材料力学疲劳破坏
疲劳强度破坏实例
疲劳强度破坏实例疲劳破坏在局部应力最高的部位发生，某些机械，常常由于设计、制造、装配和使用中的不合理，造成零部件过早地发生疲劳断裂。
1．锻造用水压机，特别是1600吨以下的三梁（上横梁、活动横梁及下横梁）四柱式结构的小型水压机（图1.1），由于上、下横梁与立柱形成的框架的刚度小，在锻造过程中摇晃厉害，这样，常在立柱下端应力集中处发生疲劳破坏。
图1.2为1250吨锻造水压机的立柱，材料为45钢经正火处理，立柱两端的锥台分别与上、下横梁联接，立柱有内孔，通高压液体。
该水压机投产后不到两年，有一根立柱疲劳断裂，焊修后继续使用。
另一根立柱因超载运行断裂，更换一旧立柱。
再过一年大修时，将两根立柱都换上40Cr的新立柱，三年后，一根立柱又产生疲劳裂纹（图1.2所示）。
还有一台1600吨水压机投产后一年半，一根立柱在下横梁上螺母上部退刀槽处发生疲劳断裂（图1.3）。
从上面的例子可以看出，水压机立柱的疲劳断裂，大都发生在下横梁上螺母（或锥台）与立柱光滑区的过渡圆角处，该处的应力集中最大。
水压机横梁的疲劳破坏，可以分为两种情况：下横梁及活动横梁的疲劳破坏，都发生在梁的中央部位。
因为这种横梁各截面的面积近似相等，中央截面上的弯矩最大。
例如，一台1250吨水压机投产后十年，在下横梁中央部位产生疲劳裂纹。
另一台1000吨水压机投产一年后，于活动横梁中央产生疲劳裂纹，修焊后使用了两年又开裂。
对于梯形的上横梁，最高的局部应力不在中央截面上，而在上横梁与柱套交界的圆弧处。
因此，疲劳破坏在交界圆弧处发生。
2．轧机闭式机架用于初轧机、钢坯轧机及板轧机等。
对于以强度为主要要求的轧机机架，其破坏形式是弯曲疲劳破坏。
疲劳裂纹源常发生在压下螺母孔的过渡圆弧r处（图1.4中的1处），该处的峰值应力最高。
但有些轧机（如1200薄板迭轧机）工作十年后，发现在上横梁与立柱过渡圆角处有30mm长的裂纹（图1.4中的2处）。
3．运锭车用于将罩式加热炉中的大钢锭运到初轧机前的受料辊道上，它经受冲击，热锭温度的周期变化与运送中车辆的振动。
简述疲劳破坏的特征
疲劳破坏的特征引言疲劳破坏是材料在交替荷载作用下发生的破坏现象，它是一种特殊的失效方式。
疲劳破坏不仅在金属材料中普遍存在，对于混凝土、塑料等其他材料也有一定的影响。
本文将详细探讨疲劳破坏的特征以及与其相关的因素和机制。
疲劳破坏的特征疲劳破坏具有以下几个主要特征：1. 循环载荷下的失效疲劳破坏是在交替或循环载荷下发生的失效，相比于静态破坏，疲劳破坏往往是一个相对较慢的过程。
在材料受到循环载荷的作用下，疲劳寿命逐渐减小，最终导致失效。
这是与静态载荷下的破坏不同之处。
2. 隐蔽性疲劳破坏通常是隐蔽的，很难在外观上观察到明显的破坏迹象。
材料可能在一段时间内表现正常，但在受到一定循环载荷作用后突然发生失效。
这增加了疲劳破坏的危险性，因为我们难以提前判断材料的实际疲劳寿命。
3. 疲劳裂纹的形成和扩展疲劳破坏的过程可以分为三个阶段：裂纹的形成、裂纹的扩展和失效。
裂纹的形成是在循环载荷下，由于应力集中或材料内部缺陷等原因，导致微小裂纹的生成。
随着循环荷载的作用，这些裂纹会逐渐扩展，最终导致失效。
4. 疲劳寿命和应力水平的关系疲劳寿命是疲劳破坏的一个重要参数，它表示材料在循环载荷下能够承受的循环次数。
疲劳寿命与应力水平密切相关，一般来说，应力水平越高，疲劳寿命越短。
这是由于高应力容易导致应力集中和裂纹的形成，加速了疲劳破坏的发生。
疲劳破坏的影响因素疲劳破坏受到多种因素的影响，以下是几个主要的影响因素：1. 循环载荷幅值循环载荷幅值是指交替载荷的最大值与最小值之间的差值。
循环载荷幅值的增加会导致疲劳寿命的减小，即材料的抗疲劳性能下降。
2. 周期周期是指循环载荷一个完整循环所经历的时间。
周期的大小对疲劳寿命有很大影响，通常来说，周期越小，疲劳寿命越短。
3. 材料性能材料的性能对疲劳破坏起着重要的影响。
硬度、韧性、强度等材料性能的差异会直接影响材料的抗疲劳性能。
4. 温度和湿度温度和湿度对材料的疲劳特性有一定的影响。
一般来说，高温和潮湿环境会加速疲劳破坏的发生。
材料力学中材料破坏形式
材料力学中材料破坏形式在材料力学的领域中，理解材料的破坏形式是至关重要的。
这不仅有助于我们合理地选择和使用材料，还能为工程设计提供坚实的理论基础，确保结构的安全性和可靠性。
材料的破坏形式多种多样，常见的主要有屈服、断裂、疲劳、蠕变以及磨损等。
屈服是材料在受力作用下产生显著塑性变形的现象。
当外力超过材料的屈服强度时，材料开始发生塑性变形，且这种变形不再是弹性可逆的。
例如，钢材在受到超过其屈服强度的拉力时，会产生明显的伸长和变形。
屈服的发生通常与材料内部的位错运动有关。
位错是晶体中的一种缺陷，在应力作用下，位错会滑移和增殖，导致材料的塑性变形。
断裂则是材料在受力作用下完全分离成两个或多个部分的现象。
断裂可以分为脆性断裂和韧性断裂。
脆性断裂往往没有明显的塑性变形，断裂面较为平整，如玻璃、铸铁等材料在受到冲击时可能会发生脆性断裂。
这是因为这类材料的原子间结合力较强，断裂前能够吸收的能量较少。
而韧性断裂则会伴随较大的塑性变形，断裂面呈现出粗糙的纤维状，像低碳钢等材料通常会发生韧性断裂。
韧性断裂的发生与材料内部的微裂纹扩展和聚合有关。
疲劳破坏是材料在循环载荷作用下发生的破坏。
即使循环载荷的最大值低于材料的屈服强度，但经过一定次数的循环后，材料仍可能发生断裂。
这种破坏形式在机械零件中较为常见，如轴、齿轮等。
疲劳破坏的原因主要是材料内部的微观缺陷在循环应力作用下逐渐扩展，最终导致断裂。
其断裂面通常具有独特的特征，如疲劳源区、疲劳扩展区和瞬断区。
蠕变是材料在高温和恒定载荷作用下，随时间不断发生塑性变形的现象。
例如，在高温环境下工作的蒸汽管道，如果长时间承受恒定压力，可能会因为蠕变而发生变形甚至破裂。
蠕变的发生与材料内部的原子扩散和位错运动有关。
磨损是材料表面在相对运动中因摩擦而逐渐损失的现象。
在机械传动中，如齿轮之间的啮合、轴承与轴颈的接触等，都会产生磨损。
磨损的形式有多种，如粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损等。
磨损不仅会降低零件的精度和使用寿命，还可能导致整个系统的失效。
材料力学性能总结3
2.磨损量的估算：J.F.Archard提出了粘着磨损量 估算方法。
在摩擦副接触处为三向压缩应力状态，其
接触压缩屈服强度近似为单向压缩屈服强度sc
的三倍。
设真实接触面积为A，接触压缩屈服强度为3sc，
作用于表面上的法向力为P 。假定磨屑呈半球 形，直径为d，任一瞬时有n个粘着点，设所有
粘着点的尺寸相同，直径为d，则：
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p
n d 2
4
3 sc
单位滑动距离内的接触点数
N
n d
4p
3scd 3
W
KNV' L
K
4p
3scd 3
2
3
d 2
3
L
K
pL
9 sc
K
pL 3H
接触点半球体积
V
'
2
d
3
3 2
H 3 sc
磨屑形成有个几率问题，几率为K --粘着磨 损系数 ，随压力增大而增加。
二、 表面强化及残余应力的影响
表面热处理及表面化学热处理：
整体加热(低淬透性钢、薄壳件) 利 表面淬火 火焰加热
用组织
相变获得表
感应加热
面强化，可使机
渗碳
件获得表硬心韧的 表面化学热处理
良好综合性能，可利用 组织相变及组织应力、热应
渗氮 碳氮共渗
力的变化，使机件表层获得很 高的强度和残余压应力。
复合强化
铁qf＝0-0.05。 • （铸铁中石墨片尺寸一般大于临界裂纹扩展尺
寸，再有缺口影响不大）
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• 第三节 疲劳裂纹扩展速率 a
及扩展门槛值
ac1
疲劳破坏机理
疲劳破坏机理1、定义材料或构件受到多次重复变化的载荷作用后，即使最大的重复交变应力低于材料的屈服极限，经过一段时间的工作后，最后也会导致破坏，材料或结构的这种破坏就叫做疲劳破坏。
材料科学揭示，由于制造过程中存在不可避免的缺陷，材料中的微裂纹总是存在的，特别是在焊缝处。
这些微裂纹在交变应力作用下扩展和聚合，形成宏观裂纹，宏观裂纹的进一步扩展导致最后的破坏。
疲劳破坏的微观过程是个极其复杂的过程，在宏观上一般来说可分为三个阶段:裂纹的萌生、裂纹的稳定扩展及裂纹的失稳扩展问。
2、疲劳裂纹萌生机理金属材料如果含有缺陷，夹杂物，切口或者其它应力集中源，疲劳裂纹就可能起源于这些地方。
通常将疲劳裂纹的萌生过程称为疲劳裂纹成核。
如果金属材料没有上述各种应力集中源，则裂纹成核往往在构件表面。
因为构件表面应力水平一般比较高，且难免有加工痕迹影响;同时表面区域处于平面应力状态，有利于塑性滑移的进行。
构件在循环载荷作用下经过一定次数应力循环之后，先在部分晶粒的局部出现短而细的滑移线，并呈现相继错动的滑移台阶，又由于往复滑移在表面上形成缺口或突起而产生应力集中。
随着循环次数增加，在原滑移线时近又会出现新滑移线逐渐形成较宽的滑移带，进一步增加应力循环次数，滑移带尺寸及数量均明显增加，疲劳裂纹就在这此滑移量大的滑移中产生。
这些滑移带称为驻留滑移带，标志裂纹在表面形成。
在大量滑移带中，由于原滑移所引起在表面有挤出和侵入槽的出现。
从而在表面下留下相应的空洞成为裂纹源。
随着循环次数提高和应力集中的加剧，会使空洞扩连形成新的较大空洞。
3、疲劳裂纹扩展机理疲劳裂纹在表面处成核，是由最大剪应力控制的，这些微裂纹在最大剪应力方向上。
在单轴加载条件下，微裂纹与加载方向大致呈45 度方向。
在循环载荷的继续作用下，这些微裂纹进一步扩展或互相连接。
其中大多数微裂纹很快就停止扩展，只有少数几条微裂纹能达到几十微米的长度。
此后逐渐偏离原来的方向，形成一条主裂纹而趋向于转变到垂直于加载方向的平面（最大拉应力面）内扩展。
材料力学疲劳破坏
对称循环的疲劳曲线， 是材料的持久极限； 对称循环的疲劳曲线，σ-1是材料的持久极限；
在对称循环下， 在对称循环下，影响持久极限因素
1.构件外形突然变化 构件外形突然变化
扭转有效应力集中系数
应力集中系数 (σ-1)d和(τ-1)d表示光滑试样的持久有限；(σ-1)K和(τ-1)K表示有应力集中的 表示光滑试样的持久有限； 相同尺寸试样的持久极限； 的值都大于1。 相同尺寸试样的持久极限；Kσ和Kτ的值都大于 。 2.构件尺寸 构件尺寸 尺寸系数
交变应力
基 本 概 念
1.交变应力 交变应力
P n
n
应力随时间作周期性的变化
其中T表示应力变化周期 其中 表示应力变化周期 2.应力-时间曲线的几个参数 2.应力-时间曲线的几个参数 应力 （1）平均应力：最大应力和最小应力代数和的二分之一； ）平均应力：最大应力和最小应力代数和的二分之一；
（2）应力幅度：最大应力和最小应力代数差的二分之一； ）应力幅度：最大应力和最小应力代数差的二分之一；
(σ-1)d和(τ-1)d表示光滑大试样的持久有限；σ-1和τ-1表示光滑小试样的持久极限； 表示光滑大试样的持久有限； 表示光滑小试样的持久极限； εσ和ετ的值都小于 。 的值都小于1。 3.构件表面质量 构件表面质量 表面质量系数 (σ-1)d表示表面磨光试样的持久有限；(σ-1)β表示其它表面加工情况试样的持久极限； 表示表面磨光试样的持久有限； 表示其它表面加工情况试样的持久极限； β的值小于 。 的值小于1。 的值小于
（3）循环特性：最小应力与最大应力的比值 ）循环特性：
对称循环
脉动循环
静应力
3.疲劳破坏 疲劳破坏 工作应力在低于强度极限甚至屈服极限的情况下，突然发生脆性断裂； 工作应力在低于强度极限甚至屈服极限的情况下，突然发生脆性断裂；
疲劳破坏产生的条件,疲劳断裂过程
疲劳破坏产生的条件,疲劳断裂过程一、疲劳破坏产生的条件疲劳破坏是材料在交变应力作用下，在应力远低于其静态强度极限下，由于交变应力的作用而引起的破坏现象。
在工程材料中，由于外力交变作用引起的疲劳破坏是一种常见的破坏形式。
疲劳破坏产生的条件主要包括：交变应力和循环次数。
1. 交变应力：材料在外力作用下，会产生应力。
当外力是交变应力时，材料内部会产生周期性的应力变化，这种交变应力会导致材料疲劳破坏的产生。
交变应力的大小和频率直接影响着材料的疲劳寿命，如果交变应力的幅值过大或频率过高，就会加速材料的疲劳破坏过程。
2. 循环次数：材料在外力作用下，经历了多个循环过程，每个循环过程都会对材料产生一定的影响。
当循环次数达到一定数量级时，材料就会发生疲劳破坏。
循环次数也是造成材料疲劳破坏的重要条件之一。
二、疲劳断裂过程疲劳断裂是由于材料在受到交变应力作用下，经历了很多次的应力循环后，最终导致材料断裂的现象。
疲劳断裂过程主要包括疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展和终期疲劳断裂三个阶段。
1. 疲劳裂纹萌生：在外力作用下，材料表面会逐渐出现微小的裂纹，这些微小的裂纹称为疲劳裂纹。
这些裂纹通常在材料表面的晶界、夹杂物的周围或应力集中的区域产生。
疲劳裂纹的萌生是疲劳断裂的起始阶段，也是疲劳破坏的先导阶段。
2. 疲劳裂纹扩展：一旦疲劳裂纹产生，它们会随着应力的循环不断扩展。
每个循环过程都会使裂纹的长度增加，最终导致了材料的疲劳断裂。
在这个阶段，裂纹的扩展速度通常会随着循环次数的增加而逐渐加快。
3. 终期疲劳断裂：当裂纹扩展到一定长度时，材料就会发生终期疲劳断裂。
在这个阶段，材料的剩余截面积已经无法承受外力的作用，最终导致了材料的断裂。
终期疲劳断裂是疲劳破坏的最终阶段，也是材料的寿命终结阶段。
个人观点和理解对于疲劳破坏产生的条件和疲劳断裂过程，我认为在材料设计和工程应用中，我们需要仔细考虑外力的交变作用和循环次数对材料的影响，选择合适的材料和工艺，以延长材料的疲劳寿命。
材料力学第15章 疲劳
试样断裂前的应力循环次数即为试样转数，其值可由计数器读出。
图15.8 15.3.2应力-寿命曲线（S-N曲线） 试验时，使第一根试样的最大应力σ max,1较高，约为强度极限σ b的70%。 经历N1循环后，试样断裂N1称为应力σ max,1时的疲劳寿命，也称寿命。然 后，使第二根试样的应力σ max,2略低于第一根，它的寿命为N2。一般来说 ，随着应力水平的降低，疲劳寿命（导致疲劳失效的循环次数）迅速增加。 逐步降低了应力水平，得出与各应力水平相应的寿命。以σ 应力为纵坐标，
变应力中的最小应力等于零σ min=0，则r=0，称为脉动循环交变应力，如图
15.7（b）所示。若σ max，σ min同号，则r>0，这样的应力循环为同号应力
循环; 反之，r<0为异号应力循环。构件在静应力状态下，各点处的应力保 持恒定，即σ max=σ min，若将静应力视作交变应力的一种特例，则其循环 特征为：r=1（见图15.7（b））。
③构件断裂。裂纹的扩展使构件截面逐渐削弱，削弱到一）为疲劳破坏后的断口照片，断口表面可明显区分为光滑区与粗 糙区两部分（图15.5（b））。因为在裂纹的扩展过程中，裂纹的两个侧面 在交变应力的作用下，时而压紧时而分离，多次反复研磨，就形成了断口的 光滑区。而呈颗粒状的断口粗糙区则是最后突然断裂形成的。
陷处，易形成局部的高应力区，在长期的应力循环下，高应力区萌生细微裂 纹最终导致构件发生疲劳破坏。疲劳破坏的图15.4 过程一般可分为以下几 个阶段： ①裂纹萌生。在构件外形突变或有表面刻痕或有材料内部缺陷等部位，都可 能产生应力集中引起微观裂纹。对常见的金属疲劳而言，一般认为，在足够 大的交变应力下，金属中位置最不利或较弱的晶体，沿最大切应力作用面形 成滑移带，滑移带开裂成为微观裂纹。分散的微观裂纹经过集结沟通，将形 成宏观裂纹（见图15.4）。 ②裂纹扩展。已形成的宏观裂纹在交变应力下逐渐扩展，扩展是缓慢和不连 续的，因应力水平的高低时而持续时而停滞。
金属材料疲劳破坏的机理
一、名词解释1、交变应力：构件中一点应力随着时间变化而变化时，这种应力称为“交变应力”；2、疲劳：在交变应力作用下发生的破坏现象，称为“疲劳失效”或“疲劳破坏”，简称“疲劳”。
疲劳失效与静载作用下的强度失效，有着本质上的差别。
在交变应力作用下，材料的强度性能则不仅与材料有关，而且与应力变化情况、构件的形状和尺寸，以及表面加工质量等因素有着很大关系。
二、疲劳破坏特点1、破坏应力值远低于材料在静载下的强度指标。
2、构件在确定的应力水平下发生疲劳破坏需要一个过程，即需要一定量的应力交变次数。
3、构件在破坏前和破坏时都没有明显的塑性变形，即使在静载下塑性很的材料，也特呈现脆性断裂。
4、同一疲劳破坏断口，一般都明显的两个区域：光滑区域和颗粒区域。
三、疲劳破坏原因以多晶体金属为例，它由很多强弱不等的晶粒所组成，在晶粒边界上或夹杂物处，强度更弱。
在外力作用下，受力较大或强度较弱的晶粒以及晶粒边界上将出现错动的滑移带。
随着应力变化次数的增加，滑移加剧，滑移带变宽，最后沿滑移带裂开，形成裂纹。
这些最初形成的微裂大都是疲劳破坏的发源区，称为“疲劳源”。
再经过若干次应力交变之后，宏观裂纹继续扩展，致使构件截面削弱，类似在构件上作成尖锐的“切口”。
结果，在很低的名义应力（不考虑应力集中时算得的应力），水平下，构件便发生破坏。
裂纹的生成和扩展是一个复杂的过程，它与构件的外形、尺寸、应力交变的类型，以及构件所处的介质等因素有很大关系。
1、应力集中对疲劳极限的影响在构件上截面突变处，如阶梯轴的过渡段、开孔、切槽等处，会产生应力集中现象，即在这些局部区域内，应力有可能达到很高数值。
2、构件尺寸对疲劳极限的影响构件尺寸对疲劳极限有着明显的影响，这是疲劳强度问题与静载强度问题的重要差别之一。
实验结果表明，当构件横截面上的应力非均匀颁布时，构件尺寸越大，疲劳极限越低。
3、构件表面加工质量对疲劳极限的影响粗糙的机械加工，会在构件表面形成深浅不同的刻痕，这些刻痕本身就是初始裂纹。
材料力学的疲劳寿命分析
材料力学的疲劳寿命分析疲劳寿命是材料力学中一个重要的概念，它指的是材料在受到循环加载后发生疲劳破坏之前所经历的循环次数。
在工程设计和结构分析中，准确预测和分析材料的疲劳寿命至关重要，因为它直接影响着材料的可靠性和使用寿命。
一、疲劳破坏的基本原理材料在受到循环加载时，会发生微观裂纹的形成和扩展，导致材料的强度和韧性逐渐降低，最终导致疲劳破坏。
疲劳破坏的过程可以分为三个阶段：裂纹形成、裂纹扩展和破坏。
1. 裂纹形成阶段当材料受到应力加载时，存在缺陷和不均匀性，这些缺陷和不均匀性会导致应力集中。
在循环加载下，应力集中区域会产生局部塑性变形，并逐渐形成微小裂纹。
2. 裂纹扩展阶段一旦形成微小裂纹，循环加载会导致裂纹逐渐扩展。
这个阶段通常被称为裂纹扩展阶段，裂纹的扩展速率与应力幅、裂纹长度和材料的疲劳性能有关。
3. 破坏阶段当裂纹扩展到一定长度时，材料会因为强度和韧性的降低而发生破坏。
这个阶段是疲劳破坏的最终结果，材料在此时失去了重要的功能和可靠性。
二、疲劳寿命分析方法为了准确预测和分析材料的疲劳寿命，工程师和科学家开发了多种不同的疲劳寿命分析方法。
下面介绍几种常用的方法。
1. 应力范围法应力范围法是最简单和常用的疲劳寿命分析方法之一。
它基于材料的应力应变关系，并通过测量和计算加载的应力范围来估计疲劳寿命。
2. 应力域法应力域法考虑了应力的变化范围和频次对疲劳寿命的影响。
它将应力和应力范围绘制在应力-寿命曲线上，以确定疲劳寿命。
3. 塑性行为法塑性行为法通过考虑材料的塑性行为，如应力应变曲线的形状和材料的硬化行为，来进行疲劳寿命分析。
这种方法更适用于高强度材料和复杂加载情况下的分析。
4. 线性弹性应力法线性弹性应力法是一种基于材料的线性弹性行为进行疲劳寿命分析的方法。
它假设材料的疲劳寿命与应力幅有关，通过测量和计算应力幅来评估疲劳寿命。
三、影响疲劳寿命的因素除了疲劳寿命分析方法，还有一些其他因素会对材料的疲劳寿命产生影响。
材料力学中的疲劳损伤机理研究
材料力学中的疲劳损伤机理研究疲劳损伤是材料力学领域中的一个重要研究方向。
疲劳损伤是由于材料在受到周期性载荷作用下产生的持续性微小变形而导致的材料疲劳破坏。
在疲劳加载过程中，材料会逐渐失去其强度和韧性，最终导致疲劳断裂。
本文将着重探讨材料力学中的疲劳损伤机理研究。
一、疲劳裂纹成长机理分析疲劳损伤的主要表现之一是裂纹的成长。
疲劳裂纹成长机理是研究疲劳损伤的核心内容之一。
在材料受到疲劳载荷作用时，微小的裂纹会在材料中逐渐扩展，最终导致材料的疲劳断裂。
疲劳裂纹成长机理的研究对于预测材料的寿命和改善材料的抗疲劳性能具有重要意义。
二、疲劳寿命预测模型的建立疲劳寿命预测是研究疲劳损伤机理的另一个重要方面。
建立准确的疲劳寿命预测模型可以帮助工程师预测材料在实际工作条件下的寿命，从而进行有效的工程设计。
疲劳寿命预测模型通常基于材料的疲劳性能参数和实际工作条件进行建立，通过考虑不同的载荷幅值、载荷频率等参数来实现对材料寿命的预测。
三、疲劳断裂表面形貌分析研究疲劳损伤机理还需要对疲劳断裂的表面形貌进行分析。
疲劳断裂表面形貌通常表现为沿裂纹成长方向呈片状或细纹状的形态，通过分析疲劳断裂表面形貌可以揭示材料中的裂纹成长机制和断裂行为，有助于深入理解疲劳损伤的本质。
四、材料微结构对疲劳损伤的影响研究材料的微结构对于疲劳损伤的发生和发展起着重要的影响。
不同材料的微结构具有不同的显微组织特征，这些特征会影响材料中裂纹的形成和扩展。
因此，研究材料微结构对疲劳损伤的影响是材料力学中的一个重要研究方向。
五、新型材料的疲劳性能研究随着科技的不断发展，新型材料的研究越来越受到关注，而新型材料的疲劳性能研究是其中一个重要的方面。
新型材料具有独特的物理和化学性质，对于新型材料的疲劳损伤机理研究可以为其在实际工程领域的应用提供参考。
六、疲劳损伤机理研究的应用疲劳损伤机理研究的成果可以广泛应用于工程领域。
通过深入了解疲劳损伤的机理，可以更好地预测材料的寿命，指导工程师进行材料选择和设计。
材料性能学第5章
图5-9 F-R再生核模型
24
a—交变应力为零，循环开 始时，裂纹处于闭合状态。 b—随拉应力增加，裂纹前 端因解理断裂向前扩展。 c—在切应力作用下，沿 45°方向在很窄范围内产生 局部塑性变形。 d—发生塑性钝化，裂纹停 止扩展。 e—应力为零或进入压应力 周期，裂纹闭合，其尖端重 图5-10 脆性疲劳条带形成过程示意图 新变得尖锐，但裂纹已经向 前扩展了一个条带的距离。
以提高疲劳抗力。 ▶ 晶界开裂产生裂纹
晶界弱化、粗化等也会使晶界开裂。强化、净化、 细化晶界，可提高材料的疲劳抗力。 ▶ 材料内部的缺陷(如气孔、夹杂、分层、各向异 性、相变或晶粒不均匀等)，都会因局部的应力集 中而引发裂纹。
19
疲劳裂纹扩展的方式和机理 ▶ 疲劳裂纹扩展，按扩展方向可分为两个阶段
常将0.05~0.10mm的裂纹定义为疲劳裂纹核， 由此来确定疲劳裂纹的萌生期。
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疲劳裂纹一般都萌生于零件的表面，可能有三 个位置： 对纯金属或单相合金，尤其是单晶体，裂纹多 萌生在表面滑移带处，即所谓驻留滑移带的地方。 当经受较高的应力/应变幅时，裂纹萌生在晶 界处，特别是在高温下更为常见。 对一般的工业合金，裂纹多萌生在夹杂物或第 二相与基体的界面上。
在电子显微镜下可显示出疲劳条带。疲劳带是每次循环 加载时形成的。
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图5-7 疲劳条带 (a)韧性条带×1000 (b)脆性条带×600
21
► 裂纹扩展的塑性钝化模型(L-S模型)
a—交变应力为零，循环开始时， 裂纹处于闭合状态。 b—拉应力增加，裂纹张开，且 顶端沿最大切应力方向产生滑移。 c—拉应力达到最大时，滑移区 扩大，裂纹顶端变为半圆形，并 停止扩展。裂纹顶端由于塑性变 形产生塑性钝化，应力集中减少。 d—应力反向，滑移方向改变， 裂纹表面被压拢，裂纹顶端弯折 成一对耳状切口。 e—压应力最大值时，裂纹完全 图5-8 韧性疲劳条带形成过程示意图 闭合，并恢复到开始状态。
疲劳破坏
对于常幅疲劳，其计算表达式如下 19401012
[Δ ] ( C )1/
n
Δσ≤[σ]
[σ]——容许应力幅 Δσ——循环荷载产生的应力幅
表1.1 参数C、β
构件及
1
2
3
4
5
6
7
8
连接类
别
C 19401012 8611012 3.261012 2.181012 1.471012 0.961012 0.6510120.411012
疲劳破坏一钢材疲劳的基本概念二疲劳破坏的成因三疲劳破坏的过程四疲劳破坏的检验五疲劳破坏的计算六提高疲劳性能的工艺措施一钢材疲劳的基本概念钢构件及其连接总是存在着微观裂纹在循环荷载作用下构件及连接的微观裂纹不断扩展有效截面不断被削弱直至其承载能力不足疲劳破坏的成因 三、疲劳破坏的过程 四、疲劳破坏的检验 五、疲劳破坏的计算 六、提高疲劳性能的工艺措施
可近似地按照线性疲劳累积损伤原则，将随机变化的应力
幅折算为等效应力幅Δσe，按下式进行疲劳计算：
e
ni i
1/
ni
ni ——已知变幅应力谱的循环次数
ni ——已知变幅应力谱的Δσi 的应力循环次数
为保证不发生疲劳破坏，应满足 e
在焊缝和近旁金属的表层形成压缩残余应力，是改善疲 劳性能的一个有效的方法。
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通常，钢结构的疲劳破坏属高周低应变疲劳， 即总应变幅小，破坏前荷载循环次数多。疲劳破坏 可分为常幅疲劳和变幅疲劳。
钢材的疲劳破坏
钢材的疲劳破坏疲劳破坏的特征和定义：钢材在循环荷载作用下，应力虽然低于极限强度，甚至低于屈服强度，但仍然会发生断裂破坏，这种破坏形式就称为疲劳破坏。
破坏过程：裂纹的形成裂纹的扩展最后的迅速断裂而破坏 破坏特点：（1）疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度，钢材的塑性还没有展开，属于脆性破坏。
（2）疲劳破坏的断口与一般脆性破坏的断口不同。
一般脆性破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或人字纹。
而疲劳破坏的主要断口特征是放射和年轮状花纹。
（3）疲劳对缺陷十分敏感。
钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤、产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏，此现象称为疲劳（fatigue ）。
按照断裂寿命和应力高低的不同，疲劳分为高周疲劳（high-cyclefatigue ）和低周疲劳（low-cyclefatigue ）两类。
高周疲劳的断裂寿命较长，断裂前的应力循环次数n^5^＞，断裂应力水平较低，因此也称低应力疲劳或疲劳，一般常见的疲劳多属于这类。
低周疲劳的断裂寿命较短，破坏前的循环次数n=102〜5X104,断裂应力水平较高，伴有塑性应变发生，因此也称为应变疲劳或高应力疲劳。
1常幅疲劳钢材的疲劳一钢材在连续重复荷载作用下裂纹生成、扩展以致断裂破坏的现象。
设计规范规定：循环次数N±5X104，应进行疲劳计算。
1.1循环应力的特征应力谱，应力比，应力幅，循环次数NP=minQmax1.2 常幅疲劳－重复荷载的数值不随时间变化，所有应力循环内的应力幅保持常量。
A c=Q -Qmaxmin1.3A。
与N的关系A。
越大，破坏时循环次数越少；A。
越小，破坏时循环次数越多。
■破坏时循环次数越少，说明越大;■破坏时循环次数越多，说明越小。
1.4容许应力幅规范将不同构造和受力特点的钢构件和连接，按其疲劳性能的高低归并划分为8个疲劳计算类别，并对每个类别规定了相应的参数取值。
40.(叱嶽茨)J z Q r2C2r?5XI07'10H2X'5xl：fi和〔对数尺）参数c和b的取值参数C\创也农2.1国内外试验证明，除了个别在疲劳计算中不起控制作用类别的疲劳强度有随钢材的强度提高而稍有增加外，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度的影响。
材料力学 第16章 疲劳
循环应力（交变应力）：构件内一点处的应力随时间作周 期性变化，这种应力称为循环应力（交变应力） 实例2
每个齿随齿轮转动循环受力，齿内应力循环变化
实例3
（载荷不变, 轴转动）
A
MyA M R sint Iz Iz
起落架因飞机起 落而反复受载
疲劳破坏 在循环应力作用下，如果应力足够大， 并经历应力的多次循环后，构件将产生 可见裂纹或完全断裂
曲线是通过专用疲劳试验机，用若干光滑小尺寸专用标 准试件测试而得。试件分为若干组，各组承受不同的应 力水平，使最大应力值由高到底，让每组试件经历应力 循环，直至破坏。
二、 疲劳极限： 一般钢材和铸铁S-N曲线存在水平渐进线，该渐进 线所对应的应力值，称为材料的持久极限，代表 材料能经受无数次循环而不发生疲劳破坏最大应 力值，用r 表示。
条件疲劳极限：
铝合金等有色金属，其－ N曲线如图所示，它没有明显的 水平部分，规定疲劳寿命N0＝ 5×106－107 时的最大应力值为条 件疲劳极限。
rN
0
N0=5×10 6 ~10 7
N
§16–4 影响构件疲劳极限的主要因素
1．构件外形的影响 构件外形的突变（槽、孔、缺口、轴肩等）引起应力集中。 应力集中促使疲劳裂纹的形成，对构件疲劳强度的影响很大 应尽量减小应力集中，特别对于高强度材料构件 增大圆角半径 减小相连杆段的尺寸差别 将必要的孔与沟槽等备置在低应力区 采用凹槽与卸荷糟等
561 537 a 12MPa 2 2 max min 561 537 m 549MPa 2 2 min 537 r 0.957 max 561
max min
§16–3 S-N曲线和材料的疲劳极限
材料力学破坏的三种形式
材料力学破坏的三种形式材料力学中的破坏形式就像人生中的那些小插曲，有时候让人哭笑不得。
我们来聊聊这三种破坏形式，别担心，我会尽量用通俗易懂的方式，让你轻松愉快地了解。
咱们得说说脆性破坏。
想象一下，你买了一个漂亮的杯子，结果不小心掉地上，啪的一声，碎了。
这就是脆性破坏的典型案例，没啥缓冲，直接就“见光死”。
材料在承受应力时，完全没给自己留条后路，瞬间就崩溃了。
生活中，脆性破坏就像那些脾气大的人，平时好好的，突然炸了，啥也不留情面。
接着聊聊延性破坏。
这个就像是我们在面对生活的压力时，学会了低头，不是认输，而是找到了折中的办法。
想象你在运动场上，参加一个接力赛，腿有点酸了，但是你依然坚持，直到最后一刻才放弃。
延性破坏的材料可以在拉伸过程中产生变形，像小孩子一样，虽然哭了，但还是不想让爸妈担心，努力忍耐。
它们的韧性强，能承受一段时间的压力，最后才会慢慢崩溃。
这种破坏方式其实有点像我们生活中的挫折，经历了磨难，才显得更坚韧。
咱们再来看看疲劳破坏。
这个就像是你每天都在熬夜，工作压力山大，终于某天精神崩溃的那种感觉。
疲劳破坏是在反复的负荷下逐渐发生的，表面看起来没啥问题，实际上内心早已千疮百孔。
想想你在上班的时候，工作一段时间就感到精疲力竭，这就是疲劳的体现。
材料经过无数次的循环应力，终于忍无可忍，咔嚓一声。
它就像生活中的隐形压力，逐渐累积，最终导致崩溃。
这些破坏形式其实可以反映我们生活中的种种状况，脆性、延性和疲劳，就像我们应对困难时的不同反应。
脆性是直接的放弃，延性是经过努力的坚持，而疲劳则是潜移默化的累积。
在生活中，我们也会遇到各种压力，像是来自工作、家庭或者人际关系的种种挑战。
我们可能会在某个瞬间选择坚强，也可能在无数个日子里默默承受。
说到这里，大家可能会发现，材料力学和生活并没有太大区别。
每种破坏形式都有它独特的魅力和悲剧。
脆性让我想起那些瞬间爆发的冲突，延性让我想到努力拼搏的奋斗，疲劳则像是生活中无法言说的苦涩。
名词解释疲劳破坏
名词解释疲劳破坏疲劳破坏是一种物理现象，它描述了物质在经历了重复的应力作用后，逐渐失去强度和韧性的过程。
这种现象在材料科学、工程技术和人体生理学等领域都有广泛的应用。
在材料科学中，疲劳破坏是一种材料失效的主要形式之一。
在工程技术中，疲劳破坏是一种极其常见的现象，因为几乎所有的机械设备都经历了重复的应力作用。
在人体生理学中，疲劳破坏是指肌肉和神经系统在长时间的运动和工作后产生的疲劳和损伤。
疲劳破坏的机理比较复杂，但是可以归纳为以下几种情况：1. 微观裂纹扩展：当材料受到重复应力作用时，材料内部会出现微小的裂纹。
这些裂纹会随着应力的增加而扩展，最终导致材料的破坏。
2. 塑性变形：当材料受到应力作用时，材料内部的原子和分子会发生位移和变形。
这种变形会导致材料内部的应力分布发生变化，从而引起材料的破坏。
3. 疲劳蠕变：当材料受到重复应力作用时，材料内部会发生一种称为疲劳蠕变的现象。
这种现象会导致材料内部的晶粒发生变形，最终导致材料的破坏。
疲劳破坏对材料和机械设备的影响非常大。
在材料科学中，疲劳破坏是影响材料使用寿命的主要因素之一。
在工程技术中，疲劳破坏是导致机械设备失效的主要原因之一。
在人体生理学中，疲劳破坏是导致肌肉和神经系统疲劳和损伤的主要原因之一。
为了减少疲劳破坏的影响，我们可以采取以下几种措施：1. 控制应力幅值：在机械设备设计和使用中，我们应该尽可能地控制应力幅值，避免机械设备受到过大的应力作用。
2. 增加材料强度：在材料选择和制备中，我们应该选择强度高、韧性好的材料，以减少疲劳破坏的发生。
3. 减少应力作用次数：在机械设备的使用中，我们应该尽可能地减少机械设备受到重复应力作用的次数，减少疲劳破坏的发生。
4. 适当的休息和锻炼：在人体生理学中，我们应该合理安排工作和休息时间，避免长时间的工作和运动，减少肌肉和神经系统的疲劳和损伤。
总之，疲劳破坏是一种普遍存在的现象，对材料、机械设备和人体都有着重要的影响。
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平均应力σm和应力幅 σa
m
1 2
(
m
ax
min )
a
1 2
(
m
ax
min )
业务推广部
14
交变应力分类
1. 对称循环交变应力 r=-1
2. 非对称循环交变应 力r≠-1
• 脉动循环交变应 力r=0
3. 静应力（静载荷）
r=1
σmax(任何交变应力）
=σm（静应力业务）推广+部σa（对称循环应力）
业务推广部
5
A
My I
Mr I
sin t
车轴每旋转一周，A点的应力就重复变化一次，
称为一个应力循环，随着车轴的不停地旋转，
应力作周期性业的务推变广部化。
6
单向传动的啮合齿轮根部的弯曲正应力循环 特性
业务推广部
7
疲劳——材料对交变应力抵 抗力下降的现象。
疲劳破坏——在交变应力作 用下构件发生的破坏
据统计，在机械零件失 效中有80%以上属于疲劳 破坏。
疲劳破坏发生的断面称为疲劳断口，
是分析疲劳类型，判断疲劳事故原因的
特征区域。
业务推广部
8
疲劳破坏特点
交变应力引起的疲劳失效
与静应力引起的强度失效有本 质的区别：
1.疲劳破坏是构件在工作 应力低于强度极限，甚至低于 屈服极限的情况下突然发生的 断裂，往往具有突发性。
2.塑性材料构件也呈脆性断裂，即使塑性 性能很好的材料在断裂前也无明显的塑性变 形。
业务推广部
9
3. 构件的疲劳破坏断口 上有两个明显区域：光滑区与 粗糙区，其中粗糙区又称为瞬 断区，断口呈颗粒状。
疲劳破坏有裂纹的发生、扩 展和断裂三个部分。
裂纹产生的位置称为疲劳源 或裂纹源。
裂纹扩展但未断裂的区域称 为扩展区，通常对应光滑区。
法提高表面强度、提高表面质量系数，达到提
高疲劳强度的效果。但要严格控制工艺过程，
避免在提高表面层强度的同时，产生损伤表面、
降低疲劳强度业务的推广事部 故。
40
作业 习题： p441 21-1(b) 、 21-4
业务推广部
41
15
§10-3 材料的疲劳极限
在交变载荷作用下工作的构件存在一个 能继续工作多长时间的问题，称为疲劳寿命。
研究疲劳寿命的主要方法有：
•应力-寿命法。S-N法。 •应变-寿命法。-N法。 •断裂力学法。
S-N法是主要方法，要求零件有无限寿 命或很长寿命。适用于低应力幅。
疲劳极限或持久极限
——试件可经无限次应力循环而不发生疲劳
裂纹断裂的区域称为断裂区
，通常对应粗糙区。
业务推广部
10
疲劳破坏的过程：
一般认为是：当交变应力大 小超过一定限度，在构件中应 力为最大处或材料有缺陷处， 材料经过应力多次交替变化后， 首先产生细微裂纹源。
这种裂纹随着应力循环次数的增多而逐 步扩展。在此扩展过程中，随着应力交替地 变化，裂纹两边的材料时分时合，并互相研 磨，因而形成断面的光滑区域。
主讲教师：李林安
业务推广部
1
答疑地点:
16 教 学 楼 一 层 西 侧 12联0系电话:27406912
Email: lali@
业务推广部
2
疲劳破坏
• 交变载荷下材料的 疲劳破坏
业务推广部
3
问题
1、什么是疲劳破坏？有何特征？ 2、循环特征、疲劳极限？ 3、影响疲劳极限的因素有哪些？
破坏，交变应业务力推广最部 大值
16
疲劳极限测定方法： 疲劳寿命N 对称循环条件下，疲劳极限值记为σ-1
应力—疲劳寿命曲线含义：
σmax >σ-1,试件经历有 限次循环就破坏
•σmax <σ-1,试件经 历无限次循环而不 发生破坏 •σmax =σ-1,r=-1时 材料的疲劳极限
业务推广部
17
一般地，N0=107
“条件”疲劳极限 ——对于有色金属曲线无明显趋近于水平直 线，这时可以规定一个循环次数N0=107
实践证明：疲劳极限σ-1与材料的抗拉强度有 一定关系。如：
•对于钢， σ-1约为0.5 σb 。 •对于灰铸铁， σ-1约为0.42 σb 。 •对于球墨铸铁， σ-1约为0.48 σb 。 •对于铝合金， σ-1约为0.3~ 0.35 σb 。
影响构件疲劳极限的因素 • 应力集中 • 构件尺寸 • 构件表面加工质量
业务推广部
22
1、构件外形的影响
由于结构与工艺的要求，工程构件的形状 与光滑试件有很大的差异，如传动轴上会有键 槽、轴肩、横孔等。构件此种外形的变化，将 会引起应力集中，在应力集中的局部区域较易 形成疲劳裂纹，使构件的疲劳极限显著低于材 料的疲劳极限 。
业务推广部
34
构件的疲劳极限 0 1 对于对称循环，若材料的疲劳极限为1
则构件的疲劳极 限
0 1
1
K
1
k
上式中Kσ（ Kτ ）是综合影响系数。在综合 影响系数中考虑的因素有构件形状，尺寸及
表面质量等
K
k
业务推广部
35
§10-5 对称循环疲劳强度设计
疲劳强度条件也可以用安全系数
表示
n
0 1
业务推广部
18
测定疲劳破坏应力的试验称为耐久性试验 旋转弯曲疲劳试验机
max Mmax
min
W 业务推广部
19
耐久性试验包括： •拉压。 •弯曲 •扭转
实践证明：弯曲疲劳极限（σ-1）b、扭转 疲劳极限-1以及拉压疲劳极限σ-1之间有如下 近似线性关系。 •对于钢， （σ-1）b=0.85σ-1。 -1 =0.55σ-1。 •对铸铁， （σ-1）b=0.65σ-1。 -1 =0.90σ-1。
有效应力集中系数k
光滑试件的疲劳极限 1 同尺寸、 有应力集中试件的疲劳极限
1
业务推广部
23
有效应力集中系数
业务推广部拉压时
24
业务推广部 扭转时
25
弯曲时
业务推广部
26
业务推广部
27
业务推广部
28
2、构件尺寸的影响 试验表明，尺寸增大将导致疲劳极限降低
尺寸影响系数
大尺寸光滑试件的疲劳极限 1 标准小尺寸光滑试件的疲劳极限 1
12
疲劳破坏过程
1. 疲劳裂纹形 成（萌生、 成核）阶段
2. 裂纹扩展阶 段
• 微观裂纹 扩展阶段
• 宏观裂纹 扩展阶段
3. 脆性断裂阶业务推广部
13
§10-2 交变应力的要 素
应力循环周期T——一个周期变化所需要的时间 最大应力σmax 、最小应力σmin
循环特征（应力比或 循环特性）
r min max
业务推广部
4
§10-1 交变应力的概念
在工程中，有许多构件在工作时出现随时间 作交替变化的应力，这种应力称为交变应力。
构件产生交变应力的 有原的因是由于载荷的大小、方向或位置随时间作 交替的变化；有的虽然载荷不随时间而改变， 但构件本身在旋转。
火车轮轴就属于后一种情况，下面以车轴为例 来分析应力随时间作交替变化的过程。
面尺寸的过渡处（如阶梯轴的轴肩处），要
采用半径尽可能大的过渡圆角。如果由于结
构上的原因，无法加大过渡圆角半径时，须
在直径较大的轴段上加开减荷槽或退刀槽。
在紧配合的轮毂与轴的配合边缘处，通常会
产生较大的应力集中，此时也应在轮毂上开
减荷槽，并将业务配推广合部轴径适当加粗。
37
业务推广部
38
利用间隔环加大过渡圆 弧
max
1 K max
1 k max
n
n
0 1
max
1 K max
1 k max
n
构件疲劳强度计算的三类问题
1. 疲劳强度校核，
2. 截面设计
3. 许用载业务荷推广计部 算
36
§10-6 、 提高构件疲劳强度的措 施
一、降低应力集
为中了降低构件的应力集中，构件的形状设计
中要尽量避免出现带有尖角的孔和槽。在截
力流线
卸荷槽，退刀 槽
业务推广部
39
二、提高表面质 量 1.降低构件表面的粗糙度。疲劳强度要求 较高的构件，应设法降低其表面的粗糙度，使 具有较高的光洁度，对高强度钢尤其如此，此 外在装配及使用过程中，也应严防对构件表面 的机械损伤或化学损伤。
2.提高表面层的强度。前已述及，对于工
作应力较大的表面，宜采用某些工艺措施，设
1
业务推广部
29
业务推广部
30
业务推广部
31
3、构件表面加工质量的影响
不同的表面加工质量也会对构件的疲劳极 限产生影响。一般说来，构件表面质量较好时， 其疲劳极限较高；反之，疲劳极限较低。
表面质量影响系数
不同表面质量试件的疲劳极限
表面磨光试件的疲劳极限 1
业务推广部
32业务推广部33源自除上述三种影响因素之外， 还有一些因素对构件的疲劳极限 也有影响，如腐蚀、高温等。这 些因素的影响，也可引用一些修 正系数予以考虑，其数值可以由 设计手册中查到
业务推广部
20
同一种基本变形形式下的持久极限以对称 循环是的持久极限为最低。
所以，以对 称循环交变 应力下的持 久极限作为 材料在交变 应力下的主 要强度指标。
业务推广部
疲劳图线
21
§10-4 构件的疲劳极限
在实验测定材料疲劳极限的基础上，将构 件的形状、尺寸及表面加工质量等因素的影响 分别独立地以系数的形式修正材料的疲劳极限， 得到构件的疲劳极限。
通常光滑区域上还有疏密不等的贝壳状条
纹。称为疲劳业务裂推广纹部 前沿线。