第五章 金属的疲劳

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1、材料性能学第五章第五章 金属的金属的疲劳疲劳材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum主要内容主要内容疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值值疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点疲劳过程及机理疲劳过程及机理影响疲劳强度的主要因素影响疲劳强度的主要因素低周疲劳低周疲劳材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum疲劳与彗星号客机机械

2、零件失效中有机械零件失效中有8080以上属于疲劳破坏以上属于疲劳破坏材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleumn最大应力最大应力 b b，（，（ 0， r=0 or m=a a， 0r1不对称交变应力：不对称交变应力：r10105 5周次，断裂应力水平较周次，断裂应力水平较低，低，-1p-1（2）具体数值关系）具体数值关系钢：钢： -1p0.85-1铸铁铸铁 ：-1p0.65-1，-10.8-1铜及轻合金：铜及轻合金： -1 0.55-1材料性能学材料性能学Property of Materi

3、als中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum3.3.疲劳极限与静强度的关系疲劳极限与静强度的关系n金属材料的金属材料的b b越大，其疲劳极限也越大。越大，其疲劳极限也越大。 n线性关系，线性关系，b b较低时，较低时，-1-1=0.5=0.5b b s/b材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum结构钢结构钢:-1p=0.23( s+ b) -1=0.27( s+ b)铸铸 铁：铁： -1p=0.4 b -1=0.4 5 b铝合金：铝合金：-1p=1

4、/6 b+7.5MPa -1p=1/6 b-7.5MPa青青 铜：铜：-1=0.21 b经验公式:材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum4.4.疲劳曲线的测定疲劳曲线的测定旋转弯曲疲劳试验机旋转弯曲疲劳试验机升降法测定升降法测定-1-1， 1313根根成组法测高应力部分成组法测高应力部分材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum二、疲劳图和不对称循环疲劳极限二、疲劳图和不对称循环疲劳极限l

5、不对称循环不对称循环(载荷载荷)疲劳极限疲劳极限l工程作图法工程作图法疲劳图疲劳图（各种循环疲劳极限的集（各种循环疲劳极限的集合图）合图）a-m疲劳图疲劳图max (min) -m疲劳图疲劳图材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml 应力比r对疲劳极限的影响r r增加，增加，S SN N曲线上移，曲线上移， r r升高升高材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum1. a-m疲劳图r am

6、（ABC线上）线上）max rmax a+m材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of PetroleumABC曲线数学解析式材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum2. max(min)-m疲劳图nAHB，在不同，在不同r下的下的疲劳极限疲劳极限maxn疲劳极限随疲劳极限随m或或r的的增加而增加，但增加而增加，但a减减小小材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学C

7、hina University of Petroleum塑性材料max-m疲劳图材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum三、抗疲劳过载能力三、抗疲劳过载能力n偶然短时过载偶然短时过载-1-1n过载损伤过载损伤：如果金属在高于疲劳极限的应力水平如果金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后，其疲劳极限和疲劳寿命减小下运转一定周次后，其疲劳极限和疲劳寿命减小的现象。的现象。n一定过载应力一定过载应力 + + 一定周次一定周次 过载损伤过载损伤n金属材料抵抗过载损伤的能力金属材料抵抗过载损伤的能

8、力过载损伤界、过载损伤界、过载损伤区过载损伤区累积过载周次累积过载周次材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml过载损伤界过载损伤界l过载持久值：过载持久值：高应力区高应力区应力循环周次应力循环周次l过载损伤区过载损伤区离持久值线越近，离持久值线越近，r降降低的越多。低的越多。越陡直越好越陡直越好n原因：非扩展裂纹原因：非扩展裂纹材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum四、疲劳缺口敏感度四

9、、疲劳缺口敏感度nKtKt：理论应力集中系数，：理论应力集中系数，K Kt t = =maxmax/, , 11nKfKf：疲劳缺口系数，：疲劳缺口系数， K Kf f = =-1-1/-1N -1N , , 11nK Kf f=K=Kt t，q qf f=1=1，材料的缺口敏感性最大。，材料的缺口敏感性最大。nK Kf f=1=1，-1-1=-1N-1N，缺口不降低疲劳极限，缺口不降低疲劳极限，q qf f=0=0，材料的缺，材料的缺口敏感性最小。口敏感性最小。nq qf f值能反映材料降低应力集中的能力。值能反映材料降低应力集中的能力。材料性能学材料性能学Property of Mater

10、ials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml影响因素影响因素高周疲劳时：大多数金属都对缺口十分敏感；高周疲劳时：大多数金属都对缺口十分敏感；低周疲劳时：对缺口不太敏感低周疲劳时：对缺口不太敏感塑性区内应力松塑性区内应力松弛，应力集中降低弛，应力集中降低强度、硬度上升，强度、硬度上升，q qf f上升，即敏感上升，即敏感缺口尖锐度上升，缺口尖锐度上升， q qf f降低。降低。材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum5.3 5.3 疲劳裂纹扩展速

11、率及疲劳门槛值疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值n先预制疲劳裂纹，固定先预制疲劳裂纹，固定r和和na-N曲线曲线nda/dN：裂纹扩展速率：裂纹扩展速率n1 2：ac和和Np减小。减小。一、疲劳裂纹扩展曲线一、疲劳裂纹扩展曲线疲劳过程：裂纹萌生、亚稳扩展、失稳扩展疲劳过程：裂纹萌生、亚稳扩展、失稳扩展材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum二、疲劳裂纹扩展速率二、疲劳裂纹扩展速率（一）（一） 疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率曲线曲线nda/dNda/dN应力水平、裂纹尺寸应力水平、裂纹尺寸n与与a

12、 a复合为复合为应力强度因子应力强度因子范围范围K K nKK控制裂纹扩展的复合力控制裂纹扩展的复合力学参量学参量n疲劳裂纹扩展速率曲线疲劳裂纹扩展速率曲线材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum曲线分析lI I区（初始段）区（初始段）nKKth da/dN很小，裂纹很小，裂纹不扩展不扩展nKKth K，da/dN，裂纹扩展但不快。裂纹扩展但不快。lIIII区（主要段）区（主要段）nK，da/dN，裂纹亚稳扩展，裂纹亚稳扩展，决定疲劳裂纹扩展寿命决定疲劳裂纹扩展寿命lIIIIII区（最后段）

13、区（最后段）nK，da/dN，裂纹失稳扩，裂纹失稳扩展展材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum（二）疲劳裂纹扩展门槛值（二）疲劳裂纹扩展门槛值l定义：疲劳裂纹不扩展的定义：疲劳裂纹不扩展的K临界值，临界值， 记为记为Kth，表示，表示材料阻止疲劳裂纹开始扩展的性能，材料阻止疲劳裂纹开始扩展的性能，510%KIC材料的力学性能指标。其值越大，材料越好。材料的力学性能指标。其值越大，材料越好。 lKth与与-1相似相似无限寿命疲劳强度无限寿命疲劳强度-1，光滑试样，用于传统设计和校核，光滑试样

14、，用于传统设计和校核，Kth，裂纹试样，适于裂纹件，裂纹试样，适于裂纹件裂纹件无限寿命校核公式：材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml 疲劳极限（疲劳极限（r）l S-N曲线曲线材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuma-m疲劳图max-m疲劳图材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleu

15、ml 疲劳缺口敏感度疲劳缺口敏感度l 过载损伤过载损伤材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml a-N曲线曲线材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml 疲劳裂纹扩展门槛值，疲劳裂纹扩展门槛值，Kth材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum（三）（三）Paris公式公式l区区 c、n材

16、料试验常数，材料试验常数，n=24与材料、与材料、r、环境有关，组织影响小、环境有关，组织影响小 l适用场合：适用场合：高周疲劳高周疲劳材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum（四）影响（四）影响da/dN的因素的因素1. r（或（或m）的影响）的影响nr r，曲线向左上方移，曲线向左上方移动，动，da/dNda/dN升高升高n对对、区的影响更大区的影响更大nr r，降低降低KKthth材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China Univ

17、ersity of Petroleum2. 过载峰的影响n存在偶然过载存在偶然过载n过载适当，反而有益过载适当，反而有益裂纹扩展过载停滞裂纹扩展过载停滞材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum裂纹闭合效应：裂纹闭合效应：阻止周围弹性变形阻止周围弹性变形恢复恢复压应力压应力残余压应力迭加，残余压应力迭加，裂纹提前闭合，减裂纹提前闭合，减少少K K，降低，降低da/dNda/dN原因：原因：裂纹尖端塑性区的残余压应力裂纹尖端塑性区的残余压应力材料性能学材料性能学Property of Mater

18、ials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum3. 材料组织的影响n对对I I、IIIIII区的影响较明显区的影响较明显n晶粒越粗大晶粒越粗大，其，其K Kthth值越高，值越高，da/dNda/dN越低。越低。n韧性相可使韧性相可使K Kththn喷丸强化，喷丸强化，K Kthth材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum三、疲劳裂纹扩展寿命估算三、疲劳裂纹扩展寿命估算由由 和和 得：得：所以裂纹扩展寿命：所以裂纹扩展寿命：材料性能学材料性能学Pr

19、operty of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum举例举例 某轴某轴KIC=48.2MPa.m1/2，s823MPa，da/dN=10-14（K）4，启动时最大应力，启动时最大应力max368MPa，min0，经检验发现表面有半椭圆裂纹，经检验发现表面有半椭圆裂纹，裂纹尺寸裂纹尺寸a4mm，c=12.5mm,如此轴每周启动一次，如此轴每周启动一次，试估算该轴的疲劳寿命。试估算该轴的疲劳寿命。解题思路：解题思路：1 1、求、求K KI I（, a, a）表达式）表达式; ;2 2、计算裂纹临界尺寸、计算裂纹临界尺寸; ;3 3

20、、计算疲劳寿命、计算疲劳寿命; ;材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum1. 求求KI（,a）表达式）表达式表面半椭圆型裂纹表面半椭圆型裂纹所以：所以：材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum2. 计算裂纹临界尺寸计算裂纹临界尺寸材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum3、计算疲劳寿命

21、、计算疲劳寿命积分后得：积分后得：每年每年52周，大约可用周，大约可用379/52=7.3年年材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum5.4 5.4 疲劳过程及机理疲劳过程及机理l疲劳过程：裂纹萌生、亚稳扩展、失稳扩展疲劳过程：裂纹萌生、亚稳扩展、失稳扩展l疲劳寿命疲劳寿命Nf=N0+NpN0疲劳裂纹萌生期疲劳裂纹萌生期Np疲劳裂纹亚稳扩展期疲劳裂纹亚稳扩展期材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petr

22、oleum一、疲劳裂纹萌生过程及机理一、疲劳裂纹萌生过程及机理l疲劳裂纹核疲劳裂纹核0.050.1mm的裂纹的裂纹l疲劳微观裂纹由疲劳微观裂纹由不均匀的局部滑移不均匀的局部滑移和和显微开显微开裂裂引起引起l主要方式：主要方式：表面滑移带开裂表面滑移带开裂 第二相、夹杂物或其界面开裂第二相、夹杂物或其界面开裂 晶界或亚晶界开裂等晶界或亚晶界开裂等材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum（一）滑移带开裂产生裂纹（一）滑移带开裂产生裂纹（1）驻留滑移带）驻留滑移带l循环应力（循环应力（s-1）循环

23、滑移循环滑移循环滑移带。不均匀，循环滑移带。不均匀，总是集中分布于某些局部薄弱区域。总是集中分布于某些局部薄弱区域。l驻留滑移带：在交变载荷作用下，永留或能再现的循环驻留滑移带：在交变载荷作用下，永留或能再现的循环滑移带。滑移带。l仅在表面形成、较浅，加宽，仅在表面形成、较浅，加宽，位错塞积和交割位错塞积和交割微裂纹微裂纹材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum（2）挤出脊和侵入沟）挤出脊和侵入沟滑移带向前滑移带向前挤出峰，向后移动挤出峰，向后移动侵入沟侵入沟峰、沟不断增加，增高峰、沟不断增

24、加，增高应力集中、空洞应力集中、空洞微微裂纹裂纹材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum交叉滑移模型交叉滑移模型材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum（二）相界面开裂产生裂纹（二）相界面开裂产生裂纹第二相、夹杂物和基体界面开裂第二相、夹杂物和基体界面开裂 本身开裂本身开裂要求：要求：“少、圆、小、匀少、圆、小、匀” 材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大

25、学中国石油大学China University of Petroleum（三）晶界开裂产生裂纹（三）晶界开裂产生裂纹位错塞积和应力集中位错塞积和应力集中v晶界弱化或晶粒粗化晶界弱化或晶粒粗化v晶界晶界强化或强化或晶粒晶粒细化细化材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum二、疲劳裂纹扩展过程及机理二、疲劳裂纹扩展过程及机理l阶段：阶段：个别侵入沟（或挤出脊）先形成微裂纹个别侵入沟（或挤出脊）先形成微裂纹沿主沿主滑移系方向滑移系方向，以纯剪切方式，以纯剪切方式da/dN低，约低，约0.1ml阶段：

26、阶段：裂纹扩展裂纹扩展垂直拉垂直拉应力方向应力方向m级，可以穿晶扩展级，可以穿晶扩展在在da/dN的的II区区断口特征：疲劳条带（条断口特征：疲劳条带（条纹）纹）出现疲劳条纹微孔聚集穿晶沿晶方式材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum断口特征：具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样，断口特征：具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样，称为称为疲劳条带疲劳条带（条纹）（条纹）材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petr

27、oleuml塑性钝化模型塑性钝化模型塑性张开钝化和闭合锐化塑性张开钝化和闭合锐化塑性钝化：塑性钝化：由于塑性变形由于塑性变形使裂尖应力集中减小，滑使裂尖应力集中减小，滑移停止，裂纹不再扩展的移停止，裂纹不再扩展的过程。过程。适于韧性材料适于韧性材料材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum总结：金属疲劳裂纹的萌生与扩展的过程总结：金属疲劳裂纹的萌生与扩展的过程l萌生萌生滑移带开裂；滑移带开裂； 第二相、夹杂物或其界面开裂；第二相、夹杂物或其界面开裂；晶界或亚晶界开裂晶界或亚晶界开裂l亚稳扩展亚

28、稳扩展I I阶段：沿主滑移系，纯剪切方式；扩展速率低阶段：沿主滑移系，纯剪切方式；扩展速率低IIII阶段：垂直于主应力方向；扩展速率阶段：垂直于主应力方向；扩展速率mm级；级；可以穿晶扩展。形成可以穿晶扩展。形成疲劳条纹疲劳条纹。塑性钝化塑性钝化模型模型l失稳扩展失稳扩展材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum5.5 5.5 影响疲劳强度的主要因素影响疲劳强度的主要因素材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of

29、 Petroleum一、表面状态的影响一、表面状态的影响（一）应力集中（一）应力集中表面缺口应力集中表面缺口应力集中，引起疲劳破坏的主要原因。，引起疲劳破坏的主要原因。材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum（二）表面粗糙度（二）表面粗糙度微观几何形状：刀痕、微观几何形状：刀痕、擦伤和磨裂擦伤和磨裂表面粗糙度，材料强度表面粗糙度，材料强度表面脱碳、氧化表面脱碳、氧化材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of P

30、etroleum二、残余应力及表面强化的影响二、残余应力及表面强化的影响l残余应力叠加工作应力残余应力叠加工作应力残余压应力提高残余压应力提高r原因：残余压应力在缺口处集中，有效降低拉应力峰值原因：残余压应力在缺口处集中，有效降低拉应力峰值l表面强化处理表面强化处理产生残余压应力，产生残余压应力，提高表面强度和硬度，提高提高表面强度和硬度，提高r r材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum残余压应力，残余压应力，表面强度和硬度，表面强度和硬度，r r材料性能学材料性能学Property of

31、 Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml 常用表面强化方法常用表面强化方法(1) 表面喷丸及滚压表面喷丸及滚压喷丸喷丸是用压缩空气将坚硬的弹丸高速喷打向机件表面，是用压缩空气将坚硬的弹丸高速喷打向机件表面，使机件表面产生局部使机件表面产生局部形变强化形变强化，同时因塑变层周围的弹，同时因塑变层周围的弹性约束，又在塑变层内产生性约束，又在塑变层内产生残余压应力残余压应力。材料强度越高，效果越好材料强度越高，效果越好表面滚压表面滚压材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China Uni

32、versity of Petroleum(2) 表面热处理及化学热处理表面淬火表面淬火：火焰火焰、感应感应、激光激光表面化学热处理表面化学热处理：渗碳渗碳、渗氮、碳氮共渗等、渗氮、碳氮共渗等硬度：硬度： 渗渗N N渗渗C C表面淬火喷丸、滚压表面淬火喷丸、滚压残残分布梯度：喷丸、液压渗分布梯度：喷丸、液压渗N N渗渗C C表面淬火表面淬火材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum三、材料成分及组织的影响三、材料成分及组织的影响合金成分合金成分显微组织显微组织非金属夹杂物及冶金缺陷非金属夹杂物及

33、冶金缺陷C，合金元素材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳较高应力和较少循环次数较高应力和较少循环次数材料在循环载荷作用下，疲劳寿命为材料在循环载荷作用下，疲劳寿命为102105次次的疲劳断裂称为的疲劳断裂称为低周疲劳低周疲劳。也称也称塑性疲劳或应变疲劳塑性疲劳或应变疲劳。一、低周疲劳的特点一、低周疲劳的特点材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum（一）低

34、周疲劳的特点(1) 循环应力与应变形循环应力与应变形成滞后回线成滞后回线t总应变范围总应变范围p塑性应变范围塑性应变范围p弹性应变范围弹性应变范围材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum(2) 控制控制t或或p(3) 低周疲劳破坏有几个裂纹源低周疲劳破坏有几个裂纹源(4) 寿命取决于塑性应变幅寿命取决于塑性应变幅p 材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum（二）低周疲劳的金属循环硬化与循环

35、软化循环硬化：循环硬化：金属材料在恒定应变范围循环作用下，随着循金属材料在恒定应变范围循环作用下，随着循环周次的增加，其应力不断增加环周次的增加，其应力不断增加循环软化：循环软化：在循环过程中，应力逐渐减小在循环过程中，应力逐渐减小材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml循环软化的危害循环软化的危害形变抗力下降，导致工件产生过量的塑性变形而形变抗力下降，导致工件产生过量的塑性变形而失效。失效。l循环硬化或软化循环硬化或软化决定于材料的初始状态，结构特性；应变幅，温决定于材料的初始状态，结构

36、特性；应变幅，温度等。度等。退火状态退火状态循环硬化循环硬化，加工硬化态，加工硬化态循环软化循环软化b b/s s1.41.4，循环硬化；，循环硬化；b b/s s1.21.2，循环软化，循环软化微观原因：微观原因：位错的循环运动位错的循环运动材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum（三）低周疲劳的应变-寿命曲线n曼森（曼森（S. S. Manson）和柯芬（）和柯芬（L. F. Coffin）双对数坐标图双对数坐标图两条直线迭加两条直线迭加总应变幅总应变幅-寿命曲线寿命曲线弹性应变弹性应变

37、幅幅-寿命线寿命线塑性应变塑性应变幅幅-寿命线寿命线曼森曼森-柯芬公式柯芬公式材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml过渡寿命过渡寿命(2N(2Nf f) )t t左侧：低周疲劳，塑性应变幅主导，左侧：低周疲劳，塑性应变幅主导，塑性塑性控制控制右侧：高周疲劳，弹性应变幅主导，右侧：高周疲劳，弹性应变幅主导，强度强度决定决定材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleumn曼森曼森t/22Nf关系

38、：关系：nb、E、断裂真应变、断裂真应变ef（或（或）低周疲劳寿命曲线低周疲劳寿命曲线n通用斜率法通用斜率法n各种表面强化手段，对提高低周疲劳寿命均无明显效果各种表面强化手段，对提高低周疲劳寿命均无明显效果材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum二、热疲劳二、热疲劳热疲劳：热疲劳：机件在由温度循环变化时产生的循环热应力及热机件在由温度循环变化时产生的循环热应力及热应变作用下发生的疲劳。应变作用下发生的疲劳。 热机械疲劳热机械疲劳：温度循环：温度循环+ +机械应力循环机械应力循环两个条件：两个

39、条件：温度变化温度变化和和机械约束机械约束（内部或外部）（内部或外部）内部约束内部约束：存在温度差，各部分材料互相约束，不能自由：存在温度差，各部分材料互相约束，不能自由膨胀膨胀膨胀热应变膨胀热应变tt 热应力热应力- -EtEt塑性应变累积损伤塑性应变累积损伤材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum三、冲击疲劳三、冲击疲劳冲击疲劳：机件在重复冲击载荷作用下的疲劳断裂冲击疲劳：机件在重复冲击载荷作用下的疲劳断裂冲击次数冲击次数N105次次由冲击疲劳曲线确定冲击疲劳极限。由冲击疲劳曲线确定冲击

40、疲劳极限。冲击疲劳抗力表示：冲击疲劳抗力表示：冲击疲劳极限冲击疲劳极限 冲断周次冲断周次N N 冲断能量冲断能量冲击能量高时，主要取决于塑性；冲击能量低时，主要取冲击能量高时，主要取决于塑性；冲击能量低时，主要取决于强度决于强度材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum 循环应力循环应力第五章 金属的疲劳材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum高周疲劳、低周疲劳高周疲劳、低周疲劳断口特征：断

41、口特征：疲劳的特点疲劳的特点具有寿命的断裂具有寿命的断裂脆性断裂脆性断裂对缺陷十分敏感对缺陷十分敏感疲劳源：光亮、表面疲劳源：光亮、表面疲劳区：疲劳区：贝纹线贝纹线瞬断区：粗糙、瞬断区：粗糙、aaaac c材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum 疲劳极限（疲劳极限（-1）l 疲劳曲线疲劳曲线(S-N曲线曲线)材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuma-m疲劳图max-m疲劳图材料性能学材

42、料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum 疲劳缺口敏感度疲劳缺口敏感度 抗疲劳过载能力抗疲劳过载能力过载损伤过载损伤qf=01, 越小疲劳缺口敏感性越小材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum a-N曲线曲线l 疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petro

43、leum 疲劳裂纹扩展门槛值，疲劳裂纹扩展门槛值，Kth材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml 疲劳过程及机理疲劳过程及机理l萌生萌生滑移带开裂（驻留滑移带，挤出脊和侵入沟）滑移带开裂（驻留滑移带，挤出脊和侵入沟）第二相、夹杂物或其界面开裂第二相、夹杂物或其界面开裂晶界或亚晶界开裂晶界或亚晶界开裂l亚稳扩展亚稳扩展I I阶段：沿主滑移系方向，纯剪切方式；扩展速率低阶段：沿主滑移系方向，纯剪切方式；扩展速率低IIII阶段：垂直于拉应力方向；扩展速率阶段：垂直于拉应力方向；扩展速率mm级。级

44、。 形成形成疲劳条纹疲劳条纹，塑性钝化塑性钝化模型模型材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum表面缺口应力集中表面缺口应力集中表面粗糙度表面粗糙度表面残余应力表面残余应力表面强化表面强化材料成分及组织材料成分及组织l 疲劳强度的影响因素疲劳强度的影响因素材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml 低周疲劳低周疲劳塑性疲劳或应变疲劳塑性疲劳或应变疲劳循环硬化与循环软化循环硬化与循环软化过渡寿

45、命过渡寿命(2Nf)t热疲劳热疲劳冲击疲劳冲击疲劳材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of PetroleumCh1 材料在单向材料在单向静拉伸静拉伸载荷下的力学性能载荷下的力学性能 Ch2 材料在其他材料在其他静载荷静载荷下的力学性能下的力学性能 Ch3 材料的材料的冲击冲击韧性及韧性及低温低温脆性脆性Ch4 材料的材料的断裂断裂韧性韧性Ch5 金属的金属的疲劳疲劳性能性能Ch6 金属的应力腐蚀和氢脆金属的应力腐蚀和氢脆Ch7 金属的摩擦磨损性能金属的摩擦磨损性能Ch8 金属的高温力学性能金属的高温力学性能Ch9Ch11 聚合物、陶瓷、复合材料的力学性能聚合物、陶瓷、复合材料的力学性能材料性能学材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of PetroleumThanks forThanks for attention! attention!