材料的疲劳性能
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
建筑材料疲劳性能的力学理论分析
建筑材料疲劳性能的力学理论分析建筑材料的疲劳性能是指在长期受到交变应力作用下，材料的抗疲劳能力。
对于建筑结构来说，疲劳是一种常见的力学现象，因此对建筑材料的疲劳性能进行力学理论分析具有重要意义。
疲劳破坏是材料在交变载荷作用下的一种特殊破坏形式，其特点是在载荷作用下，材料内部会发生微观裂纹的扩展，最终导致材料的破坏。
疲劳破坏是一个复杂的过程，涉及到材料的力学性能、微观结构以及外界环境等多个因素。
疲劳破坏的机理可以用疲劳寿命曲线来描述。
疲劳寿命曲线是指在一定应力幅值下，材料所能承受的循环次数与应力幅值之间的关系。
通常情况下，疲劳寿命曲线呈现出S形曲线，即存在一个应力幅值，使得材料的疲劳寿命达到最大值。
当应力幅值小于这个最大值时，材料的疲劳寿命随着应力幅值的增加而增加；当应力幅值大于这个最大值时，材料的疲劳寿命会急剧下降。
疲劳寿命曲线的形状与材料的力学性能有关。
一般来说，材料的强度越高，疲劳寿命曲线的斜率越大，即材料的抗疲劳性能越好。
此外，材料的韧性也对疲劳寿命有影响。
韧性好的材料能够吸收更多的能量，减缓裂纹扩展的速度，从而延长疲劳寿命。
对于建筑材料来说，疲劳性能的分析是非常重要的。
建筑结构往往会受到交变载荷的作用，如风荷载、地震荷载等。
如果材料的疲劳性能不好，容易出现疲劳破坏，从而导致建筑结构的安全问题。
因此，建筑材料的疲劳性能需要在设计和选材过程中充分考虑。
在建筑材料的力学理论分析中，有几个重要的参数需要关注。
首先是疲劳极限。
疲劳极限是指材料在一定循环次数下能够承受的最大应力幅值。
当应力幅值超过疲劳极限时，材料的疲劳寿命会急剧下降，容易发生疲劳破坏。
其次是疲劳强度系数。
疲劳强度系数是指在一定循环次数下，材料的疲劳寿命与疲劳极限之间的比值。
疲劳强度系数越大，材料的抗疲劳能力越好。
最后是疲劳寿命。
疲劳寿命是指材料在一定应力幅值下能够承受的循环次数。
疲劳寿命越长，材料的抗疲劳能力越好。
为了提高建筑材料的疲劳性能，可以采取一些措施。
材料力学中的材料疲劳性能测试技术
材料力学中的材料疲劳性能测试技术材料疲劳性能是指材料在循环加载下的抗疲劳裂纹扩展能力，是评估材料可靠性和寿命的重要指标。
为了研究材料的疲劳性能，科学家们发展了许多测试技术。
本文将探讨几种主要的材料疲劳性能测试技术。
一、旋转梁疲劳试验旋转梁疲劳试验是材料疲劳性能测试的一种常见方法。
试验时，材料样品被固定在旋转梁上，通过施加交变载荷，观察材料在循环加载下的疲劳裂纹扩展情况。
通过测量材料断裂扭矩和载荷周期，可以确定其疲劳寿命和裂纹扩展速率。
二、拉-推疲劳试验拉-推疲劳试验是一种常用的材料疲劳测试方法。
试验时，材料样品被制成拉杆形状，分为拉伸和推压两个阶段。
在循环加载过程中，通过测量材料的载荷和位移，可以得到材料在拉伸和推压过程中的疲劳性能数据，如疲劳强度、残余强度和疲劳寿命。
三、旋转弯曲疲劳试验旋转弯曲疲劳试验是一种用于测试金属材料疲劳性能的方法。
试验时，材料样品被固定在旋转臂上，通过施加旋转和弯曲载荷，观察材料在循环加载下的裂纹扩展行为。
通过测量载荷和位移，可以计算出材料的疲劳寿命和裂纹扩展速率。
四、交变剪切疲劳试验交变剪切疲劳试验是一种测试材料疲劳性能的方法，适用于各种金属和非金属材料。
试验时，材料样品被固定在剪切试验机上，施加正交变剪切载荷，观察材料在循环加载过程中的裂纹扩展情况。
通过测量载荷和位移，可以确定材料的疲劳寿命和剪切裂纹扩展速率。
五、高温疲劳试验高温疲劳试验是一种用于测试材料在高温环境下的疲劳性能的方法。
试验时，材料样品被置于高温环境中，通过施加交变载荷，观察材料在高温下的疲劳裂纹扩展情况。
通过测量载荷、温度以及裂纹扩展速率，可以确定材料在高温环境下的疲劳寿命和性能。
总结：材料疲劳性能测试技术在材料力学中起着重要的作用。
通过旋转梁疲劳试验、拉-推疲劳试验、旋转弯曲疲劳试验、交变剪切疲劳试验以及高温疲劳试验等方法，可以获得材料的疲劳寿命、裂纹扩展速率等关键性能参数，为材料的设计和使用提供参考依据。
材料性能_ 材料的疲劳性能_7-4 疲劳抗力指标_
（4）材料成分及组织的影响
合金成分：结构钢中碳的作用（间隙固溶 强化，第二相弥散强 化），提高疲劳强度； 夹杂物和缺陷降低疲劳强度；
显微组织：细化晶粒，提高疲劳强度；组 织不同，疲劳强度不同。
dN
（2）疲劳裂纹扩展门槛值
ΔKth是疲劳裂纹不扩展的 临界值，称为疲劳裂纹 扩展门槛值，表示材料阻止裂纹开始疲劳扩展的性能。
根据定义可以建立裂纹不疲劳断裂(无限寿命)的 校核公式：
∆K = Y∆σ a ≤ ∆Kth
若如已知裂纹件的裂纹尺寸 a 和材料的疲劳门槛 值 ΔKth ，即可求得该件无限疲劳寿命的承载能力：
环境介质：使材料表面产生微观腐蚀， 降低疲劳强度。
（2）表面状态和尺寸因素
表面状态：表面缺口导致应力集中，形成疲 劳源，引起疲劳断裂；
尺寸因素：尺寸增大，疲劳强度降低（尺寸 效应）。
（3）表面强化和残余应力
提高表面塑变抗力（强度和硬度），降低 表面拉应力，提高弯曲、扭转载荷下材料的 疲劳强度。
qf反映了疲劳过程中材料发生应力重分布 的能力，即降低应力集中的能力。
5、影响疲劳强度的因素
（1）工作条件
载荷条件 • 应力状态、平均应力； • 过载将降低疲劳强度和寿命； • 次载锻炼，可提高疲劳强度； • 间歇效应，对应变时效材料，可提高疲劳强度。
环境温度：温度↑，疲劳强度↓；温度↓， 疲劳强度↑
7-4 疲劳抗力指标
材料的疲劳抗力指标包括疲劳极限、疲 劳裂纹扩展门槛值、过载持久值和疲劳缺口 敏感度等。
1、疲劳极限（强度）
德国人Wohler（维勒）针对火车车轴疲劳进行 研究，得到了循环应力（S）与疲劳循环寿命（N） 之间的关系，称为疲劳曲线（S-N曲线）。
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
材料性能与测试第五章 材料的疲劳性能
四、复合材料疲劳破坏的机理
和金属材料相比，复合材料具有良好的 疲劳性能，有以下特点： 1) 有多种疲劳损伤形式：如界面脱粘、分 层、纤维断裂等； 2) 不会发生瞬时的疲劳破坏：常用疲劳过 程中材料弹性模量下降的百分数等判据 3) 较大的应变会使纤维基体变形不协调引 起纤维基体界面开裂形成疲劳源，对应变 尤其是压缩应变特别敏感； 4) 疲劳性能和纤维取向有关：沿纤维方向 好。
由于聚合物为粘弹性材料，具有较大的 应力滞后环，所以在应力循环中部分机械 能转化为热能，温度升高，产生热疲劳失 图5-8 高分子材料的疲劳断口 效。
聚合物疲劳断口有两种特征条纹：疲劳 辉纹(fatigue striation 10微米左右), 疲劳 斑纹(fatigue marking 50微米左右)；
按接触和环境情况不同：分大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、接触疲劳、 热疲劳等。
按断裂寿命和应力高低不同：分高周疲劳（Nf﹥105 ,σ﹤σs，也称低应力 疲劳）；低周疲劳（Nf=102~105，σ≧ σs，有塑性应变发生, 也称高应 力疲劳.
9
3、疲劳破坏的特点： (1) 一种潜藏的突发性破坏，呈脆性断裂。 (2) 疲劳破坏属低应力循环延时断裂, 是具有寿命的断裂。 (3) 对缺陷(缺口、裂纹等)具有高度的敏感性。 (4) 疲劳断裂也是裂纹萌生和扩展过程，但因应力水平低，
直至断裂；
④测定应力循环数N,；
(σ1,N1),(σ2,N2)… ⑤绘制σ(σmax)-N(lg N)曲线。
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图5-10 旋转弯曲疲劳试验机和曲线
图5-11 旋转弯曲疲劳试验机的示意图
试样受铅垂力作用而承受纯弯矩，当电机拖动试样高速 旋转时，试样上的应力值拉压对称交变，使材料承受对 22 称应力疲劳考验。
§3-1 材料的疲劳特性.
通过对大量结构断裂事故分析表明，结构内部裂纹和缺陷的存在是 导致低应力断裂的内在原因。
对于高强度材料，一方面是它的强度高（即许用应力高），另一方 面则是它抵抗裂纹扩展的能力要随着强度的增高而下降。因此，用传统 的强度理论计算高强度材料结构的强度问题，就存在一定的危险性。 断裂力学——是研究带有裂纹或带有尖缺口的结构或构件的强度和 变形规律的学科。准确的说，上述裂纹是指宏观裂纹，即用肉眼或低倍 显微镜能看得见的裂纹。工程中常认为裂纹尺寸大于0.1mm,就称为宏 观裂纹。断裂力学建立了构件的裂纹尺寸、工作应力以及材料抵抗裂纹 扩展能力三者之间的定量关系。
z r s
m s rN N s rm N 0 C
s rN s r （N N D )
有限寿命区间内循环次数N与疲劳极限srN的关系为：
s rN s
m N0 r Nr
K Ns r
式中， sr、N0及m的值由材料试验确定。KN寿命系数.
三、等寿命疲劳曲线（极限应力线图）
材料的疲劳特性
不同应力比时材料的疲劳极限也不相同，可用极限应力线图表示。
第三章 机械零件的强度
§3-1 材料的疲劳特性
§3-2 机械零件的疲劳强度计算 §3-3 机械零件的抗断裂强度 §3-4 机械零件的接触强度
材料的疲劳特性
二、 s－N疲劳曲线 疲劳极限：应力循环特性r一定时，应力经 过N次循环而材料不发生疲劳破坏的最大应 力。 r一定时，极限应力与应力循环次数的关系 曲线称为疲劳曲线。
二、 材料的疲劳曲线
材料的疲劳特性
材料的疲劳特性
疲劳曲线
机械零件的疲劳大多发生在s－N曲线的 CD段，可用下式描述：
m s rN N C ( NC 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：
材料疲劳与耐久性
材料疲劳与耐久性材料的疲劳与耐久性一直是工程材料研究领域的重要议题之一。
随着科学技术的不断进步，人们对于材料疲劳和耐久性的要求也越来越高。
本文将探讨材料的疲劳机理、测试方法以及提高材料耐久性的策略。
第一部分：材料疲劳机理疲劳是指材料在交变或周期性载荷作用下的损伤累积现象。
这种载荷可能是拉伸、压缩、弯曲等力的作用。
疲劳可能导致材料的断裂，特别是在应力集中或缺陷存在的区域。
材料的疲劳机理主要涉及到以下几个方面：1. 微观裂纹生成：在材料受到压力作用下，微观裂纹会逐渐生成并扩展。
2. 裂纹扩展：一旦微观裂纹生成，它们会在接下来的载荷作用下扩展，最终导致材料的断裂。
3. 疲劳寿命：疲劳寿命是指材料在一定载荷下能够承受多少次循环载荷，通常用S-N曲线表示。
第二部分：材料疲劳测试方法为了评估材料的疲劳性能，科学家和工程师发展了各种各样的疲劳测试方法。
以下是一些常用的疲劳测试方法：1. 拉伸-压缩疲劳测试：将材料置于拉伸和压缩载荷之间，通过循环加载和卸载来评估材料的疲劳性能。
2. 弯曲疲劳测试：将材料放置在弯曲装置中，施加循环载荷以模拟实际使用条件下的应力情况。
3. 旋转弯曲疲劳测试：用于评估材料在旋转装置中承受循环载荷时的疲劳性能。
4. 疲劳寿命预测：通过分析材料疲劳寿命的S-N曲线，可以预测材料在实际工作条件下的使用寿命。
第三部分：提高材料耐久性的策略为了提高材料的耐久性和抗疲劳性能，科学家和工程师们采取了一系列策略。
下面是一些常见的策略：1. 材料优化设计：通过选择适当的材料和处理方法，可以使材料在条件限制下具有更好的抗疲劳性能。
2. 表面处理：通过对材料表面进行机械、化学或热处理，可以增强材料的表面硬度和耐疲劳性能。
3. 应力控制：通过合理控制应力分布和应力集中的位置，可以降低材料的疲劳损伤。
4. 增加材料强度：通过增加材料的强度和硬度，可以提高其抗疲劳性能。
5. 定期检测和维护：定期对材料进行检测和维护，可以及早发现并修复潜在的疲劳损伤。
材料的疲劳性能评估与寿命
材料的疲劳性能评估与寿命材料的疲劳性能评估是一个重要的领域，它在工程和科学领域中具有广泛的应用。
评估材料的疲劳性能能够帮助工程师和科学家预测材料在实际使用中的寿命，从而确保材料的可靠性和安全性。
本文将探讨材料的疲劳性能评估方法以及与寿命的关系。
一、疲劳性能的概念疲劳性能指的是材料在受到交变应力作用下，随时间逐渐发生的损伤或破坏。
疲劳性能通常通过疲劳寿命来评估，即材料在特定应力水平下可以承受多少次疲劳循环，直到发生破坏。
疲劳性能的评估对于许多行业来说至关重要，比如航空航天、汽车制造和桥梁建设等。
二、疲劳性能评估方法1. 疲劳试验疲劳试验是评估材料疲劳性能最常用的方法之一。
它通过施加交变载荷，在不同应力水平下进行循环加载，记录材料的变形和裂纹扩展情况。
通过分析试验数据，可以得到材料的疲劳寿命和疲劳强度等参数。
疲劳试验需要考虑许多因素，如载荷频率、温度和湿度等。
2. 数值模拟数值模拟是一种通过计算机仿真来评估材料疲劳性能的方法。
数值模拟可以基于实验数据或材料的力学性质来建立模型，通过加载历史和材料特性来预测疲劳寿命。
数值模拟方法可以提供更快速和经济的评估过程，并且可以帮助优化材料设计。
3. 材料参数估计材料参数估计是一种通过测量材料的组织结构和物理性质来评估疲劳性能的方法。
通过分析材料的晶粒结构、晶界特征和组织形态等参数，可以预测材料的疲劳寿命。
材料参数估计方法需要依赖先进的显微镜技术和材料科学的知识。
三、疲劳性能与寿命的关系材料的疲劳性能与寿命密切相关。
材料的疲劳性能评估可以帮助工程师确定材料在实际工作条件下的可靠性和安全性，并预测材料的使用寿命。
优秀的疲劳性能可以延长材料的使用寿命，提高产品的质量和可靠性。
在实际工程中，为了评估材料的疲劳性能和寿命，需要考虑材料的强度、韧性、断裂韧性和变形能力等因素。
这些因素对于材料的疲劳行为和性能有着重要的影响。
此外，材料的疲劳性能也与环境因素有关。
温度、湿度和腐蚀等环境条件会影响材料的疲劳性能和寿命。
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。
材料的疲劳性能完整版
材料的疲劳性能HUA system office room 【HUA16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688】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）和无规则随机变动应力两种。
1、表征应力循环特征的参量有：①最大循环应力：σmax ；②最小循环应力：σmin ；③平均应力：σm =（σmax +σmin ）/2；④应力幅σa 或应力范围Δσ：Δσ=σmax -σmin ，σa =Δσ/2=（σmax -σmin ）/2； ⑤应力比（或称循环应力特征系数）：r=σmin /σmax 。
2、按平均应力和应力幅的相对大小，循环应力分为：①对称循环：σm =（σmax +σmin ）/2=0，r=-1，大多数旋转轴类零件承受此类应力；②不对称循环：σm ≠0，-1<r<1。
发动机连杆或结构中某些支撑杆、螺栓承受此类应力，σa >σm >0，-1<r<0；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<r<1，发动机气缸盖、螺栓承受此种应力；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、疲劳破坏概念在变动应力作用下，材料内部薄弱区域的组织逐渐发生变化和损伤累积、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂的过程，是一个从局部区域开始的损伤积累，最终引起整体破坏的过程。
疲劳破坏是循环应力引起的延时断裂，其断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至低于其屈服强度。
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。
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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。
机械结构的材料疲劳性能分析与优化设计
机械结构的材料疲劳性能分析与优化设计一、引言机械结构的材料疲劳性能是指在外部荷载的反复作用下，材料所呈现的持续变形、开裂和断裂的特性。
疲劳失效是机械结构工程中的重要问题，对于确保机械结构的可靠性和使用寿命具有重要意义。
本文将对机械结构材料疲劳性能的分析与优化设计进行探讨。
二、疲劳性能分析1. 疲劳强度疲劳强度是材料在一定应力水平下能够承受的循环应力次数。
通常采用S-N曲线（应力-寿命曲线）来描述材料的疲劳强度。
S-N曲线呈现应力和寿命之间的关系，从曲线中可以得到材料的疲劳极限、疲劳断点和疲劳寿命等信息。
2. 循环应力循环应力是指机械结构在工作过程中由于重复受到的载荷引起的应力循环。
循环应力可能导致材料产生疲劳开裂，从而影响机械结构的性能和寿命。
因此，对于机械结构的循环应力进行分析是疲劳性能分析的重要环节。
三、材料疲劳性能的优化设计1. 材料选用与热处理材料的选用是提高机械结构疲劳性能的重要因素之一。
一般来说，高强度、高韧性和耐蚀性良好的金属材料是机械结构的理想选择。
此外，通过适当的热处理工艺可以改善材料的强度和韧性，进一步提高疲劳性能。
2. 结构形式与几何形状优化机械结构的结构形式和几何形状对于疲劳性能有着重要影响。
通过有限元分析等方法，可以对机械结构进行优化设计，使其在受循环应力作用下具有更好的疲劳强度。
例如，通过减少应力集中、改变材料分布和优化结构刚度等方式来改善机械结构的疲劳性能。
3. 表面处理与涂层技术通过表面处理和涂层技术可以改善机械结构的疲劳性能。
表面处理包括喷砂、化学镀和电镀等工艺，可以提高材料的表面光洁度和抗疲劳性能。
涂层技术可以在机械结构表面形成一层保护膜，提高材料的耐蚀性和疲劳寿命。
4. 疲劳寿命预测与监测疲劳寿命的预测与监测对于机械结构的优化设计起到重要作用。
通过寿命预测模型和实验测试手段可以对机械结构的疲劳寿命进行评估，为优化设计提供可靠依据。
同时，监测疲劳裂纹的扩展情况和结构的变形情况可以及时掌握机械结构的疲劳状态，从而采取相应的措施。
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。
材料的力学性能-5-材料的疲劳
5.2 疲劳断裂过程及其机理
5.2.2 疲劳裂纹的扩展
疲劳裂纹扩展是一个不连续 的过程，可分为两个阶段。第一 个阶段是从个别挤入沟（挤出峰） 处开始，沿最大切应力方向（和 主应力方向成）的晶面向内发展， 裂纹扩展方向逐渐转向与最大拉 应力垂直。第二阶段是裂纹沿垂 直于最大拉应力方向扩展的过程， 直到未断裂部分不足以承担所加 载荷，裂纹开始失稳扩展时为止 。
5.2 疲劳断裂过程及其机理
5.2.2 疲劳裂纹的扩展 在疲劳裂纹扩展第一阶段，裂纹扩展速率很慢，每 一个应力循环大约只有0.1µm数量级，扩展深度约为2～ 5个晶粒大小。
当第一阶段扩展的裂纹遇到晶界时便逐渐改变方向转到与最大 拉应力相垂直的方向，此时便达到第二阶段。在此阶段内，裂纹扩 展的途径是穿晶的，其扩展速率较快，每一个应力循环大约扩展微 米数量级。在电子显微镜下观察到的某些金属和合金的疲劳辉纹主 要是在这一阶段内形成的。
5.1 疲劳现象
5.1.3 疲劳宏观断口
疲劳断口有其些独特的特 征，是研究疲劳断裂过程和进 行机件疲劳失效分析的基础。 疲劳断口的宏观结构取决于材 料的性质、加载方式、载荷大 小等因素。 高周疲劳断口从宏观来看， 一般可以分为三个区，即疲劳 源区、疲劳裂纹扩展区（疲劳 断裂区）和瞬时断裂区（静断 区）。
5.1 疲劳现象
5.1.3 疲劳宏观断口
疲劳裂纹扩展区: 疲劳裂纹亚临界扩展部分。它的典型特征是具有“贝壳”一样的 花样，一般称为贝壳线，也称为疲劳辉纹、海滩状条纹、疲劳停歇线 或疲劳线。一个疲劳源的贝壳线是以疲劳源为中心的近于平行的一簇向 外凸的同心圆。它们是疲劳裂纹扩展时前沿线的痕迹。贝纹线是由于载 荷大小或应力状态变化、频率变化或机器运行中停车起动等原因，裂纹 扩展产生相应的微小变化所造成的。因此，这种花样常出现在机件的疲 劳断口上，并且多数是高周疲劳。 贝纹线从疲劳源向四周推进，与裂纹扩展方向垂直，因而在与贝纹 线垂直的相反方向，对着同心圆的圆心可以找到疲劳源所在地。通常在 疲劳源附近，贝纹线较密集，而远离疲劳源区，由于有效面积减少，实 际应力增加，裂纹扩展速率增加，故贝纹线较为稀疏。
材料的疲劳性能与损伤机理
材料的疲劳性能与损伤机理材料的疲劳性能是指材料在连续循环应力作用下出现疲劳破坏的能力。
在实际应用中，大部分材料都需要承受循环载荷，例如机械零件、构筑物、桥梁等。
因此，疲劳性能是材料工程的一个重要研究领域。
材料的疲劳性能与损伤机理密切相关。
疲劳破坏的本质是材料内部微观组织的损伤和破坏。
材料在受到循环应力时，会形成微观的损伤，例如裂纹、位错等。
这些损伤会随着循环次数的增加而逐渐扩展，最终导致材料的疲劳破坏。
材料的疲劳性能受到多种因素的影响，其中最重要的是应力水平、循环次数和材料特性。
应力水平是疲劳破坏的直接原因，循环次数是影响疲劳寿命的关键因素，而材料特性则决定了材料的抗疲劳能力。
材料的抗疲劳能力受到很多因素的影响，例如晶粒大小、晶界、位错密度、夹杂物、气孔等。
这些因素会影响材料的强度、韧性和变形能力，从而影响材料的疲劳寿命。
在材料的疲劳破坏中，裂纹是最常见的损伤形式。
裂纹的产生和扩展是疲劳破坏的核心机理。
裂纹的产生通常发生在材料表面或缺陷处，例如夹杂物、气孔等。
由于循环应力的作用，这些表面或缺陷处的应力会超过材料的极限强度，从而导致裂纹的产生。
裂纹的扩展通常是沿着材料的弱面或位错发展的。
裂纹越长，应力集中作用越明显，扩展速度也就越快。
当裂纹达到一定长度时，材料就会发生疲劳破坏。
材料的疲劳性能的研究可以借助材料科学的诸多方法，如力学测试、金相分析、电子显微镜等。
这些方法可以用来研究材料内部的微观结构和损伤机理。
例如，金相分析可以用来观察材料的微观组织、晶粒大小、晶界和夹杂物等，从而推断材料的抗疲劳能力。
电子显微镜可以用来观察裂纹的形态、跟踪裂纹的扩展速度等，从而研究裂纹的产生和扩展机制。
这些方法的应用可以使疲劳性能的研究更加深入。
总之，材料的疲劳性能是材料工程的重要研究领域。
研究材料的疲劳性能和损伤机理，可以为材料的设计、使用和维护提供重要的科学依据。
材料性能学第5章
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 图5-10 脆性疲劳条带形成过程示意图 新变得尖锐，但裂纹已经向 前扩展了一个条带的距离。
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 性、相变或晶粒不均匀等)，都会因局部的应力集 中而引发裂纹。
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疲劳裂纹扩展的方式和机理 ▶ 疲劳裂纹扩展，按扩展方向可分为两个阶段
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。
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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。
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。
机械设计中的材料疲劳性能研究
机械设计中的材料疲劳性能研究材料疲劳性能是机械设计中一个重要的研究方向，它对于保证机械设备的安全可靠运行具有重要意义。
疲劳是指在循环载荷下，材料在应力水平远远低于其屈服强度的情况下会发生破裂的现象。
因此，准确评估材料的疲劳性能，对于提高机械设备的使用寿命和安全性具有重要影响。
一、材料疲劳的基本概念与过程材料疲劳是由应力的交变引起的，也就是机械元件在交变载荷作用下所产生的疲劳破坏。
在材料的应力-应变曲线中，材料在应力达到屈服强度之前发生塑性变形，当塑性变形较大时，疲劳寿命会明显缩短。
材料的疲劳损伤通常通过疲劳寿命、疲劳极限等参数来评价。
材料的疲劳过程可分为初期导致损伤的裂纹形成阶段、裂纹扩展阶段和极限破坏阶段。
在初期阶段，由于应力的集中和应力的交变，材料表面会出现微小的裂纹。
随着时间的推移，这些裂纹会扩展并蔓延到整个材料构件中。
最终，在材料失去足够强度以支持承载时，裂纹会发展至极限，造成材料的完全破坏。
二、材料疲劳性能的评估方法为了准确评估材料的疲劳性能，科学家和工程师们发展了多种方法和实验技术。
其中之一是应力-寿命曲线（SN曲线）的绘制。
这种方法通过在特定应力水平下进行一系列循环载荷实验，并记录下载荷循环次数和材料失效的寿命，然后将这些数据绘制成曲线。
通过分析SN曲线的特征，可以得出材料的疲劳行为和疲劳寿命。
另一种常用的评估方法是通过振动试验机进行振动疲劳实验。
在这种实验中，机械零件会受到往复振动的作用，模拟实际工作条件下的循环载荷。
通过记录载荷的振幅、频率和循环次数，可以评估材料的疲劳性能，并估计其寿命。
三、材料疲劳性能的影响因素材料的疲劳性能受多种因素的影响。
首先是材料的物理和力学性质，如强度、硬度、韧性等。
这些性质直接决定了材料在循环载荷下的承载能力和耐久性。
此外，材料的微观结构和组织对疲劳性能也有重要影响。
晶格缺陷、晶粒尺寸和晶体取向等因素都可能导致材料在疲劳过程中的损坏和破坏。
除了材料本身的性质外，外部环境和工作条件也会对材料的疲劳性能产生影响。
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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）和无规则随机变动应力两种。
1、表征应力循环特征的参量有：
①最大循环应力：σmax；
②最小循环应力：σmin；
③平均应力：σm=（σmax+σmin）/2；
④应力幅σa或应力范围Δσ：Δσ=σmax-σmin，σa=Δσ/2=（σmax-σmin）/2；
⑤应力比（或称循环应力特征系数）：r=σmin/σmax。
2、按平均应力和应力幅的相对大小，循环应力分为：
①对称循环：σm=（σmax+σmin）/2=0，r=-1，大多数旋转轴类零件承受此类应力；
②不对称循环：σm≠0，-1<r<1。
发动机连杆或结构中某些支撑杆、螺栓承受此类应力，σa>σm>0，-1<r<0；
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<r<1，发动机气缸盖、螺栓承受此种应力；
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、疲劳破坏概念
在变动应力作用下，材料内部薄弱区域的组织逐渐发生变化和损伤累积、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂的过程，是一个从局部区域开始的损伤积累，最终引起整体破坏的过程。
疲劳破坏是循环应力引起的延时断裂，其断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至低于其屈服强度。
机件疲劳失效前的工作时间称为疲劳寿命，疲劳断裂寿命随循环应力不同而改变。
应力高，寿命短；应力低，寿命长。
当应力低于材料的疲劳强度时，寿命可无限长。
疲劳断裂也经历了裂纹萌生和扩展过程。
由于应力水平较低，因此具有较明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段，相应的断口上也显示出疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区的特征。
2、疲劳破坏的特点
（1）疲劳破坏和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的起始和发展。
④可以按不同方法对疲劳形式分类。
按应力状态分有弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳及复合疲劳；按应力高低和断裂寿命分有高周疲劳和低周疲劳。
三、疲劳断口的宏观特征
1、典型疲劳断口具有3个特征区：疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬断区。
（1）疲劳源
疲劳裂纹萌生区，多出现在零件表面，和加工刀痕、缺口、裂纹、蚀坑等相连。
特征是光亮，因为疲劳源区裂纹表面受反复挤压、摩擦
次数多。
疲劳源可以是一个，也可以有多个。
如：单向弯曲，只有一个疲劳源；双向弯曲，可出现两个疲劳源。
（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状；韧性材料断口在心部平面应变区呈放射状或人字纹状；表面平面应力区则有剪切唇区存在。
瞬断区一般在疲劳源对侧，大小和名义应力、材料性质有关。
高名义应力或脆性材料，瞬断区大；反之，瞬断区小。
四、金属材料疲劳破坏的机理
1、疲劳裂纹的萌生（形核）
裂纹萌生常在材料薄弱区或高应力区，通过不均匀滑移、微裂纹形成及长大而完成。
通常将长0.05-0.10mm的裂纹定为疲劳裂纹核，
对应的循环周期N为裂纹萌生期。
疲劳微裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起，主要方式有：表面滑移带开裂，第二相、夹杂物和基体界面或夹杂物本身开裂，晶界或亚晶界处开裂。
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，其和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。
②实际构件表面多存在类裂纹缺陷，如缺口，台阶，键槽，加工划痕等，这些部位极易由应力集中而成为疲劳裂纹萌生地。
③相比于晶粒内部，自由表面晶粒受约束较小，更易发生循环塑性变形。
④自由表面和大气直接接触，因此，如果环境是破坏过程中的一个因素，则表面晶粒受影响较大。
2、疲劳裂纹的扩展
疲劳裂纹萌生后开始扩展，第Ⅰ阶段沿着最大切应力方向向内扩展。
大多数微裂纹不继续扩展，成为不扩展裂纹，个别微裂纹可延伸几十μm长。
随即疲劳裂纹进入第Ⅱ阶段，沿垂直拉应力方向向前扩展形成主裂纹，直至最后形成剪切唇为止。
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，和裂纹扩展方向垂直。
和贝纹线不同,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和扩展模型。
五、非金属材料疲劳破坏机理
1、陶瓷材料的疲劳破坏机理
静态疲劳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。
动态疲劳在恒定加载条件下，研究材料断裂失效对加载速率的敏感性。
循环疲劳在长期变动应力作用下，材料的破坏行为。
陶瓷材料断口呈现脆性断口的特征。
2、高分子聚合物的疲劳破坏机理
（1）非晶态聚合物
①高循环应力时，应力很快达到或超过材料银纹的引发应力，产生银纹，随后转变成裂纹，扩展后导致材料疲劳破坏。
②中循环应力也会引发银纹，形成裂纹，但裂纹扩展速率较低（机理相同）。
③低循环应力，难以引发银纹，由材料微损伤累积及微观结构变化产生微孔及微裂纹，最终裂纹扩展导致宏观破坏。
（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，所以在应力循环过程中，外力所做的功有相当一部分转化为热能；而聚合物导热性能差，因此温度急剧升高，甚至高于熔点或玻璃化转变温度，从而产生热疲劳。
热疲劳常是聚合物疲劳失效的主要原因。
因此疲劳
循环产生的热量，使聚合物升温，可以修补高分子、的微结构损伤，使机械疲劳裂纹形核困难。
（4）聚合物疲劳断口可观察到两种特征的条纹：
①疲劳辉纹：每周期的裂纹扩展值为10μm（间距）。
聚合物相对分子量较高时，在所有应力强度因子条件下，皆可形成疲劳辉纹。
②疲劳斑纹：对应着不连续、跳跃式的裂纹扩展，间距有50μm。
相对分子量较低时，在较低应力强度因子条件下，易形成疲劳斑纹。
3、复合材料的疲劳破坏机理
（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，其疲劳破坏的标准和金属不同，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和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和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，因为基体和纤维的E不同，变形量不同，故界面产生很大的剪切应力。