第 章 材料的疲劳强度

❖ 绘制曲线的方法
➢ 逐点描迹法
1
➢ 直线拟合法
机械结构强度
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2.6 材料的疲劳极限
机械结构强度——
第2章 材料的疲劳强度
一. 材料疲劳极限的定义
疲劳极限
❖ 疲劳极限是疲劳寿命无穷大时的中值疲劳强度。
➢ S-N曲线水平段对应的最大应力称为材料的疲劳极限。在此应力下，试样可 以承受无限次循环而永不破坏。结构钢S-N曲线的转折点一般在107以前， 因此只要经过107次循环而不破坏，就可认为试样可以承受无限次循环而不 破坏。
2.3 疲劳破坏断口分析
宏观分析(全局性初步分析)
❖ 用肉眼和25倍以下的放大镜分析断口
微观分析
❖ 光学显微镜、电子显微镜研究断口
金相组织、化学成分和机械性能的检查
断口的宏观分析
典型疲劳破坏断口按照断裂过程 分成三个区域。
❖ 疲劳源很小，宏观上看不到，放大 500倍以上可以看出明显的疲劳裂 纹，可以判断宏观缺陷的性质和事 故发生的原因。
裂纹萌生方式之二:晶界和孪晶界开裂
对于密排六方晶系,因滑移较少,当滑移困难时,孪晶 变形较为常见.例如:铋,锆,锑,铜,锌,金,铁等金属.
常温下,裂纹多为穿晶.高温下,一般为晶间、晶界表 面相接处出现裂纹.
晶界结合力比晶粒内部弱,在低于晶内滑移应力下, 在晶界上萌生裂纹.
裂纹萌生方式之三:夹杂物或第二相与基体的界面开裂
钢材及钛合金),图2-18a.
❖ 对铝合金及有色金属,当N达到107时仍有下降趋势,一般规定较高的循 环次数,如2*107对应的应力为持久极限,图2-18b.
S-N曲线的简化
一般简化为两条直线： ❖左支
➢ 在双对数坐标中一般是直线； ➢ 在单对数坐标中一般不为直
线。但因直线使用方便，一 般将其简化为直线。
❖ 从比估算的疲劳极限s-1高一定的百分数开始，进行疲劳试验。
➢ 如对σb<800MPa的钢材，第一根试样取σ1=1.3σ-1 = 0.6 σb ➢ 如对σb>800MPa的钢材，第一根试样取σ1=1.2σ-1 = 0.52σb ➢ 其中σ1中的下标1表示第1根式样，其余类推 ➢ 根据前一根试样的疲劳寿命，逐步改变应力做下一根试样的试验 ➢ 继续进行试验，直到有一根试样试验到试验基数后不发生断裂为止，则不断裂试
材料的S-N曲线
反映材料基本疲劳强度特性的曲线 为S-N曲线 ，用于估算疲劳寿命和 进行疲劳设计。
S-N曲线是用标准小试样在疲劳试 验机上得到的。
定义：表示外加应力水平和标准试 样疲劳寿命之间关系的曲线称为材 料的S-N曲线，简称为：S-N曲线.
这种曲线通常都是表示中值疲劳寿 命与外加应力间的关系,所以也叫 中值S-N曲线,又称为沃勒曲线.
旋转弯曲疲劳实验得到。 钢件一般进行107次循环; 有色金属进行107或108次循环。 观测疲劳极限的方法：
❖ 常规（单点）法 ❖ 成组试验法 ❖ 升降法（小子样升降法） ❖ 升降法（大子样升降法） ❖ 步进法
常规（单点）试验法
在每个应力水平下只试验一个试样。（试样有限，任务紧迫、节省经费）
一般在硬化层下面.
疲劳裂纹扩展
Ⅰ阶段
❖ 裂纹首先沿剪应力最大的活性面向内部扩展,滑移面趋向大致与主应 力轴线成45度.(这个阶段扩展缓慢)
❖ 滑移带上往往萌生有多条裂纹,绝大多数很早就停止扩展.随着循环载 荷的继续继续,少数裂纹互相连接超过几十微米长度.这时的裂纹很少, 断口形貌研究困难.
Ⅱ阶段
疲劳裂纹经常在金属表面发生?
在实际零件中,表面应力往往比内部高 内部晶粒的四周,完全为其他晶粒所包围,而表面晶粒所受的
约束少,因而比内部晶粒易于滑移. 表面晶粒与大气或其他环境介质直接接触,有腐蚀作用. 表面上往往留有加工痕迹或划伤,使其疲劳强度降低. 当零件表面经强化处理后,表面强度比内部高时,疲劳裂纹则
在高强度合金中,粗大的夹杂物和其他第二相质点的 存在,对裂纹萌生起重要作用.
合金材料的屈服强度一般很高,只有在很高的应力幅 下,才能产生滑移带.但是由于在夹杂物或第二项质 点处产生了很高的应力集中,从而在较低的名义应力 下也能出现局部的塑性变形,这样便导致在夹杂物和 基体界面上萌生裂纹,或由于夹杂物成脆性第2质点 的断裂导致裂纹萌生.
应力循环基本参数
m 平均应力
a
max
应力幅 最大应力
min 最小应力
应力循环特征的表示
应力循环特征： R min / max 载荷可变系数： A a / m
二者的关系：
A (1 R) /(1 R) R (1 A) /(1 A)
典型的应力ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ环特征
r = -1 对称循环应力 r=0 脉动循环应力 r=1 静应力
构件断口分析
现场调查
❖检查工作条件、运行情况、周围环境等 ❖收集碎片，保护断口 ❖了解破裂部分的材料、牌号、加工工艺
断口宏观分析
❖净化、清洗断口，分析断口形貌，找到裂纹源，初步分 析破坏原因
断口微观分析
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第2章 材料的疲劳强度
2.4 疲劳试验试样及其制备
试样类型(P16~19)
条件疲劳极限
❖ 在S-N曲线上，与非水平段对应的最大应力。
➢ 对有色金属和腐蚀疲劳，S-N曲线没有水平段，不存在真正的疲劳极限。 ➢ 该类材料在经过107~108次循环后，S-N曲线趋于平坦，一般就以107或108
次循环失效时的最大应力作为条件疲劳极限。
疲劳极限的表示方法
❖ 对限称：弯t-曲1 疲劳极限：σ-1；对称拉压疲劳极限： σ-1t；对称扭转疲劳极
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第2章 材料的疲劳强度
机械结构强度——
第2章 材料的疲劳强度
2.1 基本概念
疲劳
❖材料在循环应力或循环应变的作用下，由于某点或某些 点产生了局部的永久结构变化，从而在一定循环次数后 形成裂纹或发生断裂的过程。
交变载荷
❖指载荷的大小、方向随时间作周期性或不规则、随机变 化的载荷。也叫循环载荷、疲劳载荷。
❖ 材料牌号;种类(棒材\板材);循环比R;有无应力集中,Kt值;试验机\加 载频率\环境.
❖ 坐标系.横坐标为对数寿命;纵坐标为应力,对数坐标或笛卡儿坐标.
❖ 试验点.分布在曲线两侧,一般用50%的中值寿命S-N曲线.
S-N曲线的形状
❖ 当N较大时,S-N曲线近似为水平直线,对应的应力为持久极限 1 (一般
疲劳寿命
❖零件或结构疲劳失效以前所经历的应力或应变循环次数， 用N表示。
疲劳破坏的特征
❖应力水平低。交变应力远小于材
料的强度极限或屈服极限。
ma x b 或者 s
❖脆性断裂。不论是脆性材料还是
塑性材料，疲劳断裂在宏观上都表 现为没有明显塑性变形的突然断裂。
更具突然性，更危险
❖局部性。局部的疲劳破坏一般不
❖裂纹萌生方式有三种:
滑移带开裂 晶界和孪晶界开裂 夹杂物或第二相与基体的界面开裂
❖裂纹萌生一般发生在金属表面的原因
2.疲劳裂纹扩展 3.失稳断裂
裂纹萌生方式之一:滑移带开裂
是最常见的疲劳裂纹萌生方式,也是三种萌生方式中 最基本的一种.
对于纯金属和单相金属的疲劳裂纹萌生方式多为滑 移开裂.
滑移开裂的过程: 循环载荷->薄弱晶粒间沿晶面产生塑性应变->晶粒 产生滑移(不可恢复)->金属表面产生滑移线->滑移 线随循环次数增加汇集成表面滑移带->发展成驻留 滑移带->形成裂纹
❖整条S-N曲线
( N B )( A) m K
A(1
C N
)
当N , A
式中 , 1 m 为 S N 曲线的负斜率； B 、 C 、 K 为材料常数；
A 为材料的疲劳极限。
S-N曲线对应的疲劳破坏阶段
❖低周循环疲劳段（LCF）N<104 ❖高周疲劳循环段(HCF),N=104-106 ❖疲劳极限段(SF),N>107
（2）结构受交变载荷作用->试件挤出挤入->挤出滑移再严重->金属内 部产生孔洞->出现裂纹。
（3）塑性变形积累->出现错位（晶体中的特殊缺陷）->出现疲劳裂纹。 （4）表面缺陷（气孔、夹渣、第2相质点）->存在尖锐缺口->疲劳裂
纹产生。
疲劳裂纹的形貌
❖ 第1阶段疲劳裂纹扩展，断口光滑，具有一定的结晶性质，无其他明 显特征。
❖弯曲试样 ❖轴向加载试样 ❖扭转试样
试样制备（P19~21）
❖取样/机械加工/热处理/测量、探伤与存储
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2.5 材料的S-N曲线
循环应力
循环应力
对称循环应力
恒幅循环应力
脉动循环应力
非对称循环应力
变幅循环应力
规律性变幅循环应力 随机循环应力
规律性变幅循环应力
随机循环应力
❖ 疲劳裂纹扩展区为细晶粒，深色、 平滑、海滩状。
❖ 快速断裂区为粗晶粒，凹凸不平、 白色、撕裂或台阶状。
断口的微观分析
微观分析的目的：了解金属疲劳破坏过程的本质——从金属 微观组织研究疲劳机理。
疲劳裂纹的形成
（1）裂纹一般发生在表面。在应力小于屈服极限时，疲劳试样表面出 现滑移带->随着N增加，滑移线变粗变宽->当应力大于疲劳极限时， 出现“驻留滑移线”->形成微观裂纹。
❖右支
➢ 水平直线或斜直线
S-N曲线的特殊形状
❖ 断开——由于裂纹尖端由平 面应力状态转变为平面应变 状态。（c图）
❖ 转折——由穿晶破坏转变为 晶间破坏。（d图）
S-N曲线的表达式
❖左支，N=104~106
➢ 幂函数公式
mN C
两边取对数 , 得：
m lg lg N lg C
其中：m，c为材料常数
常规疲劳试验一般准备10根试样(1根作静态试验、7~8根作疲劳试验、 其余作为备品)。
试验中需要将应力水平分级（7级以上） 施加不同的载荷，得到不同类型的S-N曲线。（弯曲、扭转、拉压） 例：弯曲载荷下常规（单点）试验法的试验步骤：
❖ 根据材料的强度极限sb估算一个近似的材料疲劳极限σ-1 = 0.44σb
➢ 其中下标“-1”表示应力比R=-1 ➢ 因对称弯曲实验最方便，一般以对称弯曲疲劳极限来表示材料的基本疲劳
性能。 ➢ 对称弯曲疲劳极限一般与旋转弯曲下的疲劳极限接近，一般不加区别。
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第2章 材料的疲劳强度 二. 材料疲劳极限的测定方法
材料的对称弯曲疲劳极限σ-1一般用Φ6~10的标准试样，由
❖ 由于晶粒滑移困难,裂纹扩展方向由开始与外力 方向成45度逐渐转向与拉伸应力成90度,这种 拉伸型式的裂纹扩展,称为Ⅱ阶段裂纹扩。
❖ 从Ⅰ阶段向Ⅱ阶段转变的裂纹长度，决定于材 料和应力幅。一般不超过十分之几毫米。
❖ Ⅱ阶段裂纹扩展速率比Ⅰ阶段快，常常有“疲 劳条带”的显微特征（叫疲劳条纹）。
疲劳破坏阶段之三: 失稳断裂
失稳断裂是疲劳破坏的最终阶段。 瞬间发生。 失稳断裂是损伤积累到临界值时的一种表现,裂纹扩展到临
界尺寸,裂纹尖端的应力强度因子达到临界值的结果。 失稳断裂的机制与静载断裂相同,只是由于两者的加载速率
不同,因此其临界应力强度因子值与静载下的断裂塑性值有 差别。
机械结构强度——
第2章 材料的疲劳强度
牵扯到整个结构。可以采用局部设 计或局部工艺措施增加疲劳寿命。
❖疲劳过程是一个损伤累积的 过程。（裂纹形成、扩展、断裂）
❖疲劳破坏断口有自己明显的 特征。
寿命可计算N=N0+Np
脆性断裂区
疲劳区
疲劳纹 疲劳源
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第2章 材料的疲劳强度
2.2 金属疲劳破坏机制
金属疲劳破坏通常可分为三个阶段： 1.疲劳裂纹萌生。（由局部塑性应变集中引起）
S-N曲线的测定方法（左支）
单点法
❖ 在一个应力水平下只测一根式样，然后将测得的点连成一条光滑的 曲线，得到S-N曲线。
❖ 精确度差，一般只用来测定疲劳极限。
成组法 ❖ 应力水平取4~6级，一般在0.6 b 与 1 之间选取
❖ 每一级应力水平下，用4~8根试样。
❖ 数据处理方法（用数理统计的方法进行）
❖ 第2阶段疲劳裂纹扩展区有4个特征：
（1）疲劳区宏观上平坦光滑，微观上仍凹凸不平。每个断口由若干凹凸 不平的小片段连接而成，小片段结合处形成台阶。
（2）具有疲劳条纹。包括塑性疲劳条纹（常见）和脆性疲劳条纹（较 少）。
（3）轮胎压痕和脊骨压痕特征。由于相匹配断口的反复挤压、相互嵌入 与脱离造成的。
（4）在疲劳裂纹扩展时，还可能出现二次裂纹，往往成扫帚状。
S－N曲线
S-N曲线的绘制
S-N曲线绘制
❖ 标准试件(8~12件)
❖ 标准试验机(拉压\扭转\弯曲
等试验机)
m
❖ 一定的平均应力 m ,施加不
同的应力幅,测出试件断裂时 的循环次数N
❖ 以 max (或 a )为纵坐标,N为
横坐标,描点、连线,得到相当
于 m (或R)下的S-N曲线
对任何一条S-N曲线,应明确以下内容: