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1、2020/8/8,.,1,第五章 材料的疲劳性能,据统计，在断裂失效中，疲劳失效约占80%以上，造成了巨大的经济损失和人员伤亡。 第一节 疲劳破坏的一般规律 1、疲劳的定义 材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。 2、变动载荷：指大小或方向随着时间变化的载荷。 变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值。 分为：规则周期变动应力和无规则随机变动应力,2,.,3,.,交变应力（应力大小或方向呈周期性变化）,4,.,3、循环载荷（应力）的表征 最大循环应力：max 最小循环应力：min 平均应力： m=（max + min）/2 应力幅a或应力范围 ： =max- m
2、in a=/2=（max- min）/2 应力比（或称循环应力特征系数）： r= min/max,5,.,5、循环应力分类 按平均应力、应力幅、应力比的不同，循环 应力分为： 对称循环 m=（max + min）/2=0, r=-1， 即max与min大小相等， 方向相反。 属于此类的有：大多数 旋转轴类零件。,6,., 不对称循环 m0 如：发动机连杆、螺栓， (a）a m0，-1r0,（b）a 0，m0，r-1,7,., 脉动循环 m= a0，r=0（ min=0） 如：齿轮的齿根、压力容器。 m=a0，r=（ max=0） 如：轴承（压应力）。,8,., 波动循环 m a，00（方向不变
3、） 如：发动机气缸盖、螺栓。,9,., 随机变动应力 应力大小、方向随机变化，无规律性。 如：汽车、飞机零件、轮船。,10,.,二、疲劳破坏的特点 在变动载荷作用下，材料薄弱区域， 逐渐发生损伤，损伤累积到一定程度产生 裂纹，裂纹不断扩展失稳断裂。 特点：从局部区域开始的损伤，不断累积， 最终引起整体破坏。 1、潜藏的突发性破坏，脆性断裂 （即使是塑性材料）。 2、属低应力循环延时断裂（滞后断裂）。 3、对缺陷十分敏感（可加速疲劳进程）。,11,.,三、疲劳破坏的分类 弯曲疲劳 扭转疲劳 1、按应力状态 拉压疲劳 接触疲劳 复合疲劳 2、按应力大小和断裂寿命 高周疲劳低应力疲劳 N105，s
4、低周疲劳高应力疲劳 N=102105，s,12,.,四、疲劳破坏的表征疲劳寿命 疲劳寿命：材料疲劳失效前的工作时间， 即循环次数N。,N, -1,0,疲劳曲线: 应力，N,13,.,五、疲劳断口的宏观特征 疲劳断口分析是研究疲劳过程，分析 疲劳失效原因的重要方法。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。 1、疲劳源 疲劳裂纹萌生区，多出现在零件表面，与 加工刀痕、缺口、裂纹、蚀坑等相连。 特征：光亮，因为疲劳源区裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多。,14,.,15,.,疲劳源可以是一个，也可以有多个。 如：单向弯曲，只有一个疲劳源；双向弯曲，可出现两个疲劳源。 2、疲劳裂纹
5、扩展区（亚临界扩展区） 特征：断口较光滑并分布有贝纹线或裂 纹扩展台阶。 贝纹线是疲劳区最典型的特征，是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（裂纹扩展较慢），远疲劳源区贝纹线较稀疏、粗糙（裂纹扩展较快）。,16,.,贝纹线（海滩花样）： 贝纹线区的大小取决于过载程度及材料的韧性，高 名义应力或材料韧性较差时，贝纹线区不明显；反 之，低名义应力或高韧性材料，贝纹线粗且明显， 范围大。,17,.,名义载荷：根据额定功率用力学公式计算出 作用在零件上的载荷。即机器平 稳工作条件下作用于零件上的载 荷。 计算载荷=载荷系数*名义载荷 3、瞬断区：裂
6、纹失稳扩展形成的区域 断口特征：断口粗糙，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；表面平面应力区则有剪切唇区存在。,18,.,瞬断区一般在疲劳源对侧。 瞬断区大小与名义应力、材料性质有关： 高名义应力或脆性材料，瞬断区大；反之， 瞬断区小。,19,.,20,.,21,.,22,.,第二节 疲劳破坏的机理 一、金属材料疲劳破坏的机理 1、疲劳裂纹的萌生（形核） 第阶段 在循环应力作用下，裂纹萌生常在材料薄 弱区或高应力区。通过不均匀滑移或显微 开裂 （如第二相、夹杂物、晶界或亚晶 界）等方式完成。 通常将长0.05-0.10mm的裂纹定为疲劳裂纹核，对应的循环周期
7、N，为微裂纹萌生期。,23,.,驻留滑移带： 在循环载荷作用下，即使循环载荷未超过材料屈服强度，也会在材料表面形成循环滑移带不均匀滑移，其与静拉伸形成的均匀滑移不同，循环滑移带集中于某些局部区域，用电解抛光法也难以去除，即使去除了，再重新循环加载，还会在原处再现。 不均匀滑移： 驻留滑移带在表面加宽过程中，会形成挤 出脊和侵入沟，从而引起应力集中，形成 疲劳微裂纹形核（萌生）。,24,.,挤出和侵入模型：,25,.,表面易产生疲劳裂纹的原因： （1）在许多载荷方式下，如扭转疲劳，弯曲和旋转弯曲疲劳等，表面应力最大。 （2）实际构件表面多存在类裂纹缺陷，如缺口，台阶，键槽，加工划痕等，这些部位极
8、易由应力集中而成为疲劳裂纹萌生地。 （3）相比于晶粒内部，自由表面晶粒受约束较小，更易发生循环塑性变形。 （4）自由表面与大气直接接触，因此，如果环境是破坏过程中的一个因素，则表面晶粒受影响较大。,26,.,2、疲劳裂纹的扩展 第阶段 疲劳裂纹形核后，在室温及无腐蚀条件下 第阶段属于微裂纹扩展 第阶段呈穿晶扩展，扩展速率da/dN 随 N的增加而增大。在多数韧性材料的第 阶段，断口用电子显微镜可看到韧性条带 而脆性材料中可看到脆性条带。疲劳条带（辉纹）呈略弯曲并相互平行的沟槽状花样，与裂纹扩展方向垂直。与贝纹线不同,疲劳条带是疲劳断口的微观特征。 疲劳条带形成的原因塑性钝化模型：裂纹尖端的塑性
9、张开，钝化和闭合钝化，使裂纹向前延续扩展,27,.,疲劳裂纹的形成与扩展模型：,28,.,韧性疲劳条带与脆性疲劳条带形貌：,29,.,疲劳条带的形成模型(Laird-Smith模型）：,30,.,疲劳条带的形成模型再生核模型（F-R）,31,.,韧性条带与脆性条带的区别：,32,.,二、非金属材料疲劳破坏机理 1、陶瓷材料的疲劳破坏机理 静态疲劳：相当于金属中的延迟断裂，即在一定载荷作用下，材料耐用应力随时间下降的现象。 动态疲劳：是在恒定加载条件下，研究材料断裂失效对加载速率的敏感性。 循环疲劳：在长期变动应力作用下，材料的破坏行为。 陶瓷材料断口呈现脆性断口的特征。,33,.,2、高分子聚
10、合物的疲劳破坏机理, 非晶态聚合物,a、高循环应力时，应力很快达到或超过 材料银纹的引发应力，产生银纹，随 后转变成裂纹，扩展后导致材料疲劳 破坏。,b、中循环应力也会引发银纹，形成裂纹 但裂纹扩展速率较低（机理相同）。,34,.,c、低循环应力，难以引发银纹，由材料 微损伤累积及微观结构变化产生微孔及微裂纹，最终裂纹扩展导致宏观破坏。, 结晶态高聚合物或低应力循环的非晶态 高聚合物，疲劳过程有以下现象：,整个过程，疲劳应变软化而不出现硬化。,分子链间剪切滑移，分子链断裂，结晶 损伤，晶体结构变化。,35,.,产生显微孔洞，微孔洞合并成微裂纹， 并扩展成宏观裂纹。 断口呈裂纹扩展形成的肋状形态
11、，断口 呈丛生簇状结构（拉拔）。,36,., 高聚物的热疲劳,由于聚合物为粘弹性材料，具有较大 面积的应力滞后环，所以在应力循环过程 中，外力所做的功有相当一部分转化为热 能；而聚合物导热性能差，因此温度急剧 升高，甚至高于熔点或玻璃化转变温度， 从而产生热疲劳。,37,.,热疲劳常是聚合物疲劳失效的 主要原因。因此疲劳循环产生的热 量，使聚合物升温，可以修补高分 子的微结构损伤，使机械疲劳裂纹 形核困难。,38,.,聚合物疲劳断口可观察到两种特征的条纹,A、疲劳辉纹 每周期的裂纹扩展10m（间距）。,B、疲劳斑纹 不连续、跳跃式的裂纹扩展，50m间距。,39,.,聚合物相对分子量较高时，在
12、所有应力强度因子条件下，皆可形 成疲劳辉纹。 而相对分子量较低时，在较低 应力强度因子时，易形成疲劳斑纹。,40,.,3、复合材料的疲劳破坏机理, 复合材料疲劳破坏的特点,a、多种疲劳损伤形式：界面脱粘、分层、 纤维断裂、空隙增长等。,b、不发生瞬断，其疲劳破坏的标准与金属 不同，常以弹性模量下降的百分数 （1%-2%），共振频率变化（1-2HZ）作 为破坏依据。,41,.,c、聚合物基复合材料，以热疲劳为主，对 加载频率敏感。,d、较大的应变引起纤维与基体界面开裂形 成疲劳源（纤维、基体的变形量不同） 压缩应变使复合材料纵向开裂，故对压缩 敏感。,42,.,e、复合材料的疲劳性能与纤维取向有
13、关 纤维是主要承载组分，沿纤维方向具 有很好的疲劳强度；而沿纤维垂直方 向，疲劳强度较低。,对于复合材料，界面结合非常重要， 因为：基体与纤维的E不同，变形量不 同，故界面产生很大的剪切应力。,43,.,第三节 疲劳抗力指标,一、疲劳试验方法,实验设备：,旋转弯曲疲劳试验机,实验方法：,用一组光滑试样，测量N曲 线，即疲劳应力疲劳寿命曲 线。,实验标准：,GB433784,44,.,旋转弯曲疲劳试验机：,45,.,46,.,实验结果：,N, -1,0,47,.,临界值1：材料的疲劳强度 1 ，有限循环 1 ，无限循环 金属材料的疲劳曲线有两类： 碳钢、低合金钢、球铁等有水平线；而 有色合金、不
14、锈钢、高强度的无水平线 取N=106，107或108下的疲劳强度条件 疲劳强度。,48,.,二、疲劳强度,在指定疲劳寿命下，材料能承受的 上限循环应力。,指定的疲劳寿命：无限周次；有限周次,1、对称循环疲劳强度,对称弯曲：-1,对称扭转：-1,对称拉压：-1p,其中，-1最常用,49,.,2、不对称循环疲劳强度,不对称循环疲劳强度难以用实验方法直接测定。一般用工程作图法，由疲劳图求出各种不对称循环应力下的疲劳强度。,A,B,C,E,H,b,b,m,max,min,-1,-1,0,450,max,min,50,.,AHB曲线上各点max值即表示由r=-11个状态下的疲劳强度。,图中满足：,由此即
15、可根据已知循环应力比r求出值 作图，在AHB上对应点的纵坐标值即为相 应的疲劳强度。,51,.,这种疲劳图也可以利用Gerber关系绘制,52,.,注意：上述疲劳图仅适合于脆性材料，对 于塑性材料，应该用屈服强度s进行修正。,53,.,3、不同应力状态下的疲劳强度,同种材料在不同应力状态下，相应 的疲劳强度也不同，存在如下关系：,钢： -1p=0.85 -1 铸铁： -1p=0.65 -1 钢及轻合金：-1=0.55-1 铸铁： -1=0.80-1,-1p为对称拉压疲劳强度,-1为对称扭转疲劳强度,-1为对称弯曲疲劳强度,54,.,同种材料的疲劳强度： 1 1P1,因为弯曲疲劳时，试样表面应力
16、最大，只有表面层才产生疲劳损伤。而拉压疲劳时，应力分布均匀，整个截面都可产生疲劳损伤，故1 1P。扭转疲劳时，切应力大，更容易使材料发生滑移，产生疲劳损伤，故1最小。,55,.,4、疲劳强度与静强度间的关系,试验表明，材料的抗拉强度越大，其 疲劳强度也越大。对于中、低强度钢， 1与 b大致成线性关系， 1=0.5b。 随着抗拉强度增大，材料的塑性、断裂韧 性降低，裂纹易于形成和扩展，疲劳强度 降低。,56,.,经验公式：,结构钢： 1P=0.23( s+ b) 1=0.27( s + b) 铸铁： 1P=0.4 b 1=0.45 b 铝合金： 1P=1/6 b +7.5MPa 1=1/6 b -7.5Mpa 青铜： 1=0.21 b,57,.,en,58,.,三、过载持久值及过载损伤界,1、过载持久值,材料在高于疲劳强度的一定应力下工 作，
