材料力学性能18

疲劳试验数据离散性
疲劳试验数据的统计处理： P-S-N曲线 P:失效概率 1-P:存活率
AB: P=50%(中值疲劳曲线); CD: P=0.01%; EF: P=0.1%
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99%的樣品在300MPa作用力下疲勞壽命不超过50萬次
第七章 材料的疲劳
S7-3 低周疲劳
1.包辛格效应(Bauschinger effect)
Miller总结的规律：当Rm/ReL大于1.4时发生硬化， 小于1.2时发生软化，在1.2～1.4之间时难以预料， 也可能在循环加载时趋于稳定。 Landgraf对常用高强度材料的研究指出，对一般 的结构钢，淬火中温回火后软化表现得显著。 当加工硬化指数n=0.1~0.2范围内时会产生硬化， 循环加载时的应力-应变曲线中的形变硬化指数n 会降低；当n<0.1时，就会发生软化。
疲劳裂纹萌生：驻留滑移带
Cottrell-Hull滑移带挤出挤入机制
疲劳裂纹萌生：晶界位错塞积
晶界萌生裂纹
疲劳裂纹萌生：微孔萌生与聚集
夹杂物或第二相界面开裂
2.疲劳裂纹扩展
循环 驻留 多条 主
载荷 滑移 微裂 裂
作用
带
纹
纹
第I阶段：沿τmax方向扩展 第II阶段：垂直于σmax方向扩展
扩展方向转变临界裂纹尺寸主要取决于材料和应力水平， 一般只有几个晶粒的尺度(~0.05mm)； 第I阶段裂纹扩展的尺寸虽小，对疲劳抗力的影响很大。

2a
E

K
2 I
E
(平面应力）
GI

1 2 2a
E

1 2
E
K
2 I
(平面应变 )
2a
GI E GIC
2a 2
E
a 2E
脆性断裂时三者一致！
KI a KIC
第七章 材料的疲劳
S7-1 金属机械疲劳现象
1.交变载荷
循环软化还是硬化主要与材料种类和初始状态有关！
3.-N曲线
S7-4 疲劳断裂过程
1.疲劳裂纹萌生
疲劳裂纹源：表面、缺陷或应力集中区
带键槽的钢轴
高纯金属光滑试样
疲劳裂纹萌生：驻留滑移带
扰动载N=荷104应力集中N=51滑04移带 驻N留=2滑.7 移10带5 （多晶体镍恒微幅应裂力纹循、环扩）展 宏观裂纹、扩展
交变应力的特征参量：
最大应力值： 最小应力值： 平均应力值： 交变应力幅：
2. 疲劳断裂的特点
疲劳断裂是一种低应力脆断， s
断裂前没有明显的塑性变形，即使塑性良好 的金属材料亦如此
裂纹萌生、扩展和最后断裂三阶段明显，是 一个较长期的发展过程；
疲劳断裂对材料的表面和内部缺陷非常敏感， 裂纹萌生于表面缺陷处；
6.交变载荷或循环应力特征？如何表征？ 7.疲劳断裂宏观特征？与静载断裂有何不同？ 8.疲劳断口宏观特征？与疲劳断裂过程之关系？ 9.疲劳断口微观特征？与疲劳断裂过程之关系？
10.疲劳贝纹线与疲劳条纹之异同？
断裂G判据、K判据与Griffith判据之关系：
U 2a2
E
GI

U (2a)
1.高周疲劳与低周疲劳之对比？ 2.s-N曲线与-N曲线之异同？如何进行疲劳强度和寿命设计？ 3.循环应力-应变特征及包辛格效应之影响？ 4.疲劳裂纹扩展速率变化规律及其控制因素？ 5.疲劳抗力影响因素？与材料拉伸性能指标有何关系？
2002年5月25日，中华航空611号班机，波音747-200型、 在澎湖附近万米高空处解体坠毁。 （1979年出厂，机龄22年8个月，飞行时数64,810小时）
2011年4月1日, 美西南航空812航班波音737-300飞行途中 “开天窗”
3.疲劳断口特征
微观特征： 疲劳条纹
应力循环
第七章 材料的疲劳
材料力学性能
哈尔滨工业大学材料学院 朱景川
思考题：
1.平面应力和平面应变KI是否相同？KC呢？ 2.平面应力和平面应变GI是否相同？GC呢？ 3.构件设计 s，裂纹尖端为何会产生塑性区？对其应力
状态有何影响？如何计算塑性区大小？ 4.Griffith判据、K判据、G判据之相互关系？
5.从材料KIC与s关系图可分析得到哪些结果？有何意义？
包辛格效应： 与预应变量有关
包辛格效应：
微观机制：塞积位错易于反向运动
影响： 消除：
利于反向塑性成形 不利于材料服役 预先进行较大的塑性变形 反向受力前回复或再结晶退火
2.应力-应变循环 (弹)塑性滞后环
循环应力-应变行为：循环软化与循环硬化现象
循环应力-应变行为：循环应力-应变曲线
循环应力-应变行为：循环软化与硬化规律
钝化-锐化机制与疲劳条纹的形成
Ti-6246疲劳裂纹扩展的同步辐射CT原位观测
S. Birosca et al, Acta Materialia, 2009
S7-5 疲劳裂纹扩展速率
IC
疲劳裂纹扩展寿命的估算： Paris方程的应用
Nc
dN ac
da
a0 CY m m/ 2 ( )m am/ 2
实验数据分散性较大。
金属疲劳与空难
1953年5月至1954年4月, 投入航线的9架“彗星”号喷气客 机, 3架以完全相同的方式在空中解体。
1988年, 美Aloha航空一架波音737-200在飞行中顶部脱落。 影片“九霄惊魂” （Miracle Landing） 机龄19年，起降次数89,090，设计预计75,000次
无水平渐近线——如有色金属
聚對苯二甲二乙酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)和聚四氟乙烯(PTFE)
疲劳寿命设计：
①长寿命： <r/n
②有限寿命： 过载持久值
Basquin经验式
s

, f
(2N
f
)b
铝合金拉-压对称循环疲劳曲线
s 450(2N f )0.11
S7-2 高周疲劳
1.疲劳曲线
旋转弯曲疲劳试验装置
疲劳试件
旋转弯曲载荷与对称循环应力 a=max=min , m=0, r=-1(对称循环)
S－N 曲线 (S σ= max )
S
r
有水平渐近线——如碳钢
疲劳极限
S－N曲线
条件疲劳极限
SS
(疲劳强度)
N0 =107~108
σr
O
N0
N
，当m2
，当m=2
第七章 材料的疲劳
S7-6 材料疲劳抗力的影响因素
1.次载锻炼与过载损伤 2.表面状态
3.组织结构
4.材料性能
s


, f
(2N
f
)b
，高周疲劳受应力控制
，低周疲劳受应变控制
习题八：试分析宏观疲劳行为、疲劳裂纹扩 展行为，对比说明如何基于上述行为进行疲 劳寿命设计及其应用。
思考题：