第五章材料的疲劳性能1

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1、第五章第五章 材料的疲劳性能材料的疲劳性能问题的提出：问题的提出：1 1）许多工程结构在服役时承受变动载荷）许多工程结构在服役时承受变动载荷 （如曲轴、连杆、齿轮、桥梁等）（如曲轴、连杆、齿轮、桥梁等）2 2）在机械零件断裂失效中有）在机械零件断裂失效中有8080以上属于疲劳破坏以上属于疲劳破坏因此：研究材料的疲劳性能有重要意义因此：研究材料的疲劳性能有重要意义 5.1 5.1 疲劳破坏的一般规律疲劳破坏的一般规律一：疲劳破坏的变动应力一：疲劳破坏的变动应力 变动应力示意图变动应力示意图n名词解释名词解释疲劳：疲劳： 工件在工件在变动载荷变动载荷和和应变应变长期作用下，因累积损长期作用下，因累

2、积损 伤而引起的断裂现象伤而引起的断裂现象变动载荷（应力）：变动载荷（应力）： 载荷（应力）大小，甚至方向随时间变化的载载荷（应力）大小，甚至方向随时间变化的载 荷（应力）荷（应力） 可分为：可分为： 周期变动；随机变动周期变动；随机变动波形：正弦波、三角波、梯形波波形：正弦波、三角波、梯形波n描述参量描述参量最大循环应力（最小）最大循环应力（最小） max；min 平均应力平均应力 m= (max+min)/2 应力幅应力幅 a=/2 = (max-min)/2 应力比应力比 r =min/max （表征变动的不对称程度）（表征变动的不对称程度） 循环应力类型循环应力类型 ( (a)(ea)

3、(e) ) 交变应力交变应力 ( (b)(c)(db)(c)(d) ) 重复循环应力重复循环应力n循环应力的类型循环应力的类型对称循环对称循环 m= 0, r = -1不对称循环不对称循环 m 0, -1 r 1脉动循环脉动循环 m=a0, r = 0 m=a0, r =-波动循环波动循环 ma， 0 r 1随机变动应力随机变动应力二：疲劳破坏的概念二：疲劳破坏的概念 疲劳破坏的过程是材料内部薄弱区域组织在变动应力的作疲劳破坏的过程是材料内部薄弱区域组织在变动应力的作用下，逐渐发生变化和损伤累积、开裂，当裂纹扩展达到一用下，逐渐发生变化和损伤累积、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂的过

4、程，是一个从局部区域开始的损定程度后发生突然断裂的过程，是一个从局部区域开始的损伤累积，最终引起整体破坏的过程伤累积，最终引起整体破坏的过程n延时断裂，应力断裂水平较低（甚至低于疲劳强度）延时断裂，应力断裂水平较低（甚至低于疲劳强度）n应力高，寿命短；应力低，寿命长应力高，寿命短；应力低，寿命长n经历裂纹的萌生和扩展过程经历裂纹的萌生和扩展过程三：疲劳破坏的特点三：疲劳破坏的特点尽管疲劳载荷有各种类型，但它们都有一些共同的特点尽管疲劳载荷有各种类型，但它们都有一些共同的特点n 断裂时并无明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显的预兆，断裂时并无明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显的预兆，而是突然地破坏

5、，呈脆性断裂而是突然地破坏，呈脆性断裂n疲劳对缺陷（缺口、裂纹、组织缺陷）十分敏感疲劳对缺陷（缺口、裂纹、组织缺陷）十分敏感n引起疲劳断裂的应力很低，常常低于静载时的屈服强度，引起疲劳断裂的应力很低，常常低于静载时的屈服强度，属于低应力延时断裂属于低应力延时断裂n疲劳破坏能清楚地显示出裂纹的萌生、扩展和最后断裂三疲劳破坏能清楚地显示出裂纹的萌生、扩展和最后断裂三个组成部份个组成部份n分类：高周疲劳（分类：高周疲劳（N105），断裂应力水平较低，寿），断裂应力水平较低，寿命长；低周疲劳（命长；低周疲劳（N=102-105），断裂水平较高，伴），断裂水平较高，伴有塑性应变发生（高应力疲劳或应变疲劳

6、）有塑性应变发生（高应力疲劳或应变疲劳）四：疲劳断口的宏观特征四：疲劳断口的宏观特征疲劳断口可分为疲劳断口可分为 疲劳源；疲劳裂纹扩展区；瞬断区疲劳源；疲劳裂纹扩展区；瞬断区 带键槽的旋转轴的带键槽的旋转轴的 弯曲疲劳断口（弯曲疲劳断口（4040钢）钢） n疲劳源疲劳源 疲劳裂纹萌生的位置，多出现在机件表面（缺口、裂疲劳裂纹萌生的位置，多出现在机件表面（缺口、裂纹、刀痕、蚀坑），也可出现在机件内部（冶金缺陷）纹、刀痕、蚀坑），也可出现在机件内部（冶金缺陷）特征特征1）疲劳源区比较光滑（受反复挤压，摩擦次数多）疲劳源区比较光滑（受反复挤压，摩擦次数多）2）表面硬度因加工硬化有所提高）表面硬度因加

7、工硬化有所提高3）可以是一个，也可能有多个疲劳源（和应力状态及）可以是一个，也可能有多个疲劳源（和应力状态及过载程度有关）过载程度有关）n疲劳裂纹扩展区疲劳裂纹扩展区 是疲劳裂纹亚临界扩展的区域是疲劳裂纹亚临界扩展的区域特征特征1）断口较光滑，分布有贝纹线（或海滩花样），有时还有）断口较光滑，分布有贝纹线（或海滩花样），有时还有裂纹扩展台阶裂纹扩展台阶2）贝纹线是疲劳区的最典型特征，贝纹线是以疲劳源为圆）贝纹线是疲劳区的最典型特征，贝纹线是以疲劳源为圆心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向3）近疲劳源区贝纹线较密，远离疲劳源区贝纹线

8、较疏）近疲劳源区贝纹线较密，远离疲劳源区贝纹线较疏 旋转弯曲疲劳的断口形貌旋转弯曲疲劳的断口形貌n瞬断区瞬断区 是裂纹失稳扩展形成的区域，在疲劳亚临界扩展阶段，是裂纹失稳扩展形成的区域，在疲劳亚临界扩展阶段， 随应力循环增加，裂纹不断增长，当随应力循环增加，裂纹不断增长，当a=ac时，时，KI=KIC， 裂纹失稳快速扩展，机件瞬时断裂裂纹失稳快速扩展，机件瞬时断裂特征特征1）断口比疲劳区粗糙，宏观特征如同静载）断口比疲劳区粗糙，宏观特征如同静载2）脆性材料断口呈结晶状）脆性材料断口呈结晶状3）韧性材料断口在心部呈放射状或人字纹状，边缘区有剪）韧性材料断口在心部呈放射状或人字纹状，边缘区有剪切唇

9、存在切唇存在5.2 疲劳破坏机理疲劳破坏机理一：金属材料疲劳破坏机理一：金属材料疲劳破坏机理n疲劳裂纹的萌生疲劳裂纹的萌生1）在材料簿弱区或高应力区，通过不均匀滑移，）在材料簿弱区或高应力区，通过不均匀滑移， 微裂纹形成及长大而完成微裂纹形成及长大而完成2）定义裂纹长度为）定义裂纹长度为0.050.10mm时为裂纹疲劳时为裂纹疲劳 核，对应的循环周期为裂纹萌生期核，对应的循环周期为裂纹萌生期疲劳裂纹形核方式疲劳裂纹形核方式1）表面滑移带开裂）表面滑移带开裂2）第二相，夹杂物与基体界面或夹杂物本身开裂）第二相，夹杂物与基体界面或夹杂物本身开裂3）晶界和亚晶界开裂）晶界和亚晶界开裂 疲劳微裂纹形成

10、的三种形式疲劳微裂纹形成的三种形式表面滑移带开裂解释表面滑移带开裂解释 1）在循环载荷作用下，即使循环应力未超过材料屈服强）在循环载荷作用下，即使循环应力未超过材料屈服强 度，也会在试样表面形成循环滑移带度，也会在试样表面形成循环滑移带 2）循环滑移带集中于某些局部区域（高应力或簿弱区）循环滑移带集中于某些局部区域（高应力或簿弱区） 3）循环滑移带很难去除，即使去除，再次循环加载时，）循环滑移带很难去除，即使去除，再次循环加载时， 还会在原处再现还会在原处再现 （驻留滑移带）（驻留滑移带）特征：特征：1）驻留滑移带一般只在表面形成，深度较浅，随循环次数）驻留滑移带一般只在表面形成，深度较浅，随

11、循环次数 的增加，会不断地加宽的增加，会不断地加宽2）驻留滑移带在表面加宽过程中，会出现挤出脊和侵入）驻留滑移带在表面加宽过程中，会出现挤出脊和侵入 沟，在这些地方引起应力集中，引发微裂纹沟，在这些地方引起应力集中，引发微裂纹 金属表面金属表面“挤出挤出”与与“侵入侵入”并形成裂纹并形成裂纹挤出和侵入的形成过程（交叉滑移模型）挤出和侵入的形成过程（交叉滑移模型） 交叉滑移模型交叉滑移模型n疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹的扩展 疲劳裂纹扩展的两个阶段疲劳裂纹扩展的两个阶段第一阶段：第一阶段： 疲劳裂纹沿最大切应力方向向内扩展（几十疲劳裂纹沿最大切应力方向向内扩展（几十m, 25个晶个晶粒）粒）第二阶段：

12、第二阶段： 沿垂直拉应力方向向前扩展形成主裂纹，直至最后形成沿垂直拉应力方向向前扩展形成主裂纹，直至最后形成剪切唇剪切唇 在第二阶段，穿晶扩展，对韧性材料：韧性疲劳条带；对在第二阶段，穿晶扩展，对韧性材料：韧性疲劳条带；对脆性材料：脆性条带脆性材料：脆性条带 疲劳条带（疲劳辉纹）：是略呈弯曲并相互平行的沟槽状疲劳条带（疲劳辉纹）：是略呈弯曲并相互平行的沟槽状花样，与裂纹扩展方向垂直花样，与裂纹扩展方向垂直 （疲劳断口最典型的微观特征）（疲劳断口最典型的微观特征） 疲劳条带疲劳条带 （a a）韧性条带）韧性条带1000 1000 （b b）脆性条带）脆性条带600600疲劳条带形成解释疲劳条带形

13、成解释1）塑性钝化模型）塑性钝化模型 （LS模型模型） 韧性疲劳条带韧性疲劳条带 形成过程示意图形成过程示意图塑性钝化模型（塑性钝化模型（LS模型模型） 高塑性材料（如高塑性材料（如Al、Ni等）在变动循环应力作用等）在变动循环应力作用下，裂纹尖端的塑性张开钝化和闭合锐化，会使下，裂纹尖端的塑性张开钝化和闭合锐化，会使裂纹向前延续扩展裂纹向前延续扩展特点：特点：n 循环拉应力时，张开钝化循环拉应力时，张开钝化n 循环压应力时，闭合锐化循环压应力时，闭合锐化n 一个循环，形成一条疲劳条带一个循环，形成一条疲劳条带2）再生核模型（）再生核模型（FR模型）模型）F-RF-R再生核模型再生核模型(a)

14、 (a) 拉应力时裂纹尖端形成空洞拉应力时裂纹尖端形成空洞(b) (b) 再生核与主裂纹桥接再生核与主裂纹桥接解释：解释： 疲劳裂纹的扩展是断续的，通过主裂纹前方萌生新裂纹疲劳裂纹的扩展是断续的，通过主裂纹前方萌生新裂纹 核、长大并与主裂纹连接来实现的核、长大并与主裂纹连接来实现的n 在拉应力半周期，裂纹尖端发生塑性变形在拉应力半周期，裂纹尖端发生塑性变形n 在其前方弹塑性交界三向拉应力区在其前方弹塑性交界三向拉应力区n 若存在第二相或夹杂物，界面开裂若存在第二相或夹杂物，界面开裂n 第二相脆断形成空洞（疲劳裂纹再生核）第二相脆断形成空洞（疲劳裂纹再生核）n 主裂纹和裂纹核之间因内颈缩而发生长

15、大、桥接主裂纹和裂纹核之间因内颈缩而发生长大、桥接n 主裂纹向前扩展一段距离，形成疲劳条带主裂纹向前扩展一段距离，形成疲劳条带5.3 疲劳抗力指标疲劳抗力指标一：一：S-N曲线和疲劳强度（极限）曲线和疲劳强度（极限）n疲劳曲线测定方法疲劳曲线测定方法1）选择几个不同的最大循环应力）选择几个不同的最大循环应力1 1，2 2n n2 2）测定从加载到试样断裂所经历的循环次数）测定从加载到试样断裂所经历的循环次数N N1 1，N N2 2N Nn n3 3）得）得N 曲线曲线 （或（或S-N曲线）曲线）通常：通常：S S可表示最大应力（可表示最大应力（maxmax ）、应力幅（）、应力幅（a a）及

16、其它载荷形式）及其它载荷形式 几种材料的几种材料的S-NS-N曲线曲线从上图可知从上图可知n金属材料的疲劳曲线有两类金属材料的疲劳曲线有两类n一类有水平线（结构钢、铸铁），水平线表示在此循环应一类有水平线（结构钢、铸铁），水平线表示在此循环应力作用下，试样可经历无限次循环而不发生断裂（力作用下，试样可经历无限次循环而不发生断裂（1 1，N N）n另一类无水平线（有色金属、高强钢），根据材料的使用另一类无水平线（有色金属、高强钢），根据材料的使用要求，测定给定循环周次的疲劳极限（条件疲劳极限）要求，测定给定循环周次的疲劳极限（条件疲劳极限）n疲劳曲线上的水平线代表无限寿命区边界，斜线段代表有疲劳

17、曲线上的水平线代表无限寿命区边界，斜线段代表有限寿命区边界限寿命区边界总结：总结：纵坐标表示疲劳极限，横坐标表示疲劳寿命纵坐标表示疲劳极限，横坐标表示疲劳寿命n应力比（应力比（r）对疲劳强度的影响）对疲劳强度的影响对于对称循环载荷（对于对称循环载荷（ r = -1 ) ) 1）对称弯曲：）对称弯曲：-1 2）对称扭转：）对称扭转：-1 3）对称拉压：）对称拉压：-1P当循环应力为非对称循环应力时，计为当循环应力为非对称循环应力时，计为r rn求不对称循环载荷的疲劳求不对称循环载荷的疲劳强度（作图法）强度（作图法）1）已知：应力比）已知：应力比 r，疲劳强度，疲劳强度 S2）根据）根据 r =m

18、in/max ， m= (max+min)/2，可求出可求出min，max ，m3）以）以min，max为纵坐标，为纵坐标，m为为横坐标作疲劳图横坐标作疲劳图 maxmax（minmin） m m疲劳图疲劳图从图可知：从图可知： B点：点：m= 0，r = -1, a=-1=max ，属对称循环，属对称循环 A点：点：m=b , r=1, a=0, 属静力拉伸状态属静力拉伸状态 AHB曲线上各点曲线上各点max值即表示由值即表示由r=-1 1各状态下的疲劳强度各状态下的疲劳强度角和角和r的关系：的关系：已知已知r, 可求出可求出，在，在AHB上对应点的纵坐标即为此上对应点的纵坐标即为此r相对应

19、的疲劳强度相对应的疲劳强度 二：过载持久值及过载损伤界过载持久值及过载损伤界 n过载持久值过载持久值 材料在高于疲劳强度的一定应力下工作，发生疲劳断裂的材料在高于疲劳强度的一定应力下工作，发生疲劳断裂的应力循环周次称为材料的过载持久值（有限疲劳寿命）应力循环周次称为材料的过载持久值（有限疲劳寿命）特点：特点：1）表征材料对过载疲劳的抗力）表征材料对过载疲劳的抗力2）由疲劳曲线倾斜部分确定，曲线倾斜得越陡直，持久值）由疲劳曲线倾斜部分确定，曲线倾斜得越陡直，持久值越高越高n过载损伤界过载损伤界 材料在过载应力水平下，只有材料在过载应力水平下，只有运行一定周次后，疲劳强度或运行一定周次后，疲劳强度

20、或疲劳寿命才会降低，造成过载疲劳寿命才会降低，造成过载损伤损伤 把在每个过载应力下运行能引把在每个过载应力下运行能引起损伤的起损伤的最少循环周次最少循环周次连接起连接起来就得到该材料的过载损伤界来就得到该材料的过载损伤界 过载损伤界到疲劳曲线间的影过载损伤界到疲劳曲线间的影线区称为材料的过载损伤区线区称为材料的过载损伤区 过载损伤界示意图过载损伤界示意图三：疲劳缺口敏感度三：疲劳缺口敏感度 材料在变动应力作用下的缺口敏感性材料在变动应力作用下的缺口敏感性 表征：表征： Kf: 疲劳缺口系数；为光滑试样和缺口试样疲劳强度之比疲劳缺口系数；为光滑试样和缺口试样疲劳强度之比 Kf 1 Kt: 理论应

21、力集中系数；可查手册，理论应力集中系数；可查手册，Kt1，按定义：按定义：1qf0, 当当Kf =1时，时，qf 趋近于零，材料对缺口完全不敏感趋近于零，材料对缺口完全不敏感 Kf = Kt；qf =1；材料对缺口十分敏感材料对缺口十分敏感 qf 随材料强度增高而增大随材料强度增高而增大四：疲劳裂纹扩展速率四：疲劳裂纹扩展速率 试验表明：测量疲劳裂纹长度和循环周数的关系如图试验表明：测量疲劳裂纹长度和循环周数的关系如图 疲劳裂纹扩展曲线疲劳裂纹扩展曲线 2 21 1从图可知：从图可知：1）曲线的斜率）曲线的斜率da/dN（疲劳裂纹扩展速率）在整个过程中（疲劳裂纹扩展速率）在整个过程中 是不断增

22、长的是不断增长的 2）当）当da/dN无限增大，裂纹将失稳扩展，试样断裂无限增大，裂纹将失稳扩展，试样断裂3）应力增加，裂纹扩展加快，）应力增加，裂纹扩展加快，a-N曲线向左上方移动，曲线向左上方移动，ac相相 应减小应减小结论：结论：裂纹扩展速率裂纹扩展速率da/dNda/dN 和应力水平及裂纹长度有关和应力水平及裂纹长度有关根据断裂力学：根据断裂力学：可定义应力强度因子幅为可定义应力强度因子幅为1）K就是裂纹尖端控制疲就是裂纹尖端控制疲劳裂纹扩展的复合力学参量劳裂纹扩展的复合力学参量2）通过裂纹长度（）通过裂纹长度（a）及应力）及应力幅（幅（），计算出），计算出da/dN；K3）建立）建立

23、da/dNK关系曲线关系曲线（如右图）（如右图）该图可分为三个该图可分为三个 区区 Lg(da/dN)-lgLg(da/dN)-lgK K关系曲线关系曲线I区：区： 毗邻裂纹的初始扩展阶段，毗邻裂纹的初始扩展阶段，da/dN值很小，约值很小，约10-810-6 mm/周次周次 从从KKthth开始，随着开始，随着KKI I值增加，值增加，da/dNda/dN快速增长快速增长II区：区： 疲劳裂纹扩展的主要阶段，是决定寿命的主要阶段，疲劳裂纹扩展的主要阶段，是决定寿命的主要阶段， da/dN 约为约为10-5-10-2mm/周次周次 可用可用Paris公式表示：公式表示： C、n：为材料常数，实

24、验确定为材料常数，实验确定III区：区： 疲劳裂纹扩展的最后阶段，该区的疲劳裂纹扩展的最后阶段，该区的da/dN值很高，值很高，随随KI增加急剧增大，导致材料失稳断裂，占裂纹增加急剧增大，导致材料失稳断裂，占裂纹扩展寿命的比例不长扩展寿命的比例不长 当当KI=Kth时，时，da/dN=0，意味裂纹不扩展，意味裂纹不扩展 当当KIKth时，时，da/dN0，裂纹扩展，裂纹扩展n疲劳裂纹扩展门槛值（疲劳裂纹扩展门槛值（Kth） 表征材料阻止疲劳裂纹开始扩展的能力表征材料阻止疲劳裂纹开始扩展的能力。该值越大，材料。该值越大，材料的疲劳裂纹开始扩展所受的阻力越大，材料抗疲劳裂纹扩的疲劳裂纹开始扩展所受

25、的阻力越大，材料抗疲劳裂纹扩展的能力越强展的能力越强含裂纹件不发生疲劳断裂（无限寿命）的校核公式：含裂纹件不发生疲劳断裂（无限寿命）的校核公式：Paris公式适用范围：公式适用范围： 低应力，低扩展速率（低应力，低扩展速率（da/dN10-2mm/周次）周次） 较长寿命（较长寿命（Nf104）的情况）的情况例：对零件的疲劳剩余寿命的计算例：对零件的疲劳剩余寿命的计算 1）无损探伤确定零件的初始裂纹长）无损探伤确定零件的初始裂纹长a02）确定裂纹形状，位置，取向，以确定裂尖）确定裂纹形状，位置，取向，以确定裂尖KI值值3）根据）根据KIc和和确定临界裂纹长度确定临界裂纹长度ac4）计算从）计算从

26、a0扩展到临界扩展到临界ac所需的循环周次所需的循环周次N，即为疲劳剩余寿命，即为疲劳剩余寿命Nf。用用Paris公式计算：公式计算： 5.4 影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素一：工作条件一：工作条件1：载荷条件：载荷条件：n应力状态、平均应力、应力比应力状态、平均应力、应力比n过载将降低疲劳强度和寿命过载将降低疲劳强度和寿命n次载锻炼，可提高疲劳强度次载锻炼，可提高疲劳强度n间歇效应，对应变时效材料，可提高疲劳强度间歇效应，对应变时效材料，可提高疲劳强度n载荷频率：在一定的频率范围（载荷频率：在一定的频率范围（170-1000HZ），频率增），频率增加，疲劳强度增加；在常规频率（加，疲劳

27、强度增加；在常规频率（50-170HZ），不受影），不受影响响2：温度：温度： 温度升高，疲劳强度降低；温度降低，疲温度升高，疲劳强度降低；温度降低，疲 劳强度升高劳强度升高3：腐蚀介质：腐蚀介质： 使材料产生蚀坑，降低疲劳强度使材料产生蚀坑，降低疲劳强度二：表面状态和尺寸因素二：表面状态和尺寸因素1：表面状态：表面状态 表面缺口导致应力集中，形成疲劳表面缺口导致应力集中，形成疲劳 源，引起疲劳断裂源，引起疲劳断裂2：尺寸因素：尺寸因素 尺寸增大，疲劳强度降低（尺寸效应）尺寸增大，疲劳强度降低（尺寸效应）三：表面强化和残余应力三：表面强化和残余应力n提高表面塑变抗力（强度和硬度），降低表面拉应

28、力，提提高表面塑变抗力（强度和硬度），降低表面拉应力，提高弯曲、扭转载荷下材料的疲劳强度高弯曲、扭转载荷下材料的疲劳强度n表面喷丸及滚压表面喷丸及滚压n表面热处理和化学热处理表面热处理和化学热处理n复合强化（渗碳表面淬火、渗碳喷丸等）复合强化（渗碳表面淬火、渗碳喷丸等）四：材料成分及组织的影响四：材料成分及组织的影响1：合金成分：合金成分 结构钢中碳的作用（间隙固溶强化，第二相弥散强结构钢中碳的作用（间隙固溶强化，第二相弥散强 化），疲劳强度提高化），疲劳强度提高2：夹杂物和缺陷：夹杂物和缺陷 降低疲劳强度降低疲劳强度3：显微组织：显微组织 细化晶粒，提高疲劳强度细化晶粒，提高疲劳强度 组织不同，疲劳强度不同组织不同，疲劳强度不同