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1、第五章 金属疲劳,Chapter Five Fatigue of Metals,5.1 概述(Brief Introduction) 定义(Definition),疲劳破坏指材料在低于抗拉强度的交变应力作用下,经过一定循环后所发生的突然断裂,即在断裂前没有明显的宏观塑性变形。,疲劳破坏过程虽然有突然性，但仍然是一个逐渐发展的过程。它是由疲劳裂纹核心的萌生、扩展及断裂三个阶段组成的，因而相应的研究领域包括：疲劳微观机理（包括疲劳断裂的成因、裂纹核心的萌生、扩展、断口形貌及组织的变化）;疲劳宏观理论（包括疲劳累计损失理论、裂纹扩展理论、疲劳强度理论及疲劳设计理论）; 疲劳实验（包括机器的设计、载荷
2、的测定、数据的统计与分析以及疲劳寿命的计算） 。,一、交变载荷及循环应力 (Alternative loads and circulative stress),5.2 金属疲劳的基本现象与规律 (Basic phenomenon and regulation of metal fatigue),定义：交变载荷： 指载荷大小、方向均随时间发生变化的载荷。交变载荷又可分为规则周期变动应力（称为循环应力）和无规随机变动应力两种（见图5-1）。,规则变化应力（即循环应力）有：a)正方形波 b) 矩形波 c)三角形波,循环应力可用几个特征参量来表示，即：最大应力max、最小应力min 及平均应力m、应力
3、振幅a。a（maxmin） 2应力比: min/max几种常见的循环应力见图52。,对于图5-3的复杂载荷，可以经过傅立叶变化成几种循环应力，再进行相关分析，比较复杂，所以在此不涉及。,二、疲劳种类及特点 (Types and characteristic of fatigue)1、 分类(Classification),1）按应力状态分有：a）弯曲疲劳 b）扭转疲劳 c）拉压疲劳 d）复合疲劳,2）按环境分有：a）大气疲劳 b）腐蚀疲劳 c）高温疲劳 d）接触疲劳 e）热疲劳,3）按断裂寿命及应力高低分：a）高周疲劳（低应力疲劳）Nf105次 0,表示裂纹才扩展 因此Kth称为疲劳裂纹扩展门
4、槛值，单位为Mpa.m1/2Kth和疲劳极限1均表示无限寿命的疲劳性能值。 1指无裂纹的光滑试样，而Kth则指有裂纹的试样。,影响疲劳裂纹扩展因素有如下几种：K（应力强度因子范围）的影响K则da/dN 2. 应力比（或平均应力m）的影响由于压应力使裂纹闭合而不扩展，所以只研究0, m0对da/dN的影响 当0，则da/dN，Kth,（三） 疲劳裂纹扩展的影响因素（Factors of affecting fatigue crack propagation）,3 过载峰影响当交变应力的振幅不恒定，而有偶然增大及过载时，则疲劳裂纹扩展缓慢或停滞一段时间，即发生过载停滞现象（原因是在交变应力正半周过
5、载，即过载拉应力，则产生较大塑性区，并阻碍循环负半周时弹性变形的恢复，从而产生残余压应力，则裂纹尖端闭合，即K，则da/dN）,4 组织影响晶粒越粗大，则Kth, da/dN(正好与屈服强度变化规律相反)；当组织中存在一定量的韧性相（如残奥，贝氏体等），则Kth, da/dN；喷丸则Kth, da/dN（产生压应力）,(四) 疲劳裂纹扩展速率表达式 (Formula of fatigue crack propagation rate)1、 Paris 公式 对于区，Paris 建立了如下经验公式：da/dN=c (K)n式中，n、c为材料常数，n在24之间变化。,具体有：铁素体珠光体：da/d
6、N=6.910-12K3.0奥氏体不锈钢： da/dN=5.610-12K3.25马氏体不锈钢： da/dN=1.3510-10K2.25注：Paris公式一般适用于多周疲劳（即低应力疲劳）,Forman考虑了应力比和断裂韧度KIC（或KC）对da/dN的影响，具体如下： da/dNc（K）n/(1) KCK3、综合式根据以上的讨论，可以得到以下的综合公式： da/dNc（KKth）n/(1) KCK 从上式可见：当KKth，da/dN0，即疲劳裂纹不扩展。,2、 Forman 公式,当已知构件中的裂纹长度（可用无损探伤法测定）以及构件所承受的应力状态。则可从下式： da/dNc（Ya1/2）
7、n 来计算疲劳寿命N。 dNda/c（Ya1/2）n 当n2时，有：当n=2时，则有：具体例子见P.127。,（五） 疲劳裂纹扩展寿命的估算（Evaluation of fatigue crack propagation life）,5.5 疲劳过程及机理 (Fatigue process and mechanism),疲劳破坏包括裂纹萌生，亚稳扩展及失稳扩展等三个阶段，每阶段扩展过程及其机理如下：,一、疲劳裂纹萌生过程及其机理 (Process and mechanism of fatigue crack origin),宏观疲劳裂纹是由微观裂纹的形成、长大及连接而成。在确定裂纹萌生期时尚无
8、统一的裂纹长度标准。常将0.050.1mm长的裂纹作为疲劳裂纹核，对应的时间则作为裂纹萌生期。研究表明，疲劳微观裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂等引起的，主要方式有： 表面滑移带的开裂(下面要具体图示）； 第二相、夹杂物或其晶界等处的开裂； 晶界或亚晶界处的开裂。,图510 低碳钢在交变应力（=200MPa）下滑移带的形成过程 a) N=1105次；b) 5105次；c)15105次,图5-12 金属表面“挤出”、“侵入”，并形成裂纹,（二）疲劳裂纹扩展过程及其机理 (Process and mechanism of fatigue crack Propagation)疲劳微裂纹萌生后，即进入裂纹扩展阶段，根据裂纹扩展方向，可分为两个阶段（见图513所示）。,图5-13 疲劳裂纹内扩展的几个过程,第一阶段：从个别侵入沟（或挤出脊）先形成微裂纹，再沿最大切应力方向向内扩展（45）。在众多微裂纹中，只有个别裂纹会扩展到25个晶粒。da/dN很小。断口形貌特征不明显。Laird提出塑性钝化理论（见图5-14）； Cell提出的理论是：反复移动造成高位错密度，就有高应变能，从而形成新表面（见图5-14）。,图5-14 疲劳裂纹扩展第一阶段的两种模型a)塑性钝化；b)位移模型,
