疲劳失效的微观过程和机制
航空紧固件疲劳失效原因及改善措施
航空紧固件疲劳失效原因及改善措施航空紧固件作为飞机结构的重要组成部分，其性能直接关系到飞机的安全性和可靠性。
紧固件的疲劳失效是航空领域常见的问题之一，它通常是由多种因素共同作用的结果。
本文将探讨航空紧固件疲劳失效的原因，并提出相应的改善措施。
一、航空紧固件疲劳失效的原因1.1 材料特性航空紧固件的材料特性是影响其疲劳寿命的关键因素之一。
材料的强度、韧性、硬度等物理性能，以及微观结构如晶粒大小、夹杂物、相变等都会对疲劳性能产生影响。
例如，材料的强度越高，其疲劳强度也越高，但韧性可能会降低，这可能导致在高应力循环下更容易发生疲劳断裂。
1.2 制造工艺紧固件的制造工艺也会影响其疲劳性能。
锻造、热处理、表面处理等工艺过程都会改变材料的微观结构和表面状态。
不当的热处理可能导致材料硬度不均匀，增加应力集中的风险。
表面处理如镀层、渗碳等，如果处理不当，可能会引入裂纹源或改变材料的应力分布。
1.3 设计缺陷紧固件的设计缺陷也是导致疲劳失效的原因之一。
设计时未充分考虑应力集中、载荷分布、材料特性等因素，可能会导致紧固件在使用过程中承受不均匀的应力，从而加速疲劳裂纹的萌生和扩展。
1.4 环境因素环境因素对紧固件的疲劳性能也有显著影响。
温度、湿度、腐蚀性介质等环境条件会影响材料的性能，加速疲劳失效。
例如，在高温环境下，材料的疲劳强度会降低；在腐蚀性环境中，紧固件表面可能会形成腐蚀产物，增加应力集中，促进裂纹的形成。
1.5 载荷条件紧固件在使用过程中承受的载荷条件是影响其疲劳寿命的重要因素。
循环载荷、冲击载荷、振动等都会对紧固件产生疲劳损伤。
特别是循环载荷，其频率、幅值、波形等参数都会影响疲劳裂纹的萌生和扩展。
1.6 维护不当维护不当也是导致紧固件疲劳失效的原因之一。
缺乏定期检查和维护，未能及时发现和处理紧固件的损伤，可能会导致疲劳裂纹的扩展，最终导致紧固件的断裂。
二、航空紧固件疲劳失效的改善措施2.1 优化材料选择选择合适的材料是提高紧固件疲劳性能的基础。
高周疲劳断裂失效
通过从第二相或夹杂物引发疲劳 裂纹的机理看，只要只要能降低第二 相或夹杂物的脆性，提高相界面强度， 控制第二相或夹杂物数量、形态、大 小和分布，使之“少、圆、小、匀”， 均可抑制或延缓疲劳裂纹在第二相或 夹杂物附近萌生，提高疲劳强度。
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3.疲劳裂纹萌生过程及机理
（一）滑移带开裂产生裂纹
大量试验表明，金属在循环应力（σ＞ σ -1）长期作用，即使其应力低
于屈服应力，也会发生滑移并形成循环滑移带。与静载荷时均匀滑移带相比，
循环滑移是极不均匀的，总是集中分布在某些局部薄弱区域。驻留滑移带一
般只在表面形成，其深度较浅。
随着加载循环次数的增加，
第一阶段，微裂纹扩展速率很低，每 一应力循环大约只有0.1μm的扩展量。在 第一阶段裂纹扩展时，由于晶界的不断阻 碍作用，裂纹扩展逐渐转向垂直于拉应力 的方向，进入第二阶段扩展。
在室温及无腐蚀条件下疲劳裂纹扩展 是穿晶的。这个阶段的大部分循环周期内， 裂纹扩展速率为10-5～10-2mm/次。第二 阶段是疲劳裂纹亚稳态扩展的主要部分。
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3.疲劳裂纹萌生过程及机理
（三）晶界开裂产生裂纹 多晶材料由于晶界的存在和相邻晶粒的不同取向性，位错在某一晶粒内
运动时会受到晶界的阻碍作用，在晶界处发生位错塞积和应力集中现象。在 应力不断循环下，晶界处的应力得不到松弛，则应力峰越来越高，当超过晶 界强度时就会在晶界处产生裂纹。
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4.裂纹扩展过程及机理
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2.疲劳断口
③瞬断区 裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区
域。在疲劳裂纹亚稳态扩展阶段，随着应力不 断循环，裂纹尺寸不断长大，当裂纹长大到临 界尺寸ac时，因裂纹尖端的应力场强度因子KI 达到材料断裂韧度KIC时，裂纹就失稳快速扩 展，导致机件最后瞬时断裂。其断口比疲劳区 粗糙，宏观特征同静载的裂纹件的断口一样。
金属材料疲劳断裂机理分析
金属材料疲劳断裂机理分析一、引言金属材料常见的失效形式之一是疲劳断裂，而疲劳断裂机理的分析对于提高金属材料的使用寿命具有重要意义。
本文将对金属材料疲劳断裂机理进行详细分析。
二、金属材料的疲劳断裂1. 疲劳断裂的概念疲劳断裂是材料受到循环或重复应力作用后，出现裂纹并扩展，最终导致材料破坏的一种失效形式。
2. 疲劳断裂的特点（1）与静态断裂不同，疲劳断裂通常在应力水平低于静态破坏强度时出现。
（2）疲劳断裂往往发生在金属材料受到循环应力或者滞后循环应力的情况下。
（3）疲劳断裂是一个逐渐形成的过程，通常由细小的裂纹开始，然后扩展到整个截面并导致材料断裂。
3. 疲劳断裂的影响因素（1）应力幅值对于金属材料疲劳断裂的影响很大。
一般来说，应力幅值越大，疲劳断裂的损伤就越严重。
（2）材料的力学性质对于疲劳断裂也有很大的影响。
通常来说，强度越高的材料越难发生疲劳断裂，但是当强度相同时，材料的硬度越高，就越容易疲劳断裂。
（3）疲劳断裂还受到持续时间、温度、材料的化学成分和缺陷的影响。
4. 疲劳断裂的分类根据裂纹的扩展速率和应力比，疲劳断裂可以分为以下几类：（1）低周疲劳断裂：在循环应力下，材料的裂纹扩展速率很慢，往往需要上百万以上次循环才会导致疲劳断裂。
（2）中周疲劳断裂：循环应力下材料的裂纹扩展速率较快，在千-十万次循环后就能导致疲劳断裂。
（3）高周疲劳断裂：循环应力下材料的裂纹扩展速率极快，在数十万-数百万次循环内就会导致疲劳断裂。
5. 疲劳断裂的机理（1）金属材料的疲劳断裂过程一般分为始裂阶段和稳定扩展阶段。
（2）始裂阶段：在材料表面出现较小的裂纹，形成的原因是在应力作用下，材料中的微小缺陷和夹杂物开始聚集和扩散。
（3）稳定扩展阶段：当裂纹扩展到一定长度时，会出现塑性形变，当扩展到一定程度时，材料就会出现断裂。
（4）材料疲劳断裂机理可以采用形变、断裂学和金相学等多方面知识进行解释。
三、疲劳断裂机理分析1. 循环应力下的金属变形材料在循环应力下，会出现塑性变形和弹性变形两种不同的变形形式。
构件发生疲劳断裂时微观形貌特征
构件发生疲劳断裂时微观形貌特征一、引言疲劳断裂是材料科学和工程领域中一个重要的问题，它导致许多实际工程中的失效事故。
研究材料在疲劳载荷下的断裂行为及其微观形貌特征对于预防疲劳断裂具有重要的意义。
本文将探讨构件在疲劳断裂发生时的微观形貌特征。
二、疲劳断裂的基本特征1. 疲劳断裂是指在交变应力作用下，材料在较短时间内经历多次应力循环后出现断裂的现象。
2. 疲劳断裂的形貌特征包括疲劳裂纹的形态和扩展方向等。
三、微观形貌特征的分析1. 晶粒形貌特征在疲劳断裂过程中，晶粒会逐渐失去规则的排列状态，形成疲劳裂纹。
晶粒在断裂前后的形态变化对于断裂的过程和机制具有重要的意义。
2. 疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹的扩展路径是材料疲劳断裂行为中的重要特征之一。
疲劳裂纹往往呈现出交错、分叉等形态，揭示了材料在疲劳断裂过程中的特殊应力状态及其对裂纹形成的影响。
3. 微观结构的变化材料在疲劳断裂过程中，其微观结构会发生变化，如晶粒尺寸的变化、位错堆积等。
这些变化对材料的强度和断裂性能都有重要影响，因此对微观结构的研究可以揭示材料疲劳断裂的机制。
四、疲劳断裂的机制1. 晶界滑移与扩展在疲劳断裂过程中，晶界的滑移与扩展是一个重要的机制。
晶界滑移的不规则扩展对材料的疲劳性能有重要影响。
2. 前驱裂纹的形成疲劳断裂过程中，前驱裂纹的形成是一个重要的环节。
微观形貌特征的分析可以帮助揭示前驱裂纹形成的机制。
3. 微观缺陷的影响材料在制备和应力加载过程中存在着各种微观缺陷，这些缺陷对疲劳断裂的形貌特征有重要的影响。
研究微观缺陷对疲劳断裂的影响，可以为材料设计和工程应用提供重要参考。
五、研究方法1. 金相显微镜观察金相显微镜是研究材料微观形貌特征的重要工具之一，通过观察材料的金相组织和晶粒形貌特征，可以揭示材料疲劳断裂的微观机理。
2. 电镜观察电镜是研究材料微观结构和形貌特征的重要手段，其高分辨率的观察能力可以揭示材料微观形貌特征的细节。
3. 数值模拟数值模拟是研究材料断裂行为和微观形貌特征的重要方法，通过模拟材料在疲劳载荷下的行为，可以揭示材料的疲劳断裂机制和微观形貌特征。
微观组织对金属疲劳失效的影响研究
微观组织对金属疲劳失效的影响研究一、金属疲劳失效概述金属疲劳失效是指金属材料在循环载荷作用下，经过一定时间后在局部区域产生裂纹并逐渐扩展，最终导致材料断裂的现象。
这种现象在工程结构中极为常见，是导致许多机械故障和事故的主要原因之一。
金属疲劳失效的研究对于提高材料的使用寿命、保障结构安全具有重要意义。
1.1 金属疲劳失效的机理金属疲劳失效的机理复杂，涉及到材料科学、力学、表面科学等多个领域。
在循环载荷作用下，材料内部的微观缺陷（如晶界、夹杂物、空洞等）会逐渐累积应力，当应力超过材料的疲劳极限时，就会在这些缺陷处形成裂纹。
随着载荷的持续作用，裂纹会逐渐扩展，直至材料断裂。
1.2 金属疲劳失效的影响因素金属疲劳失效的影响因素众多，包括材料的化学成分、微观组织、加工工艺、表面处理、载荷特性等。
其中，微观组织对金属疲劳失效的影响尤为显著。
不同的微观组织，如晶粒大小、晶界类型、第二相分布等，都会对材料的疲劳性能产生重要影响。
二、微观组织对金属疲劳失效的影响微观组织是影响金属疲劳性能的关键因素之一。
不同的微观组织特征，如晶粒大小、晶界特性、第二相分布等，都会对金属的疲劳行为产生显著影响。
2.1 晶粒大小对金属疲劳失效的影响晶粒大小是影响金属疲劳性能的重要因素。
一般来说，晶粒越细小，金属的疲劳强度越高。
这是因为细小的晶粒可以增加裂纹扩展的路径，从而提高材料的疲劳寿命。
此外，细小晶粒还可以提高材料的塑性变形能力，有助于吸收和分散应力，减少应力集中。
2.2 晶界特性对金属疲劳失效的影响晶界是金属中晶粒之间的界面，其特性对金属疲劳失效具有重要影响。
晶界的类型、清洁度、取向等都会影响晶界的强度和裂纹的扩展行为。
例如，高角度晶界通常比低角度晶界具有更高的强度，能够更有效地阻止裂纹的扩展。
此外，晶界上的杂质和夹杂物会降低晶界的强度，促进裂纹的形成和扩展。
2.3 第二相分布对金属疲劳失效的影响第二相是指金属基体中分布的非金属相，如碳化物、氧化物等。
疲劳损伤机理
疲劳损伤机理全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：疲劳损伤是指在重复应力下物体发生的裂纹和变形现象，是一种由于长期受到变化应力或应变而引起的结构疲劳失效。
疲劳损伤机理是指物体在疲劳过程中发生变形和破坏的过程和规律。
疲劳损伤机理的研究对于预防和减少疲劳失效有着重要的意义。
疲劳损伤机理主要包括以下几个方面：1. 微观裂纹萌生和扩展过程；2. 微观与宏观损伤的联系；3. 疲劳寿命和疲劳损伤的量化研究。
1. 微观裂纹萌生和扩展过程：微观裂纹的萌生和扩展是物体疲劳损伤的基本过程。
在材料内部，由于应力的变化，晶粒之间或晶粒内部会产生位错或裂纹，当这些位错或裂纹达到一定的尺度时，就会引起材料的疲劳破坏。
裂纹的扩展是一个复杂的过程，需要考虑到位错运动、裂纹尖端的弹塑性变形和应变集中等因素。
2. 微观与宏观损伤的联系：微观裂纹的萌生和扩展对宏观疲劳损伤有着直接的影响。
微观裂纹的扩展会导致材料的局部强度降低，最终引起宏观损伤和破坏。
在疲劳实验中，可以通过观察材料的微观结构变化和裂纹扩展情况来评估材料的疲劳性能和寿命。
3. 疲劳寿命和疲劳损伤的量化研究：疲劳寿命是指材料在特定载荷条件下发生疲劳失效所经历的循环次数。
疲劳寿命的预测对于材料的设计和使用至关重要。
在疲劳损伤的量化研究中，常用的方法包括材料的S-N曲线、台阶法、温度作用、环境作用等。
疲劳损伤机理的研究对于预防和减少疲劳失效有着重要的意义。
通过深入理解材料在疲劳过程中的微观裂纹萌生和扩展过程、微观与宏观损伤的联系以及疲劳寿命和疲劳损伤的量化研究，可以有效地提高材料的抗疲劳性能，延长材料的使用寿命，保证材料的安全可靠性。
第二篇示例：疲劳损伤机理是指物体在长期受到循环加载或交替加载的情况下，逐渐发生的结构疲劳失效现象。
疲劳损伤是在不可逆变形条件下，由于物体长期受到周期性或重复的应力作用，导致结构材料逐渐疲劳裂纹的形成和扩展，最终导致物体失效的过程。
疲劳是材料的一种本质特性，几乎所有的材料都会在长期受到交替应力作用下发生疲劳现象，因此疲劳损伤机理的研究对于材料的设计和寿命预测具有重要的意义。
金属疲劳断裂的微观机理分析
金属疲劳断裂的微观机理分析一、金属疲劳断裂的基本概念金属疲劳断裂是指金属材料在受到重复或循环加载作用下，经过一定周期后发生的断裂现象。
这种现象在工程结构中极为常见，对材料的可靠性和安全性构成了严重威胁。
金属疲劳断裂是一个复杂的物理过程，涉及到材料的微观结构、应力状态、加载条件等多种因素。
1.1 金属疲劳断裂的定义与分类金属疲劳断裂通常可以分为低周疲劳和高周疲劳两种类型。
低周疲劳是指在较少的循环次数下，材料因塑性变形累积而发生断裂；而高周疲劳则是在大量的循环加载下，材料在没有明显塑性变形的情况下发生断裂。
此外，根据断裂的微观机制，金属疲劳断裂还可以进一步细分为穿晶断裂和沿晶断裂。
1.2 金属疲劳断裂的影响因素金属疲劳断裂的影响因素众多，包括但不限于材料的化学成分、微观组织、晶粒大小、应力集中、加载频率、环境条件等。
这些因素通过不同的机制影响材料的疲劳寿命和断裂行为。
1.3 金属疲劳断裂的研究意义深入研究金属疲劳断裂的微观机理，对于提高工程结构的可靠性、预测和防止疲劳失效具有重要的理论和实际意义。
通过优化材料设计、改进加工工艺、采用合理的加载方式等措施，可以有效延长材料的疲劳寿命，减少因疲劳断裂导致的损失。
二、金属疲劳断裂的微观机理金属疲劳断裂的微观机理是材料科学领域的研究热点之一。
通过对金属疲劳断裂过程中微观结构变化的观察和分析，可以揭示疲劳裂纹的萌生、扩展和最终断裂的内在机制。
2.1 疲劳裂纹的萌生机理疲劳裂纹通常在材料表面或内部的应力集中区域萌生。
在循环加载作用下，材料表面或内部的微观缺陷（如夹杂、孔洞、晶界等）会逐渐发展成为微裂纹。
微裂纹的形成和发展与材料的微观结构、应力状态和加载条件密切相关。
2.2 疲劳裂纹的扩展机理当微裂纹形成后，会在循环应力的作用下逐渐扩展。
疲劳裂纹的扩展过程可以分为三个阶段：裂纹的微观扩展、宏观扩展和快速断裂。
在微观扩展阶段，裂纹主要沿着晶粒内部扩展，受到晶粒取向、位错运动等因素的影响。
疲劳失效的微观过程和机制
在低温环境下，金属材料的脆性增加，可能导致在较低的应力水平下发生脆性断裂。此外，低温还可能引起材料 内部微裂纹的扩展速度减慢，从而延长了疲劳寿命。
高温
高温通常会加速金属材料的氧化和腐蚀过程，导致材料性能退化。此外，高温还可能引起金属材料的热软化，降 低其抗疲劳性能。
PART 04
疲劳失效的预测与预防
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2023 WORK SUMMARY
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REPORTING
增强材料抗疲劳性能的方法
材料改性 材料表面强化
振动预处理 环境控制
通过合金化、热处理、复合强化等手段改善材料的微观结构和 力学性能，提高材料的抗疲劳性能。
利用物理或化学方法在材料表面形成具有高硬度和高弹性的涂 层，如镀铬、渗碳、渗氮等，以提高表面的抗疲劳性能。
通过振动对材料进行预处理，改善材料的内部结构，提高其抗 疲劳性能。
桥梁的疲劳失效案例
钢桥
钢桥在车辆载荷和风载等循环载荷作用下，钢桥的焊接部位 和螺栓连接处容易产生疲劳裂纹，导致断裂失效。
混凝土桥
混凝土桥的梁体和桥墩在车辆载荷和地震等循环载荷作用下 ，容易出现裂缝和损伤，导致疲劳失效。
机械设备的疲劳失效案例
汽车零部件
汽车零部件如曲轴、气瓶等在循环交变应力的作用下，容易产生疲劳裂纹，扩展至断裂，导致失效。
高速列车轮轨
高速列车轮轨在高速运行过程中承受高强度的循环载荷，容易导致轮轨表面产生疲劳裂纹，影响行车 安全。
PART 06
结论
对疲劳失效的理解
01
疲劳失效是一个复杂的过程， 涉及到微观结构和宏观行为的 相互作用。
02
疲劳失效通常由局部应力集中 引起，这些应力集中区域在循 环载荷下逐渐损伤和扩展，最 终导致整体结构的失效。
高温合金材料疲劳寿命研究
高温合金材料疲劳寿命研究一、背景介绍高温合金材料是一种应用于高温环境下的金属材料，具有耐高温、耐热腐蚀、耐疲劳等特性，在航空、航天、能源、化工等领域广泛应用。
疲劳寿命是材料在高温环境下使用时一个重要的性能参数，研究高温合金材料的疲劳寿命可以为其工程应用提供科学依据。
二、高温合金材料的疲劳性能高温合金材料在高温环境下容易发生疲劳失效，对于材料的设计、制备和使用都有一定的影响。
在高温环境下，高温合金材料容易出现氧化、蠕变、晶粒长大等现象，这些现象会导致材料的性能发生变化，最终影响材料的疲劳寿命。
高温合金的疲劳寿命是指在高温环境下，在一定的应力幅值下，材料能承受的循环次数。
疲劳寿命取决于材料的力学性能、化学性质、微观结构等因素。
三、高温合金材料疲劳失效机制高温合金材料在高温环境下易出现以下疲劳失效机制：1.疲劳裂纹扩展：高温环境下，高温合金材料表面容易形成氧化层，疲劳裂纹常常从氧化层开始扩展。
2.微观组织变化：高温环境下，高温合金材料微观结构容易发生变化，如晶粒长大、相变等，这些变化会影响材料的本构关系，导致疲劳失效。
3.高温蠕变：高温合金材料在高温环境下容易发生蠕变，蠕变会导致应力分布发生变化，从而使材料在疲劳加载下出现疲劳失效。
四、高温合金材料疲劳寿命的测试方法高温合金材料疲劳寿命常采用的测试方法有：1.拉伸-反弹法：该方法是在一定的拉伸应力下，对材料进行反复加载，测量材料的寿命。
2.三点弯曲法：该方法是对材料进行三点弯曲，测量材料的寿命。
3.旋转弯曲法：该方法是在高温环境下，对材料进行旋转弯曲，测量材料的寿命。
4.高频振动法：该方法是对材料进行高频振动，测量材料的疲劳寿命。
五、提高高温合金材料疲劳寿命的途径提高高温合金材料疲劳寿命常采用的途径有：1.改进材料的微观结构：通过改变材料的组织结构、化学成分等途径提高材料的力学性能和蠕变性能。
2.应力控制：合理控制应力幅值和加载频率，减少材料的疲劳损伤。
材料工程面试题及答案
材料工程面试题及答案材料工程是一门多学科交叉的领域，它涉及到材料的合成、加工、结构、性质以及应用等多个方面。
在面试材料工程相关职位时，可能会遇到一些专业问题，以下是一些典型的面试题目及答案。
面试题目1：请解释材料的微观结构对宏观性能的影响。
答案：材料的微观结构是指材料在原子、分子或晶格层面上的排列和组织。
这些微观结构特征，如晶粒大小、晶体缺陷、相界和微观孔隙，会显著影响材料的宏观性能，如强度、韧性、导电性、热传导性等。
例如，晶粒越细，材料的强度和硬度通常越高，但韧性可能会降低；晶体缺陷如位错和空位可以提高材料的塑性，但可能会降低其强度。
面试题目2：简述材料科学中的“相”的概念。
答案：在材料科学中，“相”是指在热力学平衡状态下，具有均匀组成和结构的区域。
材料可以由一个或多个相组成，每个相具有不同的化学组成和晶体结构。
相的转变，如固液相变（熔化和凝固），固固相变（如马氏体转变），对材料的性能有重要影响。
了解和控制相变是材料设计和加工的关键。
面试题目3：请描述材料疲劳失效的机理。
答案：材料疲劳失效是指在反复加载和卸载过程中，即使应力水平低于材料的屈服强度，材料也会发生断裂。
疲劳失效的机理通常涉及微观结构的变化，如位错运动、微裂纹的形成和扩展。
在循环应力作用下，材料内部的缺陷逐渐累积，最终导致宏观裂纹的形成和扩展，最终导致材料断裂。
疲劳寿命与加载的频率、幅度和材料的微观结构等因素有关。
面试题目4：解释什么是复合材料，并讨论其在现代工程中的应用。
答案：复合材料是由两种或两种以上不同材料组成的新型材料，这些材料在宏观尺度上保持各自的特性，通过物理或化学方法结合在一起，形成具有新性能的材料。
复合材料通常由基体材料和增强材料组成，如碳纤维增强塑料（CFRP）。
复合材料在现代工程中有广泛应用，包括航空航天、汽车工业、体育器材和建筑结构等，其优势在于高强度、轻质、耐腐蚀和可设计性。
面试题目5：讨论材料的热处理对性能的影响。
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。
材料的疲劳
材料的疲劳材料的疲劳是指材料在受到交变荷载作用下，经历了长时间反复循环载荷，最终引起材料失效的现象。
疲劳失效通常发生在应力远小于材料屈服强度的情况下，因此可以说疲劳是材料的弱点之一。
材料在疲劳过程中会经历以下几个阶段：起始、扩展和失效。
起始阶段是指材料开始受到交变载荷作用，产生微小的裂纹。
裂纹的起始往往发生在材料晶界或缺陷处，然后逐渐扩展到整个材料截面。
一旦裂纹扩展到一定程度，就会导致材料失效。
材料的疲劳失效与循环载荷的幅值、频率和应力比等因素密切相关。
幅值是指载荷的最大峰值和最小峰值之间的差值。
频率是指载荷每单位时间内的循环次数。
应力比是指最小应力和最大应力之间的比值。
这些因素会对材料的疲劳寿命产生重要影响。
材料的疲劳寿命是指材料在特定循环载荷条件下能承受的循环次数。
疲劳寿命与材料的性能密切相关，包括强度、韧性、硬度等。
不同材料的疲劳寿命差异很大，一些高强度材料因其内部微观结构的不均匀性，容易产生裂纹，从而导致疲劳失效。
为了提高材料的疲劳寿命，可以采取以下几种方法：首先是合理设计材料的形状和尺寸，避免出现应力集中。
其次是加工和处理材料时，控制好温度和应力的变化，减少材料的内部残余应力。
此外，合理选择材料的组织和热处理方法也可以提高材料的疲劳寿命。
在实际应用中，材料的疲劳失效往往是无法避免的。
因此，人们常常希望通过定期检测和监测，及时发现材料的疲劳裂纹，采取修复或更换的措施，以确保材料的可靠运行。
总之，材料的疲劳是一种常见的失效形式，特点是在应力远小于屈服强度的情况下发生。
正确的设计、加工和处理方法可以提高材料的疲劳寿命。
及时发现和修复疲劳裂纹也是确保材料可靠性的重要措施。
14-02第二章疲劳破坏特征及断口分析
疲劳条带是疲劳断口的宏观基本特征，是判断 结构断裂失效是否为疲劳断裂的重要依据。
但并不是所有疲劳断口上都会有疲劳条带出现。 实验室进行的标准试样的等幅疲劳试验很少有 疲劳条带出现。
一般认为其形成与循环载荷的变化、裂纹扩展 忽快忽慢、裂纹扩展不均匀有关。
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能源与动力学院 <<结构疲劳与断裂>> -- 2014
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能源与动力学院 <<结构疲劳与断裂>> -- 2014
循环加载时的滑移：
N=104
N=5 104
N=2.7 105
（多晶体镍恒幅应力循环）
扰动载荷 ⇒应力集中 ⇒滑移带 ⇒驻留滑移带 ⇒微裂纹、扩展 ⇒宏观裂纹、扩展
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能源与动力学院 <<结构疲劳与断裂>> -- 2014
挤出脊和侵入沟：
挤出脊和侵入沟是疲劳过程中发生在金属表面的 另一种普遍现象。
滑移的临界分切应力：
滑移在切应力（剪应力）的作用下开动。
分切应力越大，滑移系越容易开动。 cosφcosλ称为取向因子，又称斯米 特（schmid）因子。
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能源与动力学院 <<结构疲劳与断裂>> -- 2014
3
2.2.2 疲劳裂纹萌生机理
早期错误的认识：循环加载时，材料的内部结构 发生了变化，塑性“纤维”结构——脆性“晶体” 结构。
裂纹萌生区域：
裂纹扩展区域：
第一阶段：断口光滑，具有晶体学特征，此外没有明显特征。
第二阶段：疲劳条纹（ striation ）—— 重要特征
滑移带和驻留滑移带
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能源与动力学院 <<结构疲劳与断裂>> -- 2014
疲劳与断裂分析考核试卷
17.关于疲劳寿命的预测，以下哪种模型是基于裂纹扩展理论的：( )
A. Manson-Coffin方程
B. Miner法则
C. Paris公式
D. Soderberg方程
18.在交变载荷下，应力幅值与应力平均值的关系：( )
A.应力幅值越高，应力平均值也越高
B.应力幅值与应力平均值无关
18. ABC
19. ABC
20. ABCD
三、填空题
1.表面
2. da/dN-ΔK
3.疲劳极限
4.材料
5.疲劳寿命
6.疲劳损伤累积
7.应力集中
8.门槛值
9.应力强度因子
10.正弦波、三角波
四、判断题
1. ×
2. ×
3. √
4. ×
5. ×
6. ×
7. ×
8. ×
9. ×
10. ×
五、主观题（参考）
A.表面裂纹
B.微观裂纹
C.低应力幅值
D.高应力幅值
20.以下哪些因素会影响疲劳试验的结果：( )
A.试样的制备
B.试验机的精度
C.加载波形
D.试验环境条件
三、填空题（本题共10小题，每小题2分，共20分，请将正确答案填到题目空白处）
1.疲劳裂纹的萌生通常发生在材料的_______区域。
2.疲劳裂纹扩展的速率可以用_______曲线来描述。
8.所有材料的疲劳寿命都可以用S-N曲线来描述。（）
9.在疲劳分析中，静态疲劳极限和动态疲劳极限是相同的。（）
10.疲劳试验中，加载频率对试验结果没有影响。（）
五、主观题（本题共4小题，每题5分，共20分）
1.请简述疲劳裂纹萌生的主要原因，并说明如何通过设计来减少疲劳裂纹的萌生。
金属加工过程中的金属疲劳分析考核试卷
5.金属材料在高温下的疲劳强度一般会__________。
6.疲劳试验中，应力水平低于材料的疲劳极限时，材料可以承受__________的循环应力而不发生疲劳破坏。
7.金属疲劳裂纹扩展的微观机制中，裂纹尖端的__________是导致裂纹扩展的主要原因。
8. ×
9. ×
10. √
五、主观题（参考）
1.萌生阶段：在材料表面或缺陷处形成微小裂纹；扩展阶段：裂纹逐渐增大，速率受应力强度因子影响；断裂阶段：裂纹扩展至临界尺寸导致材料断裂。三者关系：裂纹萌生是前提，扩展是疲劳破坏的主要过程，断裂是最终结果。
2.微观机制包括裂纹尖端塑性变形、裂纹尖端氧化腐蚀等。影响裂纹扩展速率的因素有应力强度因子、环境介质、温度等。
B.内部
C.晶界
D.孔隙
14.下列哪种方法可以用于检测金属疲劳裂纹？（）
A.光学显微镜
B.电子显微镜
C.超声波检测
D.磁粉检测
15.金属疲劳裂纹扩展的微观机制主要包括下列哪些过程？（）
A.裂纹尖端塑性变形
B.裂纹尖端氧化
C.裂纹尖端腐蚀
D. A、B和C
16.下列哪种因素会影响金属材料的疲劳极限？（）
B.外部环境
C.加工工艺
D. A和B
11.下列哪种金属材料的疲劳强度最高？（）
A.铁素体不锈钢
B.马氏体不锈钢
C.奥氏体不锈钢
D.铜合金
12.金属疲劳裂纹扩展速率与下列哪一项成正比？（）
A.应力强度因子
B.疲劳寿命
C.材料的疲劳极限
D.晶粒尺寸
13.金属疲劳裂纹的萌生主要发生在下列哪个位置？（）
14-02第二章疲劳破坏特征及断口分析
2.1 宏观断口特征 2.2 疲劳破坏机理 2.3 微观断口特征 2.4 由疲劳断口进行初步失效分析
1
能源与动力学院 <<结构疲劳与断裂>> -- 2014
2.1.1 疲劳破坏宏观断口特征
材料疲劳断裂虽然类似脆性断裂，但疲劳断口 明显区别于其他类型断口：
疲劳断口
塑性断口
15
能源与动力学院 <<结构疲劳与断裂>> -- 2014
2.2.1 金属的塑性变形
金属的塑性 变形方式: 滑移和孪生
滑移：滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面（滑移面）和 晶向（滑移方向）相对于另一部分发生滑动位移的现象。 滑移带：塑性变形的可见标记（金相显微镜）。
铜拉伸试样表面滑移带 500x
16
能源与动力学院 <<结构疲劳与断裂>> -- 2014
疲劳条带是疲劳断口的宏观基本特征，是判断 结构断裂失效是否为疲劳断裂的重要依据。
但并不是所有疲劳断口上都会有疲劳条带出现。 实验室进行的标准试样的等幅疲劳试验很少有 疲劳条带出现。
一般认为其形成与循环载荷的变化、裂纹扩展 忽快忽慢、裂纹扩展不均匀有关。
9
能源与动力学院 <<结构疲劳与断裂>> -- 2014
疲劳裂 纹成核
扩展至临 界尺寸
断裂 发生
疲劳裂纹的起始或萌生过程，称为裂纹成核，成 核处——裂纹源。
裂纹起源（裂纹源）仍然是由于滑移引起的，表 面或应力集中处的局部某些晶粒中。
19
能源与动力学院 <<结构疲劳与断裂>> -- 2014
循环加载时的滑移：
材料表面
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Np
ac
ai
da (da / dN )
• 式中(da/dN)代表疲劳裂纹扩展速率表达式。
• 按上式计算裂纹扩展寿命，要选择合适的裂纹扩 展速率公式，确定初始裂纹尺寸ai和临界裂纹尺 寸 ac，即积分的上、下限。 • 目前，很多工程师仍采用Paris公式或作修正后的 Parjs公式，计算裂纹扩展寿命。
主讲教师: 王 泓
西北工业大学 材料学院
材料的力学性能
第八章 疲劳失效的微观过程和机制
8、3．1 疲劳裂纹扩展速率的测定
• 测定裂纹扩展速率采用紧凑拉伸(CT)试件、 中心裂纹(CCT)试件或三点弯曲试件，在固 定的载荷△P和应力比R下进行。 • 实验时每隔一定的加载循环数，测定裂纹 长度a，作出a-N关系曲线。
• 当微裂纹顶端接近晶界时，其长大速率减小甚至 停止长大。这必然是因为相邻晶粒内滑移系的取 向不同。 • 微裂纹只有穿过晶界，才能与相邻晶粒内的微裂 纹联接，或向相邻晶粒内扩展，以形成宏观尺度 的疲劳裂纹。
• 因为晶界有阻碍微裂纹长大和联接的作用，因而 晶粒细化有利于延长疲劳裂纹形成寿命和疲劳寿 命。
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
主讲教师: 王 泓
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
2024-T4铝合金中的滑移带裂纹
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
• 已形成的微裂纹在循环加载时将继续长大。
• 对其他的裂纹扩展机制，B＝1/(2πEσfεf)
适用于三个区的裂纹扩展公式 ：
da 4.8 1 1/ 2 1 2 K K th dN E K 1 R K C
3 / 2
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
塑性钝化模型
• 疲劳条带的形成通常引用塑性钝化模型予 以说明。可见，每加载一次，裂纹向前扩 展一段距离，这就是裂纹扩展速率da/dN， 同时在断口上留下一疲劳条带，而且裂纹 扩展是在拉伸加载时进行的。在这些方面， 裂纹扩展的塑性钝化模型与实验观测结果 相符。
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
应力比对裂纹扩展速率的影响
• 实验研究表明，在Ⅰ区和 Ⅲ区，裂纹扩展速率受到 材料的显微组织、应力比 和环境等内外因素的很大 影响；而在Ⅱ区，上述因 素的影响相对地较小。 • 图表示应力比对Ⅰ区和Ⅲ 区的裂纹扩展速率影响很 大，而对Ⅱ区的影响则较 小。
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
8．2 疲劳裂纹扩展过程和机制
• 对光滑试件，疲劳裂纹扩展可分为I、II两个阶段。
• 第I阶段，裂纹沿着与拉应力成45o 的方向，即在 切应力最大的滑移面内扩展，如图所示。
• 第I阶段裂纹扩展的距离一般都很小，约为1-2个 晶粒，并且随着名义应力范围的升高而减小；
第八章 疲劳失效的微观过程和机制
夹杂物与基体相界开裂
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
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环境作用
第八章 疲劳失效的微观过程和机制
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
• 疲劳条带只在塑性好的材料，尤其是具有面心立方晶格的 铝合金、奥氏体不锈钢等的疲劳断口上清晰地观察到。 • 在一些低塑性材料中，如粗片状珠光体钢，疲劳裂纹以微 区解理(Microcleavage)或沿晶分离的方式扩展，因而在这 类材料的疲劳断口上不能观察到疲劳条带。
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
典型的疲劳断口
• 疲劳裂纹形成于零件的表面，然后在各个 方向上以近似相等的速度扩展，同时形成 辐射状的疲劳沟。 • 沿着疲劳沟可画出辐射线，辐射线的交点 即为裂纹形成的位置——疲劳源。
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• 对a-N 曲线求导，即得裂纹扩展速率， da/dN ，也就是每循环一次裂纹扩展的距离， 单位为 m/cycle。
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
8、3．2 疲劳裂纹扩展速率曲线
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
单向拉伸时形成的滑移带
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旋转弯曲疲劳时形成的滑移带
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
8、3．4 降低疲劳裂纹扩展速率的 途径
第八章 疲劳失效的微观过程和机制
• 近门槛区的裂纹扩展速率主要决定于裂纹扩展门 槛值ΔKth之值；相同的ΔK下，提高ΔKth之值，使 裂纹扩展速率大大降低。
• 粗化晶粒将提高材料的疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth 之值，见图，因而降低材料在近门槛区的裂纹扩 展速率。
• 将相应的裂纹 长度 a和△P， 代入应力强度 因子表达式计 算出△K 。最 后，绘制出 da/dN-△K关系 曲线，即疲劳 裂纹扩展速率 曲线，如图所 示。
主讲教师: 王 泓
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
裂纹扩展速率曲线的分区
• 一条完整的疲劳裂纹扩展速率曲线可以分为三个区：Ⅰ区、 Ⅱ区和Ⅲ 区: • Ⅰ区，裂纹扩展速率随着△K的降低而迅速降低，以至 da/dN→0。与此相对应的△K值称为疲劳裂纹扩展门槛值， 记为△Kth 。实验测定的裂纹扩展门槛值常定义为： da/dN＝1~3×10-10 m/cycle时的△K值。又将Ⅰ区称为近 门槛区。 • Ⅱ区，为中部区或稳态扩展区，对应于da/dN ＝10-8-10-6 m／cycle。 在Ⅱ区， 裂纹扩展速率在log da/dN - log△K 双对数坐标上呈一直线。 • Ⅲ区，为裂纹快速扩展区，da/dN ＞10-6 - 10-5 m／cycle, 并随着△K的增大而迅速升高。当Kmax＝△K/(1-R)=KI C 时，试件或零件断裂。
持久滑移带(Persist Slip Band)
• 循环滑移带的又一个特征是它的持久性。在疲劳 试验的初期，就能观察到滑移带。随着加载循环 数的增加，循环滑移带的数目和滑移强度均增加。 对试件进行电解抛光，多数滑移带更为明显；
• 若除去滑移带，对试件重新循环加载，滑移带又 在原处再现。这种滑移带称为持久滑移带(Persist Slip Band)。 • 疲劳裂纹在持久滑移带中出现。
• 在Ⅱ区,裂纹扩展速率主要取决于裂纹扩展系数B。 而B之值取决于材料的性能和裂纹在Ⅱ区的扩展 机制，
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
8、3．5 疲劳裂纹扩展寿命估算*
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
晶界或亚晶界开裂
镍基超合 金在 800℃下 循环加载 时由晶界 上的微孔 联接而形 成的沿晶 疲劳裂纹 （右）
镍基超 合金在 室温下 疲劳裂 纹沿滑 移面形 成（左）
主讲教师: 王 泓
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材料的力学性能
主讲教师: 王 泓
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
8．1 疲劳裂纹形成的过程和机制
• 宏观尺度的疲劳裂纹形成一般包括这样三个阶段： 微裂纹的形成，微裂纹的长大和微裂纹的联接。
• 疲劳裂纹通常形成于试件或零件的表面。在某些 情况下，例如接触疲劳，表面硬化钢，疲劳裂纹 也会在表面层下一定的深度处形成。 • 疲劳微裂纹的形成可能有三种方式：1）表面滑移 带开裂。2）夹杂物与基体相界面的分离或夹杂物 本身断裂。3）晶界或亚晶界开裂。
主讲教师: 王 泓
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
主讲教师: 王 泓
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
循环滑移带
• 在循环载荷作用下, 即使循环应力不超过屈 服强度，也会在试件表面形成滑移带, 称为 循环滑移带。 • 拉伸时形成的滑移带分布较均匀，而循环 滑移带则集中于某些局部区域，如图所示。 而且在循环滑移带中会出现挤出与挤入， 从而在试件表面形成微观切口。
• 在切口试件中，可能不出现裂纹扩展的第I阶段。