材料力学性能第五章-金属的疲劳

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图 农用挂车前轴的载荷谱
5.1.2 疲劳现象及特点
金属机件在变动应力和应变长期作用下，由
于积累损伤而引起的断裂现象称为疲劳。
疲劳的破坏过程是材料内部薄弱区域的组织 在变动应力作用下，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 损伤累积，最终引起整体破坏的过程。
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2007年11月2日，一架美军 F-15C鹰式战斗机在做空中 缠斗飞行训练时，飞机突然凌空解体，一份调查结果表 明，飞机的关键支撑构件——桁梁出现了金属疲劳问题 。实用文档
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本章主要内容
1、金属疲劳现象及特点 2、疲劳曲线及基本疲劳力学性能 3、疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 4、疲劳过程及机理 5、影响疲劳强度的主要因素 6、低周疲劳
疲劳类型
表 高周疲劳和低周疲劳对比
类别 断裂寿命
周次（Nf）
高周疲劳 （低应力疲劳）
较长
>105
低周疲劳 （高应力疲劳）
较短
102～105
应力水平
较低 σ<σs
较高 σ>σs
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疲劳的特点
该破坏是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。
疲劳破坏属低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命
的预测就显得十分重要和必要。
对缺口、裂纹及组织等缺陷十分敏感，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与发展。
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“彗星”号是世界上第一种正式投入航线运营的民用喷气 客机。然而从1953年5月至1954年4月的11个月中，竟有３ 架“彗星号”客机在空中解体，机毁人亡。事故分析表明 ，其中两次空难的原因是飞机密封座舱结构发生疲劳所致 ，飞机在多次起降过程中，其增压座舱壳体经反复增压与 减压，在矩形舷窗窗框角上出现了裂纹引起疲劳断裂。针 对这个问题，英国德·哈维兰公司对“彗星”号飞机进行 了改进设计，加固了机身，采用了椭圆形航窗，使疲劳问 题得到很好的解决。
疲劳断裂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、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂 区的特征。
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5.1 金属疲劳现象及特点
5.1.1 变动载荷和循环应力
变动载荷是指载荷的大小、方向随时间变化的载
荷，其单位面积上的平均值为变动应力。 变动应力可分为周期变动应力（也称循环应力）
和无规则随机变动应力。
生产中机件正常工作时，其变动应力多为循环应 力。
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变动应力
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图 变动应力示意图 a)应力大小变化 b)、c)应力大小及方向都变化 d)应力大小及方向无规则的变化
金属“疲劳”一词，最早是由法国学者J-V彭赛（Panelet） 于1839年提出来的。
1850年德国工程师沃勒（A.Woler)设计了第一台用于机车 车轴的疲劳试验机，用来进行全尺寸机车车轴的疲劳试验。
1871年沃勒系统论述了疲劳寿命和循环应力的关系，提出
了S-N曲线和疲劳极限的概念，确立了应力幅是疲劳破坏
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疲劳形式的分类
可按不同方法对疲劳形式分类。
❖ 按应力状态分：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳 、接触疲劳及复合疲劳；
❖ 按环境和接触情况分：大气疲劳、腐蚀疲劳、高 温疲劳、热疲劳及接触疲劳等。
❖ 按应力高低和断裂寿命分：高周疲劳和低周疲劳 。
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高周疲劳和低周疲劳
按应力高低和断裂寿命分,最基本的分类方法。
第五章 金属的疲劳
江苏科技大学 材料科学与工程学院
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想一想
人工作久了就会感 到疲劳，难道金属 工作久了也会疲劳 吗？ 金属的疲劳能得到 恢复吗？
Fatigue
▪金属材料在受到交变应力或重复循环应力时，经一定循环 次数后，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。
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“彗星号”客机悲剧是世界航空史上首次发生的因金属 疲劳而导致飞机失事的事件，从此，在飞机设计中将结构 疲劳极限正式列入强度规范加以要求。
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飞机舷窗
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高速列车
5.1.3 疲劳宏观断口特征
疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记载着很多 断裂信息，具有明显的形貌特征，而这些特征又受材料 性质、应力状态、应力大小及环境因素的影响，因此对 疲劳断口的分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的 一种重要方法。
的决定因素，奠定了金属疲劳的基础。
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金属疲劳是十分普遍的现象，例如火车的车轴是 典型的承受弯曲疲劳，汽车的传动轴主要是承受 扭转疲劳等。
据150多年来的统计，金属部件中有80％以上的断 裂是由于疲劳而引起的，极易造成人身事故和经 济损失，因此认识疲劳现象、研究疲劳破坏规律、 提高疲劳抗力、防止疲劳失效是非常重要的。
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▪1998年6月3日，德国发生了一起惨重的铁路交通事故。 一列高速列车脱轨，造成100多人遇难。
一个车轮的轮箍发生断裂，导致车 轮脱轨，进而造成车厢横摆，横摆 的车厢以其巨大的力量将桥墩撞断 ，造成桥梁坍塌，压住了通过的列 车车厢，并使已通过桥洞的车头及 前5节车厢断开，而后面的几节车 厢则接二连三地撞在坍塌的桥体上 。
循环应力及其特征参量
循环应力的波形有正弦波、矩形波和三角波等。 表征应力循环特征的参量有：
❖最大循环应力σmax，最小循环应力σmin ❖平均应力:σm=(σmax+σmin)/2 ❖应力幅或应力范围:σa=(σmax-σmin)/2 ❖应力比:r=σmin/σmax
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常见的循环应力
脉动应力 σm=σa>0,r=0 σm=σa<0,r=-∞ 对称交变应力 σm=0,r=-1
波动应力 σm>σa,0<r<1
不对称交变应力 -1<r<0
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图 循环应力的类型 a)、e) 交变应力 b)、c)、d) 重复循环应力
几种常见的承受循环应力的构件
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随机变动应力
循环应力呈随机变化，如运行时因道 路或云层的变化，汽车、拖拉机及飞 机等的零件，工作应力随时间随机变 化。