高周疲劳断裂失效
疲劳断裂的失效准则
疲劳断裂的失效准则
疲劳断裂是材料在循环载荷作用下，经过一段时间后发生的突然断裂现象。
疲劳断裂失效准则主要包含以下几种类型：
1.机械疲劳
机械疲劳是指材料在周期性机械载荷作用下，经过一定时间后发生的疲劳断裂现象。
机械疲劳的失效准则通常基于材料的疲劳极限和循环次数来确定。
2.热疲劳
热疲劳是指材料在周期性温度变化作用下，经过一定时间后发生的疲劳断裂现象。
热疲劳的失效准则通常基于材料的热膨胀系数、温度变化范围和循环次数来确定。
3.高周疲劳
高周疲劳是指材料在较高应力幅或较大循环次数作用下发生的疲劳断裂现象。
高周疲劳的失效准则通常基于材料的疲劳极限和循环次数来确定。
4.低周疲劳
低周疲劳是指材料在较低应力幅或较小循环次数作用下发生的疲劳断裂现象。
低周疲劳的失效准则通常需要考虑材料的塑性变形和损伤累积。
5.超高周疲劳
超高周疲劳是指材料在极高的应力幅或极小的循环次数作用下发生的疲劳断裂现象。
超高周疲劳的失效准则通常基于材料的断裂强度和循环次数来确定。
6.拉压疲劳
拉压疲劳是指材料在拉压循环载荷作用下发生的疲劳断裂现象。
拉压疲劳的失效准则通常基于材料的屈服强度和循环次数来确定。
7.扭转疲劳
扭转疲劳是指材料在周期性扭转载荷作用下发生的疲劳断裂现象。
扭转疲劳的失效准则通常基于材料的剪切强度和循环次数来确定。
8.弯曲疲劳
弯曲疲劳是指材料在周期性弯曲载荷作用下发生的疲劳断裂现象。
弯曲疲劳的失效准则通常基于材料的弯曲强度和循环次数来确定。
断裂力学 疲劳裂纹的扩展
5.2 疲劳裂纹的扩展速率
a
疲劳裂纹扩展的定量表示用 N
或 da
dN
， N 是交变应力循环
次数增量， a 是相应的裂纹长度的增量。
疲劳裂纹扩展速率:
a N
（或
da dN
），表示交变应力每循环
一次裂纹长度的平均增量（mm/次），它是裂纹长度a、应
KK1m axK1m in
其中 K1max、K1min 分别是交变应力最大值和最小值所计算的应 力强度因子。
Paris公式为最基本的公式，许多学者提出了对其的修正方案。主 要有Donahue、Priddle、Walker等。
Paris应力强度因子理论与实验结果符合较好的一种 理论.
第 I 阶段 KI Kth 门槛值
（疲劳裂纹扩展寿命）
其中 Kf(a)为应力强度因子幅度，f ( a ) 是裂纹长
度的函数，c、m为常数。
三. 影响疲劳裂纹扩展速率的因素
虽然Paris公式中只有几个参数，但实际还有其它的影响因素：
1）平均应力 m 的影响：平均应力升高，da/dN升高， 故常在表面做喷丸处理，产生压应力，减小 m 。 2）超载的影响：大载荷时能产生塑性区，然后相当 于卸载，但塑性变形不能恢复，而弹性必须要恢复， 产生压应力，相当于减小 m ，故降低 da/ dN。 3）加载频率的影响。 4）其他因素的影响
dN
式中： 为裂纹尖端张开位移幅度。
2.J积分表达式
da C(J )r dN
C与r是材料常数，J积分写成： J2Y2 de
其中Y为裂纹的几何形状因子。
扩展速率为 1 0 3 mm/每循环.
4）断裂阶段 扩展到 a c 时，失稳导致快速断裂。
疲劳断裂的基本特征
疲劳断裂的基本特征疲劳断裂是一种金属和材料在长时间的应力作用下逐渐产生裂纹并最终失效的现象。
它是一种破坏行为，常见于机械结构和工程材料中。
疲劳断裂的基本特征包括裂纹形成、裂纹扩展和失效破坏。
疲劳断裂的形成通常经历三个阶段。
首先是应力集中，也就是在材料表面或内部出现应力集中的区域。
这种应力集中可以由缺陷、凹槽、划痕等引起。
其次是裂纹的形成，应力集中区域的材料开始发生微小的裂纹，这些裂纹通常是微观的，难以察觉。
最后是裂纹的扩展，随着应力的作用，裂纹逐渐扩展，最终导致材料的失效。
疲劳断裂的特点是裂纹的扩展是一个渐进性的过程。
在应力作用下，裂纹从微小到逐渐扩展，直到达到材料的强度极限。
这个过程被称为裂纹的扩展阶段。
裂纹扩展的速度受到多个因素的影响，包括应力水平、应力周期、材料的力学性能等。
一般来说，应力水平越高、应力周期越大、材料的力学性能越差，裂纹扩展的速度越快。
疲劳断裂的失效破坏通常是突然发生的。
在裂纹扩展到一定程度后，材料的强度将急剧下降，裂纹会迅速扩展并导致材料的失效。
这种失效破坏是突然发生的，没有明显的预警信号。
因此，对于承受疲劳载荷的结构和材料，必须进行定期的检测和维护，以防止疲劳断裂的发生，确保结构的安全性。
为了预防和控制疲劳断裂，人们采取了许多措施。
首先是改善材料的力学性能，提高材料的韧性和强度，减少裂纹扩展的速度。
其次是设计合理的结构，避免应力集中的出现，减少裂纹的形成。
此外，还可以采用表面处理、应力涂层、热处理等方法来提高材料的抗疲劳性能。
在使用过程中，要注意控制应力水平和应力周期，避免过大的应力作用。
疲劳断裂是一种常见的材料失效形式，它具有裂纹形成、裂纹扩展和失效破坏等基本特征。
了解疲劳断裂的特点，对于改善材料的抗疲劳性能、设计合理的结构以及确保结构的安全性具有重要意义。
通过采取合适的预防和控制措施，可以有效地避免疲劳断裂的发生，延长材料和结构的使用寿命。
简述疲劳断裂的原因和提高零件疲劳强度的方法
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失效分析知识点
失效分析知识点第一章概论1.失效的定义：当这些零件失去其应有的功能时，则称该零件失效。
2.失效三种情况：（1）.零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等从而完全丧失其功能；（2）.零件在外部环境作用下，部分的失去其原有功能，虽然能工作，但不能完成规定功能，如由于磨损导致尺寸超差等；（3）.零件能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保安全可靠性。
3. 失效分析定义：对失效产品为寻找失效原因和预防措施所进行的一切技术活动。
也就是研究失效的特征和规律，从而找出失效的模式和原因。
4. 失效分析过程：事前分析（预防失效事件的发生）、事中分析（防止运行中设备发生故障）、事后分析（找出某个系统或零件失效的原因）。
5. 失效分析的意义：（1）.失效分析的社会经济效益：失效将造成巨大的经济损失；质量低劣、寿命短导致重大经济损失；提高设备运行和使用的安全性。
（2）.失效分析有助于提高管理水平和促进产品质量提高；（3）.失效分析有助于分清责任和保护用户（生产者）利益；（4）.失效分析是修订产品技术规范及标准的依据；（5）.失效分析对材料科学与工程的促进作用：材料强度与断裂；材料开发与工程应用。
第二章失效分析基础知识一.机械零件失效形式与来源：1.按照失效的外部形态分类：（1）过量变形失效：扭曲、拉长等。
原因：在一定载荷下发生过量变形，零件失去应有功能不能正常使用。
（2）断裂失效：一次加载断裂（静载荷）：由于载荷或应力超过当时材料的承载能力而引起；环境介质引起的断裂：环境介质和应力共同作用引起的低应力脆断；疲劳断裂（交变载荷）：由于周期作用力引起的低应力破坏。
（3）表面损伤失效：磨损：由于两物体接触表面在接触应力下有相对运动，造成材料流失所引起的一种失效形式；腐蚀: 环境气氛的化学和电化学作用引起。
（4）.注：断裂的其他分类断裂时变形量大小：脆性断裂、延性断裂；裂纹走向与晶相组织的关系：穿晶断裂、沿晶断裂；2.失效的来源：（1）.设计的问题：高应力部位存在沟槽、机械缺口及圆角半径过小等；应力计算错误；设计判据不正确。
材料失效分析(第五章-疲劳)
§2
疲劳裂纹萌生与扩展机理（模型）
一、疲劳裂纹萌生机理 1、挤出挤入模型—Wood模型
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金属表面形成的挤出脊与挤入沟
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2、位错销毁模型—藤田模型
两列平行的异号刃位错，在相距几个原子间隔 （约10埃）的两平行滑移面上互相对峙塞积；
由于这种位错排列所产生的高拉应力引起原子 面分离，形成孔洞
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锯齿形断口或棘轮花样
轴类零件在交变扭转应力作用下产生的 有应力集中（轴颈）+扭矩作用
多源裂纹
裂纹以螺旋状方式向前扩展，最后汇合于轴的中央 若为单向交变扭转应力——棘轮花样 若为双向交变扭转应力——锯齿状断口
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锯齿形断口
棘轮花样
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3、瞬断区
形貌：具有断口三要素（放射区、剪切唇）的特征
对于塑性材料，断口为纤维状、暗灰色 对于脆性材料，断口为结晶状 位置：自由表面 断面中心
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4、疲劳断裂过程
疲劳裂纹的萌生: 表面（次表面、内部） 疲劳裂纹的扩展（两个阶段）
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第一阶段：裂纹起源于材料表面，向内部扩展
范围较小，约2—5个晶粒之内 显微形貌不好分辨 与拉伸轴约成45°角，裂纹扩展主要是由于τ 的作用
扩展速度很慢，每一应力循环只有埃数量级
第二阶段：断面与拉伸轴垂直，凹凸不平 裂纹扩展路径是穿晶的 扩展速度快，每一应力循环微米数量级 显微特征：疲劳辉纹
3、空穴模型—Mott模型
由于螺位错围绕着环形通道，进行连续交叉滑移运动， 结果从表面上挤出了材料的一个舌片，并相应地形成 了一个空穴，这个空穴就是疲劳裂纹源
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4、位错交叉滑移模型—Cottrell和Hull模型
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二、疲劳裂纹扩展模型
疲劳断裂失效分析精品PPT课件
3.1 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
5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以正断形 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
5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
1、切断疲劳失效
切断疲劳初始裂纹是由切应力引起的。切应力引 起疲劳初裂纹萌生的力学条件是：切应力／缺口切断 强度≥1；正应力／缺口正断强度＜1。
切断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应力应变 场为平面应力状态；初裂纹的所在平面与应力轴约成 45º角，并沿其滑移面扩展。
2
5.2 疲劳断口形貌及其特征
5.2.1 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 疲劳区和瞬时断裂区两个部分。大多数工程构件的疲劳断裂断 口上一般可观察到三个区域，因此这一划分更有实际意义。
高周疲劳发展历程
高周疲劳发展历程随着科学技术的不断发展，高周疲劳也逐渐进入人们的视野。
高周疲劳是指在高频振动载荷下，金属材料会发生裂纹和断裂现象。
对于金属材料的使用、设计和研究，在高周疲劳方面的考虑越来越重要。
在高周疲劳的发展历程中，最初的观察是由一位德国工程师瓦尔特·德梅茨所做的。
当时，他在观察燃气轮机叶片的工作过程中发现，一些轮叶的断裂点在视觉上难以看到，但如果使用放大镜来观察则能够看出是由于疲劳造成的，这是高周疲劳发展的第一步。
在此基础上，逐渐开始了对高周疲劳的研究。
20世纪初，几位著名科学家如海涅曼、斯姆德和厄斯特等人，开始把研究从实验室扩展到实际应用中。
他们运用振动机进行实验研究，发现高频振动对金属材料产生了不可逆转的疲劳损伤。
随着高周疲劳的研究日益深入，出现了不少新的方法和理论。
20世纪40年代，法国科学家皮卡尔德·芒切尔提出了滑移线理论，该理论解释了金属材料在高周应力下的变形、变形应力以及断裂机理等问题，被公认为是高周疲劳研究中的一个重大突破。
20世纪60年代，研究者们开始运用计算机模拟和数值分析方法来研究高周疲劳。
这些方法可以快速生成大量的实验数据，并可以通过计算机程序进行数据处理和分析。
这项技术的发展，使得高周疲劳研究进入了计算机时代。
近年来，随着材料科学、力学等学科的发展，高周疲劳研究又迎来了一个新的阶段。
研究者们开始将高周疲劳与微观结构、晶界纹理等方面的相互作用联系起来，研究金属材料的细微变化和高周疲劳之间的关系，从而更准确地预测金属材料在高周应力下的失效情况。
总的来说，高周疲劳的发展历程是一个逐渐深入、逐渐完善的过程。
通过对其研究的不断深入，可以更好地预测和防止金属材料因高频振动而失效的情况。
这将对相关工业领域的发展和改进产生重大的指导意义。
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。
材料失效分析考点
一、名词解释1.失效：金属装备及其构件在使用过程中，由于应力、时间、温度、环境介质和操作失误等因素的作用，失去其原有功能的现象时有发生，这种丧失其规定功能的现象称为失效。
2.失效分析：对装备及其构件在使用过程中发生各种形式失效现象的特征及规律进行分析研究，从中找出产生失效的主要原因及防止失效的措施，称为失效分析。
3.疲劳断裂：金属材料在受到交变应力或重复循环应力时，往往在工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂，这种现象称为疲劳断裂，是金属零件或构件在交变应力或重复循环应力长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象。
4.腐蚀疲劳：是材料在循环应力和腐蚀介质的共同作用下产生的一种失效形式。
5.弯曲疲劳：金属零件在交变的弯曲应力作用下发生的疲劳称为弯曲疲劳。
6.疲劳：材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹，或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。
7.冲蚀磨损：是指材料受到小而松散的流动粒子冲击时，表面出现破坏的一类磨损现象。
其定义可以描述为固体表面同含有固体粒子的流体接触做相对运动，其表面材料所发生的损耗。
8.粘着磨损相对运动物体的真实接触面积上发生固相粘着，使材料从一个表面转移到另一表面的现象，称为粘着磨损。
9.磨损：当相互接触的零件表面有相对运动时，表面材料的粒子由于机械的、物理的和化学的作用而脱离母体，使零件的形状、尺寸或者重量发生变化的过程称为磨损。
10.磨损失效：机械零件因磨损导致尺寸减小和表面状态改变并最终丧失其功能的现象称为磨损失效。
11.蠕变：蠕变是金属零件在应力和高温的长期作用下，产生永久变形的失效现象。
12.屈服失效：由过量塑性变形引起的失效称为屈服失效。
13.塑性变形失效：金属构件产生的塑性变形量超过允许的数值称为塑性变形失效。
14.断裂：零件在外力作用下发生开裂或折断称为断裂。
15.解理断裂：金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称这种断裂为解理断裂。
金属零件的疲劳断裂失效
(4) 装配与联接效应
装配与联接效应对构件的疲劳寿命有很大的影响。正确的拧紧力矩可使其疲劳寿命提高5倍以上。容 易出现的问题是，认为越大的拧紧力对提高联接的可靠性越有利，使用实践和疲劳试验表明，这种看 法具有很大的片面性。
(5) 使用环境
环境因素（低温、高温及腐蚀介质等）的变化，使材料的疲劳强度显著降低，往往引起零件过早的发 生断裂失效。例如镍铬钢（0.28％C，11.5％ Ni，0.73％Cr），淬火并回火状态下在海水中的条件下疲 劳强度大约只是在大气中的疲劳极限的20％。
(5) 接触疲劳
02 疲劳断裂原因分析
(1) 零件的结构形状
零件的结构形状不合理，主要表现在该零件中的最薄弱的部位存在转角、孔、槽、螺纹等形状的突变 而造成过大的应力集中，疲劳微裂纹最易在此处萌生。 (2) 表面状态
不同的切削加工方式（车、铣、刨、磨、抛光）会形成不同的表面粗糙度，即形成不同大小尺寸和尖 锐程度的小缺口。这种小缺口与零件几何形状突变所造成的应力集中效果是相同的。由于表面状态不 良导致疲劳裂纹的形成是金属零件发生疲劳断裂的另一重要原因。
(3) 材料及其组织状态
材料选用不当或在生产过程中，由于管理不善而错用材料造成的疲劳断裂也时有发生，金属材料的组 织状态不良是造成疲劳断裂的常见原因。一般的说，回火马氏体较其它混合组织，如珠光体加马氏体 及贝氏体加马氏体具有更高的疲劳抗力；铁素体加珠光体组织钢材的疲劳抗力随珠光体组织相对含量 的增加而增加；任何增加材料抗拉强度的热处理通常均能提高材料的疲劳抗力。组织的不均匀性，如 非金属夹杂物、疏松、偏析、混晶等缺陷均使疲劳抗力降低而成为疲劳断裂的重要原因。
当外部的激振力的频率接近系统的固有频率时，系统将出现激烈的共振现象。共振疲劳断裂是机械设 备振动疲劳断裂的主要形式，除此之外，尚有颤振疲劳及喘振疲劳。
复合材料高周底周失效机理区别
复合材料高周底周失效机理区别复合材料是由两种或更多种具有不同性质的材料组成的材料，通过它们的组合可以实现优化的机械性能和材料性能。
高周疲劳和低周疲劳是复合材料常见的失效机理，两种机制在失效过程和失效行为上存在一些区别。
1.高周疲劳失效机制：高周疲劳是指循环应力波动频率在千兆赫兹以上的应力加载下导致的材料失效。
这种失效机制是由于复合材料中的纤维和基体之间的界面滑移或断裂引起的。
在循环应力下，纤维和基体之间的界面会受到应力的集中作用，导致界面滑移和断裂。
高周疲劳失效主要包括以下几个步骤：(1)界面接触应力引起的界面屈服；(2)界面滑移的出现和扩展；(3)界面的断裂和裂纹扩展。
2.低周疲劳失效机制：低周疲劳是指循环应力波动频率在千赫兹以下的应力加载下导致的材料失效。
这种失效机制主要是由于循环应力下的断裂和裂纹扩展引起的。
低周疲劳失效主要包括以下几个步骤：(1)缺陷生成和裂纹的扩展；(2)裂纹的扩展导致应力集中；(3)应力集中导致材料的局部破坏；(4)局部破坏导致裂纹的进一步扩展。
在高周疲劳和低周疲劳失效机制中，存在以下一些区别：1.应力水平：高周疲劳是在较高的循环应力下发生的，应力加载频率高，循环次数大；而低周疲劳是在较低的循环应力下发生的，应力加载频率低，循环次数相对较少。
2.失效过程：高周疲劳主要是由于纤维和基体之间的界面滑移或断裂引起的，而低周疲劳主要是由于裂纹的生成和扩展导致的。
3.失效行为：高周疲劳失效通常是由于界面的滑移和断裂导致的，界面滑移会导致材料的强度和刚度下降；低周疲劳失效通常是由于裂纹的扩展导致的，裂纹扩展会导致材料的局部破坏和断裂。
4.预测和评估：高周疲劳往往可以通过强度预测模型和材料的疲劳寿命来进行预测和评估；而低周疲劳往往需要考虑裂纹扩展行为和应力强度因子等因素，通过断裂力学模型来进行预测和评估。
总的来说，高周疲劳和低周疲劳是复合材料常见的失效机理，虽然两种机制在失效过程和失效行为上存在一些区别，但是它们都与循环应力下的界面滑移、断裂和裂纹扩展等相关。
疲劳断裂的特征分类及基础知识
No.1疲劳与断裂的概念1.疲劳：金属材料在应力或应变的反复作用下发生的性能变化称为疲劳。
2.疲劳断裂：材料承受交变循环应力或应变时，引起的局部结构变化和内部缺陷的不断地发展，使材料的力学性能下降，最终导致产品或材料的完全断裂，这个过程称为疲劳断裂，也可简称为金属的疲劳。
引起疲劳断裂的应力一般很低，疲劳断裂的发生，往往具有突发性、高度局部性及对各种缺陷的敏感性等特点。
No.2疲劳断裂的分类1.高周疲劳与低周疲劳如果作用在零件或构件的应力水平较低，破坏的循环次数高于10万次的疲劳，称为高周疲劳。
例如弹簧、传动轴、紧固件等类产品一般以高周疲劳见多。
作用在零件构件的应力水平较高，破坏的循环次数较低，一般低于1万次的疲劳，称为低周疲劳。
例如压力容器，汽轮机零件的疲劳损坏属于低周疲劳。
2.应力和应变分析应变疲劳——高应力，循环次数较低，称为低周疲劳；应力疲劳——低应力，循环次数较高，称为高周疲劳。
复合疲劳，但在实际中，往往很难区分应力与应变类型，一般情况下二种类型兼而有之，这样称为复合疲劳。
3.按照载荷类型分类弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳、振动疲劳、微动疲劳。
No.3疲劳断裂的特征宏观：裂纹源→扩展区→瞬断区。
裂纹源：表面有凹槽、缺陷，或者应力集中的区域是产生裂纹源的前提条件。
疲劳扩展区：断面较平坦，疲劳扩展与应力方向相垂直，产生明显疲劳弧线，又称为海滩纹或贝纹线。
瞬断区：是疲劳裂纹迅速扩展到瞬间断裂的区域，断口有金属滑移痕迹，有些产品瞬断区有放射性条纹并具有剪切唇区。
微观：疲劳断裂典型的特征是出现疲劳辉纹。
一些微观试样中还会出现解理与准解理现象（晶体学上的名称，在微观显象上出现的小平面），以及韧窝等微观区域特征。
No.4疲劳断裂的特点（1）断裂时没有明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显的预兆，往往是突然性的产生，使机械零件产生的破坏或断裂的现象，危害十分严重。
（2）引起疲劳断裂的应力很低，往往低于静载时屈服强度的应力负荷。
失效分析总结
第一章1、零件失效：当这些零件失去了它应有的功能时，则称该零件失效。
2、零件失效的含义：1）.零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等，从而完全丧失其功能。
2）.零件在外部环境下作用下，部分的失去其原有功能，虽然能够工作，但不能完成规定功能，如由于腐蚀导致尺寸超差等。
3）零件虽然能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保安全可靠性。
3、失效分析：通常是指对失效产品为寻找失效原因和预防措施所进行的一切技术活动，也就是研究失效现象的特征和规律，从而找出失效的模式和原因。
4、失效分析可分为事前分析、事中分析、事后分析。
5、失效分析的社会经济效益：（1）失效将造成巨大的经济损失。
（2）质量低劣、寿命短导致重大经济损失。
（3）提高设备运行和使用的安全性。
第二章1.工程构件的失效分为断裂、磨损、腐蚀三大类。
2.失效形式分类及原因（表2-1P18）3.失效来源包括1.设计的问题2.材料选择上的缺点 3.加工制造及装配中存在的问题 4.不合理的服役条件4.应力集中：零件截面有急剧变化处，就会引起局部地区的应力高于受力体的平均应力，这一现象称为应力集中。
表示应力集中大小的系数称为应力集中系数。
5.缺口敏感性NSR=σNb/σb（σNb表示缺口式样抗拉强度，σb表示光滑试样抗拉强度）比值NSR越大，敏感性越小。
当NSR>1时，说明缺口处发生了塑性变形的扩展，比值越大说明塑性变形扩展越大，脆性倾向越小。
塑性材料的NSR>1，材料反而具有缺口强化效应，缺口敏感性小甚至不敏感。
NSR<1，说面缺口处还未发生明显塑性变形扩展就脆断，表示缺口敏感。
6.内应力通常分为3类：第一类内应力（宏观应力）是指存在于物体或者在较大尺寸范围内保持平衡的应力，尺寸在0.1mm以上；第二类内（微观）应力是指在晶粒大小尺寸范围内保持平衡的应力，尺寸为10-1~10-2mm；第三类（微观）应力是在原子尺度范围保持平衡的应力，尺寸为10-3~10-6。
Q345高周疲劳失效机理及固有耗散能研究
Q345高周疲劳失效机理及固有耗散能研究刘汉青;黄志勇;王清远【期刊名称】《工程科学与技术》【年(卷),期】2017(049)006【摘要】双相钢Q345多用于建筑或机械结构的承力构件，循环载荷的长期作用使得构件在低于其静强度的载荷条件下发生疲劳断裂，经济可靠的强度设计需要对材料的疲劳失效进行研究。
作者利用电磁谐振高频疲劳试验机，在载荷频率140Hz、应力比为-1条件下，得到不同失效概率时材料高周疲劳（10^4。
周次〈疲劳寿命〈10饲次）应力二寿命（S-N）曲线。
利用扫描电子显微镜观察材料受到循环载荷作用后的显微结构的变化和疲劳失效后试样的断面微观形貌，研究材料疲劳裂纹的萌生和扩展。
同时，利用红外热像仪记录Q345试样表面的温度场随循环载荷作用周次的变化，研究材料在高频循环载荷作用下的固有耗散能。
双相钢Q345在高频循环载荷作用下的疲劳失效主要是由于铁素体一珠光体双相结构在循环载荷作用下的微观强度差异使得微观裂纹首先萌生于相对薄弱的铁素体晶粒，且随循环载荷周次的增加而裂纹逐渐扩展。
珠光体晶粒对疲劳裂纹的扩展起阻碍作用，使得疲劳裂纹沿铁索体或铁素体与珠光体之间的晶界向前扩展。
当载荷幅值低于其高周疲劳极限时，试样表面温升不明显；有限寿命的载荷条件下，试样表面温度场的变化受到材料微观变形的影响，基于试样表面温度场的变化，能快速确定材料的高周疲劳强度极限。
高频循环载荷作用下，单位体积材料的固有耗散能与载荷之间呈非线性关系，在热力学框架内建立了材料的固有耗散能表征模型。
【总页数】6页(P157-162)【作者】刘汉青;黄志勇;王清远【作者单位】[1]四川大学空天科学与工程学院,四川成都610065;;[1]四川大学空天科学与工程学院,四川成都610065;;[1]四川大学空天科学与工程学院,四川成都610065;[2]四川大学建筑与环境学院,四川成都610065【正文语种】中文【中图分类】O346【相关文献】1.Q345高周疲劳失效机理及固有耗散能研究 [J], 刘汉青;黄志勇;王清远2.一种高强度钢的超高周疲劳及热耗散研究 [J], 邵闯;BATHIASCloude;WAGNER Danièle;陶华;薛红前3.TA2,Q345及其爆炸复合板高周疲劳性能研究 [J], 孙倩;张霞;张罡;崔小玉;范蕙萍;田娇4.汽车用高强度钢高周疲劳断裂失效机理研究 [J], 唐秀丽5.Q345/SUS304异种钢焊接接头固有应变的变化规律研究 [J], 李元泰;吴华鑫;董斌;肖慎翀因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
断裂失效分析
第一章 断裂失效分析
在机电装备的各类失效中以断裂失效最主要，危害最大。 断裂失效的分析与预防已发展为一门独立的边缘学科。 目前对断裂行为的研究有两种不同的方法： 一种是断裂力学的方法，它是根据弹性力学及弹塑性理论，并 考虑材料内部存在有缺陷而建立起来的一种研究断裂行为的方法。 另一种是金属物理的方法，从材料的显微组织、微观缺陷、甚 至分子和原子的尺度上研究断裂行为的方法。 而断裂失效分析则是从断口的宏观、微观特征入手，研究断裂 过程和形貌特征与材料性能、显微组织、零件受力状态及环境条 件之间的关系，从而揭示断裂失效的原因。它在断裂力学方法和 金属物理方法之间架起联系的桥梁。
失效分析培训
陶春虎
中国航空工业集团公司失效分析中心 北京市81信箱4分箱，100095
引言
• 在机电装备的各类失效分析中以断裂失效最主要，危害最大。因此，
国内外对断裂失效进行了大量的分析研究。断裂失效分析是从裂纹 和断口的宏观、微观特征入手，研究断裂过程和形貌特征与材料性 能、显微组织、零件受力状态及环境条件之间的关系，从而揭示断 裂失效的原因和规律。 • 环境介质作用下的失效是相当广泛的概念。“环境”是指机电产 品工作现场的气氛、介质和温度等外界条件。金属构件或整个机械 产品的环境失效的主要模式是我们常讲的腐蚀，当然包括“环境” 与应力共同作用下的破坏—如应力腐蚀、氢脆、腐蚀疲劳及液态金 属致脆等。 • 断口的定量分析主要指对断口表面的成分、结构和形貌特征等方 面进行定量参数的测试、描述和表征。通过对疲劳断口定量分析可 得出构件在实际工作中的疲劳裂纹扩展速率，从而能合理地对零部 件进行疲劳寿命估算、可确定构件形成裂纹的时间、评价其制造质 量、估算疲劳应力等。
2.疲劳断裂的宏观分析
典型的疲劳断口按照断裂过程的先后有三个明显的特征区， 即疲劳源区、扩展区和瞬断区
超高周疲劳2
ODA现象
Murakami: ODA Shiozawa: GBF (Granular
Bright Facet) Sakai: FGA (Fine Granular Area) Tanaka: FCT (FaCeT) Ochi: RSA (Rough Surface Area)
低应力、长寿命区(通常>106 cyc)
Dr. J E Alison, Prof J W Jones, Dr J M larsen, Prof R O Ritchie
From the second conference, it was agreed that the conference would be held every three years under the name “Very High Cycle Fatigue”
于材料的弹性极限，应 力和应变曲线呈非线性
关系；应变幅控制。
高周疲劳：加载应力相
Internal fatigue limit
对较低，试样处于弹性 范围，应力和应变呈正
比关系；应力幅控制。
超高周疲劳：加载应力 105 106 107 108 109
Cycles to failure
幅可能远低于传统的疲
金属材料超高周(108~1010 周次)疲劳破坏行为
超长寿命金属材料的研发
快速检测金属材料中的非 金属夹杂物和微小缺陷
试验频率与试样发热问题
试验方法标准化问题
可采用附属专用软件完成试样 尺寸的计算、实验应力的设定 和实验数据的采集等。
疲劳试验设备—旋转弯曲疲劳试验机
载荷比R=-1，控制参 量为载荷；
109 3×108 1012
疲劳断裂的基本形式和特征
(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。
(1) 切断疲劳失效
切断疲劳初始裂纹是由切应力引起的。切应力引起疲劳初裂纹萌生的力学条件是：切应力/缺口切断 强度≥1；正应力/缺口正断强度＜1。
切断疲劳的特点：疲劳裂纹起源处的应力应变场为平面应力状态；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，而在单向压缩、拉伸及扭转条件 下，最大切应力和最大正应力的比值（即软性系数）分别为2.0、0.5、0.8，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。
(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，疲劳极限。
(2) 正断疲劳失效
正断疲劳的初裂纹，是由正应力引起的。初裂纹产生的力学条件是：正应力/缺口正断强度≥1，切应 力/缺口切断强度＜1。
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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。
尺寸效应 表面粗糙度 缺口效应
表面喷丸及滚轧 表面热处理 表面化学热处理
化学成分 组织结构 纤维方向 内部缺陷
5.影响疲劳强度的因素
表面粗糙度 在循环载荷作用下，金属的不均匀滑移主要集中在金属表面，疲劳裂 纹也常常产生在表面上，所以表面粗糙度对疲劳强度影响很大。表面的微 观几何形状如刀痕、擦伤和磨裂，都能像微小锋利的缺口一样，引起应力 集中，使疲劳极限降低。表面脱碳、氧化也会使疲劳强度降低。
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1.疲劳现象及特点
② 疲劳是脆性断裂。由于一般疲劳的应力水平比屈服强度低，所以无论 是韧性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前均不会发生塑性变形及有变形 预兆，它是在长期累积损伤过程中，经裂纹萌生和缓慢亚稳态扩展到临 界尺寸ac时才突然发生的。因此，疲劳是一种潜在的突然性脆性断裂。
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1.疲劳现象及特点
循环滑移带会不断地加宽，当加
宽至一定程度时，由于位错的塞
积和交割作用，便在驻留滑移带
处形成微裂纹。
驻留滑移带在加宽的过程中，
还会出现挤出脊和浸入沟，于是
此处就产生应力集中和空洞，经
过一定循环后也会产生微裂纹。
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3.疲劳裂纹萌生过程及机理
（二）相界面开裂产生裂纹 在疲劳分析失效中，常常发现很多的疲劳源都是由材料中的第二相或夹
③ 疲劳对缺陷（缺口、裂纹和组织缺陷） 十分敏感。由于疲劳破坏是从局部开始 的，所以它对缺陷具有高度的选择性。 缺口和裂纹因应力集中增大对材料的损 伤作用；组织缺陷（夹杂、疏松、白点、 脱碳等）降低材料的局部强度。三者都 加快疲劳破坏的开始和发展。
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2.疲劳断口
典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域——疲劳源区、疲劳区和瞬断区。
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4.裂纹扩展过程及机理
在扫描电镜下，第二阶段的断口特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟 槽花样，称为疲劳条带，每一条疲劳条带相当于载荷或应变的一次循环。
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5.影响疲劳强度的因素
工作条件
表面状态及尺寸因素 表面处理及残余内应力 材料因素
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载荷条件（应力状态、应力比、 过载情况、平均应力） 载荷频率 环境温度 环境介质
加工方法对弯曲疲劳极限的影响
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5.影响疲劳强度的因素
残余应力 残余应力可以与外加工作应力叠加，构成合成总应力：叠加残余压应 力，总应力减小；叠加残余拉应力，总应力增加。因此，表面残余应力状 态对疲劳强度（主要是低应力高周疲劳强度）有显著影响。残余压应力提 高疲劳强度；残余拉应力则降低疲劳强度。
高周疲劳断裂失效
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1.疲劳现象及特点 2.疲劳断口 3.疲劳裂纹萌生过程及机理 4.裂纹扩展过程及机理 5.影响疲劳强度的因素
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1.疲劳现象及特点
疲劳断裂定义：材料在交变应力和应变长期作用下，由于累计损伤而 引起的断裂现象。 ① 疲劳低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂。其断裂应力水平往 往低于材料抗拉强度，甚至屈服强度。断裂寿命随应力不同而变化， 应力高寿命短，应力低寿命长。当应力低于某一临界值时，寿命可达 无限长。
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2.疲劳断口
②疲劳区 疲劳裂纹亚稳态扩展所形成的断口区域。该区
是判断疲劳断裂的重要特征。断口比较平滑并分布 有贝纹线（或海滩花样）。断口平滑是疲劳源区的 延续，但其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱。
贝纹线（疲劳弧线）一般认为是由载荷变动引 起的，如机器运转时的开动和停歇，偶然过载引起 的载荷变动，使裂纹前沿线留下了弧状台阶。所以 这种贝纹特征总是出现在实际机件的疲劳断口中， 而在实验室的试样疲劳断口中，因变动载荷较平稳， 很难看到明显的贝纹线。
①疲劳源 疲劳裂纹萌生的发源地，在断口上，疲劳源
一般在机件表面，常和缺口、裂纹、刀痕、蚀坑 等缺陷相连。因为这里的应力集中会引发疲劳裂 纹。当材料内部存在严重的冶金缺陷（夹杂、缩 孔、偏析、白点等）或内裂纹时，因局部强度降 低在机件内部产生疲劳源。
从断口形貌来看，疲劳源区的光亮度最大。在 整个裂纹亚稳态扩展过程中不断摩擦挤压，故显 示光亮平滑。在一个疲劳断口中，疲劳源可以有 一个或几个不等。
表面强化提高疲劳极限示意图
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5.影响疲劳强度的因素
镀铬或镀镍，引入残余拉应力，疲劳极限下降。 材料强度越高，寿命越长，镀层越厚，影响越大； 镀前渗氮，镀后喷丸等，可以减小其不利影响。 镀锌或镀镉，影响较小，但防磨蚀效果比镀铬差。 渗碳或渗氮，可提高表层材料强度并引入残余压应 力，使钢材疲劳极限提高。对于缺口件，效果更好。 热轧或锻造，会使表面脱碳，强度下降并在表面引入拉伸残余应力。可使疲劳极限降低50%甚 至更多。材料强度越高，影响越大。