4.疲劳与疲劳断裂解析
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疲劳与疲劳断裂
1
绪言
金属在循环载荷作用下，即使所受的应力低于屈服强度，也ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ发
生断裂，这种现象称为疲劳。
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。
疲劳研究的主要目的：为防止机械和结构的疲劳失效。
2
疲劳断裂引起的空难达每年100次以上
国际民航组织 (ICAO)发表的
“涉及金属疲劳断裂的重大飞机失事调查”指出： 80年代以来，由金属疲劳断裂引起的机毁人亡重大事故， 平均每年100次。(不包括中、苏) 工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破坏的5090%，是机械、结构失效的最常见形式。
因此，工程技术人员必须认真考虑可能的疲劳断裂问题。
3
1 疲劳断裂的基本形式和特征
2、疲劳断裂应力很低
循环应力中最大应为幅值一般远低于材料的强度极限和屈服极限。例如， 对于旋转弯曲疲劳来说，经107次应力循环破断的应力仅为静弯曲应力的20～ 40%；对于对称拉压疲劳来说，疲劳破坏的应力水平还要更低一些。对于钢制构 件，在工程设计中采用的近似计算公式为：
1 (0.4 ～ 0.6) b
高强度、低塑性的材料、大截面零件、小应力振幅、低的加载频率 及腐蚀、低温条件均有利于正断疲劳裂纹的萌生与扩展。
2
6
1 疲劳断裂的基本形式和特征
2、切断疲劳失效
切断疲劳初始裂纹是由切应力引起的。 切断疲劳的特点是：初裂纹的所在平面与应力轴约成45º 角，并沿其滑 移面扩展。 由于面心立方结构的单相金属材料的切断强度一般略低于正断强度， 所以对于这类材料，其零件的表层比较容易满足上述力学条件，因而多以切 断形式破坏。例如铝、镍、铜及其合金的疲劳初裂纹，绝大多数以这种方式 形成和扩展。 低强度高塑性材料制作的中小型及薄壁零件、大应力振幅、高的加载频 率及较高的温度条件都将有利于这种破坏形式的产生。
2
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2 S-N曲线
目前评定金属材料疲劳性能的基本方法就是通过试验
测定其S-N曲线(疲劳曲线)，即金属承受最大交变应力σmax
与其相应的断裂循环周次N之间的关系曲线。不同金属材 料的S-N曲线形状是不同的，大致可以分为两类
11
（1）所加交变应力降低到这个水平数值时，试样可承受无限次应力循 环而不断裂。因此将水平部分所对应的应力称之为金属的疲劳极限。中 低强度结构钢、铸铁等材料的S-N曲线属于这一类。对这一类材料在测 试其疲劳极限时，不可能做到无限次应力循环，而试验表明，这类材料 在交变应力作用下，如果应力循环达到107周次不断裂，则表明它可承受 无限次应力循环也不会断裂，所以对这类材料常用107周次作为测定疲劳 极限的基数。
（2）另一类疲劳曲线没有水平部分，其特点是随应力降低，循环周次N 不断增大，但不存在无限寿命。如图1(b)所示。在这种情况下，常根据 实际需要定出一定循环周次下所对应的应力作为金属材料的“条件疲劳 极限” 。
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3 疲劳断口形貌及其特征 3.1 疲劳断口的宏观形貌及其特征
由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，因而形成了疲劳断 裂 特有的断口形貌，这是疲劳断裂分析时的根本依据。 典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区 、疲劳裂纹的选择发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等 五个区域。一般疲劳断口在宏观上也可粗略地分为疲劳源区、 疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个区域，更粗略地可将其分为
4、疲劳断裂对材料缺陷的敏感性
金属的疲劳失较具有对材料的各种缺陷均为敏感的特点。因为疲劳断 裂总是起源于微裂纹处。这些微裂纹有的是材料本身的冶金缺陷，有的是加 工制造过程中留下的，有的则是使用过程中产生的。
2
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1 疲劳断裂的基本形式和特征
5、疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性
金属材料的疲劳断裂除取决于材料本身的性能外，还与零件运行的 环境条件有着密切的关系。对材料敏感的环境条件虽然对材料的静强度 也有一定的影响，但其影响程度远不如对材料疲劳强度的影响来得显著 。大量实验数据表明，在腐蚀环境下材料的疲劳极限较在大气条件下低 得多，甚至就没有所说的疲劳极限。
2
4
1 疲劳断裂的基本形式和特征
2
5
1 疲劳断裂的基本形式和特征
1、正断疲劳失效
正断疲劳的初裂纹，是由正应力引起的。 正断疲劳的特点是：初裂纹所在平面大致上与应力轴相垂直。 大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以此种形式进行的。特别是 体心立方金属及其合金以这种形式破坏的所占比例更大；上述力学条件 在试件的内部裂纹处容易得到满足，但当表面加工比较粗糙或具有较深 的缺口、刀痕、蚀坑、微裂纹等应力集中现象时，正断疲劳裂纹也易在 表面产生。
2
7
1 疲劳断裂的基本形式和特征 1.2 疲劳断裂失效的一般特征
1、疲劳断裂的突发性
疲劳断裂虽然经过疲劳裂纹的萌生、亚临界扩展、失稳扩展三个元过程， 但是由于断裂前无明显的塑性变形和其它明显征兆，所以断裂具有很强的突发性 。即使在静拉伸条件下具有大量塑性变形的塑性材料，在交变应力作用下也会显 ～ 示出宏观脆性的断裂特征。因而断裂是突然进行的。
或
2
1 0.285( s b )
8
1 疲劳断裂的基本形式和特征
3、疲劳断裂是一个损伤积累的过程
疲劳断裂不是立即发生的，而往往经过很长的时间才完成的。疲劳初 裂纹的萌生与扩展均是多次应力循环损伤积累的结果。 在工程上通常把试件上产生一条可见的初裂纹的应力循环周次（N0） 或将N0与试件的总寿命Nf的比值（N0/ Nf）作为表征材料疲劳裂纹萌生孕育 期的参量。 疲劳裂纹萌生的孕育期与应力幅的大小、试件的形状及应力集中状况 、材料性质、温度与介质等因素有关。
1.1 疲劳断裂失效的基本形式
机械零件疲劳断裂失效形式很多。 按交变载荷的形式不同，可分为拉压疲劳、弯曲疲劳、扭转疲劳、 接触疲劳、振动疲劳等； 按疲劳断裂的总周次的大小（Nf）可分为高周疲劳（Nf＞105）和低 周疲劳（Nf＜104）； 按零件服役的温度及介质条件可分为机械疲劳（常温、空气中的疲 劳）、高温疲劳、低温疲劳、冷热疲劳及腐蚀疲劳等。 但其基本形式只有两种，即由切应力引起的切断疲劳及由正应力引 起的正断疲劳。其它形式的疲劳断裂，都是由这两种基本形式在不同条 件下的复合。
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绪言
金属在循环载荷作用下，即使所受的应力低于屈服强度，也ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ发
生断裂，这种现象称为疲劳。
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。
疲劳研究的主要目的：为防止机械和结构的疲劳失效。
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疲劳断裂引起的空难达每年100次以上
国际民航组织 (ICAO)发表的
“涉及金属疲劳断裂的重大飞机失事调查”指出： 80年代以来，由金属疲劳断裂引起的机毁人亡重大事故， 平均每年100次。(不包括中、苏) 工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破坏的5090%，是机械、结构失效的最常见形式。
因此，工程技术人员必须认真考虑可能的疲劳断裂问题。
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1 疲劳断裂的基本形式和特征
2、疲劳断裂应力很低
循环应力中最大应为幅值一般远低于材料的强度极限和屈服极限。例如， 对于旋转弯曲疲劳来说，经107次应力循环破断的应力仅为静弯曲应力的20～ 40%；对于对称拉压疲劳来说，疲劳破坏的应力水平还要更低一些。对于钢制构 件，在工程设计中采用的近似计算公式为：
1 (0.4 ～ 0.6) b
高强度、低塑性的材料、大截面零件、小应力振幅、低的加载频率 及腐蚀、低温条件均有利于正断疲劳裂纹的萌生与扩展。
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1 疲劳断裂的基本形式和特征
2、切断疲劳失效
切断疲劳初始裂纹是由切应力引起的。 切断疲劳的特点是：初裂纹的所在平面与应力轴约成45º 角，并沿其滑 移面扩展。 由于面心立方结构的单相金属材料的切断强度一般略低于正断强度， 所以对于这类材料，其零件的表层比较容易满足上述力学条件，因而多以切 断形式破坏。例如铝、镍、铜及其合金的疲劳初裂纹，绝大多数以这种方式 形成和扩展。 低强度高塑性材料制作的中小型及薄壁零件、大应力振幅、高的加载频 率及较高的温度条件都将有利于这种破坏形式的产生。
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2 S-N曲线
目前评定金属材料疲劳性能的基本方法就是通过试验
测定其S-N曲线(疲劳曲线)，即金属承受最大交变应力σmax
与其相应的断裂循环周次N之间的关系曲线。不同金属材 料的S-N曲线形状是不同的，大致可以分为两类
11
（1）所加交变应力降低到这个水平数值时，试样可承受无限次应力循 环而不断裂。因此将水平部分所对应的应力称之为金属的疲劳极限。中 低强度结构钢、铸铁等材料的S-N曲线属于这一类。对这一类材料在测 试其疲劳极限时，不可能做到无限次应力循环，而试验表明，这类材料 在交变应力作用下，如果应力循环达到107周次不断裂，则表明它可承受 无限次应力循环也不会断裂，所以对这类材料常用107周次作为测定疲劳 极限的基数。
（2）另一类疲劳曲线没有水平部分，其特点是随应力降低，循环周次N 不断增大，但不存在无限寿命。如图1(b)所示。在这种情况下，常根据 实际需要定出一定循环周次下所对应的应力作为金属材料的“条件疲劳 极限” 。
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3 疲劳断口形貌及其特征 3.1 疲劳断口的宏观形貌及其特征
由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，因而形成了疲劳断 裂 特有的断口形貌，这是疲劳断裂分析时的根本依据。 典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区 、疲劳裂纹的选择发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等 五个区域。一般疲劳断口在宏观上也可粗略地分为疲劳源区、 疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个区域，更粗略地可将其分为
4、疲劳断裂对材料缺陷的敏感性
金属的疲劳失较具有对材料的各种缺陷均为敏感的特点。因为疲劳断 裂总是起源于微裂纹处。这些微裂纹有的是材料本身的冶金缺陷，有的是加 工制造过程中留下的，有的则是使用过程中产生的。
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1 疲劳断裂的基本形式和特征
5、疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性
金属材料的疲劳断裂除取决于材料本身的性能外，还与零件运行的 环境条件有着密切的关系。对材料敏感的环境条件虽然对材料的静强度 也有一定的影响，但其影响程度远不如对材料疲劳强度的影响来得显著 。大量实验数据表明，在腐蚀环境下材料的疲劳极限较在大气条件下低 得多，甚至就没有所说的疲劳极限。
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4
1 疲劳断裂的基本形式和特征
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1 疲劳断裂的基本形式和特征
1、正断疲劳失效
正断疲劳的初裂纹，是由正应力引起的。 正断疲劳的特点是：初裂纹所在平面大致上与应力轴相垂直。 大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以此种形式进行的。特别是 体心立方金属及其合金以这种形式破坏的所占比例更大；上述力学条件 在试件的内部裂纹处容易得到满足，但当表面加工比较粗糙或具有较深 的缺口、刀痕、蚀坑、微裂纹等应力集中现象时，正断疲劳裂纹也易在 表面产生。
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1 疲劳断裂的基本形式和特征 1.2 疲劳断裂失效的一般特征
1、疲劳断裂的突发性
疲劳断裂虽然经过疲劳裂纹的萌生、亚临界扩展、失稳扩展三个元过程， 但是由于断裂前无明显的塑性变形和其它明显征兆，所以断裂具有很强的突发性 。即使在静拉伸条件下具有大量塑性变形的塑性材料，在交变应力作用下也会显 ～ 示出宏观脆性的断裂特征。因而断裂是突然进行的。
或
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1 0.285( s b )
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1 疲劳断裂的基本形式和特征
3、疲劳断裂是一个损伤积累的过程
疲劳断裂不是立即发生的，而往往经过很长的时间才完成的。疲劳初 裂纹的萌生与扩展均是多次应力循环损伤积累的结果。 在工程上通常把试件上产生一条可见的初裂纹的应力循环周次（N0） 或将N0与试件的总寿命Nf的比值（N0/ Nf）作为表征材料疲劳裂纹萌生孕育 期的参量。 疲劳裂纹萌生的孕育期与应力幅的大小、试件的形状及应力集中状况 、材料性质、温度与介质等因素有关。
1.1 疲劳断裂失效的基本形式
机械零件疲劳断裂失效形式很多。 按交变载荷的形式不同，可分为拉压疲劳、弯曲疲劳、扭转疲劳、 接触疲劳、振动疲劳等； 按疲劳断裂的总周次的大小（Nf）可分为高周疲劳（Nf＞105）和低 周疲劳（Nf＜104）； 按零件服役的温度及介质条件可分为机械疲劳（常温、空气中的疲 劳）、高温疲劳、低温疲劳、冷热疲劳及腐蚀疲劳等。 但其基本形式只有两种，即由切应力引起的切断疲劳及由正应力引 起的正断疲劳。其它形式的疲劳断裂，都是由这两种基本形式在不同条 件下的复合。