金属的疲劳分类及热疲劳简介
疲劳试验简介
疲劳试验（fatigue test）利用金属试样或模拟机件在各种环境下，经受交变载荷循环作用而测定其疲劳性能判据，并研究其断裂过程的试验，即为金属疲劳试验。
1829年德国人阿尔贝特(J.Albert)为解决矿山卷扬机服役过程中钢索经常发生突然断裂，首先以10次/分的频率进行疲劳试验。
1852～1869年德国人沃勒(A.W hler)为研究机车车辆,开始以15次／分的频率对车辆部件进行拉伸疲劳试验，以后又用试样以72次/分的频率在旋转弯曲疲劳试验机进行旋转弯曲疲劳试验，他的功绩是指出一些金属存在疲劳极限，并将疲劳试验结果绘成应力与循环周次关系的S-N曲线（图1），又称为W hler曲线。
1849年英国人古德曼(J.Goodman)首先考虑了平均应力不为零时非对称载荷下的疲劳问题，并提出耐久图，为金属制件的寿命估算和安全可靠服役奠定理论基础。
1946年德国人魏布尔(W.Weibull)对大量疲劳试验数据进行统计分析研究，提出对数疲劳寿命一般符合正态分布（高斯分布），阐明疲劳测试技术中应采用数理统计。
60年代初，从断裂力学观点分析金属疲劳问题，进一步扩大了疲劳研究内容。
近年来，由于电液伺服闭环控制疲劳试验机的出现以及近代无损检验技术、现代化仪器仪表等新技术的采用，促进了金属疲劳测试技术的发展。
今后应着重各种不同条件(特别是接近服役条件)下金属及其制件的疲劳测试技术的研究。
试验种类和判据金属疲劳试验种类很多，通常可分为高周疲劳、低周疲劳、热疲劳、冲击疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、声致疲劳、真空疲劳、高温疲劳、常温疲劳、低温疲劳、旋转弯曲疲劳、平面弯曲疲劳、轴向加载疲劳、扭转疲劳、复合应力疲劳等。
应根据金属制件的服役（工作）条件来选择适宜的疲劳试验方法，测试条件要尽量接近服役条件。
进行金属疲劳试验的目的在于测定金属的疲劳强度（抗力），由于试验条件不同，表征金属疲劳强度的判据（指标）也不一样。
高周疲劳：高周疲劳时，金属疲劳强度判据是疲劳极限(或条件疲劳极限)即金属经受“无限”多次(或规定周次)应力循环而不断裂的最大应力，以σr表示，其中γ为应力比，即循环中最小与最大应力之比。
第05章 金属的疲劳1
（1）基本特征： 呈现贝壳花样或海滩花样，它是以疲
劳源区为中心，与裂纹扩展方向相垂直的 呈半圆形或扇形的弧形线，又称疲劳弧线。
疲劳弧线是裂纹扩展过程中，其顶端 的应力大小或状态发生变化时，在断裂面 上留下的塑性变形的痕迹。
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（2）贝纹花样的形成： 是由载荷变动引起的，因为机器运转时
不可避免地常有启动、停歇、偶然过载等， 均可留下塑性变形的痕迹——贝纹线（疲 劳弧线）。
r=-1称为对称循环应力；
r=0（或r=-∽）这种非对称循环又称为 脉动循环。这种载荷是一种最危险的载荷。
r偏离-1越远，应力对称性越差，疲劳 极限越高。
29
（2）循环应力的种类
（交变当）r应=-力1，；即σmin=-σmax时，称为对称循环
当r=0，即σmin=0时，称为脉动循环应力。
2
1、金属疲劳破坏的形成过程 在正常使用机械时，重复的推、拉、扭
或其他的外力情况都会造成机械部件中金 属的疲劳。
这是因为机械受压时，金属中原子的排 列会大大改变，从而使金属原子间的化学 键断裂，导致金属裂开。
3
构件承受交变应力的大小超过一定限 度，并经历了多次的循环重复后，在构件 内部应力最大处或材质薄弱处将产生细微 裂纹（称为疲劳源），这种裂纹随着应力 交变次数增加而不断向四周扩展。
53
（5）不同情况下贝纹线的形状
① 当轴类机件拉压疲劳时， 轴向应力包括拉-拉或拉-压疲劳。它的疲劳
源一般也在表面形成，只有内部有缺陷时才在缺 陷处形成。
54
若表面无应力集中（无缺口），则裂纹因截 面上应力均等而沿截面等速扩展，贝纹线呈一簇 平行的圆弧线；
55
若机件表面存在应力集中（环形缺口）， 则因截面表层的应力比中间的高，裂纹沿表层 的扩展快于中间区；高应力时，瞬断区面积相 对较大，疲劳裂纹扩展区面积小，裂纹沿两边 及中间扩展差别不大。
金属疲劳
劳断裂前所经历的应力循环周次越低，反之越高。根据循环
应力σmax和应力循环周次N建立S-N曲线。 由于疲劳断裂时周次很多，所以S-N曲线的横坐标取对数坐 标。
能力知识点2 疲劳极限
当应力低于某值时，材料经受无限次循环应 力也不发生疲劳断裂，此应力称为材料的疲 劳极限，记作σR（R为应力比），就是S-N曲 线中的平台位置对应的应力。 通常，材料的疲劳极限是在对称弯曲疲劳条 件下（R＝－1）测定的，对称弯曲疲劳极限 记作σ-1。
第5单元 金属的疲劳
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？
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。
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 坏的决定因素，奠定了金属疲劳的基础。
四、疲劳极限的测定
常规试验法
升降法
1.常规试验法
在疲劳试验中，当试样个数有限，工程急需，或 者为了节省费用，不宜进行大量试验时，常常采 用常规试验法。 这种试验方法除了直接为工程设计部门提供疲劳 性能数据外，还可作为一些特殊疲劳试验的预备 性试验。 由于常规试验方法耗费少，周期短，因此得到广 泛采用，其中最简单的是单点法。
疲劳极限与抗拉强度的关系
试验表明，金属材料的抗拉强度越大，其疲劳极 限也越大。
金属的疲劳
qf=kf-1/kt-1
Kt---理论应力集中系数，可从有关手册
中查找；
Kf---= σ -1 /σ –1N
疲劳缺口系数大于1，具体数值与缺口几 何形状及材料等因素相关。
第三节 疲劳裂纹扩展及疲劳门槛值 前面所述的疲劳强度是用小试样测定的，未能
反映裂纹的亚稳扩展问题，不能全面体现实际 机件的结构疲劳强度，疲劳裂纹扩展性能是对 疲劳强度的重要补充。 一。疲劳裂纹扩展曲线 用有裂纹的试样模拟实际机件的裂纹扩展情况， 在疲劳试验机上测定疲劳扩展曲线。一般常用 三点弯曲试样（TPB),中心裂纹试样（CCT),或 紧凑拉伸试样（CD),先预制疲劳裂纹，随后在 试验机上，在固定应力比r 和应力幅△σ条件下， 观察裂纹长度α随N循环扩展情况。裂纹的长度 可用显微镜法或电位法测量，每循环一定周次 Ni ,测量αi，直到断裂为止。
（3）不同应力状态下的疲劳极限 钢：σ -1P = 0.85σ -1 铸铁：σ -1P = 0.65σ -1 钢及轻合金： г -1 = 0.55σ -1 铸铁： г -1 = 0.80σ -1
上述公式使用时在注意它们的使用范围。
对称弯曲疲劳极限σ -1； 对称扭转疲劳极限г -1 ； 对称拉压疲劳极限σ -1P
因此，知道r后，将其代入上述公式求得 tg a和 a，而后从坐标原点O引直线，令 其和横坐标的夹角等于a 值，该直线与 曲线ABC相交的交点B即所求的点，其纵 横坐标之和即为相应r的疲劳极限，
Chapter 5 金属的疲劳
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1、过载损伤和过载持久值 过载损伤： 过载损伤 ： 在高于疲劳极限的应力水平 下运转一定周次后，其疲劳极限或疲劳寿命 减小的现象。 过载持久值： 过载持久值 ： 金属材料在高于疲劳极限 的应力下运行时，发生疲劳断裂的应力循环 周次。
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2、过载损伤界和过载损伤区 金属材料抵抗疲劳过载的能力，用过载 损伤界或过载损伤区表示。
4/58
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最大与最小应力 平均应力 应力幅 应力比
σ max、σ min
1 σ m = (σ max + σ min ) 2 1 σ a = (σ max − σ min ) 2
σ min γ= σ max
应力幅：循环应力中应力变动部分的幅 应力幅： 值。 应力比： 应力比：应力循环对称系数，指应力循 环的不对称程度。
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二、疲劳图和不对称循环疲劳极限 疲劳图是各种循环疲劳极限的集合图， 疲劳图 是疲劳曲线的另一种表达形式。主要用于求 解不对称循环疲劳极限。 疲劳图的建立是建立在以下事实上的： 疲劳图的建立是建立在以下事实上的： (1) 不 对 称 循 环 应 力 可 分 解 为 ： σr=σm+σaf(t)。 (2) 当σm增加时，允许的σa降低。 (3) 由最大循环应力σmax表示的疲劳极限σr是
随应力比r（或平均应力σm）的增大而升高的。
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那么， 那么 ， 如何根据对称应力循环求不对称 应力循环的疲劳极限呢？ 应力循环的疲劳极限呢？ (1) 极限循环振幅图(σa－σm疲劳图)。 (2) 极限循环应力图(σmax(σmin)－σm 疲劳 图)。
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疲劳图) 1、极限循环振幅图(σa－σm疲劳图) 极限循环振幅图(σ
8金属的疲劳
《工程材料力学性能》
8.2 金属在对称循环应力下的疲劳
8.2.1 循环加载及其特征参数
(3)脉动循环 （σm=σa，R＝0）
齿轮的齿根和某些压力容 器受到这种脉动循环应力 的作用。
《工程材料力学性能》
8.2 金属在对称循环应力下的疲劳
8.2.1 循环加载及其特征参数
(4)波动循环 （σm>σa，0＜R＜1）
《工程材料力学性能》
8.2 金属在对称循环应力下的疲劳
8.2.3 疲劳极限及其实验测定
疲劳极限：试件可经受无限的应力循环而不发生断裂， 所能承受的上限循环应力幅值。 工程上的定义
疲劳极限：在指定的疲劳寿命下，试件所能承受的上限 应力幅值。 对结构钢通常取Nf=107 cycles 在应力比R=-1时测定的疲劳极限记为σ-1
实际机器部件承受的载荷一般多属后者，但就工程材料的疲劳特性分析和评定 而言，为简化讨论，主要还是针对循环载荷（应力）而言的。
《工程材料力学性能》
8.2 金属在对称循环应力下的疲劳
8.2.1 循环加载及其特征参数
循环应力--应力随时间呈周期性的变化，变化波形通常是正弦波。 ①最大应力σmax 最小应力σmin
▲ 采用经济而有效的技术和管理措施以延长疲劳寿 命，简称延寿，从而提高产品质量。
《工程材料力学性能》
8.2 金属在对称循环应力下的疲劳
疲劳载荷及其描述参量 疲劳载荷大小，甚至方向 均随时间变化。
按一定规律呈周期性变化称为 周期变动载荷（应力）或 循环载荷（应力）
无规则随机变化的载荷称为 随机变动载荷。
《工程材料力学性能》
8.2 金属在对称循环应力下的疲劳
8.2.4 疲劳寿命曲线的测定及其数学表达式
材料力学性能-第五章-其它疲劳类型(3)
不利的拉应力，易出现发状裂纹和氢脆。其它的表
面保护如涂漆、涂油或用塑料、陶瓷形成保护层等，
对减少腐蚀疲劳都是有益的。
六、腐蚀疲劳
工业上的很多零部件是在腐蚀介质中承受
交变载荷作用的，如船舶的推进器、压缩机和
燃气轮机的叶片等。它们的破坏是在疲劳和腐
蚀联合作用下发生的，称之为腐蚀疲劳。腐蚀
疲劳过程也包括裂纹的萌生和扩展过程，只不
过在腐蚀介质的参与下其裂纹萌生要比在惰性
介质中容易得多，所以裂纹扩展特性在整个腐
蚀疲劳过程中占有更重要的地位。
2021年10月24日 星期日
第五章 金属的疲劳
腐蚀疲劳的特点：
腐蚀环境不是特定的。只要环境介 质对材料有腐蚀作用，再加上交变应 力的作用，都可产生腐蚀疲劳，这一 点和应力腐蚀有很大不同，腐蚀疲劳 不需要金属－环境介质的特点组合， 因此，腐蚀疲劳更具有普遍性。
2021年10月24日 星期日
第五章 金属的疲劳
反向加载时沿滑移线形成BC`B`裂纹；
C`
B
B`
B`
图5-65 点腐蚀产生疲劳裂纹
2021年10月24日 星期日
第五章 金属的疲劳
保护膜破裂形成裂纹模型：
保护膜
该理论认为，在发生应力腐蚀破坏时，
首先表现为钝化膜的破坏，破坏处的金属
表面暴露在腐蚀介质中会成为阳极，而其
余具有钝化膜的表面便成为阴极，从而形
2021年10月24日 星期日
第五章 金属的疲劳
热疲劳裂纹是沿表 面热应变量最大的区域 形成的，裂纹源一般有 几个，在循环过程中微 裂纹相互连接形成主裂 纹。裂纹扩展方向垂直 于表面，并向纵深扩展 导致断裂。
图5-62 锅炉套管的热疲劳裂纹
金属材料基础知识培训课件——第六章 金属材料的疲劳
▪ 6.2.3 疲劳极限
▪ 材料经无限多次应力循环不断裂的交变应力幅值。 ▪ 同一材料，对称循环疲劳极限也不同，弯曲疲劳极限（σ-
1）>拉压疲劳极限（σ-1p）>扭转疲劳极限（τ-1n）。
▪ 6.2.4 疲劳缺口的敏感度
▪ 应力集中程度用应力集中系数：
▪ 缺口对疲劳强度的影响，用疲劳有效应力集中系数：
因此抵抗低周疲劳性能较好。 ▪ 6.5.2 加载频率和保持时间 ▪ 加载频率降低和保持时间增加会降低材料寿命。 ▪ 6.5.3 晶粒大小 ▪ 随着晶粒变细，材料的低周疲劳寿命增加。 ▪ 6.5.4 环境介质 ▪ 高温下，裂纹尖端发生氧化，加速裂纹扩展。
▪ 6.6 腐蚀疲劳
▪ 6.6.1 腐蚀疲劳特性 ▪ 在任何腐蚀介质中均会发生。 ▪ 材料的条件腐蚀疲劳极限与其静强度之间不存在直接关系。 ▪ 6.6.2 腐蚀疲劳机理 ▪ 滑移-溶解型：在交变应力上升期，滑移台阶露出新鲜表
▪ （2）低周疲劳：高应力， 低循环次数。
▪ （3）热疲劳：温度变化引 起的热应力作用下引起的疲 劳破坏。
▪ （4）腐蚀疲劳：交变载荷 与腐蚀介质共同作用下引起 的破坏。
▪ （5）接触疲劳：机件的接 触表面在接触应力反复作用 下出现表面剥落。
▪ 6.1 交变载荷特性 ▪ 大小或方向或两者同时随时
间发生周期性变化的载荷。
面，被腐蚀。
▪ 6.6.3 影响腐蚀疲劳的主要因素
▪ 6.6.3.1 加载频率 ▪ 频率越低，在一定载荷周期数内，材料与腐蚀介质接触时
间越长，腐蚀作用越大，材料的腐蚀疲劳强度越低。 ▪ 6.6.3.2 平均应力 ▪ 平均应力增大使腐蚀疲劳裂纹扩展速度增加。 ▪ 6.6.3.3 组织状态 ▪ 电化学稳定性，具有马氏体组织碳素或低合金钢钢，对腐
金属疲劳
第10章金属材料的疲劳材料或元件在交变应力（随时间作周期性改变的应力）作用下，经过一段时期后，在内部缺陷或应力集中的部位，局部产生细微的裂纹，裂纹逐渐扩展以致在应力远小于屈服点或强度极限的情况下，突然发生脆性断裂，这种现象称为疲劳，例如频繁进料、出料的周期性间歇操作的设备，往复式压缩机气缸，应考虑其疲劳失效的可能性．疲劳分类：（1）高周疲劳低应力，高循环次数。
最常见（2）低周疲劳高应力，低循环次数。
（3）热疲劳温度变化引起的热应力作用下引起的疲劳破坏。
（4）腐蚀疲劳交变载荷与腐蚀介质共同作用下引起的破坏。
（5）接触疲劳机件的接触表面在接触应力反复作用下出现表面剥落。
10.1交变载荷特性大小或方向或两者同时随时间发生周期性变化的载荷。
交变载荷的特性可用几个参数来表示：应力循环：交变应力在两个应力极值之间变化一次的过程。
最大应力（σmax）：循环中代数值最大的应力。
最小应力（σmin）：循环中代数值最小的应力。
平均应力：（σmax+σmax）/2应力幅：（σmax-σmin）/2不对称系数：r=（σmin/σmax）;r=-1对称，r=0脉动；-1<r<1不对称10.2高周疲劳特点10.2.1应力-应变曲线随着循环次数的增加，应力幅值不变，应变量在减小。
这是因为发生的冷作硬化。
应力幅值是表征材料高周疲劳的主要参量。
10.2.2金属材料的疲劳特性曲线（图）用旋转弯曲疲劳试验法进行高周疲劳试验。
应力幅值与交变循环周数。
钢铁材料Nf>107曲线呈水平,对于铝合金等有色金属则没有明显水平部分。
10.2.3疲劳断裂的断口特征脆性断裂，断口无明显塑性变形，贝壳状纹路。
对缺口敏感（材料外缘和芯部纹扩散速度不同），对缺口不敏感。
10.2.4金属材料的疲劳抗力指标10.2.4.1疲劳极限材料经无限多次应力循环不断裂的交变应力幅值。
对于铝合金取Nf>=105～107的应力幅值作为条件疲劳极限。
同一材料，对称循环疲劳极限也不同，弯曲疲劳极限（σ-1）>拉压疲劳极限（σ-1p）>扭转疲劳极限（τ-1n）。
5-1金属的疲劳
0
X1 X2 X3 X5 。 。 4 6 。 7 X8 X9 X10 X12 。 14 。 。 11 13
X15
σ
σ σ σ
1
2 3 4
。 16
结果处理
σ
σ
0 1
X1
X2 X3 X5 。 。 4 6 。 7 X8 X9 X10 X12 。 14 。 。 11 13
X15
σ σ
σ
2
3 4
。 16
3和4、 5和6、 7和8、10和11、 12和13、 14和15、9和 16、 多点升降法：σ r = [（σ 3+σ 4）/2+ （σ 5 +σ 6）/2+ （σ 7 +σ 8） /2+ （σ 10 +σ 11）/2+ （σ 12+σ 13）/2+ （σ 14 +σ 15）/2+ （σ 9 +σ 16）/2]/7 =（ σ 1 +5σ 2 +6σ 3 +2σ 4 ）/14 四级应力水平 应力增量Δ σ = σ 2 -σ 1 = σ 3 –σ 2 。。。 =4-6% σ
0＜ r ＜1, 0＜σ m
r=-∞
（3）不对称交变应 力 r＜0 （4）波动应力 r＞0 1＜ r σ m＜ 0
设计：用σmax，σmin ，直观； 试验：用σm，σa ，便于加载； 分析：用σa，r，突出主要控制参量, 便于分类讨论。
主要控制参量： σa，重要影响参量：r 频率 (f=N/t) 和 波形的影响是较次要的。
ac 1 ac
2
a
Δσ Δσ 2
1
a0
da/dN
裂纹达到ac，da/dN无限大
第五章金属的疲劳..
第五章⾦属的疲劳..第五章⾦属的疲劳本章从材料学的⾓度研究⾦属疲劳的⼀般规律、疲劳破坏过程及机理、疲劳⼒学性能及其影响因素，以便为疲劳强度设计和选⽤材料，改进⼯艺提供基础知识。
第⼀节⾦属疲劳现象及特点⼀、变动载荷1. 变动载荷定义：变动载荷是引起疲劳破坏的外⼒，指载荷⼤⼩，甚⾄⽅向均随时间变化的载荷，在单位⾯积上的平均值为变动应⼒。
2. 循环应⼒⼆、疲劳现象及特点1. 分类疲劳定义：机件在变动应⼒和应变长期作⽤下，由于累积损伤⽽引起的断裂现象。
(1) 按应⼒状态不同，可分为：弯曲疲劳、扭转疲劳、挤压疲劳、复合疲劳(2) 按环境及接触情况不同，可分为：⼤⽓疲劳、腐蚀疲劳、⾼温疲劳、热疲劳、接触疲劳(3) 按断裂寿命和应⼒⾼低不同，可分为：⾼周疲劳、低周疲劳，这是最基本的分类⽅法2. 特点（1）疲劳是低应⼒循环延时断裂，即具有寿命的断裂断裂应⼒⽔平往往低于材料抗拉强度，甚⾄低于屈服强度。
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。
（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，所以不论是韧性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前不会发⽣塑性变形及有形变预兆，它是在长期累积损伤过程中，经裂纹萌⽣和缓慢亚稳扩展到临界尺⼨a c时才突然发⽣的。
因此，疲劳是⼀种潜在的突发性断裂。
（3）疲劳对缺陷（缺⼝、裂纹及组织缺陷）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，三者都加快了疲劳破坏的开始和发展。
三、疲劳宏观断⼝特征（1）疲劳源:在断⼝上，疲劳源⼀般在机件表⾯，常与缺⼝、裂纹、⼑痕、蚀坑等缺陷相连，由于应⼒不集中会引发疲劳裂纹。
材料内部存在严重冶⾦缺陷时，因局部强度降低也会在机件内部产⽣疲劳源。
从断⼝形貌看，疲劳源区的光亮度最⼤，因为这⾥是整个裂纹亚稳扩展过程中断⾯不断摩擦挤压，所以显⽰光亮平滑。
工程材料力学性能第五章 金属的疲劳
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
金属疲劳现象及特点 疲劳曲线及基本疲劳力学性能 疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 疲劳过程及机理 影响疲劳强度的因素 低周疲劳
第一节 金属疲劳现象及特点
一、变动载荷和循环应力 1、变动载荷和变动应力 变动载荷：载荷大小、甚至方向均随时间变化的载荷。 变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值。分规则周 期变动应力和无规则随机变动应力两种。 2、循环应力 规则周期性变化的应力称循环应力，表征应力循环特征的几个 参量： 最大应力 σmax 最小应力 σmin 平均应力 σm=（σmax+σmin）/2 应力幅 σa=（σmax－σmin）/2
三、疲劳宏观断口特征
典型的疲劳断口按照断裂过程可分为三个 区域，疲劳源、疲劳区和瞬断区。
1、疲劳源
疲劳源（或称疲劳核心），疲劳裂纹萌生的策源地，一 般总是产生在构件表面层的局部应力集中处，但如果构件 内部存在冶金缺陷或内裂纹，也可在构件内部或皮下产生 疲劳源。 疲劳源区光亮度最大，在断口上常能看到一个明显的亮斑。 疲劳源有时不止一个，尤其在低周疲劳下，其应力幅值较 大，断口上常有几个不同位臵的疲劳源。可以根据源区的 光亮度、相邻疲劳区的大小，贝纹线的密度去确定各个疲 劳源的产生顺序。 源区光亮度↑；相邻疲劳区越大；贝纹线越多越密者→疲 劳源越先产生。
如认为疲劳裂纹扩展的每一微小过程类似 是裂纹体小区域的断裂过程，ΔK就是裂纹 尖端控制疲劳裂纹扩展的复合力学参量。
3、da/dN--Δk （ lgda/dN-- lgΔk）曲线 将a-N曲线可转化为由Δk控制 的疲劳裂纹扩展速率曲线： da/dN -Δk 或 lgda/dNlgΔk 由曲线可知，可分为三个区： I区：疲劳裂纹初始扩展阶段 da/dN很小。 随Δk↑→da/dN快速提高，但 Δk变化范围很小， da/dN提 高有限，所占扩展寿命不长。
第五章金属疲劳
第二十九页，共80页。
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
第三十页，共80页。
铝合金：
σ－1p=1/6σb＋7.5MPa
σ－1＝1/6σb—7.5MPa
第二十页，共80页。
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。
第二十一页，共80页。
不扩展。
第四十五页，共80页。
（五） 疲劳裂纹扩展寿命的估算（Evaluation of fatigue crack propagation life）
当已知构件中的裂纹长度（可用无损探伤法测定）以及构 件所承受的应力状态。
则可从下式：
da/dN＝c（Yσa1/2）n 来计算疲劳寿命N。
d当Nn＝2d时a/，[c有（：Yσa1/2N ）cn ] (n2)c 2 (Y )n[ao (n 1 2)/2ac (n 1 2)/2]
5.2 疲劳曲线及疲劳抗力 (Fatigue curves and resistance)
(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。
金属也会疲劳？这些工业知识你知道吗？
金属也会疲劳？这些工业知识你知道吗？美国东部时间2018年4月17日早上10：43，美国西南航空1380号班机从纽约拉瓜迪亚机场（LGA）起飞，开往达拉斯。
然而，恐怕整架飞机上的5名工作人员与143名乘客都不会预料到，仅仅20分钟后，他们将在万米高空上经历一场生死惊魂。
在距离纽约不到250公里的宾夕法尼亚州Hershey镇上空，西南航空1380的左发动机爆炸了。
由爆炸产生的残骸打穿了发动机罩并打碎了机舱的一扇窗户。
由于机舱迅速失压，坐在这扇窗户旁边的一位女乘客被“推”往机外，尽管多名乘客出手相救，她最终没有被吸出机舱，但是她最终还是因为受伤太重在医院死亡，另还有7名乘客因伤住院。
这场空难在美国民航业里造成了一场大地震。
要知道，在过去数年里，美国民航的安全记录几乎完美，离上一次导致乘客死亡的空难已有9年之久。
由发动机碎片导致乘客死亡的空难更是十分罕见的。
图：本次事故的西南航空1380号班机爆炸的发动机当美国国家运输安全委员会（NTSB）的调查人员赶到现场时，他们立刻发现其左侧发动机的24片扇叶中少了一片。
“这片扇叶在叶毂处直接断掉了，而经过初步检查，我们发现扇叶分离处有金属疲劳的痕迹”，NTSB委员长Robert Sumwalk说道。
金属疲劳指的是由于重复使用而导致金属在局部高应力区形成微小裂纹，再由微小裂纹逐渐扩展以致断裂。
金属疲劳可能发生在涡轮扇叶发动机的扇叶片上，飞机上的铝皮上，以及任何其他金属部件上。
而惊人的是，这次空难并不是西南航空首次发生发动机故障引起的事故。
2016年8月，西南航空的同一型号飞机（波音737-700）的同一型号发动机（CFM56-7B）同样在巡航高度产生发动机爆炸，将发动机罩前部炸飞。
从乘客拍摄的照片来看，这两起空难中发动机的惨样相似度惊人。
所幸与这次不同的是，虽然2年前那场空难也产生了机舱失压，但那是由于左翼上方的机身上被打穿了一个大洞，并没有任何残骸射入机舱，因此没有发生人员伤亡。
材料力学性能第五章-金属的疲劳课件
“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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材料力学性能第五章-金属的疲劳
飞机舷窗
高速列车
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材料力学性能第五章-金属的疲劳
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。
低应力旋转弯曲，有高应力集中
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材料力学性能第五章-金属的疲劳
高应力旋转弯曲，有应力集中
5.2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能
疲劳强度
疲劳力学性 能指标
……
过载持久 值
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材料力学性能第五章-金属的疲劳
疲劳缺口 敏感度
5.2.1 疲劳曲线和对称循环疲劳极 限
疲劳曲线是疲劳应力与疲劳寿命的关系曲线，即
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材料力学性能第五章-金属的疲劳
1998年6月3日，德国艾舍德高速列车脱轨事故中的车轮轮缘疲劳断口
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材料力学性能第五章-金属的疲劳
瞬断区
瞬断区是裂纹失稳扩展形成的区域。在疲劳亚临界
扩展阶段，随应力循环增加，裂纹不断增长，当增 加到临界尺寸ac时，裂纹尖端的应力场强度因子KI 达到材料断裂韧性KIc(Kc)时。裂纹就失稳快速扩展 ，导致机件瞬时断裂。
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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材料力学性能第五章-金属的疲劳
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？
金属的疲劳
第七章金属的疲劳疲劳断裂在工业生产中占有很大的比例，是常见的一种失效形式。
金属的疲劳有高周疲劳、低周疲劳、热疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳等。
这章重点主要讨论高周疲劳及疲劳断裂机理、规律及疲劳抗力指标等。
第一节金属疲劳现象一、变动载荷金属的疲劳是在变动载荷下经过一定的循环周期后才发生的。
那么什么是变动载荷呢？变动载荷――载荷的大小、方向或大小和方向都随时间而变化的一种载荷。
变动载荷包括周期变动载荷（载荷大小、方向随时间周期变化）和随机变动载荷（载荷大小、方向随时间无规则变化）。
载荷谱―载荷与周期的关系曲线。
如下图所示：参量：应力半幅σa=(应力峰或谷点到曲线中点的距离)平均应力σm=(应力幅的中点到横轴的距离)应力比r=r=-1称为对称循环应力。
这种载荷是一种最危险的载荷。
r偏离-1越远，应力对称性越差，疲劳极限越高。
（图）二疲劳曲线在交变载荷下，金属承受的交变应力和断裂循环周次之间的关系曲线即为疲劳曲线（σ-N曲线）。
由于N较大，一般用σ-lgN曲线。
一般σmax↑，N↓，反之σmax↓，N↑。
σ-lgN一般有两种曲线上水平线所对应的即为疲劳极限：曲线上没有水平部分，此时规定某一即为材料能无限循环下去而不发生断裂循环周次所对应的应力为条件疲劳极限的最大应力。
有色金属、低温或腐蚀介质中工作的钢一般为钢铁材料对铸铁N=107 有色金属N=108三、疲劳宏观断口典型疲劳断口总是由疲劳源、疲劳裂纹扩展区（疲劳区）和最终断裂区三部分构成。
由于材料的质量、加工缺陷或结构设计不当等原因，会造成试样的局部区域的应力集中，疲劳裂纹会在这里产生，形成疲劳区。
是疲劳破坏的起点，一般在构件表面形成疲劳裂纹后，裂纹慢速扩展，形成贝壳状或海滩状条纹（像灰铸铁、铸钢以及高强度钢在疲劳断裂时都不会出现疲劳条痕）。
这种条纹开始时比较密集，以后间距逐渐增大。
由于载荷的间断或载荷大小的改变，裂纹经过多次张开闭合并由于裂纹表面的相互摩擦，形成一条光亮的弧线，叫疲劳裂纹前沿线，这个区域叫疲劳裂纹扩展区，是疲劳裂纹在亚临界扩展中所形成的断口区域。