于材料的强度和性能要求也越发严格。
本文将重点讨论Solidworks材料在不同温度下的强度问题，以期增进对材料性能的理解和应用。
1. 材料强度的定义在Solidworks中，材料的强度是一个非常重要的参数。
材料的强度通常包括抗拉强度、屈服强度、硬度等指标。
这些指标直接影响着材料在不同工作条件下的使用性能。
2. 材料强度与温度的关系在不同温度下，材料的强度表现会有所不同。
一般来说，随着温度的升高，材料的强度会下降。
这是因为高温会导致材料内部晶格的变化，从而影响了材料的力学性能。
3. 温度对金属材料强度的影响金属材料在不同温度下的强度表现是一个复杂的问题。
一般来说，金属在低温下会变得更加脆性，而在高温下则容易发生变形和破坏。
对于金属材料在Solidworks设计中的应用，需要充分考虑其在不同温度下的强度表现。
4. 温度对塑料材料强度的影响与金属材料不同，塑料材料在不同温度下的强度表现也有其特殊性。
一般来说，塑料在低温下会变得更加脆硬，而在高温下则容易软化和变形。
在Solidworks设计中选择塑料材料时，需要综合考虑其在不同温度下的强度特点。
5. Solidworks中的材料数据库在Solidworks软件中，有着丰富的材料数据库可供选择。
这些材料包括金属材料、塑料材料等，用户可以根据具体的设计需求来选择合适的材料。
在材料数据库中，一般也会包含材料在不同温度下的强度数据，用户可以据此进行材料的合理选择和应用。
6. 温度因素在Solidworks设计中的应用在进行Solidworks设计时，温度因素是非常重要的。
对于在高温环境下工作的零部件，需要选择具有良好高温强度的材料；对于在低温环境下工作的零部件，需要选择具有良好低温韧性的材料。
采用合适的材料能够保证产品在不同工作温度下的稳定性和可靠性。
讲解—材料的疲劳性能
讲解—材料的疲劳性能材料的疲劳性能⼀.本章的教学⽬的与要求本章主要介绍材料的疲劳性能，要求学⽣掌握疲劳破坏的定义和特点，疲劳断⼝的宏观特征，⾦属以及⾮⾦属材料疲劳破坏的机理，各种疲劳抗⼒指标，例如疲劳强度，过载持久值，疲劳缺⼝敏感度，疲劳裂纹扩展速率以及裂纹扩展门槛值，影响材料疲劳强度的因素和热疲劳损伤的特征及其影响因素，⽬的是为疲劳强度设计和选⽤材料建⽴基本思路。
⼆．教学重点与难点1. 疲劳破坏的⼀般规律（重点）2．⾦属材料疲劳破坏机理（难点）3. 疲劳抗⼒指标（重点）4.影响材料及机件疲劳强度的因素（重点）5热疲劳（难点）三．主要外语词汇疲劳强度：fatigue strength 断⼝：fracture 过载持久值：overload of lasting value疲劳缺⼝敏感度：fatigue notch sensitivity 疲劳裂纹扩展速率：fatigue crack growth rate 裂纹扩展门槛值：threshold of crack propagation 热疲劳：thermal fatigue四. 参考⽂献1.张帆，周伟敏.材料性能学.上海：上海交通⼤学出版社，20092.束德林.⾦属⼒学性能.北京：机械⼯业出版社，19953.⽯德珂，⾦志浩等.材料⼒学性能.西安：西安交通⼤学出版社，19964.郑修麟.材料的⼒学性能.西安：西北⼯业⼤学出版社，19945.姜伟之，赵时熙等.⼯程材料⼒学性能.北京：北京航空航天⼤学出版社，19916.朱有利等.某型车辆扭⼒轴疲劳断裂失效分析[J]. 装甲兵⼯程学院学报，2010,24（5）：78-81五．授课内容第五章材料的疲劳性能第⼀节疲劳破坏的⼀般规律1、疲劳的定义材料在变动载荷和应变的长期作⽤下，因累积损伤⽽引起的断裂现象，称为疲劳。
2、变动载荷指⼤⼩或⽅向随着时间变化的载荷。
变动应⼒：变动载荷在单位⾯积上的平均值分为：规则周期变动应⼒和⽆规则随机变动应⼒3、循环载荷（应⼒）的表征①最⼤循环应⼒：σmax②最⼩循环应⼒：σmin③平均应⼒：σm=（σmax+σmin）/2④应⼒幅σa或应⼒范围Δσ：Δσ=σmax-σminσa=Δσ/2=（σmax-σmin）/2 ⑤应⼒⽐（或称循环应⼒特征系数）：r=σmin/σmax5、循环应⼒分类按平均应⼒、应⼒幅、应⼒⽐的不同，循环应⼒分为①对称循环σm=（σmax+ σmin）/2=0 r=-1属于此类的有：⼤多数旋转轴类零件。
影响钢材疲劳强度的因素
影响钢材疲劳强度的因素来源：互联网 | 作者： | 2007-10-29| 编辑： admin一、工作条件1．载荷频率：在一定范围内可以提高疲劳强度；2．次载锻炼：低于疲劳极限的应力称为次载。
金属在低于疲劳极限的应力下先运转一定次数之后，则可以提高疲劳极限，这种次载荷强化作用称为次载锻炼。
这种现象可能是由于应力应变循环产生的硬化及局部应力集中松弛的结果。
3．温度：温度降低，疲劳强度升高，温度升高，疲劳强度降低。
4．腐蚀介质：具有腐蚀性的环境介质因使金属表面产生蚀坑缺陷，将会降低材料疲劳强度而产生腐蚀疲劳。
腐蚀疲劳曲线无水平线段．即不存在无限寿命的疲劳极限，只有条件疲劳极限。
二．表面状态及尺寸因素的影响1.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原因。
一般用Kt表示应力集中程度，用Kf和qf说明应力集中对疲劳强度的影响程度。
2.表面状态（1）表面粗糙度:愈低，材料的疲劳极限愈高；愈高，疲劳极限愈低。
材料强度愈高，表面粗糙度对疲劳极限的影响愈显著。
表面加工方法不同，所得到的粗糙度不同。
（2）抗拉强度:愈高的材料，加工方法对其疲劳极限的影响愈大。
因此，用高强度材料制造受循环载荷作用的机件时，其表面必须经过更加仔细的加工，不允许有刀痕、擦伤或者大的缺陷，否则会使疲劳极限显著降低。
3．尺寸因素：机件尺寸对按劳强度也有较大的影响，在弯曲、扭转载荷作用下其影响更大。
一般来说，随着机件尺寸的增大，其疲劳强度下降，这种现象称为疲劳强度尺寸效应。
其大小可用尺寸效应系数表示。
三．表面强化及残余应力的影响表面强化处理具有双重作用：提高表层强度；提供表层残余压应力，抵消一部分表层拉应力。
焊接工艺技术 2009年8月29日关键字：摘要: 为了提高焊接结构疲劳性能，通过试验比较了经超声冲击的X65管线钢对接接头试样和未经此处理的原始焊态对接接头试样疲劳强度及在同样应力范围下的疲劳寿命。
试验的统计结果表明，经过超声冲击处理的试样，其疲劳强度相对未冲击试样提高37。
金属材料的疲劳极限标准
金属材料的疲劳极限标准1. 引言1.1 疲劳极限的定义疲劳极限是指金属材料在受到交变应力作用下所能承受的疲劳载荷的极限值。
疲劳极限与金属材料的抗疲劳性能密切相关，是评价金属材料抗疲劳性能的重要指标之一。
疲劳极限通常用应力水平表示，即在特定的应力幅值下，金属材料经过一定次数的循环载荷后出现裂纹和破坏的应力值。
疲劳极限是金属材料在实际工程中使用时需要考虑的重要参数，对于确保金属部件在长期使用过程中不会因为疲劳破坏而影响工作安全具有重要意义。
疲劳极限的测定需要进行大量的实验研究和数据分析，以确保结果的准确性和可靠性。
金属材料的疲劳极限还受到多种因素的影响，如材料的化学成分、热处理工艺、表面处理等，需要综合考虑这些因素才能准确评估金属材料的疲劳性能。
1.2 金属材料的疲劳极限金属材料的疲劳极限是指在连续循环加载下，金属材料所能承受的最大变形次数或载荷幅度。
对于金属材料来说，疲劳极限是一项至关重要的性能指标，它直接影响着材料在实际工程中的可靠性和安全性。
金属材料的疲劳极限可以通过实验测试来确定，通常采用旋转弯曲、拉伸、扭转等不同加载方式进行试验。
通过对金属材料进行疲劳测试，可以得到不同载荷条件下的疲劳曲线，从而确定材料的疲劳性能和疲劳寿命。
金属材料的疲劳极限受多种因素影响，包括材料的化学成分、晶粒结构、微观缺陷等。
对于不同类型的金属材料，其疲劳极限标准也有所不同，因此在工程设计和材料选择过程中，需要根据具体的应用要求来确定合适的金属材料及其疲劳极限要求。
疲劳极限的重要性在于可以帮助工程师评估材料的使用寿命和安全性，从而设计出更加可靠和耐久的工程结构。
研究金属材料的疲劳极限标准对于提高材料的抗疲劳性能和延长材料的使用寿命具有重要意义。
2. 正文2.1 金属材料的疲劳损伤金属材料在受到循环载荷作用时，会产生疲劳损伤。
这种损伤是由于金属内部的微观缺陷在受力的作用下逐渐扩展，最终导致材料的破坏。
疲劳损伤的形式主要有裂纹的扩展和表面损伤两种。
8金属材料的硬度、韧性及疲劳强度概述
金属材料的硬度、韧性及疲劳强度
☺布氏硬度试验时，当用淬火钢球作为
压头时，用HBS表示，适用于布氏硬 度低于450的材料；当用硬质合金球作 为压头时，用HBW表示，适用于硬度 值在450~650的材料。
金属材料的硬度、韧性及疲劳强度
☺ 布氏硬度的优点：
压痕面积较大，能较好反映材料的平 均硬度；数据较稳定，重复性好。缺点 是：测试麻烦，压痕较大，不适合测量 成品及薄件材料。目前，布氏硬度主要 用于铸铁、非铁金属（如滑动轴承合金 等）及经过退火、正火和调质处理的钢 材。
金属材料的硬度、韧性及疲劳强度
♥图1-11 疲劳断口示意图
1-疲劳源 2-扩展区 3-瞬时断裂
金属材料的硬度及韧性
♥疲劳强度
疲劳强度是指材料经受无限次循环应 力也不发生断裂的最大应力值，记作σD， 就是疲劳曲线中的平台位置对应的应力。 通常，材料的疲劳强度是在对称弯曲 条件下测定的，对称弯曲疲劳强度记作 σ-1。
金属材料的硬度、韧性及疲劳强度
♥硬度是衡量金属材料软硬的指标，是力学性能中最常用 的性能之一。 ♥硬度的测定方法有一般分为压入法、刻划法、回跳法三 类。压入法包括布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微 硬度等；刻划法包括莫氏硬度等；回跳法包括肖氏硬度 等。
♥生产中常用的是压入法，生产中应用广泛的硬度测试方 法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。
硬度符号。例如，60HRC表示用C标尺 测得的洛氏硬度值为60。
金属材料的硬度、韧性及疲劳强度
♥洛氏硬度的特点及应用
洛氏硬度试验的优点：测量迅速简 便，压痕较小，可用于测量成品零件； 缺点是：压痕较小，测得的硬度值不够 准确，并且各硬度标尺之间没有联系， 不同标尺硬度值之间不能直接比较大小。 洛氏硬度C标尺应用最广泛。
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。
40
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。
材料的高温力学性能
石油化工－－合成氨，炼油，乙烯
2020/5/4
化工设备的一些高温高压管 道，虽然所承受的应力小于 该工作温度下材料的屈服强 度但在长期的使用过程中会 产生缓慢而连续的塑性变形 (蠕变)，使管径逐渐增大， 最后导致管道破裂。
燃气涡轮发动机
涡轮盘及叶片
2020/5/4
高温下钢的抗拉强度随载荷 持续时间的增长而降低。试验表 明，20＃钢450℃时短时抗拉强度 为320MPa，当试样承受225MPa 的应力时，持续300小时断裂；如 将应力降低到115MPa，持续1000 0小时也会断裂。在高温短时载荷 作用下，材料的塑性增加，但在 高温长时载荷作用下，塑性却显 著降低，缺口敏感性增加，呈现 脆性断裂现象。此外，温度和时 间的联合作用还影响材料的断裂 路径。
空洞、微裂纹的形核，长大
δ0
伸长率δ
温度t＝常数 应力σ＝常数
d c
b
Ⅱ aⅠ
O
Ⅲ
时间τ
图7－1 典型的蠕变曲线
2020/5/4
• 蠕变变形是通过位错滑移、位错攀移等方 式实现的。
• 在常温下，若滑移面上位错运动受阻，产 生塞积现象，滑移便不能进行。
• 在高温蠕变条件下，由于热激活，就有可 能使滑移面上塞积的位错进行攀移，形成 小角度亚晶界（此即高温回复阶段的多边 化），从而导致金属材料的软化，使滑移 继续进行。
2020/5/4
• （3） 晶界的滑动蠕变机理：晶界的滑动是由 晶粒的纯弹性畸变和空位的定向扩散引起的， 后者起主要的作用。金属、陶瓷材料。在常温 下晶界的滑动变形是极不明显的，可以忽略不 计。但在高温条件下，由于晶界上的原子容易 扩散，受力后易产生滑动，促进了蠕变的进行。 随温度升高，应力降低，晶粒度减小，晶界滑 动对蠕变的作用越来越大。但总的来说，它在 总蠕变量中所占的比例并不大，约10％。
几种常用变形铝合金在不同锻造温度下的抗拉强度
２ ０ ０ ３
图 ９ 渗层 ２ ． ４～ ３ ． ０ ｍｍ 的 ２ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ０ Ｃ ｒ Ｍｎ Ｔ ｉ 钢以 １ ２ ５ ｋ Ｎ的
疲 劳试 验 断 裂后 断 口 中部 的形 貌
Ｉ － ＇ ｉ ｇ ． ９ ｌ ： ｒ ｄ ＜ ‘ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ ’ Ｐ ｉ ｍａ ｇ ￣ ｔ ｌ ｒ ｍｅ ｄｉ ｕｍ ∽ Ｐ ｉ ｎ ｉａ ｆ ＜ ・ ｔ ｉ ｌ ｌ ’ Ｐ‘ ） ｆ 【 １ ２ ＯＣｔ ‘ Ｍ ｌ 、 ｉ ｓ ｔ １ ｒ ｔ ‘ ｉ ｌ ｌ ｈ ｔ Ｉ Ｉ ’ ｉ ｚ ｔ ｔ Ｉ ｔ ｏ ２． ４ ｌ Ｉ ’３． ０ Ｉ ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ Ｉ ｔ ・ ｐ ｔ ｈ
扩展 Ｉ 及瞬 断 区三部分 ， 裂纹 扩展 区存 在疲 劳辉纹
试验 力大时 ， 断 口还存 在二 次裂纹
（ ３ ） 裂纹 源 的产生 距表 面 ｌ ０ Ｏ～２ ０ ０ ｕ深 度
图 ８ 渗层 １ ． ８～ ２ ． ４ ｍｍ 的 ２ ０ Ｃ ｒ Ｍｎ Ｔ ｉ 钢齿轮以 １ ２ ０ ｋ Ｎ 疲 劳试 验 断 裂 后 裂 纹 源部 位 的 断 口形 貌
一
２ ｆ ｛ 『 ； 培 革， 刈英秋 ， 姚 枚， 等． 疲劳裂纹ｌ ｉ 『 ｉ ， ￡ 的细脱效应ｌ ｌ １ ］ ．材
铜的疲劳强度实验
铜具有良好的耐腐蚀性，广泛应用于化 工、石油、船舶等领域
铜具有良好的导热性，广泛应用于热交 换器、散热器等领域
铜在电子电气领域的应用
铜是电子电气领 域中常用的导电 材料，广泛应用 于电线、电缆、 变压器、电机等 设备中。
铜具有良好的导 电性、导热性和 耐腐蚀性，因此 在电子电气领域 中得到广泛应用。
应变
项标题
疲劳寿命：铜的疲 劳寿命较长，能够 长时间保持稳定的
性能
项标题
疲劳极限：铜的疲 劳极限较高，能够 承受较大的应力和
应变
项标题
疲劳性能：铜的疲 劳性能较好，能够 承受较大的应力和 应变，同时保持稳定Βιβλιοθήκη 性能不同条件下铜的疲劳性能比较
项标题
温度对疲劳性能的 影响：温度越高，
疲劳性能越差
项标题
应力对疲劳性能的 影响：应力越大，
裂
疲劳实验的原理和方法
疲劳实验原理： 通过反复施加 载荷，观察材 料在循环载荷 作用下的疲劳 性能
01
实验方法：采 用循环加载方 式，如正弦波、 三角波等
02
实验设备：疲 劳试验机、电 子万能试验机 等
03
实验步骤：加 载、卸载、记 录疲劳寿命等
04
PART 04
实验步骤
准备实验材料和设备
准备实验设备：包括疲劳试 验机、夹具、测量工具等。
探究影响铜疲劳强度的因素
添加标题
铜的化学成分：如铜的纯度、 杂质含量等
添加标题
铜的加工工艺：如热处理、冷 加工等
添加标题
铜的物理性质：如铜的晶粒大 小、晶界分布等
添加标题
铜的使用环境：如温度、湿度、 腐蚀性等
PART 03
实验原理
常见的金属材料高温疲劳-蠕变寿命估算方法
常见的⾦属材料⾼温疲劳-蠕变寿命估算⽅法在⼯程上，许多结构部件长期运⾏在⾼温条件下，如⽕⼒发电设备中的汽轮机、锅炉和主蒸汽管道，⽯油化⼯系统中的⾼温⾼压反应容器和管道，它们除了受到正常的⼯作应⼒外，还需承受其它的附加应⼒以及循环应⼒和快速较⼤范围内的温度波动等作⽤，因此其寿命往往受到蠕变、疲劳和蠕变-疲劳交互作⽤等多种机制的制约。
疲劳-蠕变交互作⽤是⾼温环境下承受循环载荷的设备失效的主要机理，其寿命预测对⾼温设备的选材、设计和安全评估有⼗分重⼤的意义，⼀直是⼯程界和学术界⽐较关⼼的问题，很多学者提出了相应的寿命预测模型。
本⽂对常见的寿命估算⽅法进⾏简单的介绍。
”寿命-时间分数法对于疲劳-蠕变交互作⽤的寿命估算问题主要采⽤线性累积损伤法，⼜叫寿命-时间分数法。
寿命时间分数法认为材料疲劳蠕变交互作⽤的损伤为疲劳损伤和蠕变损伤的线性累积，如下式所⽰：其中Nf为疲劳寿命，从ni为疲劳循环周次，tr为蠕变破坏时间，t为蠕变保持时间。
该⽅法将分别计算得到的疲劳损伤量和蠕变损伤量进⾏简单的相加，得到总的损伤量，计算⼗分简单，不过需要获得相应温度环境下纯蠕变和纯疲劳的试验数据。
由于该⽅法没有考虑疲劳和蠕变的交互作⽤，其计算结果和精度较差。
为了克服不⾜，提⾼计算精度，研究⼈员提出了多种改进形式。
例如谢锡善的修正式如下：Lagneborg提出的修正式如下：上述式⼦中，n为交互蠕变损伤指数，1/n为交互疲劳损伤指数，A、B为交互作⽤系数。
两个修正表达式均增加了交互项，可以⽤来调整累积损伤法的预测结果和实验结果之间误差，极⼤地提⾼了预测结果的可靠性。
频率修正法(FM法)及频率分离法(FS法)⽬前，⼯程上⼴泛使⽤的疲劳-蠕变寿命估算⽅法⼤多数都是基于应变控制模式的估算⽅法。
频率修正法是Coffin提出来的，认为低周疲劳中主要损伤是由塑性应变所引起的，Eckel在此基础上提出以下公式：式中：tf为破坏时间，K为依赖温度的材料常数，ϑ为频率，Δεp为塑性应变范围。
45号钢热处理温度对应硬度级别及抗疲劳级别
45号钢,是GB中的叫法,JIS中称为:S45C,ASTM中称为1045,080M46,DIN称为:C45 。
它的化学成分中含碳量是0.42~0.50%，Si含量为0.17~0.37%Mn含量0.50~0.80%Cr含量<=0.25%。
推荐热处理温度：正火850，淬火840，回火600.45号钢为优质碳素结构用钢 ,硬度不高易切削加工,模具中常用来做模板,梢子,导柱等,但须热处理。
1. 45号钢淬火后没有回火之前，硬度大于HRC55（最高可达HRC62）为合格。
实际应用的最高硬度为HRC55（高频淬火HRC58）。
2. 45号钢不要采用渗碳淬火的热处理工艺。
调质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。
但表面硬度较低，不耐磨。
可用调质＋表面淬火提高零件表面硬度。
渗碳处理一般用于表面耐磨、芯部耐冲击的重载零件，其耐磨性比调质＋表面淬火高。
其表面含碳量0.8－－1.2％，芯部一般在0.1－－0.25％（特殊情况下采用0.35％）。
经热处理后，表面可以获得很高的硬度（HRC58－－62），芯部硬度低，耐冲击。
如果用45号钢渗碳，淬火后芯部会出现硬脆的马氏体，失去渗碳处理的优点。
现在采用渗碳工艺的材料，含碳量都不高，到0.30％芯部强度已经可以达到很高，应用上不多见。
0.35％从来没见过实例，只在教科书里有介绍。
可以采用调质＋高频表面淬火的工艺，耐磨性较渗碳略差。
GB/T699-1999标准规定的45钢推荐热处理制度为850℃正火、840℃淬火、600℃回火，达到的性能为屈服强度≥355MPaGB/T699-1999标准规定45钢抗拉强度为600MPa，屈服强度为355MPa，伸长率为16％，断面收缩率为40％，冲击功为39J一、轴类零件的功用、结构特点及技术要求轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。
它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。
热处理对Q235钢微结构演变及疲劳性能的影响
热处理对Q235钢微结构演变及疲劳性能的影响魏亮鱼;李磊;李建杨【摘要】通过在不同温度下对Q235钢进行退火处理,研究其微结构的变化及对疲劳性能的影响,分析不同退火温度下材料损伤变量与塑性应变之间的关系.研究结果表明:不同退火温度对疲劳后材料的力学性能有不同的影响:退火温度较低试样和未退火试样力学性能相差不大;当退火温度升高以后,抗拉强度降低,延性升高,韧性升高;屈服强度下降,疲劳寿命也随之降低,当达到材料的临界温度(300℃)疲劳寿命又随之升高.引入损伤形状因子,研究了不同退火温度下材料的微结构演变.100℃退火试样和初始试样的损伤形状因子变化趋势相似,初始损伤阶段增长较300℃退火试样增长明显,超过损伤临界点后增长较为迅速.而退火温度较高时,材料初始损伤阶段增长较为平缓,超过损伤临界点后损伤因子迅速增大.【期刊名称】《内蒙古工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(037)002【总页数】12页(P90-101)【关键词】Q235钢;退火温度;疲劳性能;微结构演变;损伤形状因子【作者】魏亮鱼;李磊;李建杨【作者单位】内蒙古工业大学理学院,呼和浩特 010051;内蒙古工业大学理学院,呼和浩特 010051;内蒙古工业大学理学院,呼和浩特 010051【正文语种】中文【中图分类】O346.5在高温下服役的零件,其寿命往往受多种自身性能的制约,如疲劳、蠕变、腐蚀等[1],很多工程结构中都可以见到,如钢厂、火电厂、高温高压炉以至于航天器返回舱等都要考虑材料在高温疲劳状态下的寿命问题,这在安全、经济上均有非常重要的意义.寿命预测的方法有很多种,Manson-Coffin公式、纯属累积损伤法则、J积分[2]等方法,这些方法对材料高温疲劳状态下寿命的预测各有优点,但适用性都不广泛.而损伤力学作为一种新兴的研究方法,运用连续介质力学的原理,与微观分析相结合,能很好地将理论和实验结合起来,更好地处理材料疲劳的相关问题[3-9].Q235钢是工程中十分常见的钢材,近年来对其的研究也较多.赵金城等人较早地对Q235钢升温过程中的力学特征作了研究,其偏重Q235钢在高温下的力学性能变化及钢结构在高温下的失效分析[10,11].Q235钢对应变速率的敏感性也较受关注[12-14],研究者较多通过金相分析,从应变诱导相变角度分析Q235钢力学性能的变化.还有部分学者分析了不同的热处理工艺对Q235钢力学性能的提高,有球化退火、ECAP形变+400℃退火、形变强化相变化分析及选取最佳退火温度等[15-18].对Q235钢的高低周疲劳性能研究,多数是通过微观分析研究金属的失效及裂纹扩展机理[19-27],也有通过有限元模拟的方法预测Q235钢构件的疲劳寿命[28-30],运用损伤分析方法来探讨Q235钢疲劳性能的研究不多见,因此本文针对Q235钢在不同退火温度下的损伤演变,以晶粒为体胞单元,对选取照片内的晶粒作统计,测定平均损伤变量,损伤变量以晶粒周长为变化量,通过损伤变量的变化判断材料损伤程度,可以较准确地判断材料的失效临界点,提高材料的利用率.1 形状因子的定义为了定量描述金属中细观结构的变形和金属结构中晶界的演变,用相对形状因子作特征参数来描述金属微观组织的变化.形状因子的定义如下:(1)其中LC表示任意变形状态的平面截面上的晶界总长度(包括裂纹和空隙长度),L0表示没有变形的平面截面上的晶界总长度.为了减小由于试样本身的不均匀性及人为主观因素所产生的误差,在进行数字图像分析时,需要选取足够的视场进行分析以期结果具有代表性.因此在每个金相试样对应实际最大变形位置(即颈缩最小截面)的中心区域,随机选取10个视场进行相应晶界长度的测量,然后进行统计平均,得到不同变形状态下材料内界面总长度L0的数据.形状因子φ随着材料细观结构的变化而变化,随着材料变形的增加而增加,同时损伤程度也在增加.因此,形状因子ψ可以在某些损伤状态下用,来描述材料的损坏度.(2)φ和φf分别对应于εp和εf.εp是在外部负载下某一时刻的有效塑性应变,εf是材料断裂时的有效塑性应变.为了从细观角度定义损伤,并且准确地表征材料的塑性损伤程度,归一化形状因子公式建立如下:(3)在塑性变形开始及强化、颈缩、弱化和断裂过程中,损伤变量D(φ)可以反映材料的破坏程度.当D(φ)=0时,材料处于未受损状态;当0<D(φ)>1时,材料处于损伤状态;当D(φ)=1时,材料断裂.2 实验材料和方法本文研究的实验材料为Q235钢,表1为Q235钢的化学成分,试样规格尺寸如图1(单位:mm).表1 Q235钢的化学成分(质量分数,%)Tab.1 Composition analysis of Q235 steels (mass fraction,%)CSiMnPSCrNiCu0.20.351.40.0450.0450.30.30.3图1 拉伸试样尺寸(mm)Fig.1 Dimensions and shape of the tensile specimen used in this study2.1 疲劳实验在MTS疲劳实验机(MTS-LANDMARK)进行应力比R=0.789的小振幅疲劳实验.由资料分析可知Q235钢的疲劳极限为5X106次[31].小振幅对材料疲劳寿命影响较小,本实验选取Q235钢进行疲劳实验,疲劳次数分别为10万次、20万次、30万次和50万次,同时将疲劳试样和初始试样在同样的条件下做单轴拉伸实验,对比其屈服强度、延伸率及断面收缩率的变化.拉伸采用静态加载方式,加载速率为2mm/min.进一步对初始试样和经过100℃、300℃、500℃退火处理的试样做应力比R为0.111的大振幅实验,研究其疲劳寿命的变化规律.2.2 拉伸实验采用线切割的方法将Q235钢切割成拉伸试样,随后对试样进行打磨.对Q235钢分别加热到100℃、300℃和500℃,然后保温3小时,炉冷至室温,并采用机械抛光磨成金相表面.为了获取不同应变阶段的显微图像,试样在各个应变节点独立加载并卸载,这样获取的图像可以大致描述试样从屈服点到断裂的过程.卸载的试样通过线切割机(0.2mm 钼丝)沿纵向面进行切割,并将纵向表面作为金相表面.金相观察分析采用莱卡光学显微镜(DM LM/11888605).先将试样在砂纸上打磨然后在抛光机抛光,再用4%的硝酸酒精溶液对抛光后的试样进行腐蚀,之后拍摄获取清晰图片.对金相图像进行消除噪声、几何校正等预处理,结合图像分析软件(SISC IAS V8.0)和图像处理软件(image pro plus 6.0)分析显微组织,准确有效地进行晶界特征的提取,用来研究不同退火温度下材料的损伤演变.3 实验结果3.1 力学性能分析R为0.789的小振幅疲劳状态下,疲劳10万次、20万次、30万次和50万次后试样无明显变形,疲劳后的试样经过单轴拉伸得到材料的屈服强度、抗拉强度及延伸率如图2所示.由图可知,在小振幅疲劳状态下,疲劳极限内的疲劳次数对材料的拉伸强度、延伸率有一定的影响(疲劳试样无屈服强度),但是影响较小,同时在疲劳极限内,不同的疲劳次数对材料疲劳寿命的影响可以忽略不计.应力比R为0.111的大振幅疲劳状态下,不同退火温度的试件均在20万次内发生了断裂,其平均疲劳寿命(三次实验取平均值)如图3所示.由图3可知,退火温度在100℃-300℃之间时,材料的疲劳寿命随退火温度的升高而降低,300℃时达到最低,300℃-500℃之间,材料的疲劳寿命反而随退火温度的升高而升高.图2 疲劳次数对延伸率和极限强度的影响(R=0.789)Fig.2 Effect of fatigue number on ultimate strength and elongation(R=0.789)图3 不同退火温度对材料疲劳寿命的影响(R=0.111)Fig.3 Effect of different annealing temperature on fatigue life of Q235 steel(R=0.111)进一步分析退火温度对材料疲劳寿命的影响,对初始试件进行单轴拉伸,测得其不同退火温度下的应力应变曲线及其抗拉强度、屈服强度和延伸率分别如图4、图5所示.由图可知,热处理对材料的力学性能产生了显著影响.经过100℃退火处理的试样和初始试样力学性能相差不大,温度升高到300℃以后抗拉强度降低,韧性升高,屈服强度随温度升高一直在下降,疲劳寿命也随之降低,在300℃退火时材料的疲劳寿命达到最低.退火温度从300℃升到500℃时,材料的强度开始下降,延性升高,疲劳寿命也随之升高.图4 不同退火温度材料的应力应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of different annealing temperature图5 不同退火温度对延伸率、屈服强度和极限强度的影响Fig.5 Effect of different annealing temperature on yield strength、ultimate strength and elongation3.2 微结构分析图6为初始状态下不同退火温度材料的晶界周长与退火温度之间的关系图.由图6可知,随着退火温度逐渐升高晶粒尺寸也逐渐增大,当退火温度达到500℃时晶粒的平均周长增大到117μm.图6 不同温度下晶粒平均周长曲线Fig.6 Average grain size of the sample at different annealing temperatures不同退火温度材料在不同应变时的微观组织如图7、图8、图9、图10所示.由图可知在未变形时,晶粒是大小比较均匀的等轴晶粒,在个别地方夹杂有尺寸较大的第二相粒子,100℃退火试样与初始试样的晶粒大小相差不大.当退火温度为300℃和500℃时,由于退火温度升高产生了再结晶现象,使得晶粒之间通过晶界的迁移实现了晶粒吞并,所以晶粒明显变大,这表明材料的塑性增加[32,33].随着变形程度的增大,晶粒逐渐沿轴向方向被拉长,变形越大,晶粒的被拉长程度也越大,这说明晶粒的大小变化与材料的应变有很大的关系.因此,用晶粒平均周长表达的损伤因子与材料的应变是相关联的.图7 常温时Q235钢的微观组织图(a:ε=0、b:ε=0.121、c:ε=0.161、d:ε=0.201、e:ε=0.261)Fig.7 Microstructur es of Q235 steel at room temperatures(a:ε=0、b:ε=0.121、c:ε=0.161、d:ε=0.201、e:ε=0.261)图8 100℃退火时Q235钢的微观组织图(a:ε=0、b:ε=0.121、c:ε=0.161、d:ε=0.201、e:ε=0.261)Fig.8 Microstructures of Q235 steel at 100℃ temperatures(a:ε=0、b:ε=0.121、c:ε=0.161、d:ε=0.201、e:ε=0.261)图9 300℃退火时Q235钢的微观组织图(a:ε=0、b:ε=0.132、c:ε=0.183、d:ε=0.234、e:ε=0.311)Fig.9 Microstructures of Q235 steel at 300℃ temperatures(a:ε=0、b:ε=0.132、c:ε=0.183、d:ε=0.234、e:ε=0.311)图10 500℃退火时Q235钢的微观组织图(a:ε=0、b:ε=0.136、c:ε=0.189、d:ε=0.242、e:ε=0.322)Fig.10 Microstructures of Q235 steel at 300℃ temperatures(a:ε=0、b:ε=0.136、c:ε=0.189、d:ε=0.242、e:ε=0.322)3.3 损伤分析为定量分析材料的微观组织演变,本文引入损伤因子的概念以探讨材料的微观组织变化与宏观力学行为之间的关系.对每个试样都随机选取10张清晰的晶粒图片,测量出每张图片中晶粒的晶界平均长度,将得到的数据再求平均数进行计算分析.根据形状因子及损伤因子的定义式[32],即公式(3).最后得到未变形及100℃、300℃、500℃退火时材料的形状因子φ和损伤因子D与材料的塑性应变ε之间的关系,如图11、图12所示.由图可知,100℃退火试样和初始试样的损伤形状因子变化趋势相似,初始损伤阶段增长较300℃退火试样增长明显,超过损伤临界点后增长较为迅速.而300℃和500℃退火时,材料初始损伤阶段增长较为平缓,超过损伤临界点后损伤因子迅速增大,最后趋于稳定直至材料断裂.图11 不同退火温度的形状因子与塑性应变之间的拟合曲线Fig.11 φ-ε fitting curves of different annealing temperature图12 不同退火温度的损伤因子拟合曲线Fig.12 D-ε fitting curves ofdifferent annealing temperature拟合曲线如图13所示,其损伤演化方程为:初始材料:D(ε)=5.28797ε-54.2601ε2+186.5721ε3(4)100℃时:D(ε)=4.53699ε-46.45287ε2+167.73154ε3(5)300℃时:(6)500℃时:(7)求D(ε)的二阶导数D〃(ε),由D〃(ε)=0得出Q235钢失效时的临界塑性应变εc,相应地可求出Q235钢的临界损伤因子Dc,如表2所示.100℃退火时材料的性能变化不大,300℃和500℃退火的材料塑性有了明显提高.表2 材料不同退火温度的临界失效值Tab.2 The critical value of different annealing temperatureAnnealing temperatureCritical plastics tressεcCritical damage sh ape factor DcInitialmaterial0.096940.17268100℃0.092320.15492300℃0.171970.52318500℃0. 169830.51516常温及100℃退火的损伤模型为:D(ε)=A+B ε-C ε2+D ε3(8)300℃及500℃退火的损伤模型为(9)其中临界点为材料损伤演化方程的一个拐点,在此点之前材料的损伤增长较为缓慢,在此点之后材料的损伤迅速增大,说明材料已经开始失效,即材料内部开始出现裂纹扩展,因此可以通过测量材料的塑性变形来把握构件的安全性.综上所述,基于形状因子建立的损伤演化方程可以较准确地反映材料的损伤和断裂规律.4 结论(1)在应力比R为0.111的大振幅疲劳状态下,不同退火温度对Q235钢的疲劳寿命影响较大.经过100℃退火处理试样和初始试样抗拉强度相差无几,韧性也相差不大,只有温度升高到300度以后抗拉强度降低,韧性升高.屈服强度随温度升高一直在下降,疲劳寿命也随之降低,在300℃退火时材料的疲劳寿命达到最低.退火温度从300℃升到500℃时,材料的强度开始下降,延性升高,疲劳寿命也随之升高.(2)形状因子和塑性形变之间有较大关系.100℃退火试样和初始试样的损伤形状因子变化趋势相似,初始损伤阶段增长较300℃退火试样增长明显,超过损伤临界点后增长较为迅速.而300℃和500℃退火时,材料初始损伤阶段增长较为平缓,超过损伤临界点后损伤因子迅速增大,最后趋于稳定直至材料断裂.(3)得到了Q235钢不同退火温度的损伤因子拟合方程,能较准确地反映材料的损伤规律,并可以通过临界塑性应变较准确地判断材料是否失效,这对工程安全具有重要的实际意义.参考文献:【相关文献】[1] XU Hao.Fatigue strength[M].Beijing:Higher Education Press,1988:504.[2] 杨宜科.金属高温强度及试验[M].上海:上海科学技术出版社,1986.[3] Aktaa J.Unified modelling of time dependent damage taking into account an explicitdependency on 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陶瓷材料的力学性能
工程陶瓷材料的塑性、韧性值比金属材料低得多， 对缺陷十分敏感，因而其力学性能数据的分散性 大，强度可靠性较差，常用韦伯模数表征其强度 均匀性。 工程陶瓷材料的制备技术、气孔、夹杂物、晶界、 晶粒结构均匀性等因素对其力学性能有显著影响， 因此，在讨论工程陶瓷的力学性能前，应首先了 解这种材料的组成和结构特点。
核电站：能耐2000℃高温
[耐温能力：900℃ →1200~1300℃
发动机 热效率：30%→50% 重量 ↓20% 耗油量 ↓ 30%
由此可见，工程陶瓷材料较好地适应了 近代科学技术发展的需要，具有广阔的应用 前景。目前在机械、冶金、化工、纺织等行 业中，用工程陶瓷材料制作耐高温、耐磨损、 耐腐蚀的零部件越来越多。
14
如图10-2所示，陶瓷在压缩加载时，其σ-ε曲 线斜率比拉伸时的大，此与陶瓷材料复杂的 显微结构和不均匀性有关。从该图中还可看 出，陶瓷材料的抗压强度值比其抗拉强度值 大得多。这是由于材料中的缺陷对拉应力十 分敏感所致。在工程应用中，选用陶瓷材料 时要充分注意这一特点。
15
§10.2.2 陶瓷材料的塑性变形
27
由表10-4可见，陶瓷材料的抗压强度远大于其抗拉强 度，两者相差10倍左右，因而陶瓷材料特别适于制造受压 缩载荷作用的零件。压缩试样尺寸为直径9.0±0.05mm，长 度18±0.10mm，两端面研磨成平面并互相平行。
表10－4 某些材料的抗拉强度和抗压强度
材料
抗拉强度/MPa 抗压强度/MPa 抗拉强度/抗压强度
这是由其共价键和离子键的键合结构所决 定的。
共价键具有方向性，使晶体具有较高的抗 晶格畸变、阻碍位错运动的阻力。离子键晶 体结构的键方向性虽不明显，但滑移系受原 子密排面与原子密排方向的限制，还受静电 作用力的限制，其实际可动滑移系较少。此 外，陶瓷材料都是多元化合物，晶体结构较 复杂，点阵常数较金属晶体大，因而陶瓷材 料中位错运动很困难。 (见表10-2)
沥青材料的温度疲劳性能以及SHRP疲劳性能测试方法
• •
•。
1.所采用基质基质沥青的质量
2改性剂的改性效果 3.试验温度
试验温度
14 12 10 8 6 4 2 0 0
老化前 老化后
400
G*(KP
G*（KPa)
300 200 100 0 老化前 老化后 0 0.05 掺量 0.1 0.15 0.2
0.05
0.1 掺量
0.15
0.2
60℃时G*与硅藻土掺量的关系
四. 实验步骤及其影响因素
动态剪切流变仪实验步骤：将沥青（直径为25mm、厚 度为1mm）试样夹在一个固定和一个能左右振荡的板之 间（原理图），振荡板从A点开始移动到B点，又从B点 返回经A点到C点，然后再从C点回到A点，形成一个循环 周期。试验角速度为10 rad／s，约相当于3.183Hz。试验 采用两块φ25mm或φ8mm的平行板，间距对应为1mm或 2mm。 • 所施加的荷载为正弦荷载，其应力应变波形图。复数 剪切模量G*＝τmax／γmax，作用应力和由此而产生的应 变之间的时间滞后称之为相位角δ。
二. 温度疲劳性能的试验方法和设备
• 温度疲劳的研究方法一直处在研究之中,目 前主要通过对疲劳裂缝进行疲劳研究，裂缝 扩展规律研究方法主要有以下两种：
•1、现象法 •2、力学近似法
1、现象法
• 现象法就是采用疲劳曲线表征材料的疲劳性质， 即通过确定造成疲劳损坏的温度循环次数，判定 沥青温度疲劳特性。
• b 该方法确定的疲劳寿命被定义为一种应力状态 下，材料损坏按照裂缝扩展定律，从初始状态增 加到危险状态或临界状态的时间。
力学近似法裂缝扩展规律公式 • 根据对已有的裂缝扩展规律公式对比研究， 认为Pairs P C的裂缝扩展公式最适合沥青混合 料。
高分子材料的疲劳
3
高分子材料性能学
5.1 疲劳破坏的一般规律
疲劳：工件在变动载荷或应变长期作用下，因累积 损伤而引起的断裂现象
疲劳破坏时的最大应力<σb，甚至<σs 不产生明显的塑性变形，呈现脆性的突然断裂 疲劳断裂是一种非常危险的断裂
寸ac后，da/dN无限大，裂纹失稳扩展，试样断裂； 第二，应力幅愈大，裂纹扩展速率愈大，ac相应减小
KI Kmax Kmin Y max a Y min a Y a
ΔKI就是裂纹尖端控制疲劳裂纹扩展的复合力学参量
24
高分子材料性能学
4、da/dN-ΔKⅠ（lgda/dN-lgΔKⅠ） 将a-N曲线上各点的da／dN 值用图解微分法或递增多项式
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高分子材料性能学
二、疲劳破坏的概念和特点
1、疲劳破坏的概念： (1)疲劳的破坏过程：
变动应力→薄弱区域的组织→逐渐发生变化和损伤累积、开裂 →裂纹扩展→突然断裂。
(2)疲劳破坏： 循环应力引起的延时断裂，其断裂应力σ<σb ，甚至σ<σs
(3)疲劳寿命： 机件疲劳失效前的工作时间。
(4)疲劳断裂：经历了裂纹萌生和扩展过程。 断口上显示出疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂区的特
的丛生簇状结构，每肋条间次级裂纹源显示出细砂 结构。
33
高分子材料性能学
1.大多数结局态（如PP、PA、POM）和非晶态 （如PC、PMMA）高聚物均倾向于显示应变软化 效应。 2.高韧性的材料，如PP、PA初期变化明显，而后 进入稳定状态，如PC初期有一孕育期，而后出现 明显软化，再进入稳定状态。 3.低韧性材料，如PMMA，软化效应相对较弱 4.多成分材料，如ABS倾向于在全疲劳寿命期呈连续 软化降低状态。
热疲劳性能的影响因素
杂质对热疲劳性能的影响
• 以钢为例，硫对其热疲劳性能有较大的影响。这主 要取决于硫化物的形态，如果硫化物以单一球粒状 态存在,这也许无关紧要,但若钢经过高温下强烈的 热变形加Байду номын сангаас(如热轧),硫化物的形态会沿着轧制方向 呈纤维状分布。硫化物几何尺寸的这种高纵横比容 易导致模具表面产生高的应力,并为产生疲劳裂纹 提供了扩展路 径。一旦模具在淬火冷却、服役时 高速铝液冲击和循环加热与冷却等外界作用下,模 具表面便容易产生热疲劳龟裂。另外，硫化物夹杂 断裂时形成微孔后的聚集长大将降低断裂韧性,从 而也降低热疲劳性能。
第二相组织对热疲劳性能的影响
• 以球墨铸钢为例，石墨体积分数的增大有益于其热 疲劳性能的提高 ,这也正是球墨铸钢热 疲劳性能优 于传统铸钢的关键所在 ;碳化物体积分数增加则削 弱其热疲劳性能。因此 ,对要求一定耐磨性且在热 循环条件下工作的零 部件,在注意保证相应耐磨性 的同时,应正确选择石墨化元素及反石墨化元素的 合理配合,以控制碳化物体积分数,从而充分发挥球 墨铸钢的热疲劳抗力。
基体组织对热疲劳性能的影响
• 上贝氏体球铁，下贝氏体球铁，珠光体球铁，铁素 基体球铁中，后者的抗热疲劳性能最好。相基体组 织由于不同相之间存在着性能差异，以及复相组织 容易产生分解，分解产生的相变应力和热应力叠加 作用会加速球铁的热疲劳失效。
热处理对热疲劳性能的影响
• 根据Coffin关系式,对于材料塑性应变幅一定的 情况下,热疲劳寿命主要取决于材料的韧塑性。 因此,对于5%Cr系钢,在保持足够高强度的前提 下,制定热处理的工艺制度应充分考虑到使钢 获得较好的韧塑性。控制淬火冷却方式就成 为使钢获得较好韧塑性的一项关键工艺手段， 从而提升其热疲劳性能。
疲劳强度分析
疲劳强度疲劳的定义：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。
疲劳的分类：(1)按研究对象:材料疲劳和结构疲劳(2)按失效周次:高周疲劳和低周疲劳(3)按应力状态:单轴疲劳和多轴疲劳(4)按载荷变化情况:恒幅疲劳、变幅疲劳、随机疲劳(5)按载荷工况和工作环境: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。
第一章疲劳破坏的特征和断口分析§1-1 疲劳破坏的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：（1）在交变裁荷作用下，构件中的交变应力在远小于材料的强度极限（b）的情况下，破坏就可能发生。
（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捡查即能进行观察，可以帮助我们分析判断是否属于疲劳破坏等。
图1-1及图l-2所示为磨床砂轮轴及一个航空发动机压气机叶片的典型断口。
图中表明了疲劳裂纹起源点(常称疲劳源)，疲劳裂纹扩展区(常称光滑区)及快速断裂区(也称瞬时破断区，常呈粗粒状)。
§1-2 疲劳破坏的断口分析宏观分析：用肉眼或低倍(如二十五倍以下的)放大镜分析断口。
微观分析：用光学显微镜或电子显微镜(包括透射型及扫描型)研究断口。
图1-1 磨床砂轮轴的典型断口图1-2 航空发动机压气机叶片的典型断口1、断口宏观分析：(I) 疲劳源：是疲劳破坏的起点，常发生在表面，特别是应力集中严重的地方。