材料性能学课件第五章 材料的疲劳性能

二、疲劳破坏的概念和特点
2、疲劳破坏的特点
⑶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样性。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，二者综合更加速疲劳破坏的起始与发展。
二、疲劳破坏的概念和特点
⑷ 可按不同方法对疲劳形式分类。按应力状态分 ，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 和低周疲劳。高周疲劳的断裂寿命（N）较长， N>105，断裂应力水平较低，σ<σs ，又称低应力疲 劳，为常见的材料疲劳形式；低周疲劳的断裂寿命 较短，N=102~105，断裂应力水平较高，σ≥σs，往 往伴有塑性应变发生，常称为高应力疲劳或应变疲 劳。
图5-2 循环应力的类型
⑶脉动循环：σa =σm >0，r=0，齿轮的齿根及 某些压力容器承受此类应力。-σa ＝σm <0，r=∞，轴承承受脉动循环压应力。 ⑷波动循环：σm > σa，0<r<1 。发动机气缸盖 、螺栓承受这种应力。
图5-2 循环应力的类型
⑸随机变动应力：循环应力呈随机变化，如运 行时因道路或云层的变化，汽车、拖拉机及飞 机等的零件。工作应力随对间随机变化，如图 5-3所示。
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。
疲劳破坏表现的形式：
蠕变疲劳—循环载荷与高温联合作 用下的疲劳。
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。
一、金属材料疲劳破坏机理 1、疲劳裂纹的萌生
表面滑移 带开裂
第二相、夹杂物 与基体界面或夹 杂物本身开裂
图5-5 疲劳微裂纹的3种形式
晶界或亚晶 界处开裂
1、疲劳裂纹的萌生 在循环载荷的作用下，会在试件表面形成循环滑
移带。循环滑移带在表面加宽过程中，还会出现挤出 脊和侵入沟，随着挤出脊高度与侵入沟深度的不断增 加。侵入沟就像很尖锐的微观缺口，应力集中严重， 疲劳微裂纹也就易在此处萌生。
瞬断区一般应在疲劳源对侧。瞬断区大小与机件承受名义应 力及材料性质有关，高名义应力或低韧性材料，瞬断区大：反之 ，瞬断区则小。
§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
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2、疲劳裂纹的扩展
第Ⅰ阶段是沿着最大切应力方向向内扩展。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。 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阶段在电子显微镜下可显示出疲劳条带。
疲劳条带
2、疲劳裂纹的扩展
疲劳条带(疲劳辉纹)是略呈弯曲并相互平行的 沟槽状花样，与裂纹扩展方向垂直，是裂纹扩展时 留下的微观痕迹，为疲劳断口最典型的微观特征。
图5-3 农用挂车前轴的载荷谱
二、疲劳破坏的概念和特点
1、疲劳破坏的概念 疲劳的破坏过程是材料内部薄弱区域的组
织在变动应力作用下，逐渐发生变化和损伤累 积、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生突 然断裂的过程，是一个从局部区域开始的损伤 累积，最终引起整体破坏的过程。
二、疲劳破坏的概念和特点
1、疲劳破坏的概念
在纯弯曲变形下,测定对称循环的持久极限，技术上较简单. 将材料加工成最小直径为 7～10mm,表面磨光的试件,每组试 验包括 10根左右的试件.
一、疲劳试验方法
3、复合材料的疲劳破坏机理
(5)复合材料的疲劳性能与纤维取向有关。纤维 是主要承载组分，ຫໍສະໝຸດ Baidu疲劳性能又好，故沿纤维方 向具有很好的疲劳强度。纤维垂直于载荷方向或 与载荷方向成大角度的密集区域，损伤起源于纤 维与基体的脱粘。短纤维时还常损伤于纤维末端 ，故其疲劳强度较低。
第三节 疲劳抗力指标
一、疲劳试验方法
⑶聚合物基复合材料承受循环应力时，因材料导热性 能差，又可吸收机械能变为热能，且不易逸散，因 此温度明显升高，导致材料性能下降，显示出复合 材料的疲劳性能对加载频率敏感。
二、非金属材料疲劳破坏机理
3、复合材料的疲劳破坏机理
⑷与金属材料不同，较大的应变会使纤维与 基体变形不协调引起纤维与基体界面的开裂 形成疲劳源，压缩应变使复合材料纵向开裂 而提前破坏，所以复合材料的疲劳性能对应 变尤其压缩应变特别敏感。
2、疲劳裂纹的扩展
公认的塑性钝化模 型Laird和Smith提 出的L-S模型。 张 开钝化和闭合锐化。
图5-10 韧性疲劳条带形成过程示意图
2、疲劳裂纹的扩展
图5-11 F（Forsyth）-R（Ryder）再生核模型 (a)拉应力半周期内裂纹尖端形成空洞，再生核
(b) 再生核裂纹与主裂纹桥接
三、疲劳断口的宏观特征 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
疲劳源 疲劳裂纹扩展区 瞬断区
图5-4 带键的轴旋转弯曲疲劳断口 40钢
三、疲劳断口的宏观特征
疲劳源多出现在机件表面，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(夹杂、缩孔、偏析、白点等)，也会因局部材料强 度降低而在机件内部引发出疲劳源。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。
2、疲劳裂纹的扩展
韧性条带只有相互平行的弧状条纹，脆性 条带除此之外，还带有解理台阶的河流花样， 它们大致垂直于疲劳条带线。
裂纹扩展方向
裂纹扩展方向
图5-12 两种疲劳条带示意图 (a) 韧性条带 (b) 脆性条带
脆性断裂
2、疲劳裂纹的扩展
疲劳损伤是材料在使用过程中逐渐累积的结果。 但是在实际观察不同材料的疲劳断口时，并不一定都 能看到清晰的疲劳条带。一般滑移系多的面心立方金 属，如Al、Cu合金和18-8不锈钢，其疲劳条带比较明 显；而滑移系较少或组织状态较复杂的钢铁材料，其 疲劳条带往往短窄而紊乱，甚至看不到。
三、疲劳断口的宏观特征
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。
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。
脆性断裂区
图5-6 金属表面“挤出”与“侵入”并形
1．疲劳裂纹的萌生
S1 Q
S1 Q
S1 Q
S1 Q` Q
S1
S2 P
S2 P
S2 P`
P
S2 P`
P
S2
图5-7 Cottrell和Hull的侵入和挤出模型
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瞬断区是裂纹失稳扩展形成的区域。在疲劳亚临界 扩展阶段，随应力循环增加，裂纹不断增长，当增加到 临界尺寸ac 时，裂纹尖端的应力场强度因子KI，达到材 料断裂韧性KIc时，裂纹就失稳快速扩展，导致机件瞬 时断裂。
三、疲劳断口的宏观特征
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。
疲劳区
“贝纹”状花样 疲劳纹 疲劳源
三、疲劳断口的宏观特征 三、疲劳断口的宏观特征
疲劳区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 。近疲劳源区贝纹线较细密，表明裂纹扩展较慢；远 离疲劳源区贝纹线较稀疏、粗糙，表明此段裂纹扩展 较快。
粗糙区
光滑区 裂纹源
三、疲劳断口的宏观特征
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1979年，一架美国的“DC-10”大型客机在芝加哥奥黑 尔国际机场起飞不久就坠毁。
1985年8月，日航的一架5ALl23客机，由于后部压力 隔板的开裂而坠毁。
2002年5月，台湾中华航空公司一架波音747客机在台 湾海峡贬空突然解体，造成225人遇难。
3、复合材料的疲劳破坏机理
疲劳破坏特点： (1)有多种疲劳损伤形式：如界面脱粘，分层、 纤维断裂、空隙增长等。实际上，每种损伤模 型都是由多种微观裂纹(或微观破坏)构成的。 损伤沿着最佳方位起始和扩展，可以一种或多 种形式出现。
3、复合材料的疲劳破坏机理
⑵复合材料不会发生瞬时的疲劳破坏，常常难以确 认破坏与否，故不能沿用金属材料的判断准则。常 以疲劳过程中材料弹性模量下降的百分数(如下降l ％~2％)、共振频率变化(如1~2Hz)作为破坏依据。
疲劳条带是疲劳断口的微观特征，贝纹线是断口 的宏观特征，在相邻贝纹线间可能有成千上万条疲劳 条带。
1、陶瓷材料的疲劳破坏机理
高分子聚合物的疲劳破坏机理
低密度聚乙烯
3、复合材料的疲劳破坏机理 与金属材料比较，复合材料具有良好的疲劳性能。
复合材料与金属材料拉-拉疲劳的比循 环应力-循环次数 图1-铝合金 2-合金钢 3-钛合金 4-复合材料
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σa或应力范围△σ： σa=△σ/2=(σmax-σmin)/2 ； ④应力比r =σmin/σmax
⑴对称循环，σm=0，r=-1，大多数旋转轴类 零件承受此类应力。 ⑵不对称循环：σm≠0，-l<r<1。发动机连杆或 结构中某些支撑杆、螺栓承受此类应力，σa >σm>0, -l<r<0。
1、变动载荷→ 疲劳断裂。
工程中许多机件和构件服役时都承受变动载荷， 如曲轴、连杆、齿轮、辊子、叶片及桥梁等，它 们的失效形式主要是疲劳断裂。
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。
第一节 疲劳破坏的一般规律
一、疲劳破坏的变动应力
疲劳：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。
事后的调查结果显示，上述的机毁人亡事故均是由飞机 结构的疲劳破坏引起的。
飞机的疲劳、腐蚀和磨损是引起飞机事故的3种主要模式。 据国外资料统计，飞机由结构引发的故障，80%以上是由疲 劳失效引起的。飞机疲劳寿命主要取决于两个方面因素：一 方面是飞机自身的内部因素，即飞机结构的疲劳设计、材料 和加工质量等；另一方面是飞机的外部因素，即飞机的实际 使用载荷。
1、疲劳破坏的概念 疲劳断裂也经历了裂纹萌生和扩展过程。由
于应力水平较低，因此具有较明显的裂纹萌生 和稳态扩展阶段，相应的断口上也显示出疲劳 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 ⑴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。 ⑵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。
三、疲劳断口的宏观特征
机件疲劳破坏的疲劳源可以是一个，也可以是 多个，它与机件的应力状态及过载程度有关。如单 向弯曲疲劳仅产生一个源区，双向反复弯曲可出现 两个疲劳源。过载程度愈高，名义应力越大，出现 疲劳源的数目就越多。若断口中同时存在几个疲劳 源，可根据每个疲劳区大小、源区的光亮程度确定 各疲劳源产生的先后，源区越光亮，相连的疲劳区 越大，就越先产生；反之，产生的就晚。
变动载荷是指载荷大小，甚至方向随 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。
规则周期变动应力（循环应力） 无规则随机变动应力
一、疲劳破坏的变动应力
图5-1 变动应力示意图
一般机件承受的变动应力多为循环应力。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
疲劳破坏是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。机件疲劳失效前的工作时间称为疲 劳寿命，疲劳断裂寿命随循环应力不同而改变。 应力高，寿命短；应力低，寿命长。当应力低于 材料的疲劳强度时，寿命可无限长。这种规律可 用疲劳曲线描述。
二、疲劳破坏的概念和特点