疲劳强度.

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金属材料与热处理课程

疲劳强度

主讲教师：邵康宸

西安航空职业技术学院

疲劳强度

众所周知，人类由于过度疲劳会导致身体机能下降，严重会出现伤亡。工程中的许多零件，如轴、齿轮、弹簧和连杆等，长期在交变载荷的重复作用下会产生裂纹而致断裂。据统计，机械零件断裂失效中有80%是由于疲劳断裂引起的，它极易造成人身事故和经济损失，危害性极大。因此研究疲劳断裂的原因，提高疲劳极限，防止疲劳事故的发生是非常重要的。

一、疲劳断裂

金属零件或构件在交变载荷的长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象称为疲劳断裂。

二、疲劳断裂的特点

疲劳断裂与静载荷或一次冲击加载断裂相比，具有以下特点：

1.疲劳断裂是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂

疲劳断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至屈服强度。断裂寿命随应力不同而变化，应力高寿命短，应力低寿命长。当应力低于某一临界值时，寿命可达无限长。

2.疲劳是脆性断裂

由于一般疲劳断裂的应力比屈服强度低，所以不论是塑性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前均不会发生塑性变形及有形变预兆，它是在长期累积损伤过程中，经裂纹源萌生和缓慢扩展，直至某一时刻突然断裂。因此，疲劳断裂是一种潜在的突发性断裂。

3.疲劳断裂对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感

疲劳断裂的过程，往往是在零件的表面，有时也可在零件内部某一应

力集中处产生裂纹，随着应力的交变，裂纹不断扩展，以致在某一时刻便产生突然断裂。

三、疲劳曲线和疲劳极限

疲劳曲线是疲劳应力与疲劳寿命的关系曲线，即S-N曲线，它是确定疲劳极限、建立疲劳应力判据的基础。典型的金属材料碳钢、铝合金的疲

劳曲线如图1所示。图中纵坐标为循环应力的最大应力

σ；横坐标为断裂

max

循环周次N，常用对数值表示。可以看出，S-N曲线由高应力段和低应力段

组成。最大应力

σ为高应力时，断裂循环周次N小（寿命短）；最大应力max

σ为低应力时，断裂循环周次N大（寿命长），随断裂循环周次增加应力max

水平下降，当断裂循环周次再增加时，最大应力不降低，此时对应的应力为疲劳极限。通常人们规定：金属材料在重复或交变应力作用下，于规定的断裂循环周次N内不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。试验中，一般规定钢的断裂循环周次N=5×106次，铸造轻金属N=5×107次。Array图1 碳钢和铝合金的疲劳曲线

由于疲劳断裂常发生在金属材料最薄弱的部位，如热处理产生的氧化、

脱碳、过热、裂纹等，钢中的非金属夹杂物、试样表面有气孔、划痕等缺陷均会产生应力集中，使疲劳极限下降。为了提高疲劳极限，加工时应提

高零件的表面粗糙度和进行表面强化处理，如表面淬火、调质、氮化、喷丸等，使零件表层产生残余压应力，从而提高零件的疲劳极限。