第五章金属疲劳[研究材料]

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定义：
交变载荷： 指载荷大小、方向均随时间发生变化的载荷。
交变载荷又可分为规则周期变动应力（称为 循环应力）和无规随机变动应力两种（见图 5-1）。
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规则变化应力（即循环应力）有：
a)正方形波 b) 矩形波 c)三角形波
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循环应力可用几个特征参量来表示，即：
材料疲劳极限与其静强度有一定的关系，一般有， 材料的抗拉强度愈大，其疲劳强度也愈大。
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结构钢 ： σ－1p=0.23(σs+σb)
σ－1=0.27(σs+σb) 铸铁：
σ－1p=0.4σb
σ－1＝0.45σb
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铝合金： σ－1p=1/6σb＋7.5MPa
σ－1＝1/6σb—7.5MPa
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2、疲劳区：
断口宏观特征。断口比较光滑并分布有纹线（或 海滩花样），有时还有裂纹扩展台阶； 贝纹线是载荷变动引起的，如机器的开停，而在 实验室由于载荷变动较小，所以贝纹较浅而细小； 贝纹线是一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，近源 处则贝纹线距越密，远离源处则贝纹线距越疏。
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3、 瞬断区
(一) 疲劳曲线（Fatigue curves）
试验表明：金属疲劳曲线有两大类（如图5－5所 示）。一类是有水平线段（即有疲劳极限）的曲 线。如一般结构钢及球墨铸铁的疲劳曲线即为该 类型。另一类是无水平线段（即无疲劳极限）的 曲线，如有色金属，不锈钢，高强度钢的疲劳曲 线则为该类型。
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疲劳破坏过程虽然有突然性，但仍然是一个逐渐发
展的过程。它是由疲劳裂纹核心的萌生、扩展及断
裂三个阶段组成的，因而相应的研究领域包括：
1 . 疲劳微观机理（包括疲劳断裂的成因、裂纹
核心的萌生、扩展、断口形貌及组织的变化）;
2. 疲劳宏观理论（包括疲劳累计损失理论、裂
纹扩展理论、疲劳强度理论及疲劳设计理论）;
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3）按断裂寿命及应力高低分：
a）高周疲劳（低应力疲劳）Nf>105次 σ<σs；
b）低周疲劳（高应力疲劳）Nf＝102～105次 σ≥σs
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2、 特点(Characteristic)
与静载荷或一次冲击载荷断裂相比，疲劳断裂具 有下列特点：
①低应力循环延时断裂； ②脆性断裂（不管是塑性还是脆性材料）； ③对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感； ④疲劳断裂也是裂纹萌生与扩展的过程。
3. 疲劳实验（包括机器的设计、载荷的测定、
数据的统计与分析以及疲劳寿命的计算） 。
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5.2 金属疲劳的基本现象与规律
(Basic phenomenon and regulation of metal fatigue)
一、交变载荷及循环应力 (Alternative loads and circulative stress)
该断口区比疲劳区粗糙，与静载的断口相似； ➢ 如脆性材料，则为结晶状断口； ➢ 如韧性材料，则中间平面应变区为放射状或人 字纹断口，边缘平面应力区为剪切唇； ➢ 一般在疲劳源的对侧； ➢ 瞬断区大小。若名义应力较高或材料韧性较差， 则瞬断区较大，反之，则瞬断区较小。
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5.2 疲劳曲线及疲劳抗力 (Fatigue curves and resistance)
第五章 金属疲劳
Chapter Five Fatigue of Metals
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5.1 概述(Brief Introduction)
㈠ 定义(Definition)
疲劳破坏——指材料在低于抗拉强度 的交变应力作用下,经过一定循环后所发生 的突然断裂,即在断裂前没有明显的宏观塑 性变形。
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二、疲劳种类及特点 (Types and characteristic of fatigue)
1、 分类(Classification)
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1）按应力状态分有：
a）弯曲疲劳 b）扭转疲劳 c）拉压疲劳 d）复合疲劳
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2）按环境分有：
a）大气疲劳 b）腐蚀疲劳 c）高温疲劳 d）接触疲劳 e）热疲劳
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（二）疲劳极限及其测量 （Fatigue limit and measurement）
1、定义：
疲劳极限是指材料抵抗无限次应力循环而不断裂的强 度指标（见图5-7）。
条件疲劳极限：是指材料抵抗有限次应力循环而不断 裂的强度指标。
二者统称为疲劳强度。
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2、种类
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调研cture morphology of fatigue)
疲劳断口形貌是研究疲劳过程和失效的重要方 法之一。
典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域(见 P110,图5-3)：
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➢ 疲劳源（疲劳裂纹萌生的源地，一般位于断 口表面，常与缺陷引起的应力集中相关）；
对称循环载荷是一种常规载荷，有对称弯曲、对称 扭转及对称拉压等。其对应的疲劳极限称为σ－1、τ －1、σ－1p. 其中σ－1是最常用的对称循环疲劳极限。
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三、疲劳极限和静强度之间的关系
(Relationship between fatigue limit and static strength)
➢ 疲劳区（疲劳区是疲劳裂纹亚稳扩展所组成 的断口区域，是测定疲劳断裂重要特征）
➢ 瞬断区（裂纹最后失稳、快速扩展所形成的 断口区域）。
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具体特征：
1、 疲劳源 ➢ 该区最光亮（因该断面经多次摩擦挤压之故）； ➢ 疲劳源位于疲劳区的贝纹弧线凹向一侧的焦点位 置； ➢ 疲劳源可以一个或多个（与应力状态有关）； ➢ 对于有数个疲劳源，可根据疲劳源的光亮度，疲 劳区的大小及贝纹线的密蔬程度可以确定多个源产 生的先后次序，一般源区越亮，疲劳区越大，贝纹 线越密，则该源越早产生。
最大应力σmax、最小应力σmin 及平均应力σm、 应力振幅σa。
σa＝（σmax－σmin） 2
应力比γ: γ＝σmin/σmax 几种常见的循环应力见图5－2。
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对于图5-3的复杂载荷，可以经过傅 立叶变化成几种循环应力，再进行相关 分析，比较复杂，所以在此不涉及。