材料力学第9章 材料的疲劳性能[精]

第五章 材料的疲劳性能
第五章 材料的疲劳性能
§5-1疲劳破坏的一般规律 §5-2疲劳破坏的机理 §5-3疲劳抗力指标 §5-4影响材料及机件疲劳强度的因素 §5-5热疲劳
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第五章 材料的疲劳性能
工件在变动载荷和应变长期作用下，因累积损伤而 引起的断裂现象，称为疲劳。
由于变动载荷和应变是导致疲劳破坏的外动力，所 以应该先对其进行了解。变动载荷是指载荷大小，甚至 方向都随时间变化的载荷。变动载荷在单位面积上的平 均值称为变动应力，可分为规则周期变动应力(或称循 环应力)和无规则随机变动应力两种，可用应力-时间曲 线描述，如图5-l所示。
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2. 疲劳破坏的特点 疲劳破坏与静载或一次性冲击加载破坏相比较，具有
以下特点： (1)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，易引起事故造成经济损失。
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一般机件承受的变动应力多为循环应力。循环应力是周 期性变化的应力，变化的波形有正弦波、矩形波和三角波 等。其中最常见的为正弦波。
表征应力循环特征的参量有：
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一、疲劳破坏的变动应力
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按照应力幅和平均应力的相对大小，循环应力类型如图 5-2所示：
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2.疲劳裂纹的扩展
疲劳裂纹萌生后便开始扩展。 第Ⅰ阶段是沿着最大切应力方 向向内扩展。其中多数微裂纹 并不继续扩展，成为不扩展裂 纹，只有个别微裂纹可延伸几 十m (即2-5个晶粒)长。
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随即疲劳裂纹便进入第 Ⅱ阶段，沿垂直拉应力 方向向前扩展形成主裂 纹，直至最后形成剪切 唇为止。
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疲劳裂纹多萌生于材料表面，对表面材料的缺陷或裂 缝大小十分敏感。陶瓷材料疲劳裂纹的亚临界扩展速率 对变动载荷应力幅不敏感，而是强烈依赖裂纹尖端的最 大应力强度因子，一旦裂纹尖端应力超过非线性形变起 始点，材料强度就大幅度衰减。
此外，裂纹扩展速率还明显依赖于环境、材料成分、 组织结构等，其程度远比金属材料高，扩展的寿命过程 远比金属材料要短，并呈龟裂状。
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二、非金属材料疲劳破坏机理
1.陶瓷材料的疲劳破坏机理
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常温下陶瓷材料的疲劳与金属有所不同，其含义更广： 有静态疲劳、循环疲劳和动态疲劳之分。
其中循环疲劳与金属疲劳具有相同含义，同属在长期 变动应力作用下，材料的破坏行为；静态疲劳则相当于 金属中的延迟断裂，即在一定载荷作用下，材料可耐受 应力随时间下降的现象；动态疲劳是在恒定速率加载条 件下研究材料断裂失效对加载速率的敏感性。
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瞬断区是裂纹失稳扩展形成的区域。该区的断口 比疲劳区粗糙，宏观特征如同静载，随材料性质而 变。
脆性材料断口呈结晶状；韧性材料断口，在心部 平面应变区呈放射状或人字纹状，边缘平面应力区 则有剪切唇区存在。
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§ 5-2疲劳破坏的机理
一、金属材料疲劳破坏机理
三Baidu Nhomakorabea疲劳断口的宏观特征
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如图5-4所示，典型疲劳断口具有3个特征区-疲劳源、 疲劳裂纹扩展区、瞬断区。
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疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地，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，也会因局部材料强度降低而 在机件内部引发出疲劳源。
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与金属材料完全不同的疲劳力学特性还有：陶瓷 材料常温时，在应力作用下不发生或很难发生塑性 变形，裂纹尖端根本不存在循环应力的疲劳效应。 因此金属材料的损伤累积及疲劳机理对陶瓷材料并 不适用。
但与金属材料相同的是：疲劳破坏也同样经历了 裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、瞬时断裂的过程。
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二、非金属材料疲劳破坏机理
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2.高分子聚合物的疲劳破坏机理
在拉应力作用下，由于非晶态聚合物的表面和内部会 出现银纹，因此，不同结构的聚合物疲劳破坏机理也有 差异。易产生银纹的非晶态聚合物的疲劳破坏过程主要 决定于外加名义应力。
高循环应力时，应力很快便达到或超过材料银纹的引 发应力，产生银纹，并随之转变成裂纹，扩展后导致材 料疲劳破坏。
1.疲劳裂纹的萌生 金属材料的疲劳过程也是裂纹萌生和扩展的过程。 因变动应力的循环作用，裂纹萌生往往在材料薄弱区 或高应力区，通过不均匀滑移、微裂纹形成及长大而 完成。 疲劳微裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起。主要方 式有：表面滑移带开裂；第二相、夹杂物与基体界面 或杂质本身开裂；晶界或亚晶界处开裂。
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(4)可按不同方法对疲劳形式分类。 接应力状态分：有弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压
疲劳、接触疲劳以及复合疲劳。 按应力高低和断裂寿命分：有高周疲劳和低周
疲劳。 高周疲劳：断裂寿命(N)较长(N>105)，断裂应力水 平较低，又称低应力疲劳，为常见的材料疲劳形 式。 低周疲劳：断裂寿命较短(N=102105) ，断裂应力 10 水平较高，常称为高应力疲劳。
因疲劳源区裂纹表面受反复挤压，摩擦次数多，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。
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疲劳区是疲劳裂纹亚临界扩展形成的区域。其宏观特 征是：断口较光滑并分布有贝纹线(或海滩花样)，有时 还有裂纹扩展台阶。
断口光滑是疲劳源区的延续，其程度随裂纹向前扩展 逐渐减弱，反映裂纹扩展快慢、挤压摩擦程度上的差异。 贝纹线是疲劳区的最典型特征，一般认为是因载荷变动 引起的，因为机器运转时不可避免地常有启动、停歇、 偶然过载等，均要在裂纹扩展前沿线留下弧状贝纹线痕 迹。
(2)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。
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(3)疲劳对缺陷(缺口、裂纹及组织)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，二者综合更会加速疲劳破坏的起始与发 展。