疲劳与断裂综述

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题目：疲劳与断裂综述

院（系）材料与化工学院专业材料工程

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1 绪论 (3)

1.1 疲劳及断裂力学发展 (3)

1.2 疲劳与断裂力学的关系 (3)

1.3 疲劳设计方法 (4)

2 疲劳现象及特点 (4)

2.1 变动载荷和循环应力 (4)

2.2疲劳现象及特点 (5)

2.3疲劳断口宏观特征 (5)

3 疲劳过程及机理 (6)

3.1 疲劳裂纹萌生过程及机理 (6)

3.2 疲劳裂纹扩展过程及机理 (7)

4 疲劳影响因素及应对措施 (8)

4.1 疲劳强度影响因素 (8)

4.2 提高疲劳强度的措施 (9)

5结束语 (10)

1 绪论

1.1 疲劳及断裂力学发展

日内瓦的国际标准化组织（ISO）在1964年发表的报告《金属疲劳试验的一般原理》中给疲劳下了一个描述性定义：“金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能叫疲劳”。金属材料和构件的断裂，绝大部分属于疲劳断裂。材料的疲劳不仅是所有运动物体的一个共同性问题，对某些显然是静止的物体，只要它承受循环力或循环变形，就会因为疲劳而发生破坏。疲劳裂纹扩展是累计损伤的过程，包括金属在内的任何材料加工而成的机构或设备，在载荷反复作用下，机械结构的 50%~90%都会发生疲劳破坏。由于材料的破坏行为和静力相比有着本质的区别，使得材料的疲劳问题成为备受关注的问题之一。科学的研究方法对正确认识疲劳问题具有至关重要的意义。经过几十年的发展，人们已经认识到断裂力学是研究结构和构件疲劳裂纹扩展有力而现实的工具。现代断裂力学理论的成就和工程实际的迫切需要，促进了疲劳断裂研究的迅速发展。

1.2 疲劳与断裂力学的关系

疲劳学研究重复载荷及材料及结构的疲劳强度及疲劳寿命问题。断裂力学研究带裂纹体的强度问题。

疲劳破坏过程是从原子尺寸，晶粒尺寸到大型结构尺寸，跨越十几个量级的十分复杂的过程，疲劳破坏过程按裂纹扩展过程可以大致分为几个阶段。

（1）亚结构和显微结构发生变化，从而形成永久损伤形核。

（2）产生微观裂纹。

（3）微观裂纹长大和合并，形成“主导”裂纹。一般认为，这一阶段的疲劳通常是裂纹萌生与扩展之间的分界线，即疲劳与断裂力学的分界岭。

（4）主导宏观裂纹的稳定扩展。

（5）结构失去稳定性或完全断裂。

1.3 疲劳设计方法

根据处理裂纹萌生阶段和裂纹扩展阶段的不同定量处理，工程中运用疲劳学和断裂力学形成不同方法。分别是疲劳法—安全寿命法、损伤容限法、“安全-寿命”和“失效-安全”法。

2 疲劳现象及特点

疲劳是在材料在变动载荷循环作用下产生的破坏。工程中很多机件和构建都是在变动载荷下工作的，如曲轴、连杆、齿轮、弹簧、辊子、叶片及桥梁等，其主要失效形式是疲劳破坏。

2.1 变动载荷和循环应力

变动载荷是引起疲劳破坏的外力，它是指载荷大小，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。变动应力可分为规则周期变动应力和无规则周期变动应力两种。

循环应力的波形有正弦波、矩形波和三角波三种，其中常见的为正弦波。

循环应力通常用几个参量来表示：

最大应力σmax

最小应力σmin

平均应力m=(σmax+σmin)/2

应力幅a=(σmax-σmin)/2

应力比或循环特性参数R=σmin/σmax

应力幅度（应力变程）D=σmax-σmin

2.2疲劳现象及特点

(1) 疲劳的分类。疲劳可根据不同方法进行分类。按应力状态不同，可分为弯曲疲劳、扭转疲劳、复合疲劳等；按环境和接触情况不同，可分为大气疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳、高温疲劳、接触疲劳等；按循环周期不同，可分为高周疲劳、低周疲劳；按初始状态情况，可分为无裂纹零件和裂纹零件的疲劳。

(2) 疲劳的特点。疲劳断裂与静载荷或一次冲击加载断裂相比，有以下特点：

a)疲劳是低应力延时断裂，发生在应力水平远小于材料的抗拉强度甚至屈

服强度。断裂寿命随应力不同而变化，应力高寿命短，把锅里地寿命长。

当低于某一临界值（门槛值）时，寿命可达无限长。

b)疲劳破坏在宏观上无明显塑性变形，是脆性断裂。由于一般疲劳的应力

水平比屈服强度低，所以无论是韧性材料还是脆性材料断裂前都不会有

明显的塑性变形，它是在长期损伤积累过程中，经裂纹萌生和缓慢扩展

到临界尺寸才突然发生的断裂。因此，是一种潜在的突变型断裂。

c)对材料的缺陷十分敏感。疲劳破坏常具有局部性质，所以对缺陷有高度

的选择性。缺口的应力集中增大对材料有损伤作用；组织缺陷（夹杂、

疏松、白点、脱碳等）降低材料局部强度。因此改变局部设计可以明显

延长结构寿命（细节设计）。

d)疲劳断口在宏观和微观上均具有特征，可以借助断口分析判断是否属于

疲劳破坏。

2.3疲劳断口宏观特征

疲劳断裂和其他断裂一样，断口保留了断裂的痕迹，具有明显的形貌特征。这些特征受材料性质、应力状态、应力大小及环境特点等因素影响。典型疲劳断口具有三种不同的区域——疲劳源、疲劳区、瞬断区。如图1所示。

图1 疲劳宏观断口

（1）疲劳源区：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。随应力状态及应力大小的不同，可有一个或几个疲劳源

（2）扩展区：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。有时在疲劳区的后部，还可看到沿扩展方向的疲劳台阶（高应力作用）

（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。

3 疲劳过程及机理

疲劳过程包括疲劳裂纹萌生、裂纹亚稳扩展及最后失稳扩展三个阶段，其疲劳寿命Nf由疲劳裂纹萌生期Ni和裂纹亚稳扩展期Np 所组成。

3.1 疲劳裂纹萌生过程及机理

疲劳微裂纹在其形成和扩展过程中，会表现出与宏观裂纹不同的行为，一般来说，疲劳微裂纹长度小于或相当于材料内部细观组织单元（如晶粒、第二相粒子等）尺度，对于光滑的工程材料，疲劳微裂纹总是在自由表面处形成，但是由于受到材料微观组织的影响，微裂纹有着有不同的形核位置和萌生形式。比如，对于高强度钢，裂纹一般萌生于夹杂物；对于高强度铝合金，裂纹往往起源于尺度较小的第二相颗粒；对于一些中、低强度的合金材料，裂纹趋于在滑移带上形成。尽管短裂纹的萌生方式因材料而异，但其过程都是由表面或近表面处的局部塑性应变中造成的。

（1）驻留滑移带开裂

在低强度的金属材料中，疲劳裂纹一般起始于某些滑移带。与静载荷下出现的滑移带不同，交变载荷下形成的表面滑移带分布不均匀，滑移台阶一般在高应力的局部地区产生。滑移产生的表面突起经过抛光后虽能暂时消除，但是如果继续循环几个周次，滑移台阶又在原处出现，这称为“驻留滑移带”，它标志着疲劳损伤的开始。随着不断的循环变形，在材料表面形成了许多的“挤出”和“挤入”。