金属的高温低周疲劳
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m4
m4 m3 m2 m1
lg N f
a
1
Gerber
Goodman
Soderberg
s
b m
疲劳破坏的形式与过程
疲劳是积累损伤过程，其断裂遵从材料一般的断裂过程， 即由裂纹的萌生、裂纹的扩展和断裂三个阶段构成
1、疲劳裂纹的萌生
金属表面形成的挤入沟和挤出脊
金属材料表面形成挤入和挤出的位错模型
P
2M
30Cr2MoV
Tim o -S arn ey
t
0
.0
0
0
1 1
0
1
102
103
104
105
Nf
3、影响钢的低周疲劳的主要因素 •材料塑性的影响 •加载频率和保持时间的影响 •环境介质的影响 •晶粒大小的影响 •零件尺寸、形状、表面质量、交变应力 的幅度等的影响
热疲劳与高温低周疲劳
1、热疲劳现象
静恒定应力
a 0 t
min =0 max > 0
max = min
t
m =0.5 max
R=0
a =0.5 max
R=+1
m = max = min a =0
3、应力—应变循环
t
t
t
(a)
应力控制加载
循环硬化的应变响应
循环软化的应变响应
t
t
t
(b)
应变控制加载
循环硬化的应力响应
循环软化的应力响应
•在热疲劳下，试样中的温度分布不均匀， 塑性应变倾向于在温度最高的区域，因在 这些局部最热区域屈服极限下降。
•应变循环的速率也有重要影响，热疲劳试 验时的试验速度较低，常与高温低周疲劳 试验所用的速率差异很大。
3、影响热疲劳的因素 •热疲劳试验条件的影响 •环境气氛 •应力或应变集中 •材料的显微组织 •部件尺寸
影响热应力大小的主要因素 •材料的线膨胀系数 •材料的导热率愈低 •材料的弹性模量 •温度循环变化愈大，即温差愈大 •温升率愈高即快速加热或冷却 •部件结构的厚重
2、热疲劳与高温低周疲劳的区别
AISI347不锈钢的热疲劳与高温低周疲劳的比较
区别原因：
•温度循环变化还会导致材料内部发生组织 变化，这种在交变温度下的组织变化，要 比恒温下的组织变化速度快。
1 S1
S1 1
a
1
S1
E
1 S1
2
S2
a,b
S2
S2
2
1 b2
J
2
1
2
3
4
2、疲劳裂纹的扩展
疲劳塑性裂纹扩展的塑性钝化过程示意图
da/dN, mm/周次 X
I
K t h
II
III
da dN
A(K I
)m
Kt K I
典型的疲劳裂纹扩展速率曲线
wk.baidu.com
3、疲劳断裂及其断口特征
(a)
(b)
典型的疲劳断裂宏观断口特征 (a) 缺口敏感的材料；(b) 缺口不敏感材料
t min 0
max 与 min 关系 循环特性 R
m 与 a
max =- min
R=-1
m =0 a = max
=- min
max > 0
min < 0 且 max min
-1<R<0
m =0.5( max + min )
a =0.5( max min )
m < a
脉动拉应力循环
第三章 金属的高温低周疲劳
金属疲劳的基本概念 1、疲劳定义 定义： 材料在交变载荷作用下逐渐累积损伤、产生 裂纹及裂纹逐渐扩展，直至破坏的过程 分类（以 次分界）： •高周疲劳：应力小，周期短，寿命长 •低周疲劳：应力高，周期长，寿命短
2、应力循环特征
循环名称
应力循环图
m 0
对称循环
t
非对称循环
恒应力和应变幅值下的循环硬化和循环软化现象
稳定的闭合的滞后回线
4、疲劳特性曲线与疲劳极限
max
(a)
max
(b)
max
max
1
1
疲劳特性曲线示意图
No
lgN
No
lgN
两种类型的疲劳曲线(S-N曲线)
平均应力对疲劳极限的影响 Soderberg关系
Goodman关系
Gerber关系
a
m1 m2 m3
疲劳总寿命： 裂纹形成寿命+裂纹扩展寿命
a
裂纹扩展
最后破坏
裂纹萌生
lg N f
金属的低周疲劳特性 1、低周疲劳特性关系式
应变幅 (对数 )
' f
' f
c
E
1
总应变 t
2
弹性应变 e
2
b
1 塑性应变 p
2
失效反向数 2 N f (对数 )
2、汽轮机转子用钢的低周疲劳特性曲线
0.1 0.01 0.001
m4 m3 m2 m1
lg N f
a
1
Gerber
Goodman
Soderberg
s
b m
疲劳破坏的形式与过程
疲劳是积累损伤过程，其断裂遵从材料一般的断裂过程， 即由裂纹的萌生、裂纹的扩展和断裂三个阶段构成
1、疲劳裂纹的萌生
金属表面形成的挤入沟和挤出脊
金属材料表面形成挤入和挤出的位错模型
P
2M
30Cr2MoV
Tim o -S arn ey
t
0
.0
0
0
1 1
0
1
102
103
104
105
Nf
3、影响钢的低周疲劳的主要因素 •材料塑性的影响 •加载频率和保持时间的影响 •环境介质的影响 •晶粒大小的影响 •零件尺寸、形状、表面质量、交变应力 的幅度等的影响
热疲劳与高温低周疲劳
1、热疲劳现象
静恒定应力
a 0 t
min =0 max > 0
max = min
t
m =0.5 max
R=0
a =0.5 max
R=+1
m = max = min a =0
3、应力—应变循环
t
t
t
(a)
应力控制加载
循环硬化的应变响应
循环软化的应变响应
t
t
t
(b)
应变控制加载
循环硬化的应力响应
循环软化的应力响应
•在热疲劳下，试样中的温度分布不均匀， 塑性应变倾向于在温度最高的区域，因在 这些局部最热区域屈服极限下降。
•应变循环的速率也有重要影响，热疲劳试 验时的试验速度较低，常与高温低周疲劳 试验所用的速率差异很大。
3、影响热疲劳的因素 •热疲劳试验条件的影响 •环境气氛 •应力或应变集中 •材料的显微组织 •部件尺寸
影响热应力大小的主要因素 •材料的线膨胀系数 •材料的导热率愈低 •材料的弹性模量 •温度循环变化愈大，即温差愈大 •温升率愈高即快速加热或冷却 •部件结构的厚重
2、热疲劳与高温低周疲劳的区别
AISI347不锈钢的热疲劳与高温低周疲劳的比较
区别原因：
•温度循环变化还会导致材料内部发生组织 变化，这种在交变温度下的组织变化，要 比恒温下的组织变化速度快。
1 S1
S1 1
a
1
S1
E
1 S1
2
S2
a,b
S2
S2
2
1 b2
J
2
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2、疲劳裂纹的扩展
疲劳塑性裂纹扩展的塑性钝化过程示意图
da/dN, mm/周次 X
I
K t h
II
III
da dN
A(K I
)m
Kt K I
典型的疲劳裂纹扩展速率曲线
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3、疲劳断裂及其断口特征
(a)
(b)
典型的疲劳断裂宏观断口特征 (a) 缺口敏感的材料；(b) 缺口不敏感材料
t min 0
max 与 min 关系 循环特性 R
m 与 a
max =- min
R=-1
m =0 a = max
=- min
max > 0
min < 0 且 max min
-1<R<0
m =0.5( max + min )
a =0.5( max min )
m < a
脉动拉应力循环
第三章 金属的高温低周疲劳
金属疲劳的基本概念 1、疲劳定义 定义： 材料在交变载荷作用下逐渐累积损伤、产生 裂纹及裂纹逐渐扩展，直至破坏的过程 分类（以 次分界）： •高周疲劳：应力小，周期短，寿命长 •低周疲劳：应力高，周期长，寿命短
2、应力循环特征
循环名称
应力循环图
m 0
对称循环
t
非对称循环
恒应力和应变幅值下的循环硬化和循环软化现象
稳定的闭合的滞后回线
4、疲劳特性曲线与疲劳极限
max
(a)
max
(b)
max
max
1
1
疲劳特性曲线示意图
No
lgN
No
lgN
两种类型的疲劳曲线(S-N曲线)
平均应力对疲劳极限的影响 Soderberg关系
Goodman关系
Gerber关系
a
m1 m2 m3
疲劳总寿命： 裂纹形成寿命+裂纹扩展寿命
a
裂纹扩展
最后破坏
裂纹萌生
lg N f
金属的低周疲劳特性 1、低周疲劳特性关系式
应变幅 (对数 )
' f
' f
c
E
1
总应变 t
2
弹性应变 e
2
b
1 塑性应变 p
2
失效反向数 2 N f (对数 )
2、汽轮机转子用钢的低周疲劳特性曲线
0.1 0.01 0.001