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1、1,第五章 金 属 的 疲 劳,本章从材料学的角度研究金属疲劳的一般规律、疲劳破坏过程及机理、疲劳力学性能及其影响因素， 本章的学习为疲劳强度设计和选用材料，改进工艺提供基础知识。,2,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b，甚至 105 周次、s)、低周疲劳（ Nf =（104 105）周次，s,往往有塑性应变 ）。 4）按破坏原因 机械疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳（2）疲劳的特点 1）断裂应力b，甚至-1p-1,10,（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
2、 = 0.45b 铝合金：-1p=（b/6）+7.5(MPa) -1 =（b/6）-7.5(MPa) 青铜： -1p = 0.21b,11,（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和m，作图。 A点： m = 0，r=-1, a=-1 ； C点： m = b ，r=1, a=0 ； 运用时，ABC曲线上各点纵、横 坐标表示每一 r 值下疲劳极限a、m 之和，已知r，r=a+m。Note： 0 为脉
3、动循环的疲劳极限 tan 1；45（如图）,tan a/ m(1-r)/(1+r),12,2）maxm 图 y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。 B点：m = 0，r=-1, a=-1，max =-1 ； A点：m = b ，r=1, a=0 ；max =b ；图5-11为脆性材料的max-m疲劳图，AHB曲线就是在不同r值下的疲劳极限max。若为韧性材料max=0.2 （图5-12） 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,tan max/ m2/(1+r),-1 r 1 作aN曲线 曲线
4、斜率 da/dN 为裂纹扩展速率，表示每循环一次裂纹扩展的距离；当裂纹达到ac，da/dN 无限大。若改变应力，将1 增加到2,则裂纹扩展加快。,16,5.3.2 疲劳裂纹扩展速率,（1）引入断裂韧度的概念 K = Kmax-Kmin= Y*1/2 研究 da/dN K之间的函数关系。 裂纹的每一次小扩展，便认为是一次断裂过程。（2） lg(da/dN)lgK曲线,疲劳裂纹扩展 I区初始阶段；II区主要阶段 III区最后阶段,17,（3）曲线分析 I区（初始段） K的变化范围很小（Kth ），da/dN 几乎接近 0，裂纹不扩展； KKth K，da/dN缓慢，裂纹有扩展，但不快。II区（主要
5、段）K，da/dN 明显，裂纹亚稳扩展（恒速），II区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。,18,（4）疲劳裂纹扩展门槛值Kth,定义Kth为门槛值 单位MNm-3/2或MPam1/2 意义：KKth, 裂纹不扩展。KKth, da/dN 0,疲劳裂纹开始扩展。 Kth不好测定。 规定:平面应变条件下，da/dN = 10-6 10-7 mm/周次时,对应的K来代替Kth，称为工程疲劳门槛值。 Kth是阻止疲劳裂纹开始扩展的性能，也是材料力学性能指标-1 ：光滑试样的无限寿命疲劳强度（传统疲劳强度设计及校核） Kth ：裂纹试样的无限寿命疲劳性能（适
6、于裂纹体的设计及校核）。实际上，该指标太过于保守，目前比较科学、经济的做法是对重要构件采用有限疲劳寿命设计。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。（see 图518） （2）过载峰 适当过载反而有益。（see 图519）,19,5.3.3 疲劳裂纹扩展寿命的估算,常选用Paris公式。da/dN = C(K)n （511）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。（参阅P109P111）,（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。钢中
7、 F ，Kth； 钢的淬火组织中， M:B下:AR 1: 4: 7 (各含量对Kth的大致贡献) 喷丸强化， Kth几种工程材料的 Kth值（See 表52，由大到小: 纯NiNi基合金低合金钢 18-8不锈钢）,20,5.4 疲劳过程及机理 疲劳过程：裂纹萌生亚稳扩展失稳扩展断裂,5.4.1 裂纹萌生及机理 常将0.050.1mm的裂纹定为疲劳裂纹核。据此定义疲劳裂纹萌生期。 裂纹萌生的原因：应力集中、不均匀塑性形变。 方式：表面滑移带开裂；晶界或其他界面开裂。(1) 滑移带开裂 1）驻留滑移带交变载荷作用，通过位错的交滑移，使驻留滑移带加宽（Note：永留或能再现的循环滑移带，称为驻留滑移
8、带,图522）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。（图523）,21,(2) 相界面开裂 两相（包括第二相、夹杂y与基体）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。(3) 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。当晶界处有低熔点夹杂、成分偏析、回火脆，晶界析氢，晶粒粗化，均易产生晶界裂纹，降低-1 。裂纹萌生后，即进入疲劳裂纹扩展阶段,22,5.4.
9、2 疲劳裂纹扩展过程及机理,(1) 裂纹扩展的两个阶段 第一阶段 沿主滑移系(最大切应力方向)，以纯剪切方式向内扩展；扩展速率仅0.1m 数量级。多数裂纹会成为不扩展裂纹，只有少数裂纹会扩展23个晶粒范围。此时断口看不到什么形貌，很难分析。 第二阶段 疲劳裂纹亚稳扩展在da/dN 的II区。因晶界的持续阻碍，使扩展方向逐渐垂直于主应力方向；扩展速率达m级；可以穿晶扩展，形成疲劳条带（疲劳条纹、疲劳辉纹）（See 图5-25）：每一条带视为一次应力循环的结果。,23,(2) 疲劳裂纹扩展模型,1）Laird 塑性钝化模型交变拉压应力作用 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
10、劳扩展很有用。材料的强度越低，裂纹扩展越快，条带越宽。,24,2）再生核模型,疲劳裂纹的扩展是断续的。 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。,25,5.5 影响疲劳强度的因素 （SeeP115）,5.5.1 材料内因 (1)化学成分 各类工程材料中，结构钢的疲劳强度最高：C间隙固溶强化和形成碳化物进行弥散强化，提高形变抗力；合元提高淬透性和改善强韧性， -1。 (2)显微组织 细晶， -1 热处理后的结构钢：M回 T回 S回；等温淬火的B下 淬火回火组织；淬火组织中的未溶F，未转变的A及非M组织等，因比M软，易过早形成疲劳裂纹， -1 。 (3)非金属夹杂及冶金缺陷非金属夹杂，其尺寸、数量(真空熔炼、真空浇铸)， -1 ；冶炼和轧制中的气孔、缩孔、偏析、白点、折叠，以及铸锻焊热处理中的缩孔、裂纹、过烧及过热等， -1 。夹杂物沿压延方向呈流线分布， 横向-1 。5.5.2 材料表面状态和工件结构 (1)表面状态 应力集中（选用疲劳缺口敏感度qf低、疲劳缺口系数Kf低的材料，设计时增大缺口根部过渡圆角）；表面粗糙度(2)残余应力及表面强化（喷丸与滚压）(3)表面及化学热处理,
