材料的疲劳性能

材料的疲劳性能一、疲劳破坏的变动应力

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。变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。变动载荷在单位面积上的平均值称为变动应力，分为规则周期变动应力（或称循环应力）和无规则随

1

/2；

min）

2

应力；

②不对称循环：σm≠0，-1σm>0，-1

③脉动循环：σm=σa>0，r=0，齿轮的齿根及某些压力容器承受此类应力。σm=σa<0，r=∞，轴承承受脉动循环压应力；

④波动循环：σm>σa，0

⑤随机变动应力：循环应力呈随机变化，无规律性，如运行时因道路或者云层的变化，汽车、拖拉机及飞机等的零件，工作应力随时间随机变化。

二、疲劳破坏的概念和特点

1

2、疲劳破坏的特点

（1）疲劳破坏与静载或一次性冲击加载破坏比较具有以下特点：

①该破坏为一种潜藏的突发性破坏，在静载下显示韧性或脆性破坏的材料，在疲劳破坏前均不会发生明显的塑性变形，呈脆性断裂，易引起事故造成经济损失；

②疲劳破坏属于低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命的预测显得十分重要和必要；

③疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织）十分敏感，即对缺陷具有高度的选择性。因为缺口或裂纹会引起应力集中，加大对材料的损伤作用；组织缺陷（夹杂、疏松、白点、脱碳等）将降低材料的局部强度。二者综合更加速疲劳破坏

出现两个疲劳源。

（2）疲劳裂纹扩展区（亚临界扩展区）?

疲劳裂纹扩展区特征为断口较光滑并分布有贝纹线或裂纹扩展台阶。贝纹线是疲劳区最典型的特征，是一簇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。近疲劳源区贝纹线较细密（裂纹扩展较慢），远

疲劳源区贝纹线较稀疏、粗糙（裂纹扩展较快）。贝纹线区的大小取决于过载程度及材料的韧性，高名义应力或材料韧性较差时，贝纹线区不明显；反之，低名义应力或高韧性材料，贝纹线粗且明显，范围大。

（3）瞬断区

瞬断区是裂纹失稳扩展形成的区域。该区断口粗糙，脆性材料断口呈结晶

在循环载荷作用下，即使循环载荷未超过材料屈服强度，也会在材料表面形成循环滑移带—不均匀滑移，其与静拉伸形成的均匀滑移不同，循环滑移带集中于某些局部区域，用电解抛光法也难以去除，即使去除了，再重新循环加载，还会在原处再现。称这种永留或再现的循环滑移带为驻留滑移带。驻留滑

移带在表面加宽过程中，会形成挤出脊和侵入沟，从而引起应力集中，形成疲劳微裂纹。

（1）表面易产生疲劳裂纹的原因：

①在许多载荷方式下，如扭转疲劳，弯曲和旋转弯曲疲劳等，表面应力最大。

在室温及无腐蚀条件下，第Ⅱ阶段呈穿晶扩展，扩展速率da/dN随N的增加而增大。在多数韧性材料的第Ⅱ阶段，断口用电子显微镜可看到韧性条带而脆性材料中可看到脆性条带。疲劳条带（辉纹）呈略弯曲并相互平行的沟槽状花样，与裂纹扩展方向垂直。与贝纹线不同,疲劳条带是疲劳断口的微观特征。

疲劳条带形成的原因：裂纹尖端的塑性张开，钝化和闭合钝化，使裂纹向前延续扩展疲劳裂纹的形成与扩展模型。

五、非金属材料疲劳破坏机理

1、陶瓷材料的疲劳破坏机理

（2）结晶态高聚合物或低应力循环的非晶态高聚合物，疲劳过程有以下现象：

①整个过程，疲劳应变软化而不出现硬化。

②分子链间剪切滑移，分子链断裂，结晶损伤，晶体结构变化。

③产生显微孔洞，微孔洞合并成微裂纹，并扩展成宏观裂纹。

④断口呈裂纹扩展形成的肋状形态，断口呈丛生簇状结构（拉拔）。

（3）高聚物的热疲劳

由于聚合物为粘弹性材料，具有较大面积的应力滞后环，所以在应力循环

（1）复合材料疲劳破坏的特点：

①多种疲劳损伤形式：界面脱粘、分层、纤维断裂、空隙增长等。

②不发生瞬断，其疲劳破坏的标准与金属不同，常以弹性模量下降的百分数1%-2%），共振频率变化（1-2HZ）作为破坏依据。

③聚合物基复合材料，以热疲劳为主，对加载频率感。

④较大的应变引起纤维与基体界面开裂形成疲劳源（纤维、基体的变形量不同）压缩应变使复合材料纵向开裂，故对压缩敏感。

⑤复合材料的疲劳性能与纤维取向有关纤维是主要承载组分，沿纤维方向具有很好的疲劳强度；而沿纤维垂直方向，疲劳强度较低。

对于复合材料，界面结合非常重要，因为基体与纤维的E不同，变形量不