疲劳试验

一、裂纹萌生及机理
常将0.05~0.1mm的裂纹定为疲劳裂纹核。 引起裂纹萌生的原因：应力集中、不均匀塑性 形变。 方式为：表面滑移带开裂；晶界或其他界面开 裂。
1、滑移带开裂 （1）驻留滑移带 在交变载荷作用下，永留或能再现的循环滑 移带，称为驻留滑移带。 通过位错的交滑移，使驻留滑移带加宽。 （2）挤出峰和挤入槽 滑移带在表面加宽过程中，还会向前或向后 移动，形成挤出峰和挤入槽。 循环过程中，峰、槽不断增加，增高（或变 深）。（柯垂耳-赫尔模型）。 孪晶处也易出现挤出峰和挤入槽。
三、疲劳极限与静强度之间的关系 钢：σ-1p=0.23（σs+σb） σ-1=0.27（σs+σb） 铸铁：σ-1p=0.4σb σ-1=0.45σb 铝合金：σ-1p=σb/6 +7.5(MPa) σ-1p=σb/6 -7.5(MPa)
第三节 疲劳破坏机理
（ 疲劳过程：裂纹萌生、亚稳扩展、失稳扩展、 断裂。）
2、热应力的产生 外部约束 不让材料自由膨胀； 内部约束 温度梯度，相互约束，产生热应力。 热应变 导致裂纹的萌生，扩展。 3、衡量标准 一定温度幅，产生一定尺寸疲劳裂纹的循环次数。 4、提高热疲劳寿命的途径 材料 减小热膨胀系数，提高λ，均匀性， 高温强度。 工件状况 减小应力集中。 使用 减小热冲击。
2、特点
（1）断裂应力<σb，甚至<σs；
（2）出现脆性断裂；
（3）对材料的缺陷十分敏感；
（4）疲劳破坏能清楚显示裂纹的萌生和扩展， 断裂。
三、疲劳曲线和疲劳极限
（一）疲劳曲线
1、对称循环疲劳曲线 （σ~N曲线）
P96-图5-3
（1）有水平段的疲劳 曲线（钢） （2）无水平段的疲劳 曲线（有色金属，不锈钢等）
（二）疲劳极限
1、对称疲劳极限 97 循环载荷，r=-1。 σ-1，τ-1，σ-1p（对称拉压）
2、不对称循环疲劳极限（σr）
利用已知的对称循环疲劳极限，用工程作图法求得各 种不对称循环疲劳极限。 或者采用回归的公式求得。 （1）应力幅σa~平均应力σm图 y轴上的边界点为0和σ-1 x轴上的边界点为0和σb 将σmax分解成不同应力比 r时的σa和σm，作图。 运用时， 已知r，σr=σa+σm。
第四章 疲劳试验
引言
材料构件在变动应力和应变的长期作用下， 由于累积损伤而引起的断裂的现象——疲劳。 疲劳属低应力循环延时断裂。 不产生明显的塑性变形，呈现突然的脆断。 ∴疲劳断裂是一种非常危险的断裂。 ∴工程中研究疲劳的规律、机理、力学性能指 标、影响因素等，就具有重要的意义。
第一节 疲劳的基本概念
第四节 低周疲劳与热疲劳
疲劳寿命为102-105次的疲劳断裂，称为低周 疲劳。
一、低周疲劳的特点
1、局部产生宏观变形，应力与应变之间呈非 线性。 总应变△εt=△εe+△εp
2、裂纹成核期短，有多个裂纹源。 3、断口呈韧窝状、轮胎花样状。 4、疲劳寿命取决于塑性应变幅。
二、金属的循环硬化与循环软化
三、疲劳宏观断口的特征
断口拥有三个形貌不同的 区域：疲劳源、疲劳区、瞬断 区。 随材质、应力状态的不同， 三个区的大小和位置不同。 （P107图5-24）
1、疲劳源 裂纹的萌生地；裂纹处在亚稳扩展过程中。 由于应力交变，断面摩擦而光亮。 加工硬化。 随应力状态及其大小的不同，可有一个或几个疲劳源。 2、疲劳区（贝纹区） 断面比较光滑，并分布有贝纹线。 循环应力低，材料韧性好，疲劳区大，贝纹线细、明显。 3、瞬断区 一般在疲劳源的对侧。 脆性材料为结晶状断口；韧性材料有放射状纹理；边缘 为剪切唇。 返回
t 3.5(
b
)(2 N f )
012
e (2 N f )
0.6 f
0.6
曼森——柯芬关系式 △εpNfz=C Z、C——材料常数 Z=0.2~0.7; C—0.5ef~1.0ef 用上述关系式可估算材料的低周疲劳寿命。
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四、热疲劳
1、基本概念 在循环热应力和热应变作用下，产生的疲劳 称为热疲劳。 热疲劳属低周疲劳（周期短；明显塑性变 形）。 由温度和机械应力叠加引起的疲劳，称为热 机械疲劳。
2、晶界处开裂 晶界就是面缺陷； 位错运动易发生塞积，出现应力集中，晶界 开裂。 3、相界面开裂 两相（包括第二相、夹杂）间的结合力差， 各相的形变速率不同，易在相结合处或弱相内 出现开裂。 只有首先达到临界尺寸的裂纹核，才能继续 长大。
二、疲劳裂纹扩展过程及机理
1、裂纹扩展的两个阶段
第一阶段 沿主滑移系，以纯剪切方式向内扩展；扩展速率仅 0.1nm数量级。 第二阶段 II区。 晶界的阻碍作用，使扩展方 向逐渐垂直于主应力方向；扩 展速率μm级；可以穿晶扩展。 形成疲劳条纹（疲劳辉纹） （见书上图4-22）。 一条辉纹就是一次循环的结果。
一、变动载荷和循环应力
1、变动载荷 大小、方向或者大小和方向均随时间而变化。 变化分为周期性，无规则性。相对应的应力，称为循环 应力。 （P94-图5-1） 2、循环应力 （1）循环应力的特性 平均应力 σm=1/2（σmax+σmin） 应力幅 σa=1/2（σmax-σmin） 应力循环对称系数 γ=σmin/σmax （2）循环应力的种类（P95-图5-2） 对称；脉动；不对称循环应力。
二、疲劳分类及特点
1、分类 （1）按试样的加载方式分为：弯曲疲劳、扭转 疲劳、拉压疲劳、复合疲劳等。 （2）按试验环境可分为：室温疲劳试验、低温 疲劳试验、高温疲劳试验、热疲劳试验、腐蚀疲 劳试验、接触疲劳试验、微动磨损疲劳试验等 。 （3）按机件所受应力的大小和加载频率的高低 可分为：高周疲劳（Nf＞105周次）,因断裂应力 低（ <σs ），所以也叫低应力疲劳； 低周疲劳 （ Nf {102~105}周次），由于断裂应力水平高， ≥ σs，往往伴有塑性变形，故称为高应力疲劳 （或应变疲劳）。
1、定义与特点
恒应变幅（塑性应变幅或 总应变幅）循环加载过程中， 材料的形变抗力不断增加， 则称为循环硬化；反之为循 环软化。 应力——应变滞后回线， 只有在应力循环达到一定周 期后，才是闭合的，即：达 到循环稳定态。 循环应力—应变曲线高于 单次应力—应变曲线，则是 循环硬化，反之为循环软化。
2、循环软化的危害 使材料的形变抗力下降，导致工件产生过量 的塑性变形而失效。 3、原因 决定于材料的初始状态，工件结构特性；应 变幅，温度等。 σb/σs＞1.4循环硬化 σb/σs＜1.2循环软化 微观原因：位错的循环运动；相变强化；应 力松驰。
第一步 采用升降法测定条件疲劳极限， 第二步 用成组法测定σ一N曲线有限寿命段上各 点的数据， 第三步 绘制σ一N曲线。 二、不同应力状态下的疲劳极限 根据大量的实验结果，弯曲与拉压、扭转疲劳 极限之间的关系： 钢：σ-1p=0.85σ-1，铸铁σ-1p=0.65σ-1 铜及轻合金：τ-1=0.55σ-1，铸铁τ-1=0.8σ-1 σ-1>σ-1p>τ-1
2、疲劳裂纹扩展模型 （1）Laird塑性钝化模型 裂纹不再扩展的过程， 称为“塑性钝化” 该模型对韧性材料的 疲劳扩展很有用。 材料的强度越低，裂纹 扩展越快，条带越宽
（2）再生核模型 疲劳裂纹的扩展是断续的。 主裂纹前方是弹塑性 交界点（三向拉应力区） 可形成新裂纹核。主裂纹 和裂纹核之间发生相向长 大、桥接，使来自百度文库裂纹向前 扩展。 强度高的材料，可形 成解理裂纹。 返回
三、低周疲劳的应变—寿命曲线
低周疲劳的σ~N曲线，数据离散。 1、总应变幅△εt～N曲线 △εe/2～2Nf， △εp/2～2Nf ， △εt/2～2Nf， 两不同斜率的曲线叠放，必 然会出现一个交点。 提高强度，交点左移；提高 塑性，交点右移。
2、△ε~N关系式曼森公式
E 100 断裂真实伸长率 e f ln( ) 100 4
（2）σmax~σm 图 y轴上的边界点为σ-1和 -σ-1，x轴则同前图。 σmax=σb ，利用不同的 应力比r来作图。若为韧性 材料σmax=σ0.2 （3）公式法 上两图中的曲线可用数学 公式表示 可以很方便利用 σb ，σ-1， σ0.2和r，求得σr。
第二节 疲劳抗力指标及其测定 一、疲劳极限的测定