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1、第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能第五章第五章 资料的疲劳性能资料的疲劳性能 5-15-1疲疲劳破坏的普通破坏的普通规律律5-25-2疲疲劳破坏的机理破坏的机理5-35-3疲疲劳抗力目的抗力目的5-45-4影响影响资料及机件疲料及机件疲劳强度的要素度的要素5-55-5热疲疲劳第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能 工件在变动载荷和应变长期作用下，因累积损伤而工件在变动载荷和应变长期作用下，因累积损伤而引起的断裂景象，称为疲劳。引起的断裂景象，称为疲劳。 由于变动载荷和应变是导致疲劳破坏的外动力，所由于变动载荷和应变是导致疲劳破坏的外动力，所以应该先对其进展了解。变动载荷是指载荷大小
2、，甚至以应该先对其进展了解。变动载荷是指载荷大小，甚至方向都随时间变化的载荷。变动载荷在单位面积上的平方向都随时间变化的载荷。变动载荷在单位面积上的平均值称为变动应力，可分为规那么周期变动应力均值称为变动应力，可分为规那么周期变动应力( (或称或称循环应力循环应力) )和无规那么随机变动应力两种，可用应力和无规那么随机变动应力两种，可用应力- -时时间曲线描画，如图间曲线描画，如图5-l5-l所示。所示。第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能 普通机件接受的变动应力多为循环应力。循环应力是普通机件接受的变动应力多为循环应力。循环应力是周期性变化的应
3、力，变化的波形有正弦波、矩形波和三角周期性变化的应力，变化的波形有正弦波、矩形波和三角波等。其中最常见的为正弦波。波等。其中最常见的为正弦波。 表征应力循环特征的参量有：表征应力循环特征的参量有：第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能一、疲劳破坏的变动应力一、疲劳破坏的变动应力 按照应力幅和平均应力的相对大小，循环应力类型如按照应力幅和平均应力的相对大小，循环应力类型如图图5-25-2所示：所示：第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能 普通机件接受的变动应力多为循环应力，是周期性变普通机件接受的变动应力多为循环应力，是周期性变化的应力。表征应力循环特征的参量有：化的应力。表征应力循环特
4、征的参量有：第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能1. 1. 疲劳破坏的概念疲劳破坏的概念疲劳破坏过程是资料内部薄弱区域的组织在变动应疲劳破坏过程是资料内部薄弱区域的组织在变动应力作用下，逐渐发生变化和损伤累积、开裂，当裂力作用下，逐渐发生变化和损伤累积、开裂，当裂纹扩展到达一定程度后发生忽然断裂的过程，是一纹扩展到达一定程度后发生忽然断裂的过程，是一个从部分区域开场的损伤累积，到最终引起整体破个从部分区域开场的损伤累积，到最终引起整体破坏的过程。坏的过程。疲劳破坏是循环应力引起的延时断裂，其断裂应力疲劳破坏是循环应力引起的延时断裂，其断裂应力程度往往低于资料的抗拉强度，甚至低于其屈服强程
5、度往往低于资料的抗拉强度，甚至低于其屈服强度。机件疲劳失效前的任务时间称为疲劳寿命，疲度。机件疲劳失效前的任务时间称为疲劳寿命，疲劳断裂寿命随循环应力不同而改动。劳断裂寿命随循环应力不同而改动。应力高，机件寿命短；应力低，寿命长。当应力低应力高，机件寿命短；应力低，寿命长。当应力低于资料的疲劳强度时，寿命可无限长。于资料的疲劳强度时，寿命可无限长。 第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能2. 2. 疲劳破坏的特点疲劳破坏的特点 疲劳破坏与静载或一次性冲击加载破坏相比较，具疲劳破坏与静载或一次性冲击加载破坏相比较，具有以下特点：有以下特点： (1) (1)该破坏是一种潜藏的突发性破坏，在静载
6、下显示该破坏是一种潜藏的突发性破坏，在静载下显示韧性或脆性破坏的资料，在疲劳破坏前均不会发生明显韧性或脆性破坏的资料，在疲劳破坏前均不会发生明显的塑性变形，呈脆性断裂，易引起事故呵斥经济损失。的塑性变形，呈脆性断裂，易引起事故呵斥经济损失。 (2) (2)疲劳破坏属低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命疲劳破坏属低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命的预测就显得非常重要和必要。的预测就显得非常重要和必要。第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能 (3) (3)疲劳对缺陷疲劳对缺陷( (缺口、裂纹及组织缺口、裂纹及组织) )非常敏感，即非常敏感，即对缺陷具有高度的选择性。由于缺口或裂纹会引起应对缺陷具有高
7、度的选择性。由于缺口或裂纹会引起应力集中，加大对资料的损伤作用；组织缺陷力集中，加大对资料的损伤作用；组织缺陷( (夹杂、疏夹杂、疏松、白点、脱碳等松、白点、脱碳等) )，将降低资料的部分强度，二者综，将降低资料的部分强度，二者综合更会加速疲劳破坏的起始与开展。合更会加速疲劳破坏的起始与开展。第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能 (4)可按不同方法对疲劳方式分类。可按不同方法对疲劳方式分类。 接应力形状分：有弯曲疲劳、改动疲劳、拉压疲接应力形状分：有弯曲疲劳、改动疲劳、拉压疲劳、接触疲劳以及复合疲劳。劳、接触疲劳以及复合疲劳。 按应力高低和断裂寿命分：有高周疲劳和低周疲按应力高低和断裂寿
8、命分：有高周疲劳和低周疲劳。劳。 高周疲劳：断裂寿命高周疲劳：断裂寿命(N)较长较长(N105)，断裂应力程，断裂应力程度较低，又称低应力疲劳，为常见的资料疲劳方度较低，又称低应力疲劳，为常见的资料疲劳方式。式。 低周疲劳：断裂寿命较短低周疲劳：断裂寿命较短(N=102 105) ，断裂应力，断裂应力程度较高，常称为高应力疲劳。程度较高，常称为高应力疲劳。第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能三、疲劳断口的宏观特征三、疲劳断口的宏观特征 如图如图5-45-4所示，典型疲劳断口具有所示，典型疲劳断口具有3 3个特征区个特征区- -疲劳源、疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区。疲劳裂纹扩展区、瞬断区
9、。第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能 疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地，多出如今机件表疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地，多出如今机件表面，常和缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相连。但假设面，常和缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相连。但假设资料内部存在严重冶金缺陷，也会因部分资料强度降低资料内部存在严重冶金缺陷，也会因部分资料强度降低而在机件内部引发出疲劳源。而在机件内部引发出疲劳源。 因疲劳源区裂纹外表受反复挤压，摩擦次数多，疲因疲劳源区裂纹外表受反复挤压，摩擦次数多，疲劳源区比较光亮，而且因加工硬化，该区外表硬度会有劳源区比较光亮，而且因加工硬化，该区外表硬度会有所提高。所提高。第五章第五章 材料的
10、材料的疲劳性能疲劳性能 疲劳区是疲劳裂纹亚临界扩展构成的区域。其宏观疲劳区是疲劳裂纹亚临界扩展构成的区域。其宏观特征是：断口较光滑并分布有贝纹线特征是：断口较光滑并分布有贝纹线( (或海滩花样或海滩花样) )，有，有时还有裂纹扩展台阶。时还有裂纹扩展台阶。 断口光滑是疲劳源区的延续，其程度随裂纹向前扩断口光滑是疲劳源区的延续，其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱，反映裂纹扩展快慢、挤压摩擦程度上的差展逐渐减弱，反映裂纹扩展快慢、挤压摩擦程度上的差别。贝纹线是疲劳区的最典型特征，普通以为是因载荷别。贝纹线是疲劳区的最典型特征，普通以为是因载荷变动引起的，由于机器运转时不可防止地常有启动、停变动引起的，由
11、于机器运转时不可防止地常有启动、停歇、偶尔过载等，均要在裂纹扩展前沿线留下弧状贝纹歇、偶尔过载等，均要在裂纹扩展前沿线留下弧状贝纹线痕迹。线痕迹。第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能 瞬断区是裂纹失稳扩展构成的区域。该区的断瞬断区是裂纹失稳扩展构成的区域。该区的断口比疲劳区粗糙，宏观特征好像静载，随资料性质口比疲劳区粗糙，宏观特征好像静载，随资料性质而变。而变。 脆性资料断口呈结晶状；韧性资料断口，在心脆性资料断口呈结晶状；韧性资料断口，在心部平面应变区呈放射状或人字纹状，边缘平面应力部平面应变区呈放射状或人字纹状，边缘平面应力区那么有剪切唇区存在。区那么有剪切唇区存在。第五章第五章 材
12、料的材料的疲劳性能疲劳性能 5-2疲疲劳破坏的机理破坏的机理一、金属资料疲劳破坏机理一、金属资料疲劳破坏机理 1. 1.疲劳裂纹的萌生疲劳裂纹的萌生 金属资料的疲劳过程也是裂纹萌生和扩展的过程。金属资料的疲劳过程也是裂纹萌生和扩展的过程。因变动应力的循环作用，裂纹萌生往往在资料薄弱区因变动应力的循环作用，裂纹萌生往往在资料薄弱区或高应力区，经过不均匀滑移、微裂纹构成及长大而或高应力区，经过不均匀滑移、微裂纹构成及长大而完成。完成。 疲劳微裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起。主要疲劳微裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起。主要方式有：外表滑移带开裂；第二相、夹杂物与基体界方式有：外表滑移带开裂；第二相、夹
13、杂物与基体界面或杂质本身开裂；晶界或亚晶界处开裂。面或杂质本身开裂；晶界或亚晶界处开裂。第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能2.2.疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹萌生后便开场扩展。疲劳裂纹萌生后便开场扩展。第第阶段是沿着最大切段是沿着最大切应力方向力方向向内向内扩展。其中多数微裂展。其中多数微裂纹并并不不继续扩展，成展，成为不不扩展裂展裂纹，只需个只需个别微裂微裂纹可延伸几十可延伸几十m (即即2-5个晶粒个晶粒)长。第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能随即疲随即疲劳裂裂纹便便进入第入第阶段，沿垂直拉段，沿垂直拉应力力方向向前方向向前扩展构成主裂展构成主裂纹，直至最后构成剪切
14、，直至最后构成剪切唇唇为止。止。第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能二、非金属资料疲劳破坏机理二、非金属资料疲劳破坏机理 1. 1.陶瓷资料的疲劳破坏机理陶瓷资料的疲劳破坏机理 常温下陶瓷资料的疲劳与金属有所不同，其含义更常温下陶瓷资料的疲劳与金属有所不同，其含义更广：有静态疲劳、循环疲劳和动态疲劳之分。广：有静态疲劳、循环疲劳和动态疲劳之分。 其中循环疲劳与金属疲劳具有一样含义，同属在长其中循环疲劳与金属疲劳具有一样含义，同属在长期变动应力作用下，资料的破坏行为；静态疲劳那么相期变动应力作用下，资料的破坏行为；静态疲劳那么相当于金属中的延迟断裂，即在一定载荷作用下，资料可当于金属中的延
15、迟断裂，即在一定载荷作用下，资料可耐受应力随时间下降的景象；动态疲劳是在恒定速率加耐受应力随时间下降的景象；动态疲劳是在恒定速率加载条件下研讨资料断裂失效对加载速率的敏感性。载条件下研讨资料断裂失效对加载速率的敏感性。第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能 与金属资料完全不同的疲劳力学特性还有：陶与金属资料完全不同的疲劳力学特性还有：陶瓷资料常温时，在应力作用下不发生或很难发生塑瓷资料常温时，在应力作用下不发生或很难发生塑性变形，裂纹尖端根本不存在循环应力的疲劳效应。性变形，裂纹尖端根本不存在循环应力的疲劳效应。因此金属资料的损伤累积及疲劳机理对陶瓷资料并因此金属资料的损伤累积及疲劳机理对
16、陶瓷资料并不适用。不适用。 但与金属资料一样的是：疲劳破坏也同样阅历但与金属资料一样的是：疲劳破坏也同样阅历了裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、瞬时断裂的过程。了裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、瞬时断裂的过程。第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能 疲劳裂纹多萌生于资料外表，对外表资料的缺陷或疲劳裂纹多萌生于资料外表，对外表资料的缺陷或裂痕大小非常敏感。陶瓷资料疲劳裂纹的亚临界扩展速裂痕大小非常敏感。陶瓷资料疲劳裂纹的亚临界扩展速率对变动载荷应力幅不敏感，而是剧烈依赖裂纹尖端的率对变动载荷应力幅不敏感，而是剧烈依赖裂纹尖端的最大应力强度因子，一旦裂纹尖端应力超越非线性形变最大应力强度因子，一旦裂纹尖端应力超
17、越非线性形变起始点，资料强度就大幅度衰减。起始点，资料强度就大幅度衰减。 此外，裂纹扩展速率还明显依赖于环境、资料成分、此外，裂纹扩展速率还明显依赖于环境、资料成分、组织构造等，其程度远比金属资料高，扩展的寿命过程组织构造等，其程度远比金属资料高，扩展的寿命过程远比金属资料要短，并呈龟裂状。远比金属资料要短，并呈龟裂状。第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能二、非金属资料疲劳破坏机理二、非金属资料疲劳破坏机理 2. 2.高分子聚合物的疲劳破坏机理高分子聚合物的疲劳破坏机理 在拉应力作用下，由于非晶态聚合物的外表和内部在拉应力作用下，由于非晶态聚合物的外表和内部会出现银纹，因此，不同构造的聚
18、合物疲劳破坏机理也会出现银纹，因此，不同构造的聚合物疲劳破坏机理也有差别。易产生银纹的非晶态聚合物的疲劳破坏过程主有差别。易产生银纹的非晶态聚合物的疲劳破坏过程主要决议于外加名义应力。要决议于外加名义应力。 高循环应力时，应力很快便到达或超越资料银纹的高循环应力时，应力很快便到达或超越资料银纹的引发应力，产生银纹，并随之转变成裂纹，扩展后导致引发应力，产生银纹，并随之转变成裂纹，扩展后导致资料疲劳破坏。资料疲劳破坏。第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能 中应力循环时也会产生银纹，并转变成裂纹，裂纹扩中应力循环时也会产生银纹，并转变成裂纹，裂纹扩展速度比高应力区低，但机理、过程一样；展速度
19、比高应力区低，但机理、过程一样； 低应力循环时因难以引发银纹，由资料微损伤累积及低应力循环时因难以引发银纹，由资料微损伤累积及微观构造产生微孔洞及微裂纹，并导致宏观破坏。微观构造产生微孔洞及微裂纹，并导致宏观破坏。 由于聚合物为粘弹性资料，具有较大面积的应力滞后由于聚合物为粘弹性资料，具有较大面积的应力滞后环，所以在循环过程中部分机械能转化为热能，使导热环，所以在循环过程中部分机械能转化为热能，使导热性差的试样本身温度急剧上升，甚至高于熔点或玻璃化性差的试样本身温度急剧上升，甚至高于熔点或玻璃化转变温度，从而产生热疲劳。热疲劳常是聚合物疲劳失转变温度，从而产生热疲劳。热疲劳常是聚合物疲劳失效的
20、主要缘由；但是，疲劳循环产生的热量，有时也可效的主要缘由；但是，疲劳循环产生的热量，有时也可以用来修补高分子的微构造损伤。以用来修补高分子的微构造损伤。第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能二、非金属资料疲劳破坏机理二、非金属资料疲劳破坏机理 3. 3.复合资料的疲劳破坏机理复合资料的疲劳破坏机理 与金属资料相比，复合资料具有良好的疲劳性能，与金属资料相比，复合资料具有良好的疲劳性能，其疲劳破坏有以下特点：其疲劳破坏有以下特点：有多种疲劳损伤方式：如界面脱粘、分层、纤维断裂、有多种疲劳损伤方式：如界面脱粘、分层、纤维断裂、空隙增长。空隙增长。复合资料不会发生瞬时的疲劳破坏。复合资料不会发生
21、瞬时的疲劳破坏。第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能聚合物基复合资料接受循环应力时，因资料导聚合物基复合资料接受循环应力时，因资料导热性能差，又可吸收机械能变为热能，且不易逸热性能差，又可吸收机械能变为热能，且不易逸散，因此温度明显升高，导致资料性能下降，显散，因此温度明显升高，导致资料性能下降，显示出复合资料的疲劳性能对加载频率敏感。示出复合资料的疲劳性能对加载频率敏感。复合资料的疲劳性能对应变尤其是紧缩应变特复合资料的疲劳性能对应变尤其是紧缩应变特别敏感。别敏感。复合资料的疲劳性能与纤维取向有关。复合资料的疲劳性能与纤维取向有关。第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能 5-3疲疲
22、劳抗力目的抗力目的 在机械设计中，疲劳应力判据和断裂在机械设计中，疲劳应力判据和断裂疲劳是疲劳设计的根本根据，其中作为资疲劳是疲劳设计的根本根据，其中作为资料疲劳抗力目的的疲劳强度、过载耐久值、料疲劳抗力目的的疲劳强度、过载耐久值、疲劳缺口敏感度及疲劳裂纹扩展速率等都疲劳缺口敏感度及疲劳裂纹扩展速率等都是资料的根本力学性能目的。是资料的根本力学性能目的。第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能 5-3疲疲劳抗力目的抗力目的 疲劳强度的定义：在指定疲劳寿命下，资料能接受疲劳强度的定义：在指定疲劳寿命下，资料能接受的上限循环应力。根据要求，指定的疲劳寿命可为无限的上限循环应力。根据要求，指定的疲
23、劳寿命可为无限周次也可为有限周次。周次也可为有限周次。 应力对疲劳强度有很大影响，应根据实践循环应力应力对疲劳强度有很大影响，应根据实践循环应力形状测定选用相应的疲劳强度。资料的抗拉强度愈大，形状测定选用相应的疲劳强度。资料的抗拉强度愈大，其疲劳强度也愈大。其疲劳强度也愈大。一、疲劳强度一、疲劳强度第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能 5-3疲疲劳抗力目的抗力目的 过去不断以为，对于接受变动载荷的机件按疲劳过去不断以为，对于接受变动载荷的机件按疲劳强度设计是平安的。实践上，服役过程中机件不可防强度设计是平安的。实践上，服役过程中机件不可防止要遭到偶尔的过载作用，如设备紧急刹车、忽然起止要
24、遭到偶尔的过载作用，如设备紧急刹车、忽然起动等；又有的机件并不要求无限寿命，常在高于疲劳动等；又有的机件并不要求无限寿命，常在高于疲劳强度的应力下进展有限寿命服役。强度的应力下进展有限寿命服役。 显然仅根据资料的疲劳强度并不能评定上述两种显然仅根据资料的疲劳强度并不能评定上述两种情况下的资料抗疲劳性能，为此，提出过载耐久值和情况下的资料抗疲劳性能，为此，提出过载耐久值和过载损伤界的概念。过载损伤界的概念。二、过载耐久及过载损伤界二、过载耐久及过载损伤界第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能 1. 1.过载耐久值过载耐久值 资料在高于疲劳强度的一定应力下任务，发生疲资料在高于疲劳强度的一定应
25、力下任务，发生疲劳断裂的应力循环周次称为过载耐久值，也称为有限劳断裂的应力循环周次称为过载耐久值，也称为有限疲劳寿命。疲劳寿命。 过载耐久值表征了资料对过载荷疲劳的抗力，该过载耐久值表征了资料对过载荷疲劳的抗力，该值可由疲劳曲线倾斜部分确定。曲线倾斜的愈陡直，值可由疲劳曲线倾斜部分确定。曲线倾斜的愈陡直，耐久值就愈高，阐明资料在一样的过载条件下能经受耐久值就愈高，阐明资料在一样的过载条件下能经受的应力循环周次愈多，资料对过载荷的抗力愈高。的应力循环周次愈多，资料对过载荷的抗力愈高。第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能2.2.过载损伤界过载损伤界 实践上，机件往往预先受短期过载，而以后再在
26、正常实践上，机件往往预先受短期过载，而以后再在正常的任务应力下运转。这种短期的过载对资料的性能能否产的任务应力下运转。这种短期的过载对资料的性能能否产生影响，取决于过载应力及过载周次。资料在过载应力程生影响，取决于过载应力及过载周次。资料在过载应力程度下只需运转一定的周次后，疲劳强度或寿命才会降低，度下只需运转一定的周次后，疲劳强度或寿命才会降低，呵斥过载损伤。呵斥过载损伤。把在每个过载应力下运转能引起把在每个过载应力下运转能引起损伤的最少循环周次衔接起来就损伤的最少循环周次衔接起来就得到该资料的过载损伤界。得到该资料的过载损伤界。第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能 5-3疲疲劳抗力目
27、的抗力目的 实践机件经常带有台阶、拐角、键槽、油孔、螺纹实践机件经常带有台阶、拐角、键槽、油孔、螺纹等构造，其作用类似于缺口，呵斥该区域的应力集中，等构造，其作用类似于缺口，呵斥该区域的应力集中，因此会缩短机件疲劳寿命，降低资料疲劳强度。因此会缩短机件疲劳寿命，降低资料疲劳强度。 资料在变动应力作用下的缺口敏感性，常用疲劳缺资料在变动应力作用下的缺口敏感性，常用疲劳缺口敏感度口敏感度qfqf表征，即表征，即 qf= qf=Kf-1Kf-1/ /Kt-1Kt-1式中：式中：KtKt为实际应力集中系数，为实际应力集中系数，KfKf为疲劳缺口系数。为疲劳缺口系数。三、疲劳缺口敏感度三、疲劳缺口敏感度
28、第五章第五章 材料的材料的疲劳性能疲劳性能 按定义，按定义，1 qf 01 qf 0 当当Kf=1Kf=1时，时，qfqf趋近零，阐明资料对缺口完全不敏感；趋近零，阐明资料对缺口完全不敏感； Kf=Kt Kf=Kt时，时，qf=1qf=1，阐明资料对缺口非常敏感。，阐明资料对缺口非常敏感。 普通来说，普通来说，qfqf随资料强度增高而增大。随资料强度增高而增大。 构造钢：构造钢： qf = 0.6-0.8 qf = 0.6-0.8； 球铁：球铁： qf = 0.11-0.25 qf = 0.11-0.25； 灰铸铁：灰铸铁： qf = 0-0.05 qf = 0-0.05。三、疲劳缺口敏感度三、疲劳缺口敏感度
