讲解—材料的疲劳性能

材料的疲劳性能一.本章的教学目的与要求本章主要介绍材料的疲劳性能，要求学生掌握疲劳破坏的定义和特点，疲劳断口的宏观特征，金属以及非金属材料疲劳破坏的机理，各种疲劳抗力指标，例如疲劳强度，过载持久值，疲劳缺口敏感度，疲劳裂纹扩展速率以及裂纹扩展门槛值，影响材料疲劳强度的因素和热疲劳损伤的特征及其影响因素，目的是为疲劳强度设计和选用材料建立基本思路。

二．教学重点与难点1. 疲劳破坏的一般规律（重点）2．金属材料疲劳破坏机理（难点）3. 疲劳抗力指标（重点）4.影响材料及机件疲劳强度的因素（重点）5热疲劳（难点）三．主要外语词汇疲劳强度：fatigue strength 断口：fracture 过载持久值：overload of lasting value疲劳缺口敏感度：fatigue notch sensitivity 疲劳裂纹扩展速率：fatigue crack growth rate 裂纹扩展门槛值：threshold of crack propagation 热疲劳：thermal fatigue四. 参考文献1.张帆，周伟敏.材料性能学.上海：上海交通大学出版社，20092.束德林.金属力学性能.北京：机械工业出版社，19953.石德珂，金志浩等.材料力学性能.西安：西安交通大学出版社，19964.郑修麟.材料的力学性能.西安：西北工业大学出版社，19945.姜伟之，赵时熙等.工程材料力学性能.北京：北京航空航天大学出版社，19916.朱有利等.某型车辆扭力轴疲劳断裂失效分析[J]. 装甲兵工程学院学报，2010,24（5）：78-81五．授课内容第五章材料的疲劳性能第一节疲劳破坏的一般规律1、疲劳的定义材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。

2、变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。

变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值分为：规则周期变动应力和无规则随机变动应力3、循环载荷（应力）的表征①最大循环应力：σmax②最小循环应力：σmin③平均应力：σm=（σmax+σmin）/2④应力幅σa或应力范围Δσ：Δσ=σmax-σminσa=Δσ/2=（σmax-σmin）/2 ⑤应力比（或称循环应力特征系数）：r= σmin/σmax5、循环应力分类按平均应力、应力幅、应力比的不同，循环应力分为①对称循环σm=（σmax+ σmin）/2=0 r=-1属于此类的有：大多数旋转轴类零件。

②不对称循环σm≠0如：发动机连杆、螺栓（a）σa> σm>0，-1<r<0（b）σa> 0，σm<0，r<-1③脉动循环σm=σa>0，r=0（σmin=0）如：齿轮的齿根、压力容器。

σm=σa<0，r=∞（σmax=0）如：轴承（压应力）④波动循环σm> σa0<r<1 σmin>0 如：发动机气缸盖、螺栓。

⑤随机变动应力应力大小、方向随机变化，无规律性。

如：汽车、飞机零件、轮船。

二、疲劳破坏的特点在变动载荷作用下，材料薄弱区域，逐渐发生损伤，损伤累积到一定程度→产生裂纹，裂纹不断扩展→失稳断裂。

特点：从局部区域开始的损伤，不断累积，最终引起整体破坏。

1、潜藏的突发性破坏，脆性断裂（即使是塑性材料）。

2、属低应力循环延时断裂（滞后断裂）。

3、对缺陷十分敏感（可加速疲劳进程）。

三、疲劳破坏的分类1、按应力状态： 弯曲疲劳 扭转疲劳 拉压疲劳 接触疲劳 复合疲劳2、按应力大小和断裂寿命N>105，б<бs 高周疲劳→低应力疲劳N=102～105，б≥бs 低周疲劳→高应力疲劳四、疲劳破坏的表征—疲劳寿命疲劳寿命：材料疲劳失效前的工作时间，即循环次数N 。

疲劳曲线: 应力б↑，N↓ 五、疲劳断口的宏观特征典型疲劳断口具有3个特征区：疲劳源 疲劳裂纹扩展区 瞬断区 1、疲劳源疲劳裂纹萌生区，多出现在零件表面，与 加工刀痕、缺口、裂纹、蚀坑等相连。

特征：光亮，因为疲劳源区裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多。

疲劳源可以是一个，也可以有多个。

如：单向弯曲，只有一个疲劳源；双向弯曲，可出现两个疲劳源。

2、疲劳裂纹扩展区（亚临界扩展区）特征：断口较光滑并分布有贝纹线或裂纹扩展台阶。

贝纹线是疲劳区最典型的特征，是一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向，近疲劳源区贝纹线较细密（裂纹扩展较慢），远疲劳源区贝纹线较稀疏、粗糙（裂纹扩展较快）。

贝纹线（海滩花样）贝纹线区的大小取决于过载程度及材料的韧性，高名义应力或材料韧性较差时，贝纹线区不明显；反之，低名义应力或高韧性材料，贝纹线粗且明显，范围大。

名义载荷根据额定功率用力学公式计算出作用在零件上的载荷。

即机器平稳工作条件下作用于零件上的载荷。

计算载荷=载荷系数*名义载荷 3、瞬断区裂纹失稳扩展形成的区域 断口特征：断口粗糙，脆性材料断口呈结晶状；韧性材料断口在心部平面应变区呈放射状或人字纹状；表面平面应力区则有剪切唇区存在。

σ Nσ瞬断区一般在疲劳源对侧瞬断区大小与名义应力、材料性质有关高名义应力或脆性材料，瞬断区大；反之，瞬断区小。

第二节疲劳破坏的机理一、金属材料疲劳破坏的机理1、疲劳裂纹的萌生（形核）第Ⅰ阶段在循环应力作用下，裂纹萌生常在材料薄弱区或高应力区。

通过不均匀滑移或显微开裂（如第二相、夹杂物、晶界或亚晶界）等方式完成。

通常将长0.05-0.10mm的裂纹定为疲劳裂纹核，对应的循环周期N，为微裂纹萌生期。

驻留滑移带：在循环载荷作用下，即使循环载荷未超过材料屈服强度，也会在材料表面形成循环滑移带—不均匀滑移，其与静拉伸形成的均匀滑移不同，循环滑移带集中于某些局部区域，用电解抛光法也难以去除，即使去除了，再重新循环加载，还会在原处再现。

不均匀滑移驻留滑移带在表面加宽过程中，会形成挤出脊和侵入沟，从而引起应力集中，形成疲劳微裂纹→形核（萌生）。

挤出和侵入模型表面易产生疲劳裂纹的原因（1）在许多载荷方式下，如扭转疲劳，弯曲和旋转弯曲疲劳等，表面应力最大。

（2）实际构件表面多存在类裂纹缺陷，如缺口，台阶，键槽，加工划痕等，这些部位极易由应力集中而成为疲劳裂纹萌生地。

（3）相比于晶粒内部，自由表面晶粒受约束较小，更易发生循环塑性变形。

（4）自由表面与大气直接接触，因此，如果环境是破坏过程中的一个因素，则表面晶粒受影响较大。

2、疲劳裂纹的扩展→ 第Ⅱ阶段疲劳裂纹形核后，在室温及无腐蚀条件下第Ⅰ阶段属于微裂纹扩展第Ⅱ阶段呈穿晶扩展，扩展速率da/dN 随N的增加而增大。

在多数韧性材料的第Ⅱ阶段，断口用电子显微镜可看到韧性条带而脆性材料中可看到脆性条带。

疲劳条带（辉纹）呈略弯曲并相互平行的沟槽状花样，与裂纹扩展方向垂直。

与贝纹线不同,疲劳条带是疲劳断口的微观特征。

疲劳条带形成的原因：裂纹尖端的塑性张开，钝化和闭合钝化，使裂纹向前延续扩展疲劳裂纹的形成与扩展模型。

韧性疲劳条带与脆性疲劳条带形貌疲劳条带的形成模型(Laird-Smith模型）：疲劳条带的形成模型—再生核模型（F-R）韧性条带与脆性条带的区别：二、非金属材料疲劳破坏机理1、陶瓷材料的疲劳破坏机理静态疲劳相当于金属中的延迟断裂，即在一定载荷作用下，材料耐用应力随时间下降的现象。

动态疲劳在恒定加载条件下，研究材料断裂失效对加载速率的敏感性。

循环疲劳在长期变动应力作用下，材料的破坏行为。

陶瓷材料断口呈现脆性断口的特征。

2、高分子聚合物的疲劳破坏机理⑴非晶态聚合物a、高循环应力时，应力很快达到或超过材料银纹的引发应力，产生银纹，随后转变成裂纹，扩展后导致材料疲劳破坏。

b、中循环应力也会引发银纹，形成裂纹，但裂纹扩展速率较低（机理相同）。

c、低循环应力，难以引发银纹，由材料微损伤累积及微观结构变化产生微孔及微裂纹，最终裂纹扩展导致宏观破坏。

⑵结晶态高聚合物或低应力循环的非晶态高聚合物，疲劳过程有以下现象：①整个过程，疲劳应变软化而不出现硬化。

②分子链间剪切滑移，分子链断裂，结晶损伤，晶体结构变化。

③产生显微孔洞，微孔洞合并成微裂纹，并扩展成宏观裂纹。

④断口呈裂纹扩展形成的肋状形态，断口呈丛生簇状结构（拉拔）。

⑶高聚物的热疲劳由于聚合物为粘弹性材料，具有较大面积的应力滞后环，所以在应力循环过程中，外力所做的功有相当一部分转化为热能；而聚合物导热性能差，因此温度急剧升高，甚至高于熔点或玻璃化转变温度，从而产生热疲劳。

热疲劳常是聚合物疲劳失效的主要原因。

因此疲劳循环产生的热量，使聚合物升温，可以修补高分子、的微结构损伤，使机械疲劳裂纹形核困难。

⑷聚合物疲劳断口可观察到两种特征的条纹A、疲劳辉纹每周期的裂纹扩展10μm（间距）。

聚合物相对分子量较高时，在所有应力强度因子条件下，皆可形成疲劳辉纹。

B、疲劳斑纹不连续、跳跃式的裂纹扩展，50μm 间距而相对分子量较低时，在较低应力强度因子时，易形成疲劳斑纹。

3、复合材料的疲劳破坏机理⑴复合材料疲劳破坏的特点a、多种疲劳损伤形式：界面脱粘、分层、纤维断裂、空隙增长等。

b、不发生瞬断，其疲劳破坏的标准与金属不同，常以弹性模量下降的百分数1%-2%），共振频率变化（1-2HZ）作为破坏依据。

c、聚合物基复合材料，以热疲劳为主，对加载频率感。

d、较大的应变引起纤维与基体界面开裂形成疲劳源（纤维、基体的变形量不同）压缩应变使复合材料纵向开裂，故对压缩敏感。

e、复合材料的疲劳性能与纤维取向有关纤维是主要承载组分，沿纤维方向具有很好的疲劳强度；而沿纤维垂直方向，疲劳强度较低。

对于复合材料，界面结合非常重要，因为：基体与纤维的E 不同，变形量不同，故界面产生很大的剪切应力。

第三节疲劳抗力指标一、疲劳试验方法实验设备：旋转弯曲疲劳试验机实验方法用一组光滑试样，测量σ—N曲线，即疲劳应力—疲劳寿命曲线。

实验标准GB4337—84旋转弯曲疲劳试验机：临界值σ–1材料的疲劳强度σ >σ–1有限循环σ≤σ–1无限循环金属材料的疲劳曲线有两类：碳钢、低合金钢、球铁等有水平线而有色合金、不锈钢、高强度的无水平线取N=106，107或108下的疲劳强度→条件疲劳强度。

二、疲劳强度在指定疲劳寿命下，材料能承受的上限循环应力。

指定的疲劳寿命：无限周次有限周次1、对称循环疲劳强度对称弯曲：σ-1对称扭转：τ-1对称拉压：σ-1p2、不对称循环疲劳强度不对称循环疲劳强度难以用实验方法直接测定。

一般用工程作图法，由疲劳图求出各种不对称循环应力下的疲劳强度。

AHB曲线上各点σmax值即表示由r=-1~1个状态下的疲劳强度。

由此即可根据已知循环应力比r 求出α值作图，在AHB上对应点的纵r tg xmam+=+==122minmaxmaxσσσσσα坐标值即为相应的疲劳强度。