疲劳断裂讲义课件
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• 疲劳裂缝沿着高剪切应力平面（即PSB）成长， 使初期疲劳裂缝加深，其成长速率相对缓慢， 且为单一滑移。
• 若在低应力下，或试片方向具有优选方向（即 邻近晶粒的滑移平面几乎相等），则疲劳裂缝 可延伸甚至跨越晶粒而都在单一平面上滑移， 将有利于第I阶段的成长。
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24
第II阶段： 疲劳裂缝垂直应力方向
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14
• 典型的应变-寿命关系曲线
Coffin与Manson提出 材料塑性变形与疲劳寿命之 间的关系式：
C值介于-0.05 — -0.7之间。
Basquin与Coffin-Manson关系式合并，得到完整的应力、应变 与疲劳寿命关系式：
材料本身的特性也会使应变PPT-学寿习交流命曲线有所不同！
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26
第三节 疲劳破坏的宏观与微观特 征
A. 宏观特征(Macroscopic Character)
循环硬化
循环软化
多种材料的单向拉伸应力PPT与学习循交流环应力的应力-应变曲线
18
第二节 疲劳破坏机制
疲劳破坏过程依先后次序可区分为三个 主要阶段，即：
• 疲劳微裂缝形成 • 疲劳裂纹扩展 • 最终失效断裂
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19
A.疲劳微裂缝形成
• 表面上最大局部应力或最小截面积处，或因材 料差异导致的强度最弱的地方。
生，损伤严重。→ 事先预防是关键！
1998年德国高铁出轨事故
（200Km，近百人亡，伤300余人）
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2
交变应力是导致疲劳破坏产生的重要条件！ 工程中的许多载荷是随时间而发生变化的，而其 中有相当一部分载荷是随时间作周期性变化的。 例如：火车的轮轴。
交变应力→构件中点的应力 状态随时间而作周期性变化 的应力。
进行
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当疲劳裂 缝前端的塑性变 形由单一滑移进 入多重滑移或 是疲劳裂缝成 长被障碍物阻 挡时会进入第II 阶段,且成长速 度加快,成长方 向改变为垂直于 应力方向进行. 疲劳裂缝尖端 反复地塑性钝 化和尖锐化,逐 渐生长成宏观疲 劳裂纹,而达到 临界裂纹长度.
25
C.最终失效断裂
当疲劳裂纹达到临界长度时,则材料 本身剩下的截面积将无法承受所施加的负 荷,会突然进入最终失效断裂阶段而产生异 常快速且具有毁灭性的材料失效.
疲劳断裂讲义
第一节 交变应力与疲劳破坏现象 第二节 疲劳破坏机制 第三节 疲劳破坏的宏观与微观特征 第四节 疲劳断裂力学 第五节 影响材料疲劳极限或疲劳强度的因素 第六节 改善材料疲劳极限或疲劳强度的方法
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1
第一节 交变应力与疲劳破坏现 象
结构材料与机械零件失效案例中，疲劳破坏占 ＞50%，其破坏有别于静载破坏，破坏时外观没有明 显的征兆，大多是在无预警且不可预期的情况下发
A. 交变应力
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3
齿轮传动：齿轮啮合点处的应力随 时间作周期性变化。
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4
0
从构件的应力-时间曲线中可看出： 在承受交变应力的构件中，轴中的弯曲应力每转
一周就要从最大值σmax变到最小值σmin ，然后又恢复 到最大值，即：轴每转一周， 应力就完成一次循环, 称为一个应力循环。∣ σmax ∣= ∣ σmin ∣ 为对称 循环，否则为非对称循环。
任意振幅、应力
（4）静应力也可以看成是交变应力的一种特性:
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9
构件在交变应力下，当最大应力低于屈 服极限时，就可能发生疲劳破坏。
即使是塑性较好的材料断裂前也无明显 的塑性变形。
疲劳破坏过程依先后 次序可区分为三个主要阶 段，即：
疲劳裂缝形成
疲劳裂纹扩展
最终失效断裂。
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15
→ 不同性质材料的应变-寿命曲线
① 循环硬化
当循环应力继续作用， 材料的应力-应变曲线形状 会产生变化，代表其材质对 应力-应变反应的改变。根 据迟滞曲线形状变化的不同， 可分为四种：
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16
② 循环软化
③ 混合行为
应变范围固定，则应
力范围越来越小。
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17
④循环稳定←应变范围和塑性变形皆不明显
＜105许）多，应如用：的汽工车程启零动件器无上需的承弹受簧数零万件次、循热环交（换即管N及f
涡轮转子和叶片等。 → 依此循环寿命进行零件设计，可大 量减轻零件质量，降低生产成本。
• 典型低周疲劳的应力-应变迟滞曲线
Basquin提出关系式：
疲劳强度系数近似于抗拉强度 b值介于-0.05 — -0.12之间。
与N0对应的就是持久极限。 PPT学习交流
11
• 通常钢铁材料（除铸铁外）具有明显的疲劳 限特性→对应S-N曲线图随着应力 降低而呈现水平状态。
条件持久极限
耐久比：
通常非铁材料（如：Al、
Cu合金）都无真正的水
平疲劳限。 PPT学习交流
12
依疲劳寿命N f 来分类：
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13
低周疲劳的特点
如：表面刮痕、缺口等。
内部缺陷，如夹杂物、晶界、双晶界等强 度较低之处。
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20
循环应力作用几千次后，某些晶粒
中发生位错滑移，滑移线增多将形成永 久滑移带（PSB,含5000余条滑移线)， 导致材料表面上出现挤出与挤入，此两 者均会沿着永久滑移带平行发展，最终 形成疲劳微裂缝。
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21
铜单晶中PSB上的挤出 与挤入区实际照片
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22
wenku.baidu.com
B.疲劳微裂缝成长
成长速率与成长方向为局部应力集中的状 况及裂缝尖端的材料性质所控制。
疲劳裂缝成长，依先后顺序分成： ◇ 第I阶段：疲劳裂缝沿PSB方向进行 ◇ 第II阶段：垂直应力方向进行
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23
第I阶段： 疲劳裂缝沿PSB方向进行
10
B. 疲劳破坏的分类
屈服极限或强度极限等静强度指标已不能作为疲劳破坏 的强度指标。故在交变应力下，材料的强度指标应重新设定。
持疲 久劳 极寿 限命
应力-寿命曲线
旋转梁疲劳试验机
持久极限
实际上，试验不可能无限期的进行下去，
一般规定一个循环次数N0来代替无限长的持久
寿命，这个规定的循环次数N0称为循环基数。
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5
交变应力的几个名词术语:
PPT学习交流
6
交变应力的几种模式：
PPT学习交流
7
脉动循环：
变动于零到某一最
大值之间的交变应力循
环，称为脉动循环。
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8
（3）稳定交变应力：
交变应力的最大应力和最小应力的值，在工作 过程中始终保持不变，否则称不稳定交变应力。
不稳定交变应力
• 若在低应力下，或试片方向具有优选方向（即 邻近晶粒的滑移平面几乎相等），则疲劳裂缝 可延伸甚至跨越晶粒而都在单一平面上滑移， 将有利于第I阶段的成长。
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第II阶段： 疲劳裂缝垂直应力方向
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• 典型的应变-寿命关系曲线
Coffin与Manson提出 材料塑性变形与疲劳寿命之 间的关系式：
C值介于-0.05 — -0.7之间。
Basquin与Coffin-Manson关系式合并，得到完整的应力、应变 与疲劳寿命关系式：
材料本身的特性也会使应变PPT-学寿习交流命曲线有所不同！
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第三节 疲劳破坏的宏观与微观特 征
A. 宏观特征(Macroscopic Character)
循环硬化
循环软化
多种材料的单向拉伸应力PPT与学习循交流环应力的应力-应变曲线
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第二节 疲劳破坏机制
疲劳破坏过程依先后次序可区分为三个 主要阶段，即：
• 疲劳微裂缝形成 • 疲劳裂纹扩展 • 最终失效断裂
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A.疲劳微裂缝形成
• 表面上最大局部应力或最小截面积处，或因材 料差异导致的强度最弱的地方。
生，损伤严重。→ 事先预防是关键！
1998年德国高铁出轨事故
（200Km，近百人亡，伤300余人）
PPT学习交流
2
交变应力是导致疲劳破坏产生的重要条件！ 工程中的许多载荷是随时间而发生变化的，而其 中有相当一部分载荷是随时间作周期性变化的。 例如：火车的轮轴。
交变应力→构件中点的应力 状态随时间而作周期性变化 的应力。
进行
PPT学习交流
当疲劳裂 缝前端的塑性变 形由单一滑移进 入多重滑移或 是疲劳裂缝成 长被障碍物阻 挡时会进入第II 阶段,且成长速 度加快,成长方 向改变为垂直于 应力方向进行. 疲劳裂缝尖端 反复地塑性钝 化和尖锐化,逐 渐生长成宏观疲 劳裂纹,而达到 临界裂纹长度.
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C.最终失效断裂
当疲劳裂纹达到临界长度时,则材料 本身剩下的截面积将无法承受所施加的负 荷,会突然进入最终失效断裂阶段而产生异 常快速且具有毁灭性的材料失效.
疲劳断裂讲义
第一节 交变应力与疲劳破坏现象 第二节 疲劳破坏机制 第三节 疲劳破坏的宏观与微观特征 第四节 疲劳断裂力学 第五节 影响材料疲劳极限或疲劳强度的因素 第六节 改善材料疲劳极限或疲劳强度的方法
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第一节 交变应力与疲劳破坏现 象
结构材料与机械零件失效案例中，疲劳破坏占 ＞50%，其破坏有别于静载破坏，破坏时外观没有明 显的征兆，大多是在无预警且不可预期的情况下发
A. 交变应力
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齿轮传动：齿轮啮合点处的应力随 时间作周期性变化。
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0
从构件的应力-时间曲线中可看出： 在承受交变应力的构件中，轴中的弯曲应力每转
一周就要从最大值σmax变到最小值σmin ，然后又恢复 到最大值，即：轴每转一周， 应力就完成一次循环, 称为一个应力循环。∣ σmax ∣= ∣ σmin ∣ 为对称 循环，否则为非对称循环。
任意振幅、应力
（4）静应力也可以看成是交变应力的一种特性:
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构件在交变应力下，当最大应力低于屈 服极限时，就可能发生疲劳破坏。
即使是塑性较好的材料断裂前也无明显 的塑性变形。
疲劳破坏过程依先后 次序可区分为三个主要阶 段，即：
疲劳裂缝形成
疲劳裂纹扩展
最终失效断裂。
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→ 不同性质材料的应变-寿命曲线
① 循环硬化
当循环应力继续作用， 材料的应力-应变曲线形状 会产生变化，代表其材质对 应力-应变反应的改变。根 据迟滞曲线形状变化的不同， 可分为四种：
PPT学习交流
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② 循环软化
③ 混合行为
应变范围固定，则应
力范围越来越小。
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④循环稳定←应变范围和塑性变形皆不明显
＜105许）多，应如用：的汽工车程启零动件器无上需的承弹受簧数零万件次、循热环交（换即管N及f
涡轮转子和叶片等。 → 依此循环寿命进行零件设计，可大 量减轻零件质量，降低生产成本。
• 典型低周疲劳的应力-应变迟滞曲线
Basquin提出关系式：
疲劳强度系数近似于抗拉强度 b值介于-0.05 — -0.12之间。
与N0对应的就是持久极限。 PPT学习交流
11
• 通常钢铁材料（除铸铁外）具有明显的疲劳 限特性→对应S-N曲线图随着应力 降低而呈现水平状态。
条件持久极限
耐久比：
通常非铁材料（如：Al、
Cu合金）都无真正的水
平疲劳限。 PPT学习交流
12
依疲劳寿命N f 来分类：
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低周疲劳的特点
如：表面刮痕、缺口等。
内部缺陷，如夹杂物、晶界、双晶界等强 度较低之处。
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循环应力作用几千次后，某些晶粒
中发生位错滑移，滑移线增多将形成永 久滑移带（PSB,含5000余条滑移线)， 导致材料表面上出现挤出与挤入，此两 者均会沿着永久滑移带平行发展，最终 形成疲劳微裂缝。
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21
铜单晶中PSB上的挤出 与挤入区实际照片
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B.疲劳微裂缝成长
成长速率与成长方向为局部应力集中的状 况及裂缝尖端的材料性质所控制。
疲劳裂缝成长，依先后顺序分成： ◇ 第I阶段：疲劳裂缝沿PSB方向进行 ◇ 第II阶段：垂直应力方向进行
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第I阶段： 疲劳裂缝沿PSB方向进行
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B. 疲劳破坏的分类
屈服极限或强度极限等静强度指标已不能作为疲劳破坏 的强度指标。故在交变应力下，材料的强度指标应重新设定。
持疲 久劳 极寿 限命
应力-寿命曲线
旋转梁疲劳试验机
持久极限
实际上，试验不可能无限期的进行下去，
一般规定一个循环次数N0来代替无限长的持久
寿命，这个规定的循环次数N0称为循环基数。
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交变应力的几个名词术语:
PPT学习交流
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交变应力的几种模式：
PPT学习交流
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脉动循环：
变动于零到某一最
大值之间的交变应力循
环，称为脉动循环。
PPT学习0交流
8
（3）稳定交变应力：
交变应力的最大应力和最小应力的值，在工作 过程中始终保持不变，否则称不稳定交变应力。
不稳定交变应力