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1、1第五章第五章 金属的疲劳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-1 3、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=0.4b-1=0.45b 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 -1 x 轴上的边界点为 0 和 b 将 max分解成不同应力比 r 时的 a
2、和 m，作图。 运用时，已知 r，r=a+m。 （2）maxm 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
3、q0 1 作 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=Kman-Kmin=Y1/2 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） KKth da/dN，裂纹不扩展。 KKth 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Kth为门槛值 单位 MNm-3/2或 MPam1/
4、2 KKth, 裂纹不扩展。 Kth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Kth，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，Kth值越高；韧性相 可使Kth。 三、疲劳裂纹扩展寿命的估算 常选用 paris 公式。da/dN=C(K)n c、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。5.45.4 疲劳过程及机理疲劳过
5、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
6、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
7、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。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。5.55.5 影响疲劳强度的因素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
8、、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。5.65.6 低周疲劳低周疲劳 疲劳寿命为 102-105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
9、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
10、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)4100100ln()2()2)(5 . 36 . 06 . 0012ffffb teNeNE断裂真实伸长率 曼森柯芬关系式pNzf=C Z、C材料常数Z=0.20.7; C0.5ef1.0ef 用上述关系式可估算材料的低周疲劳寿命5.75.7 其他类型疲劳其他类型疲劳 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；
11、 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断裂，称为冲击疲劳。冲击次数 N105,具有典型的疲劳断口。AkN 2、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
12、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，zyx 超过一定深度 zxy 相应的最大切应力为：222454545xy yzxz xxyz zy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。
