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1、2.4 疲劳现象及其一般规律,2.4.1 疲劳问题的工程意义,2.4.2 变动载荷和疲劳失效,2.4.2.1 变动载荷,变应力的种类,稳定循环变应力,非稳定循环变应力,变应力的种类,材料疲劳的两种类别,一、变应力的特征参数,sm平均应力； sa应力幅值,smax最大应力； smin最小应力,r 应力比（循环特性）,描述规律性的交变应力可有5个参数，但其中只有两个参数是独立的。,循环特征（应力比）,稳定循环变应力的分类,a=0 m=max,r= +1,r = 0,r= -1,-1 r1,min=0,m=0,2.4.2 疲劳曲线及疲劳抗力,疲劳曲线是疲劳应力和疲劳寿命之问关系的曲线，而疲劳应力是疲
2、劳设计的基木理论依据。表示疲劳抗力的力学性能指标有疲劳极限、过载持久值和疲劳缺口敏感度等，它们在选材、制定工艺和安全设计中都是十分重要的力学性能数据。,2.4.2.1 疲劳曲线,1860年维勒( Vohler)最早提出疲劳曲线及疲劳极限的概念，所以后人也称疲劳曲线为维勒曲线。疲劳曲线通常用旋转弯曲疲劳试验测定。,弯曲疲劳加载示意图,循环应力,测定疲劳曲线时，预先准备若干个相同试样，一般从0. 4b0.7b之间选择几个不同的最大循环应力1， 2， 3（Smax）分别对每个试样进行循环加载试验，测出它们的疲劳寿命N1、N2、N3，然后在直角坐标图中将这些数据绘制成max 或 max lg疲劳曲线，
3、如图2. 19所示。同样，用其他的不对称循环应力也可作出相应的疲劳曲线，如拉压疲劳、脉动疲劳及扭转疲劳曲线等。这些疲劳曲线统称为疲劳应力与疲劳寿命曲线，即S-N曲线。其中S为应力，可以是最大应力或应力幅。,循环应力越高，疲劳寿命越短;而循环应力越低，疲劳寿命就越长； 循环应力-1（临界值），曲线成为水平线段，表明此时试样经无眼次循环也不发生疲劳。,疲劳曲线,有水平线段可标定无限寿命的疲劳极限,无水平线段不可标定无限寿命的疲劳极限，可测定有限寿命(如107、108所对应的条件疲劳极限）,SN,材料不同，疲劳曲线不同：,同样的材料，循环特性不同，疲劳曲线不同：,可靠度不同，疲劳曲线不同：,通常，未
4、加说明的疲劳曲线，均指循环特性 r = -1、可靠度R=50%的疲劳曲线。,通常所说的S-N曲线是指将不同应力(或应力水平)下疲劳寿命的平均值用曲线进行拟合得到的中值S-N曲线。根据概率理论，疲劳寿命平均值所对应的失效概率为50，显然这对于工程应用来说是不安全的。由于疲劳试验时试验数据分散性较大，因此从破坏几率和可靠性考虑，需要在每一个应力水平下选用一组试样.测定每个试样的疲劳寿命，然后用概率统计方法（正态分布、威布尔分布）将这些数据进行处理，绘制不同破坏几率率的一簇疲劳曲线，称为P-S-N,其中P表示破坏几率。,如P=90%的疲劳曲线，表示破坏几率为90%，即安全可靠性为10% ；显然P值越
5、小， P-S-N曲线越向下，安全性就越好;反之，曲线越靠上，安全可靠性越差。一般在测定P-S-N曲线时，常作P=50%的中值疲劳曲线，由它标定的疲劳极限称中值疲劳极限.,SlgN,2.4.2.2 疲劳极限,疲劳极限是材料抵抗无限次应力循环也不产生疲劳断裂的强度指标，条件疲劳极限是材料抵抗规定循环次数而不产生疲劳断裂的强度指标，二者统称为疲劳强度。疲劳强度是保证机件疲劳寿命的重要性能指标。由于应力比对疲劳极限有较大影响.故在测定和应用疲劳极限时，应从实际循环应力出发去测定疲劳极限。,(1)对称循环疲劳极限,通常与测定S-N曲线同时进行。具体力方法为:准备7 10个相同试样;根据材料抗拉强度值，在
6、0. 4b0.7b之间从高到低选择几个应力水平1， 2， 3分别对每个试样进行循环加载试验，其中低应力的数值间距小一些，高应力的数值问距大一些;测出它们的疲劳寿命N1、N2、N3，最后以N=107周次作为无限寿命的循环基数去标定。当施加应力为n-1的试样其疲劳寿命Nn-1107周次，而施加应力为n的试样其疲劳寿命Nn107周次，且n-1n 10MPa时，即可认为-1在n-1、n之间，可近似用二者的平均值表示。,不对称循环疲劳极限,曲线AC上方区域内坐标点所对应的最大应力值，都超过材料的疲劳极限。,曲线AC下方区域内坐标点所对应的最大应力值，均低于材料的疲劳极限。,C,1.疲劳极限应力图疲劳寿命
7、一定时，应力比r不同，材料的疲劳极限rN亦不同，它们之间的关系可用平均应力（rm ）和应力幅（ra ）绘成的曲线图表示。,对称循环应力点,静应力点（脆性材料）,脉动循环应力点,曲线AC上任一坐标点的变应力值代表材料在某一循环特性下的疲劳极限。,B,因此，只要知道应力比r，代人上式即可求得tan和，然后从坐标原点引直线，令其与横坐标的夹角等于，该直线和曲线ABC的交点B即为所求点，其纵横坐标之和即为相应的疲劳极限。,为了在疲劳图A BC曲线上建立疲劳极限和应力比r间的关系，可在ABC曲线上任取一点B与原点O连线，其几何关系为:,(2)不同应力状态的疲劳极限同一材料在不同应力状态下测得的疲劳极限是
8、不同的，但是它们之问存在一定联系。根据试验测定，弯曲疲劳极限与拉压、扭转疲劳极限之间存在以下关系:,以上关系表明，对于同种材料有 。这是因为弯曲疲劳时，试样截面上应力分布不均匀，表而应力最大，只有表面层易于产生疲劳损伤;拉压疲劳时，试样截面应力分布均匀，整个试样产生疲劳损伤的几率较大，易于疲劳损伤。因而-1-1p。扭转疲劳时切应力较大，交变切应力比拉应力更易于使材料发生滑移，即更易引起疲劳损伤，所以-1最小。,(3)疲劳极限与静强度间的关系材料的疲劳极限是通过疲劳试验获得的。另外，可以根据材料的静强度来近似估算。试验表明，材料的抗拉强度越大，其疲劳极限也越大（定性规律性）。对于中、低强度钢，疲
9、劳极限与抗拉强度之间大致呈线性关系，可近似认为， -1=0.5b。当b较高时，这种关系偏离较大。,2.4.3 过载持久值,材料在高于疲劳极限的应力下运行时，发生疲劳断裂的应力循环周次称为材料的过载持久值，也称有限疲劳寿命。过载持久值表征材料对过载负荷的抵抗能力。根据疲劳曲线倾斜部分可以确定过载持久值。疲劳曲线倾斜部分愈陡，则持久值愈高，说明材料在相同过载负荷下能经受的应力循环周次愈多，即材料对过载负荷抗力愈高。疲劳曲线倾斜部分上任一点所对应的应力，称为材料的持久极限。,2.5 疲劳裂纹的形成和扩展,2.5.1 疲劳裂纹的形成,疲劳裂纹的形成是由微观裂纹开始的。微观裂纹的形成、长大及连接将导致宏
10、观疲劳裂纹的产生.而微观裂纹是由不均匀的局部滑移和显微开裂所引起的，其主要方式有表面滑移带开裂、相界面开裂和晶界开裂等。,1. 滑移带开裂产生裂纹,材料在循环应力长期作用下，即使应力小于屈服应力，也会产生循环滑移并形成循环滑移带，与静载荷时均匀滑移带不同，循环滑移是不均匀的，总是集中分布于某些薄弱区域。这种循环滑移带具有持久驻留性，很难去除。驻留滑移带一般只在材料表面形成，深度较浅。随着加载循环次数的增加，循环滑移带会不断加宽，当达到一定程度时，将在驻留滑移带处形成微裂纹。,驻留滑移带在表面的加宽过程中，还会出现挤出脊和侵入沟，于是此处出现应力集中和空洞，经过一定循环后就会产生微裂纹,2.5.
11、2 疲劳裂纹的扩展,疲劳裂纹的扩展过程可以用Laird模型说明,2. 5.3 影响疲劳强度的因素,疲劳断裂一般是从机件表面应力集中处或材料缺陷处发生的，或者是从二者结合处发生的。因此材料和机件的疲劳强度不仅和材料成分、组织结构及夹杂物有关，而且还受载荷条件、工作环境及加工处理条件的影响。 一、加载条件 二、表面状态的影响 三、残余应力及表面强化的影响 四、材料成分及组织的影响,加载频率: 机器的开停机、转速变化等；通常载荷交变频率高于104次/分（约170Hz），随频率增加，疲劳强度提高；低于60次/分，疲劳强度有所降低（蠕变）；在3000 10000次/分（50170Hz）时，无明显影响。
12、次载锻炼：金属在低于或接近于疲劳极限的应力下运转一定循环次数后，会使其疲劳极限提高的现象。通常越接近疲劳强度，对提高疲劳寿命越好。如新机器在空载或不满载条件下跑合一段时间，一方面可使运动配合部分啮合的更好，另一方面利用次载锻炼提高机件的疲劳极限，延长使用寿命。,一、 加载条件,间歇：对具有强烈应变时效的钢如20、4540Cr等在零载下间歇的疲劳寿命表明，每隔25000周次不加载间歇5分钟后的疲劳曲线与连续实验相比，向右下方移动，即疲劳寿命提高。适当的间歇时间和间隔周次可相应得到最高的疲劳寿命。 温度：温度由+20下降到-180 ，结构钢的疲劳强度增加一倍；温度升高到300 以上时，每升高100
13、 ，钢的疲劳强度降低1520%。温度升高，疲劳强度下降。,缺口（应力集中）机件表面的缺口应力集中，往往是引起疲劳破坏的主要原因。当材料的qf越大和疲劳缺口系数Kf越大时，越易在缺口处产生疲劳裂纹，疲劳强度越低。 表面粗糙度表面的微观几何形状如刀痕、擦伤和磨裂等，都像微小而锋利的缺口样，引起应力集中。 表面粗糙度愈低，材料的疲劳极限愈高；表面粗糙度愈高，疲劳极限愈低。材料强度愈高，表面粗糙度对疲劳极限的影响愈显著。,二、 表面状态的影响,弯曲疲劳和扭转疲劳试验时，随试样尺寸因素增加，疲劳极限下降，强度越高，疲劳极限下降得愈多尺寸效应。原因：试样表面拉应力相等情况下，尺寸大的试样，从表面到心部的应
14、力梯度小，处于高应力区的体积大，在交变载荷下受损伤区域大，存在缺陷的几率也高，因而疲劳极限下降。,尺寸因素,三、残余应力及表面强化的影响,机件表面残余压应力状态对疲劳强度有显著影响，残余压应力提高疲劳强度，残余拉应力则降低疲劳强度。,表面强化的方法通常有表面喷丸和滚压，表面淬火及表面化学热处理等。,表面强化处理可在机件表面产生有利的残余压应力，降低机件表面所承受的有效拉应力，同时还能提高机件表面的强度和硬度（即提高表面抗塑性变形能力）表面强化处理的双重作用。,表面强化提高疲劳极限示意图,应力高于材料的疲劳强度，故该区域内会过早产生疲劳裂纹,表面强化处理能有效消除缺口所产生的应力集巾，提高疲劳强
15、度。,四、材料成分及组织的影响,疲劳强度也是对材料组织结构敏感的力学性能。1.合金成分 在各类结构工程材料中，结构钢的疲劳强度最高，故应用广泛。碳是影响疲劳强度的重要元素，既可间隙固溶强化基体，又可形成弥散碳化物进行弥散强化，提高材料形变抗力，阻止塑性滑移带的形成和开裂，即阻止疲劳裂纹的萌生和提高疲劳强度。 2.显微组织 细化晶粒能使材料的韧性增加，韧脆转变温度降低。也可提高材料的疲劳强度。,3.非金属夹杂物及冶金缺陷 非金属夹杂物是萌生疲劳裂纹的发源地之一，减少夹杂物的数量，减小夹杂的尺寸,改变夹杂物与基体之间的结合面性质等都能有效地提高疲劳强度。 钢在冶炼和轧制生产中出现的气孔、偏析、白点、折叠等冶金缺陷，零件在铸造、焊接、锻造和热处理中也会产生缩孔、裂纹、过烧及过热等缺陷，往往都是疲劳裂纹的发源地，严重降低机件的疲劳寿命。,
