材料力学性能金属的疲劳
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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。
多，疲劳源区比较光亮，而且因加工硬化，该区表
面硬度会有所提高。
22
疲劳源
数量：机件疲劳破坏的疲劳源可以是一个，也可以 是多个，它与机件的应力状态及过载程度有关。如 单向弯曲疲劳仅产生一个源区，双向反复弯曲可出 现两个疲劳源。过载程度愈高，名义应力越大，出 现疲劳源的数目就越多。 产生顺序：若断口中同时存在几个疲劳源，可根据 每个疲劳区大小、源区的光亮程度确定各疲劳源产 生的先后，源区越光亮，相连的疲劳区越大，就越 先产生；反之，产生的就晚。
和无规则随机变动应力。
生产中机件正常工作时，其变动应力多为循环应 力。
8
变动应力
图 变动应力示意图 a)应力大小变化 b)、c)应力大小及方向都变化 d)应力大小及方向无规则的变化 9
循环应力及其特征参量
循环应力的波形有正弦波、矩形波和三角波等。 表征应力循环特征的参量有：
❖最大循环应力σmax，最小循环应力σmin ❖平均应力:σm=(σmax+σmin)/2 ❖应力幅或应力范围:σa=(σmax-σmin)/2 ❖应力比:r=σmin/σmax
14
疲劳形式的分类
可按不同方法对疲劳形式分类。 ❖ 按应力状态分：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、
接触疲劳及复合疲劳； ❖ 按环境和接触情况分：大气疲劳、腐蚀疲劳、高
温疲劳、热疲劳及接触疲劳等。 ❖ 按应力高低和断裂寿命分：高周疲劳和低周疲劳。
15
高周疲劳和低周疲劳
按应力高低和断裂寿命分,最基本的分类方法。
10
常见的循环应力
脉动应力 σm=σa>0,r=0 σm=σa<0,r=-∞ 对称交变应力 σm=0,r=-1
波动应力
σm>σa,0<r< 1
不对称交变应力
-1<r<0
图 循环应力的类型
11
a)、e) 交变应力 b)、c)、d) 重复循环应力
几种常见的承受循环应力的构件
12
随机变动应力
循环应力呈随机变化，如运行时因道路 或云层的变化，汽车、拖拉机及飞机等 的零件，工作应力随时间随机变化。
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。
金属疲劳是十分普遍的现象，例如火车的车轴是 典型的承受弯曲疲劳，汽车的传动轴主要是承受 扭转疲劳等。
本章主要内容
1、金属疲劳现象及特点 2、疲劳曲线及基本疲劳力学性能 3、疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 4、疲劳过程及机理 5、影响疲劳强度的主要因素 6、低周疲劳
7
5.1 金属疲劳现象及特点
5.1.1 变动载荷和循环应力
变动载荷是指载荷的大小、方向随时间变化的载
荷，其单位面积上的平均值为变动应力。 变动应力可分为周期变动应力（也称循环应力）
图 农用挂车前轴的载荷谱 13
5.1.2 疲劳现象及特点
金属机件在变动应力和应变长期作用下，由
于积累损伤而引起的断裂现象称为疲劳。
疲劳的破坏过程是材料内部薄弱区域的组织 在变动应力作用下，逐渐发生变化和损伤累 积、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生 突然断裂的过程，是一个从局部区域开始的 损伤累积，最终引起整体破坏的过程。
据150多年来的统计，金属部件中有80％以上的断 裂是由于疲劳而引起的，极易造成人身事故和经 济损失，因此认识疲劳现象、研究疲劳破坏规律、 提高疲劳抗力、防止疲劳失效是非常重要的。
▪1998年6月3日，德国发生了一起惨重的铁路交通事故。 一列高速列车脱轨，造成100多人遇难。
一个车轮的轮箍发生断裂，导致车 轮脱轨，进而造成车厢横摆，横摆 的车厢以其巨大的力量将桥墩撞断， 造成桥梁坍塌，压住了通过的列车 车厢，并使已通过桥洞的车头及前 5节车厢断开，而后面的几节车厢 则接二连三地撞在坍塌的桥体上。
表 高周疲劳和低周疲劳对比
疲劳类型
类别 断裂寿命
周次（Nf）
高周疲劳 （低应力疲劳）
较长
>105
低周疲劳 （高应力疲劳）
较短
102～105
应力水平
较低 σ<σs
较高 σ>σs
16
疲劳的特点
该破坏是一种潜藏的突发性破坏，在静载下显示 韧性或脆性破坏的材料在疲劳破坏前均不会发生 明显的塑性变形，呈脆性断裂。
的断口上也显示出疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂 区的特征。
20
疲劳宏观断口
21
ห้องสมุดไป่ตู้劳源
疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地。
位置：多出现在机件表面，常和缺口、裂纹、刀痕、 蚀坑等缺陷相连。但若材料内部存在严重冶金缺陷 (夹杂、缩孔、伯析、白点等)，也会因局部材料强 度降低而在机件内部引发出疲劳源。 特点：因疲劳源区裂纹表面受反复挤压，摩擦次数
“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。
飞机舷窗
高速列车
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。 疲劳断裂经历了裂纹萌生和扩展过程。由于应力水平较 低，因此具有较明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段，相应
疲劳破坏属低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命 的预测就显得十分重要和必要。
对缺口、裂纹及组织等缺陷十分敏感，即对缺陷 具有高度的选择性。因为缺口或裂纹会引起应力 集中，加大对材料的损伤作用；组织缺陷(夹杂、 疏松、白点、脱碳等)，将降低材料的局部强度， 二者综合更加速疲劳破坏的起始与发展。
17
“彗星”号是世界上第一种正式投入航线运营的民用喷气客 机。然而从1953年5月至1954年4月的11个月中，竟有３ 架“彗星号”客机在空中解体，机毁人亡。事故分析表明， 其中两次空难的原因是飞机密封座舱结构发生疲劳所致， 飞机在多次起降过程中，其增压座舱壳体经反复增压与减 压，在矩形舷窗窗框角上出现了裂纹引起疲劳断裂。针对 这个问题，英国德·哈维兰公司对“彗星”号飞机进行了改 进设计，加固了机身，采用了椭圆形航窗，使疲劳问题得 到很好的解决。
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。
多，疲劳源区比较光亮，而且因加工硬化，该区表
面硬度会有所提高。
22
疲劳源
数量：机件疲劳破坏的疲劳源可以是一个，也可以 是多个，它与机件的应力状态及过载程度有关。如 单向弯曲疲劳仅产生一个源区，双向反复弯曲可出 现两个疲劳源。过载程度愈高，名义应力越大，出 现疲劳源的数目就越多。 产生顺序：若断口中同时存在几个疲劳源，可根据 每个疲劳区大小、源区的光亮程度确定各疲劳源产 生的先后，源区越光亮，相连的疲劳区越大，就越 先产生；反之，产生的就晚。
和无规则随机变动应力。
生产中机件正常工作时，其变动应力多为循环应 力。
8
变动应力
图 变动应力示意图 a)应力大小变化 b)、c)应力大小及方向都变化 d)应力大小及方向无规则的变化 9
循环应力及其特征参量
循环应力的波形有正弦波、矩形波和三角波等。 表征应力循环特征的参量有：
❖最大循环应力σmax，最小循环应力σmin ❖平均应力:σm=(σmax+σmin)/2 ❖应力幅或应力范围:σa=(σmax-σmin)/2 ❖应力比:r=σmin/σmax
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疲劳形式的分类
可按不同方法对疲劳形式分类。 ❖ 按应力状态分：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、
接触疲劳及复合疲劳； ❖ 按环境和接触情况分：大气疲劳、腐蚀疲劳、高
温疲劳、热疲劳及接触疲劳等。 ❖ 按应力高低和断裂寿命分：高周疲劳和低周疲劳。
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高周疲劳和低周疲劳
按应力高低和断裂寿命分,最基本的分类方法。
10
常见的循环应力
脉动应力 σm=σa>0,r=0 σm=σa<0,r=-∞ 对称交变应力 σm=0,r=-1
波动应力
σm>σa,0<r< 1
不对称交变应力
-1<r<0
图 循环应力的类型
11
a)、e) 交变应力 b)、c)、d) 重复循环应力
几种常见的承受循环应力的构件
12
随机变动应力
循环应力呈随机变化，如运行时因道路 或云层的变化，汽车、拖拉机及飞机等 的零件，工作应力随时间随机变化。
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。
金属疲劳是十分普遍的现象，例如火车的车轴是 典型的承受弯曲疲劳，汽车的传动轴主要是承受 扭转疲劳等。
本章主要内容
1、金属疲劳现象及特点 2、疲劳曲线及基本疲劳力学性能 3、疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 4、疲劳过程及机理 5、影响疲劳强度的主要因素 6、低周疲劳
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5.1 金属疲劳现象及特点
5.1.1 变动载荷和循环应力
变动载荷是指载荷的大小、方向随时间变化的载
荷，其单位面积上的平均值为变动应力。 变动应力可分为周期变动应力（也称循环应力）
图 农用挂车前轴的载荷谱 13
5.1.2 疲劳现象及特点
金属机件在变动应力和应变长期作用下，由
于积累损伤而引起的断裂现象称为疲劳。
疲劳的破坏过程是材料内部薄弱区域的组织 在变动应力作用下，逐渐发生变化和损伤累 积、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生 突然断裂的过程，是一个从局部区域开始的 损伤累积，最终引起整体破坏的过程。
据150多年来的统计，金属部件中有80％以上的断 裂是由于疲劳而引起的，极易造成人身事故和经 济损失，因此认识疲劳现象、研究疲劳破坏规律、 提高疲劳抗力、防止疲劳失效是非常重要的。
▪1998年6月3日，德国发生了一起惨重的铁路交通事故。 一列高速列车脱轨，造成100多人遇难。
一个车轮的轮箍发生断裂，导致车 轮脱轨，进而造成车厢横摆，横摆 的车厢以其巨大的力量将桥墩撞断， 造成桥梁坍塌，压住了通过的列车 车厢，并使已通过桥洞的车头及前 5节车厢断开，而后面的几节车厢 则接二连三地撞在坍塌的桥体上。
表 高周疲劳和低周疲劳对比
疲劳类型
类别 断裂寿命
周次（Nf）
高周疲劳 （低应力疲劳）
较长
>105
低周疲劳 （高应力疲劳）
较短
102～105
应力水平
较低 σ<σs
较高 σ>σs
16
疲劳的特点
该破坏是一种潜藏的突发性破坏，在静载下显示 韧性或脆性破坏的材料在疲劳破坏前均不会发生 明显的塑性变形，呈脆性断裂。
的断口上也显示出疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂 区的特征。
20
疲劳宏观断口
21
ห้องสมุดไป่ตู้劳源
疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地。
位置：多出现在机件表面，常和缺口、裂纹、刀痕、 蚀坑等缺陷相连。但若材料内部存在严重冶金缺陷 (夹杂、缩孔、伯析、白点等)，也会因局部材料强 度降低而在机件内部引发出疲劳源。 特点：因疲劳源区裂纹表面受反复挤压，摩擦次数
“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。
飞机舷窗
高速列车
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。 疲劳断裂经历了裂纹萌生和扩展过程。由于应力水平较 低，因此具有较明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段，相应
疲劳破坏属低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命 的预测就显得十分重要和必要。
对缺口、裂纹及组织等缺陷十分敏感，即对缺陷 具有高度的选择性。因为缺口或裂纹会引起应力 集中，加大对材料的损伤作用；组织缺陷(夹杂、 疏松、白点、脱碳等)，将降低材料的局部强度， 二者综合更加速疲劳破坏的起始与发展。
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“彗星”号是世界上第一种正式投入航线运营的民用喷气客 机。然而从1953年5月至1954年4月的11个月中，竟有３ 架“彗星号”客机在空中解体，机毁人亡。事故分析表明， 其中两次空难的原因是飞机密封座舱结构发生疲劳所致， 飞机在多次起降过程中，其增压座舱壳体经反复增压与减 压，在矩形舷窗窗框角上出现了裂纹引起疲劳断裂。针对 这个问题，英国德·哈维兰公司对“彗星”号飞机进行了改 进设计，加固了机身，采用了椭圆形航窗，使疲劳问题得 到很好的解决。