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1、1第五章 金属的疲劳材料在交变应力的作用下，经过一段时间，而发生断裂的现象，叫疲劳。疲劳破坏时的最大应力 -1P -13、疲劳极限与静强度之间的关系钢： -1P=0.23（ s+ b） -1=0.27（ s+ b）铸铁： -1P=0.4 b -1=0.45 b铝合金： -1P= b/6+7.5(MPa) -1P= b/6-7.5(MPa)4、不对称循环疲劳极限（ r）利用已知的对称循环疲劳极限，用工程作图法求得各种不对称循环疲劳极限。或者采用回归的公式求得。（1）应力幅 a平均应力 m图 y 轴上的边界点为 0 和 -1x 轴上的边界点为 0 和 b将 max分解成不同应力比 r 时的 a和
2、m，作图。运用时，已知 r， r= a+ m。（2） max m 图3y 轴上的边界点为 -1和- -1，x 轴则同前图。 max= b ，利用不同的应力比 r 来作图。若为韧性材料 max= 0.2 （3）公式法上两图中的曲线可用数学公式表示可以很方便利用 b ， -1， 0.2和 r，求得 r三、抗疲劳过载能力过载持久值材料在高于疲劳极限的应力下运行，发生疲劳断裂的应力循环周次，称为过载持久值，也称有限疲劳寿命。（图）疲劳曲线倾斜部分越陡直，即损伤区窄，则持久值越高，抗疲劳过载的能力越好。过载损伤界由实验测定。疲劳过载损伤是由裂纹的亚稳扩展造成。四、疲劳缺口敏感性疲劳缺口敏感度 q0 1作
3、 aN 曲线曲线斜率 da/dN 为裂纹扩展速率；裂纹达到 ac，da/dN 无限大。二、疲劳裂纹扩展速率1、引入断裂韧度的概念K=K man-Kmin=Y 1/2每一次小扩展，便认为是一次断裂过程。2、lg(da/dN)lgK 曲线（图 5-16）3、曲线分析I 区（初始段）KK th da/dN，裂纹不扩展。KK th K，da/dN，裂纹扩展但不快。II 区（主要段）K，da/dN，裂纹亚稳扩展，是决定疲劳裂纹扩展寿命的主要段。III 区（最后段）K，da/dN，裂纹失稳扩展。4、疲劳裂纹扩展门槛值定K th为门槛值单位 MNm-3/2或 MPam1/2KK th, 裂纹不扩展。K th
4、不好测定规定，平面应变条件下，da/dN=10 -610-7mm/周次对应的K 来代替K th，称为工程疲劳门槛值。5、影响疲劳裂纹扩展速率的因素（1）应力比 r，曲线向左上方移动。（2）过载峰 适当过载反而有益。（3）显微组织 对 I、III 区的 da/dN 影响比较明显。晶粒粗大，K th值越高；韧性相可使K th。三、疲劳裂纹扩展寿命的估算常选用 paris 公式。da/dN=C(K) nc、n材料试验常数，与材料、应力比、环境等因素有关。显微组织对 n 的影响不大，多数材料的 n 值在 24 之间变化。5.4 疲劳过程及机理疲劳过程：裂纹萌生、亚稳护展、失稳扩展、断裂一、裂纹萌生及机
5、理常将 0.050.1mm 的裂纹定为疲劳裂纹核。引起裂纹萌生的原因：应力集中、不均匀塑性形变。方式为：表面滑移带开裂；晶界或其他界面开裂。51、滑移带开裂（1）驻留滑移带在交变载荷作用下，永留或能再现的循环滑移带，称为驻留滑移带。通过位错的交滑移，使驻留滑移带加宽。（2）挤出峰和挤入槽滑移带在表面加宽过程中，还会向前或向后移动，形成挤出峰和挤入槽。循环过程中，峰、槽不断增加，增高（或变深）（柯垂耳-赫尔模型）孪晶处也易出现挤出峰和挤入槽。2、晶界处开裂晶界就是面缺陷；位错运动易发生塞积，出现应力集中，晶界开裂。3、相界面开裂两相（包括第二相、夹杂）间的结合力差，各相的形变速率不同，易在相结合
6、处或弱相内出现开裂。只有首先达到临界尺寸的裂纹核，才能继续长大。二、疲劳裂纹扩展过程及机理1、裂纹扩展的两个阶段（图 5-24）第一阶段沿主滑移系，以纯剪切方式向内扩展；扩展速率仅0.1m 数量级。第二阶段在 da/dN 的 II 区。晶界的阻碍作用，使扩展方向逐渐垂直于主应力方向；扩展速率 m 级；可以穿晶扩展。形成疲劳条纹（疲劳辉纹） （见书上图 5-25） 。一条辉纹就是一次循环的结果。2、疲劳裂纹扩展模型（1）Laird 塑性钝化模型（图）裂纹不再扩展的过程，称为“塑性钝化”该模型对韧性材料的疲劳扩展很有用。材料的强度越低，裂纹扩展越快，条带越宽。（2）再生核模型疲劳裂纹的扩展是断续的
7、。6主裂纹前方是弹塑性交界点（三向拉应力区）可形成新裂纹核。主裂纹和裂纹核之间发生相向长大、桥接，使主裂纹向前扩展。强度高的材料，可形成解理裂纹。5.5 影响疲劳强度的因素一、材料内因1、化学成分 成分决定组织和强化效果。2、显微组织 相、相间交互作用、夹杂物、晶粒大小等。3、治金缺陷 夹杂、疏松、偏析、裂纹，方向性等。二、材料表面状态和工件结构1、表面状态表面粗糙度；表面强化（机械、热处理、喷涂、化学）2、工件结构：壁厚；壁厚均匀性；表面的沟槽等。三、工况因素1、载荷 载荷的大小和加载方式；加载频率；加载间歇；次载锻炼。2、环境 温度；周边介质；应力状况。5.6 低周疲劳疲劳寿命为 102-
8、105次的疲劳断裂，称为低周疲劳一、低周疲劳的特点1、 局部产生宏观变形，应力与应变之间呈非线性。2、 总应变 t= e+ p用 t/2N 或 p /2N 描叙疲劳规律。2、裂纹成核期短，有多个裂纹源。3、断口呈韧窝状、轮胎花样状。4、疲劳寿命取决于塑性应变幅。二、金属的循环硬化与循环软化1、定义与特点恒应变幅（塑性应变幅或总应变幅）循环加载过程中，材料的形变抗力不断增加，则称为循环硬化；反之为循环软化。应力应变滞后回线，只有在应力循环达到一定周期后，才是闭合的，即：达到循环稳定态。（图 5-31）循环应力应变曲线高于单次应力应变曲线，则是循环硬化，反之为循环软化。2、循环软化的危害使材料的形
9、变抗力下降，导致工件产生过量的塑性变形而失效。3、原因决定于材料的初始状态，工件结构特性；应变幅，温度等。 b/ s1.4 循环硬化 b/ s1.2 循环硬化微观原因：位错的循环运动；相变强化；应力松驰。二、 低周疲劳的应变寿命曲线7低周疲劳的 N 曲线，数据离散。1、总应变幅 tN 曲线（图 5-34） e/22Nf， p /22Nf ， t/22Nf，两不同斜率的曲线叠放，必然会出现一个交点。提高强度，交点左移；提高塑性，交点右移。2、N 关系式曼森公式 )410ln( )2(25.36.06.012f fffbteNeE断裂真实伸长率曼森柯芬关系式 pNzf=CZ、C材料常数Z=0.20
10、.7; C0.5ef1.0ef用上述关系式可估算材料的低周疲劳寿命5.7 其他类型疲劳一、热疲劳1、基本概念在循环热应力和热应变作用下，产生的疲劳称为热疲劳。热疲劳属低周疲劳（周期短；明显塑性变形） 。由温度和机械应力叠加引起的疲劳，称为热机械疲劳。2、热应力的产生外部约束，不让材料自由膨胀；内部约束，温度梯度，相互约束，产生热应力。热应变，导致裂纹的萌生，扩展3、衡量标准一定温度幅，产生一定尺寸疲劳裂纹的循环次数。4、提高热疲劳寿命的途径a） 材料 减小热膨胀系数，提高 ，均匀性，高温强度。b） 工件状况 减小应力集中。c） 使用 减小热冲击二、冲击疲劳1、基本概念在重复冲击载荷作用下的疲劳
11、断裂，称为冲击疲劳。冲击次数 N105,具有典型的疲劳断口。AkN2、影响冲击疲劳的因素小能量多冲击 主要为强度。较大能量时 冲击作用下，材料易出现塑性变形，即易出现低周疲劳。能量再大时 则冲击疲劳退居次要地位，应考虑材料的断裂韧性。8三、接触疲劳1、基本概念对偶件（如轴承、齿轮等）在交变接触压应力长期作用下，而在材料表面产生的疲劳损伤。形貌：点蚀，浅层剥落和深层剥落。（轴承、齿轮表面、钢轨等）接触疲劳曲线两种 换 N， 接 1/N， 2、接触应力（赫兹应力）两物体接触，表面上产生局部的压应力，称为接触应力。接触处的接触应力为三向压应力。接触处， z y x超过一定深度 z x y相应的最大切应力为： 224545xyyzzxyzzy在最大切应力处，材料易出现局部塑性变形。3、接触疲劳破坏方式（1）麻点剥落局部塑性变形，产生裂纹、扩展（滑移带开裂）润滑剂气蚀（高压冲击波）剥落下一块金属而形成一凹坑2、浅层剥落最大切应力处，塑化变形最剧烈，非金属夹杂物附近萌生裂纹。表层、次表层产生了加工硬化3、深层剥落过渡区是薄弱区，萌生裂纹，先平行于表面扩展，后垂直于表面扩展，最后形成大的剥落坑。4、影响接触疲劳抗力的因素（1）材料内因组织（晶粒大小，相组成，夹杂物，第二相等）（残余奥氏体，可形成形变 M，不利于接触疲劳）表面硬度和心部硬度（2）外因表面粗糙度，接触精度。硬度匹配润滑情况。
