材料的疲劳性能

前言
材料的疲劳问题研究从近150多年开始一直受到人们的关注，原因 之一就是工程中的零件或构件的破坏80%以上是由于疲劳引起。 机械疲劳—外加应力/应变波动造 成的。
蠕变疲劳—循环载荷与高温联合作 用下的疲劳。
疲劳破坏表现的形式：
热机械疲劳—循环受载部件的温度 变动时材料的疲劳。
腐蚀疲劳、接触疲劳、微动疲劳、 电致疲劳等等。
1、疲劳裂纹扩展速率(da/dN): 疲劳裂纹亚稳扩展阶段的速率。 针对疲劳过程的第Ⅱ阶段。 2、裂纹长度a和循环周次N的关系曲线： (1)试样（TPB或CCT或CT）； (2)疲劳裂纹长度测量装臵； (3)固定r及Δσ； (4)一定的N对应一定的a，直到断裂； （N，a） (5) N-a曲线
五、疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值
表面滑移带开裂
循环滑移带的持久性： 疲劳的初期，出现滑移带。随着循环数的增加，滑移带增加。 除去滑移带，重新循环加载，滑移带又在原处再现。 这种滑移带称为持久滑移带(Persist Slip Band)。
在持久滑移带中出现疲劳裂纹。
形成的微裂纹在循环加载时将继续长大。当微裂纹顶端接近晶界
§5.4 影响材料及机件疲劳强度的因素
③r→tanα→α→σmax。
二、疲劳强度
(2)塑性材料σmax(σmin)- σm疲劳图：
二、疲劳强度
3、不同应力状态下的疲劳强度：
(1)同种材料→不同应力状态 →应力—寿命曲线不同 →疲劳强度也不相同。
(2)经验关系式： 钢：σ-1p 铸铁：σ-1p 钢及轻合金：τ-1 铸铁：τ-1
= = = =
(1)材料在高于疲劳强度的一定应力(σ>σ-1)下工作，
发生疲劳断裂的应力循环周次。 (2)由疲劳曲线倾斜部分确定。 (3)材料耐久强度： 即过载应力。
三、过载持久值及过载损伤界
2、过载损伤界（偶然过载） (1)过载损伤界: 短期过载对材料性能的影响，取决于过载应力及过载周次。 实验证明，材料在过载应力水平下只有运转一定周次后，疲劳 强度或疲劳寿命才会降低，造成过载损伤。 把在每个过载应力下运行能引起损伤的最少循环周次连接起来 就得到该材料的过载损伤界．
3、疲劳裂纹扩展速率： da/dN 4、应力强度因子幅(ΔKⅠ)： ΔKⅠ= Kmax- Kmin =Yσwenku.baidu.comax√a - Yσmin√a =YΔσ√a 5、da/dN-ΔKⅠ（lgda/dN-lgΔKⅠ） 将a-N曲线上各点的da／dN 值用图解微分 法或递增多项式计算法计算出来; 利用应力强度因子幅(ΔKⅠ)公式将相应 各点的ΔKⅠ值求出， 在双对数坐标系上描点连接即得 lgda/dN-lgΔKⅠ曲线。
(2)过载损伤区：
过载损伤界到疲劳曲线间的影线区。 (3)材料的过载损伤界越陡直，损伤区 愈窄，则其抵抗疲劳过载能力就愈强。
四、疲劳缺口敏感度qf
qf=(Kf-1)/(Kt-1) Kt理论应力集中系数； Kf为疲劳缺口系数；Kf =σ-1/σ-1N； 0<qf<1; qf随材料强度增高而增大。
五、疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值
7、循环应力类型： (1)对称循环：
σm＝0，r＝-1。
(2)不对称循环：
σm≠0，-1<r<1。
(3)脉动循环：
σm＝σα>0，r＝0 或 σm＝σα<0，r＝≦。
(4)波动循环（重复载荷）：
σm>σα，0＜r＜1。
(5)随机变动应力： 循环应力呈随机变化。
二、疲劳破坏的概念和特点
1、疲劳破坏的概念： (1)疲劳的破坏过程： 变动应力→薄弱区域的组织 →逐渐发生变化和损伤累积、开裂 →裂纹扩展→突然断裂。 (2)疲劳破坏： 循环应力引起的延时断裂， 其断裂应力水平往往低于材料的抗拉强度，甚至低于其屈服强度。 (3)疲劳寿命： 机件疲劳失效前的工作时间。
时，其长大速率减小甚至停止长大。这必然是因为相邻晶粒内滑 移系的取向不同。
微裂纹只有穿过晶界，才能与相邻晶粒内的微裂纹联接，或向相
邻晶粒内扩展，以形成宏观尺度的疲劳裂纹。
因为晶界有阻碍微裂纹长大和联接的作用，因而有利于延长疲劳
裂纹形成寿命和疲劳寿命。
1、疲劳微裂纹的形成
较大的夹杂物或第二相，会由于夹杂物与基体界面开裂而形成
§5.3
疲劳抗力指标
疲劳应力判据
一、疲劳试验方法
二、疲劳强度
三、过载持久值
四、疲劳缺口敏感度 五、疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值
疲劳断裂判据
§5.3
按应力状态分，
疲劳抗力指标
•
有弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳 及复合疲劳。
一、疲劳试验方法
1、旋转弯曲疲劳试验： (1)四点弯曲， 对称循环 (σm＝0，r＝-1)。 (2)测定方法： ①试样（若干）， 旋转弯曲疲劳试验机； ②选择最大循环应力σmax (0.67σb～0.4σb) （σ1，σ2，σ3 …～σn ）； ③对每个试样进行循环加载试验 直至断裂； ④测定应力循环数N； (σ1,N1),(σ2,N2)… ⑤绘制σ(σmax)-N(lg N)曲线。
三、疲劳断口的宏观特征
3、疲劳区： (1)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。 (2)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； (3)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。 每组贝纹线好像一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，
凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向。
有弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳及复合疲劳。
按应力高低和断裂寿命分， 有高周疲劳(低应力疲劳，σ＜σs)和低周疲劳(高应力疲劳或应变 疲劳)。
三、疲劳断口的宏观特征
1、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。 2、疲劳源： (1)多出现在机件表面， 常和缺口、裂纹等缺陷及内部冶金缺陷(夹杂、白点等)有关。 (2)疲劳源区比较光亮，该区表面硬度有所提高。 (3)疲劳源可以是一个，也可以是多个。
(4)疲劳断裂：经历了裂纹萌生和扩展过程。
断口上显示出疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂区的特征。
二、疲劳破坏的概念和特点
2．疲劳破坏的特点：
(1)一种潜藏的突发性破坏，呈脆性断裂。
(2)疲劳破坏属低应力循环延时断裂。 (3)对缺陷具有高度的选择性。 (4)可按不同方法对疲劳形式分类。 按应力状态分，
0.85σ-1 0.65σ-1 0.55σ-1 0.80σ-1
(3)同种材料： σ-1>σ-1p>τ-1。
二、疲劳强度
4、疲劳强度与静强度间关系：
材料的抗拉强度愈大,其疲劳强度也愈大。
三、过载持久值及过载损伤界
过载分类： 长久过载(σ>σ-1)→有限寿命服役； 偶然过载。 1、过载持久值(长久过载、有限疲劳寿命)：
二、疲劳强度
2、不对称循环(-1<r<1)疲劳强度 (1)脆性材料σmax(σmin)- σm疲劳图: ①AHB曲线就是在不同应力比r下的σmax值； AEC在不同应力比r下的σmin值； AO在不同应力比r下的σm值。 ②AHB曲线上各点σmax值 即表示由-1<r<1各状态下的疲劳强度。 其r值与AHB线上任一点与原点O的连线与横 坐标夹角α存在以下关系：
一、疲劳破坏的变动应力
二、疲劳破坏的概念和特点
三、疲劳断口的宏观特征
一、疲劳破坏的变动应力
1、疲劳： 变动载荷和应变→长期作用 →累积损伤→断裂。 2、变动载荷： 载荷大小，甚至方向随时间而变化的载荷。 3、变动应力： 变动载荷在单位面积上的平均值。 4、变动应力分类： 规则周期变动应力(或称循环应力)； 无规则随机变动应力。 5、循环应力： 周期性变化的应力。 有正弦波、矩形波和三角波等。 最常见的为正弦波。
一、疲劳破坏的变动应力
6、表征应力循环特征的参量 ①最大循环应力σmax， 最小循环应力σmin； ②平均应力
σm＝(σmax+σmin)/2；
③应力幅σα或应力范围Δσ： σα=Δσ/2= (σmax-σmin)/2； ④应力比 r＝σmin/σmax。
⑤载荷谱：
载荷-时间历程曲线
一、疲劳破坏的变动应力
一、金属材料疲劳破坏机理
分为三个主要阶段：
1、疲劳裂纹形成，
2、疲劳裂纹扩展， 3、当裂纹扩展达到临界尺寸时，发生最终的断裂。
1、疲劳微裂纹的形成
疲劳微裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起。 ①表面滑移带开裂；第二相、夹杂物与基体相界面或夹杂物本身断 裂；晶界或亚晶界处开裂。 ②在环载荷作用下,即使循环应力不超过屈服强度，也会在试件表 面形成滑移带, 称为循环滑移带。 ③拉伸时形成的滑移带分布较均匀，而循环滑移带则集中于某些局 部区域。而且在循环滑移带中会出现挤出与挤入，从而在试件表面 形成微观切口。
一、疲劳试验方法
2、疲劳曲线S-N曲线 其他不对称循环应力也可作出相应的疲劳曲线， 它们统称为S-N曲线，
一、疲劳试验方法
3、金属材料疲劳曲线类型： 一类有水平线→σr； (材料的疲劳强度) 疲劳应力判据： σ≤σr 一类无水平线→条件疲劳强度。
二、疲劳强度
定义： 在指定疲劳寿命下，材料能承受的上限循环应力。 1、对称循环(r=-1)疲劳强度 弯曲(σ-1)、扭转(τ-1)、拉压(σ-1p)等。
五、疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值
6、lg(da/dN)-lgΔKⅠ曲线： I区是疲劳裂纹的初始扩展阶段:
da/dN = 10-8～10-6 ； Ⅱ区是疲劳裂纹扩展的主要阶段: da/dN = 10-5～10-2 ; Paris公式：da/dN = C(ΔKⅠ)n=C(YΔσ√a)n Ⅲ区是疲劳裂纹扩展的最后阶段。 7、疲劳裂纹扩展门槛值(ΔKth)： 代表疲劳裂纹不扩展的ΔKⅠ临界值。 da/dN=0 8、条件疲劳裂纹扩展门槛值(ΔKth) ： 平面应变，da/dN=10-6～10-7mm/周次
三、疲劳断口的宏观特征
4、瞬断区： (1)KⅠ≥KⅠc时，裂纹就失稳快速扩展，导致机件瞬时断裂． 断口粗糙，脆性断口呈结晶状； 韧性断口，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。 (2)瞬断区一般应在疲劳源对侧。
§5.2
疲劳破坏的机理
一、金属材料疲劳破坏机理
二、非金属材料疲劳破坏机理（自学）
微裂纹。
第二相在循环加载，会形成沿晶裂纹。
2 、疲劳裂纹的扩展
疲劳裂纹扩展可分为两个阶段： 第I阶段，裂纹沿着最大切应力方向向内扩展，即在切应力最大 的滑移面内扩展。 第I阶段裂纹扩展的距离一般都很小，约为2－3个晶粒。 第II阶段，裂纹沿垂直拉应力方向向前扩展形成。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形成的。
五、疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值
9、含裂纹件不发生疲劳断裂的校核公式： ΔKⅠ =YΔσ√a ≤ΔKth 10、疲劳剩余寿命： 初始裂纹长a0扩展到临界长ac所需的循环周次N。 无损探伤确定a0、形状、位臵、取向 →确定ΔKⅠ； 已知KⅠC及Δσ →确定ac； 裂纹扩展速率表达式
da/dN = C(ΔKⅠ)n→N。
材料力学性能
材料化工学院
前言
• 1850-1860,Wöhler先生用试验方法研究了车轴的断裂事故，提 出了应力-寿命图（S-N)和疲劳极限概念。 • 1870-1890，Gerber研究了平均应力对寿命的影响，Goodman提出 了完整的平均应力影响理论。突破了疲劳只与载荷幅值有关的理 论界限。 • 1920-Griffith用能量法研究了含裂纹体的有关材料强度理论， 初步奠定了事隔20年后由Irwin发展起来的断裂力学理论基础。 • 1945年由Miner提出的线性累计损伤理论问世； • 1960年，Manson-Coffin提出了塑性应变与疲劳寿命的关系； 1961年Paris提出了疲劳裂纹扩展速率的概念。 • 1974年美国军方采用了损伤容损设计方法； • 目前，材料的疲劳研究方兴未艾，断裂力学、损伤力学和材料物 理学结合，已从宏观、细观和微观领域对疲劳问题进行着广泛的 研究。
前言
1、变动载荷 → 疲劳断裂。
2、研究疲劳的一般规律、 疲劳破坏过程及机理、 疲劳力学性能及其影响因素等。
第五章 材料的疲劳性能
§5.1
§5.2
疲劳破坏的一般规律
疲劳破坏的机理（简述）
§5.3 疲劳抗力指标
§5.4 影响材料及机件疲劳强度的因素(自学) §5.5 热 疲 劳(自学)
§5.1 疲劳破坏的一般规律