材料的疲劳性能

第 驻留滑移带：
五 在循环载荷作用下，即使循环载荷未超过材 章 料屈服强度，也会在材料表面形成循环滑移 材 带—不均匀滑移，其与静拉伸形成的均匀滑 料 移不同，循环滑移带集中于某些局部区域， 的 用电解抛光法也难以去除，即使去除了，再 疲 重新循环加载，还会在原处再现。
劳
性 不均匀滑移： 能 驻留滑移带在表面加宽过程中，会形成挤
则有剪切唇区存在。
第 瞬断区一般在疲劳源对侧。 五 瞬断区大小与名义应力、材料性质有关： 章 高名义应力或脆性材料，瞬断区大；反之，
材
料 瞬断区小。
的 疲 劳 性 能
第 五 章 材 料 的 疲 劳 性 能
第 五 章 材 料 的 疲 劳 性 能
第 五 章 材 料 的 疲 劳 性 能
第 第二节 疲劳破坏的机理
章
材 料
图中α满足： tg max 2 max 2
的
m max min 1 r
疲
劳
由此即可根据已知循环应力比r求出α值
性
作图，在AHB上对应点的纵坐标值即为相
能
应的疲劳强度。
第
五 这种疲劳图也可以利用Gerber关系绘制
章 材
max
m
a
m


1
料
的
疲ห้องสมุดไป่ตู้
劳
性
能
第 二、疲劳破坏的特点
五
在变动载荷作用下，材料薄弱区域，
章
材 逐渐发生损伤，损伤累积到一定程度→产生
料 裂纹，裂纹不断扩展→失稳断裂。
的 特点：从局部区域开始的损伤，不断累积， 疲 最终引起整体破坏。
劳
性 1、潜藏的突发性破坏，脆性断裂
能 （即使是塑性材料）。
2、属低应力循环延时断裂（滞后断裂）。
疲
劳 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
性 向垂直。与贝纹线不同,疲劳条带是疲劳断口的微 能 观特征。
疲劳条带形成的原因→塑性钝化模型：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
第 疲劳裂纹的形成与扩展模型：
五 章 材 料 的 疲 劳 性 能
GB4337—84
第 旋转弯曲疲劳试验机：
五 章 材 料 的 疲 劳 性 能
第 五 章 材 料 的 疲 劳 性 能
第 实验结果：
五
章
σ
材
料
的
疲
劳 性
σ -1
能
0
N
第 临界值σ–1：材料的疲劳强度
五
σ >σ–1 ，有限循环
章 材
σ≤σ–1 ，无限循环
料
的 金属材料的疲劳曲线有两类：
疲
碳钢、低合金钢、球铁等有水平线；而
料
向，疲劳强度较低。
的
疲
劳
对于复合材料，界面结合非常重要，
性
因为：基体与纤维的E不同，变形量不
能
同，故界面产生很大的剪切应力。
第 五
第三节 疲劳抗力指标
章 一、疲劳试验方法
材
料 实验设备：
的
旋转弯曲疲劳试验机
疲
劳 实验方法： 用一组光滑试样，测量σ —N曲
性
线，即疲劳应力—疲劳寿命曲
能
线。
实验标准：

1



m b
2

料
的 疲
min

m
a

m


1

1


m b
2


劳
性
能
第 注意：上述疲劳图仅适合于脆性材料，对 五 于塑性材料，应该用屈服强度σs进行修正。
劳 源为圆心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向
性 裂纹扩展方向，近疲劳源区贝纹线较细密（裂纹扩
能 展较慢），远疲劳源区贝纹线较稀疏、粗糙（裂纹
扩展较快）。
第 贝纹线（海滩花样）：
五
章
材
料
的
疲
劳 贝纹线区的大小取决于过载程度及材料的韧性，高 性 名义应力或材料韧性较差时，贝纹线区不明显；反 能 之，低名义应力或高韧性材料，贝纹线粗且明显，
材 如：齿轮的齿根、压力容器。
料
σm=σa<0，r=∞（ σmax=0）
的 如：轴承（压应力）。
疲
劳
性
能
第 ④ 波动循环
五 章
σm> σa，0<r<1； σmin>0（方向不变）
材 如：发动机气缸盖、螺栓。
料
的
疲
劳
性
能
第 ⑤ 随机变动应力
五
应力大小、方向随机变化，无规律性。
章
材 如：汽车、飞机零件、轮船。
集中而成为疲劳裂纹萌生地。
的 疲
（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。
劳 （4）自由表面与大气直接接触，因此，如果环境 性 是破坏过程中的一个因素，则表面晶粒受影响较 能 大。
第 2、疲劳裂纹的扩展 → 第Ⅱ阶段
五 疲劳裂纹形核后，在室温及无腐蚀条件下
章 第Ⅰ阶段属于微裂纹扩展 材 第Ⅱ阶段呈穿晶扩展，扩展速率da/dN 随 料 N的增加而增大。在多数韧性材料的第Ⅱ 的 阶段，断口用电子显微镜可看到韧性条带
料 量，使聚合物升温，可以修补高分
的
疲 子的微结构损伤，使机械疲劳裂纹
劳 形核困难。
性
能
第 ⑷聚合物疲劳断口可观察到两种特征的条纹
五
章
材
A、疲劳辉纹
料
每周期的裂纹扩展10μm（间距）。
的
疲
劳
性
B、疲劳斑纹
能
不连续、跳跃式的裂纹扩展，50μm间距。
第
五
聚合物相对分子量较高时，在
章
所有应力强度因子条件下，皆可形
五 章
一、金属材料疲劳破坏的机理
材 1、疲劳裂纹的萌生（形核）→ 第Ⅰ阶段
料 在循环应力作用下，裂纹萌生常在材料薄
的
弱区或高应力区。通过不均匀滑移或显微
疲
劳 开裂 （如第二相、夹杂物、晶界或亚晶
性
界）等方式完成。
能
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。
章 即循环次数N。
材
σ
料
的
疲
劳
σ -1
性
能
0
N
疲劳曲线: 应力б↑，N↓
第 五、疲劳断口的宏观特征
五
疲劳断口分析是研究疲劳过程，分析
章
材 疲劳失效原因的重要方法。典型疲劳断口
料 具有3个特征区：疲劳源、疲劳裂纹扩展区
的 、瞬断区。 疲 1、疲劳源
劳
性 疲劳裂纹萌生区，多出现在零件表面，与
能 加工刀痕、缺口、裂纹、蚀坑等相连。
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）。
第 挤出和侵入模型：
五 章 材 料 的 疲 劳 性 能
第 表面易产生疲劳裂纹的原因： 五 （1）在许多载荷方式下，如扭转疲劳，弯曲和旋 章 转弯曲疲劳等，表面应力最大。
材 （2）实际构件表面多存在类裂纹缺陷，如缺口，
料 台阶，键槽，加工划痕等，这些部位极易由应力
第 韧性疲劳条带与脆性疲劳条带形貌：
五 章 材 料 的 疲 劳 性 能
第 疲劳条带的形成模型(Laird-Smith模型）：
五 章 材 料 的 疲 劳 性 能
第 疲劳条带的形成模型—再生核模型（F-R）
五 章 材 料 的 疲 劳 性 能
第 韧性条带与脆性条带的区别：
五 章 材 料 的 疲 劳 性 能
第 二、非金属材料疲劳破坏机理
五 1、 陶瓷材料的疲劳破坏机理
章
材 静态疲劳：相当于金属中的延迟断裂，即在一 料 定载荷作用下，材料耐用应力随时间下降的
的 现象。
疲 动态疲劳：是在恒定加载条件下，研究材料断
劳 裂失效对加载速率的敏感性。
性 能
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。
第
第五章 材料的疲劳性能
五
据统计，在断裂失效中，疲劳失效约占80%以上，
章 造成了巨大的经济损失和人员伤亡。
材
料 第一节 疲劳破坏的一般规律
的 1、疲劳的定义
疲
材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损
劳 伤而引起的断裂现象，称为疲劳。
性 2、变动载荷：指大小或方向随着时间变化的载荷。 能 变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值。
材
料
成疲劳辉纹。
的
疲
劳
而相对分子量较低时，在较低
性 应力强度因子时，易形成疲劳斑纹。
能
第
3、复合材料的疲劳破坏机理
五 章
⑴ 复合材料疲劳破坏的特点
材 料
a、多种疲劳损伤形式：界面脱粘、分层、
的
纤维断裂、空隙增长等。
疲
劳 b、不发生瞬断，其疲劳破坏的标准与金属
性
不同，常以弹性模量下降的百分数
能
（1%-2%），共振频率变化（1-2HZ）作
3、对缺陷十分敏感（可加速疲劳进程）。
第 三、疲劳破坏的分类
五
弯曲疲劳
章
扭转疲劳
材 1、按应力状态 拉压疲劳
料
的
接触疲劳
疲
复合疲劳
劳 2、按应力大小和断裂寿命
性
能
高周疲劳→低应力疲劳
N>105，б<бs
低周疲劳→高应力疲劳
N=102～105，б≥бs
第 四、疲劳破坏的表征—疲劳寿命
五 疲劳寿命：材料疲劳失效前的工作时间，
劳
有色合金、不锈钢、高强度的无水平线
性
能
取N=106，107或108下的疲劳强度→条件
疲劳强度。
第 二、疲劳强度
五
在指定疲劳寿命下，材料能承受的
章
材 上限循环应力。
料 指定的疲劳寿命：无限周次；有限周次
的
疲
劳
1、对称循环疲劳强度
性 能
对称弯曲：σ-1 对称扭转：τ-1
其中，σ-1最常用
对称拉压：σ-1p
疲 r=-1，
劳 即σmax与σmin大小相等，
性 方向相反。
能 属于此类的有：大多数
旋转轴类零件。
第 ② 不对称循环
五
σm≠0
章 如：发动机连杆、螺栓，
材
料
(a）σa> σm>0，-1<r<0
的
疲
劳
性
能
（b）σa> 0，σm<0，r<-1
第 ③ 脉动循环
五 章
σm= σa>0，r=0（ σmin=0）
第 2、高分子聚合物的疲劳破坏机理
五 章
⑴ 非晶态聚合物
材 a、高循环应力时，应力很快达到或超过
料
材料银纹的引发应力，产生银纹，随
的
疲
后转变成裂纹，扩展后导致材料疲劳
劳
破坏。
性
能 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）。
第 c、低循环应力，难以引发银纹，由材料
五 微损伤累积及微观结构变化产生微孔及微 章 裂纹，最终裂纹扩展导致宏观破坏。
范围大。
第 名义载荷：根据额定功率用力学公式计算出
五
作用在零件上的载荷。即机器平
章
材
稳工作条件下作用于零件上的载
料
荷。
的 计算载荷=载荷系数*名义载荷
疲
劳
性 3、瞬断区：裂纹失稳扩展形成的区域
能 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
第 ⑶ 高聚物的热疲劳
五
章
材
由于聚合物为粘弹性材料，具有较大
料
面积的应力滞后环，所以在应力循环过程
的
中，外力所做的功有相当一部分转化为热
疲
劳
能；而聚合物导热性能差，因此温度急剧
性
升高，甚至高于熔点或玻璃化转变温度，
能
从而产生热疲劳。
第
五
热疲劳常是聚合物疲劳失效的
章
材 主要原因。因此疲劳循环产生的热
特征：光亮，因为疲劳源区裂纹表面受反复 挤压、摩擦次数多。
第 五 章 材 料 的 疲 劳 性 能
第 疲劳源可以是一个，也可以有多个。
五 如：单向弯曲，只有一个疲劳源；双向弯曲，可出
章 现两个疲劳源。
材 2、疲劳裂纹扩展区（亚临界扩展区）
料 特征：断口较光滑并分布有贝纹线或裂
的 纹扩展台阶。
疲
贝纹线是疲劳区最典型的特征，是一簇以疲劳
材
料 ⑵ 结晶态高聚合物或低应力循环的非晶态
的
高聚合物，疲劳过程有以下现象：
疲
劳 ①整个过程，疲劳应变软化而不出现硬化。
性
能 ②分子链间剪切滑移，分子链断裂，结晶
损伤，晶体结构变化。
第
五
章
材 ③产生显微孔洞，微孔洞合并成微裂纹，
料
并扩展成宏观裂纹。
的
疲
劳
性 ④断口呈裂纹扩展形成的肋状形态，断口
能
呈丛生簇状结构（拉拔）。
疲 ④应力幅σa或应力范围
劳 Δσ ：
性 Δσ =σmax- σmin
能 σa=Δσ/2=（σmax- σmin）/2
⑤应力比（或称循环应力特征系数）：
r= σmin/σmax
第 5、循环应力分类
五
按平均应力、应力幅、应力比的不同，循环
章 应力分为：
材 ① 对称循环
料 的
σm=（σmax + σmin）/2=0,
为破坏依据。
第 五
c、聚合物基复合材料，以热疲劳为主，对
章
加载频率敏感。
材
料
的 d、较大的应变引起纤维与基体界面开裂形
疲
成疲劳源（纤维、基体的变形量不同）
劳
性
压缩应变使复合材料纵向开裂，故对压缩
能
敏感。
第 e、复合材料的疲劳性能与纤维取向有关
五
章
纤维是主要承载组分，沿纤维方向具
材
有很好的疲劳强度；而沿纤维垂直方
第 2、不对称循环疲劳强度
五
不对称循环疲劳强度难以用实验方法直接测
章 定。一般用工程作图法，由疲劳图求出各种不对
材 称循环应力下的疲劳强度。
料 的
σmax σmin σmax
A
疲
H
劳 性 能
σ-1 B
0
α
σmin
E
σb σm
σ-1
σb
C 450
第 五
AHB曲线上各点σmax值即表示由r=-1~1个 状态下的疲劳强度。
分为：规则周期变动应力和无规则随机变动应力
2019年5月10日星期五
第 五 章 材 料 的 疲 劳 性 能
第
交变应力
五
（应力大小或方向呈周期性变化）
章
材
料
的
疲
劳
性
能
第 3、循环载荷（应力）的表征
五 ①最大循环应力：σmax
章 ②最小循环应力：σmin 材 ③平均应力：