1、1,变动载荷低应力（小于屈服强度）疲劳失效约占80以上。如何提高材料疲劳寿命材料疲劳性能的科学研究已成为材料强度科学领域的一个重要组成部分,5 金属的疲劳,2,1、金属疲劳现象及特点2、疲劳曲线及基本疲劳力学性能3、疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值4、疲劳过程及机理5、影响疲劳强度的主要因素6、低周疲劳,主要内容,3,变动载荷是指载荷的大小、方向随时间变化的载荷，其单位面积上的平均值为变动应力。变动应力可分为周期变动应力（也称循环应力）和无规则随机变动应力。生产中机件正常工作时，其变动应力多为循环应力。,5.1.1 变动载荷和循环应力,5.1 金属疲劳现象及特点,4,图 变动应力示意图a)应力大小
2、变化 b)、c)应力大小及方向都变化 d)应力大小及方向无规则的变化,变动应力,5,循环应力的波形有正弦波、矩形波和三角波等。表征应力循环特征的参量有：最大循环应力max，最小循环应力min平均应力:m=(max+min)/2应力幅或应力范围:a=(max-min)/2应力比:r=min/max,循环应力及其特征参量,6,图 循环应力的类型a)、e) 交变应力 b)、c)、d) 重复循环应力,对称交变应力m=0,r=-1,脉动应力m=a0,r=0m=aa,0r1,不对称交变应力-1r0,开始扩展。Kth是疲劳裂纹不扩展的临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值。,疲劳裂纹扩展门槛值Kth,75,疲劳裂纹
3、扩展门槛值的讨论,76,工程金属材料的Kth一般很小，约510%KIc,表 几种工程金属材料Kth测定值（r0）,金属工程材料的Kth,77,校核公式：,已知裂纹尺寸a，和疲劳门槛值Kth，可得求无限疲劳寿命承载能力：,已知工作载荷，和疲劳门槛值Kth，可得求裂纹的允许尺寸a：,根据Kth建立裂纹不疲劳断裂的校核公式,疲劳裂纹扩展判据,78,c，n为材料试验参数,1861年，Paris提出：区，da/dN与K呈幂函数关系,Paris公式,79,铁素体-珠光体钢,奥氏体钢,马氏体钢,由图可见：钢的强度水平和显微组织对区的疲劳裂纹扩展速率影响不大。,图 各种钢的疲劳裂纹扩展速率的分散带,各种钢的疲
4、劳裂纹扩展速率,80,可以描述各种材料和各种试验条件下的疲劳裂纹扩展，为疲劳机件的设计或失效分析提供有效的寿命估算方法。一般只适用于低应力、低扩展速率的范围及较长的疲劳寿命，即所谓的高周疲劳场合。,Paris公式的应用及适用范围,81,Paris公式虽然简单实用，但毕竟是经验公式，有着一定的适用范围。近年来，除了Paris公式外，还提出比较复杂全面的公式。Forman公式 考虑了门槛值Kth影响的公式 描述整个裂纹扩展过程的公式,其他疲劳裂纹扩展速率公式,82,1967年，Forman提出考虑了应力比和材料断裂韧度对da/dN的影响，提出下列公式：,Paris公式,可描述、区的扩展，但没反映区
5、的裂纹扩展情况,修正,Forman公式,83,1972年，Donahue等人考虑了门槛值Kth的影响，对Paris公式做出了修正：,1977年，McEvily和Groeger在关于疲劳裂纹门槛值的研究中，提出下式，其中注意到材料常数m2。,1倪向贵等 疲劳裂纹扩展规律Paris公式的一般修正及应用J 压力容器,Vol23.No12 2006,考虑了门槛值Kth影响的公式1,84,其中，C为疲劳裂纹扩展系数，是与拉伸性能有关的常数。Kc是与试样厚度有关的材料断裂韧度；m为材料试验常数。,描述整个裂纹扩展过程的公式,85,根据疲劳裂纹扩展速率的公式，用积分法可估算出疲劳裂纹扩展寿命Nc或带裂纹(或
6、缺陷)机件的剩余疲劳寿命。这在生产上具有实际意义和应用价值。,疲劳裂纹扩展速率的公式的作用,86,影响疲劳裂纹扩展速率的因素,87,平均应力和应力比影响的等效性,a一定时，r，m。因此，平均应力和应力比具有等效性,应力比r（或平均应力）的影响,88,图 应力比r对疲劳裂纹扩展速率的影响,由图可见，随r增加，曲线向左上方移动da/dN升高，、区比区影响较大，降低了Kth。,区，r对Kth的影响规律为：,脉动循环r=0下的疲劳门槛值,应力比r（或平均应力）的影响,89,残余应力的影响残余应力与外加循环应力叠加将改变实际的应力比，从而影响da/dN 和Kth。残余压应力减小r，使da/dN降低和Kt
7、h升高，对疲劳有利。残余拉应力相反。,应力比r（或平均应力）的影响,90,偶然的过载进人过载损伤区内，将使材料受到损伤并降低疲劳寿命；在恒载裂纹疲劳扩展期内，适当的过载峰会使裂纹扩展减慢或停滞一段时间，发生裂纹扩展过载停滞现象，并延长疲劳寿命。,图 过载峰对2024T3铝合金da/dN的影响,过载峰的影响,91,图 过载在裂纹尖端形成的塑性区,应力循环正半周：过载拉应力产生较大的塑性区。当这个较大塑性区在循环负半周时，因阻止周围弹性变形恢复而产生残余压应力，使得裂纹提前闭合，减小裂纹尖端的K，从而降低da/dN,这种影响称为裂纹闭合效应。,过载停滞的原因,92,材料组织对、区影响明显，区不明显
8、。晶粒越粗大，Kth，da/dN。和对屈服强度的影响相反，提高疲劳裂纹萌生抗力和提高疲劳裂纹扩展抗力存在矛盾。实践中采用抓主要矛盾，折中的方法。亚共析钢的Kth与铁素体及珠光体的含量有关。碳含量，铁素体，Kth,材料组织的影响,93,钢的淬火组织中存在残余的韧性组织，可提高Kth，降低da/dN。钢中马氏体、贝氏体和残余奥氏体对Kth的贡献比例是M:B:A=1:4:7。喷丸强化提高Kth。高温回火组织韧性好，强度低，其Kth高；低温回火组织韧性差，强度低，其Kth低；中温回火的Kth介于二者之间。,材料组织的影响,94,图 300M钢不同热处理对da/dN及Kth的影响,不同回火组织的影响,9
9、5,疲劳剩余寿命估算的步骤1、用无损探伤法确定出零件的初始裂纹长。形状、位置和取向，以确定裂尖KI值。2、根据已知材料的断裂韧度KIC及名义工作应力确定临界裂纹长度ac。3、根据所采用的裂纹扩展速率表达式，用积分法算出从初始裂纹长a0扩展到临界长ac所需的循环周次N，即为疲劳剩余寿命Nc。,5.3.3 疲劳裂纹扩展寿命估算,96,常选用Paris公式，取 则，当n2时，当n2时，,疲劳寿命的估算,97,某汽轮机转子的0.2=672MPa, KIC=34.1MPam1/2，da/dN=10-11(K)4。工作时，因起动或停机在转子中心孔壁的最大合成惯性力0=352MPa。经超声波探伤，得知中心孔
10、壁附近有2a0=8mm的圆片状埋藏裂纹，裂纹离孔壁距离h=5.3mm。如果此发电机平均每周起动和停机各一次，试估算转子在循环惯性力作用下的疲劳寿命。,疲劳寿命的估算例题,98,1.计算KI应力场强度因子表达式为：,a/2c=0.5，a/h=0.75。查Me曲线，得Me=1.1。断裂力学计算得Q=2.41，则,99,2.计算裂纹临界尺寸ac由断裂判据得：,100,3.估算疲劳寿命当Kmin0时,101,例题2,102,例题2,103,例题3,104,105,5.4 疲劳过程及机理,疲劳过程：裂纹萌生、亚稳扩展、失稳扩展三个过程。疲劳寿命Nf萌生期N0亚稳扩展期Np意义：对疲劳各阶段过程以及机理的
11、了解，有助于我们认识疲劳本质，分析疲劳原因，以及延长疲劳寿命。,106,5.4 疲劳过程及机理,金属材料的疲劳过程也是裂纹萌生相扩展的过程。位置：裂纹萌生往往在材料薄弱区或高应力区，通过不均匀滑移、微裂纹形成及长大而完成。定义标准：目前尚无统一的尺度标准确定裂纹萌生期，常将长0.050.10mm的裂纹定为疲劳裂纹核，对应的循环周期为裂纹萌生期，其长短与应力水平有关。低应力时，疲劳的萌生期可占整个寿命的大半以上。,5.4.1 疲劳裂纹萌生过程及机理,107,5.4 疲劳过程及机理,大量研究表明：疲劳微裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起。主要方式有：表面滑移带开裂;第二相、夹杂物与基体界面或夹杂物本身
12、开裂；晶界或亚晶界处开裂。,5.4.1 疲劳裂纹萌生过程及机理,图 疲劳微裂纹的三种形式,108,5.4 疲劳过程及机理,滑移带开裂产生裂纹在循环载荷的作用下，即使循环应力未超过材料屈服强度，也会在试件表面形成循环滑移带。驻留滑移带：与静拉伸的均匀滑移带不同。循环滑移带集中于某些局部区域（高应力或薄弱区），用电解抛光法也很难将其去除，即使去除了，再重新循环加载后，还会在原处再现。故称这种永留或再现的循环滑移带为驻留滑移带疲劳裂纹核心产生的策源地之一。,5.4.1 疲劳裂纹萌生过程及机理,109,5.4 疲劳过程及机理,驻留滑移带的特点持久驻留性由材料某些薄弱的地区产生一般只在表面形成，深度较浅
13、。随着加载循环次数的增加，循环滑移带会不断地加宽。当加宽到一定程度时，由于位错的塞积和交割的作用，在驻留滑移带处形成微裂纹。,5.4.1 疲劳裂纹萌生过程及机理,110,5.4 疲劳过程及机理,驻留滑移带的特点驻留滑移带在表面加宽过程中，会出现挤出脊和侵入沟，于是就在这些地方引起应力集中，经过一定循环后会引发微裂纹。,5.4.1 疲劳裂纹萌生过程及机理,图 金属表面“挤出”、“侵入”并形成裂纹,111,5.4 疲劳过程及机理,挤出和侵入是如何形成？柯垂尔（A.H.Cottrel）和赫尔（D.Hull）曾提出交叉滑移模型说明挤出和侵入的形成过程。,5.4.1 疲劳裂纹萌生过程及机理,112,5.
14、4 疲劳过程及机理,交叉滑移模型,5.4.1 疲劳裂纹萌生过程及机理,图 柯垂尔赫尔模型,113,5.4 疲劳过程及机理,如何提高疲劳强度滑移带开裂产生裂纹角度从滑移开裂产生疲劳裂纹形成机理看，只要能提高材料滑移抗力（固溶强化、细晶强化等），均可阻止疲劳裂纹萌生，提高疲劳强度。,5.4.1 疲劳裂纹萌生过程及机理,114,5.4 疲劳过程及机理,相界面开裂产生裂纹在疲劳失效分析中，常发现很多疲劳源是由材料中的第二相或夹杂物引起的，因此提出了第二相、夹杂物和基体界面开裂，或第二相、夹杂物本身开裂的疲劳裂纹萌生机理。,5.4.1 疲劳裂纹萌生过程及机理,图 微孔形核长大模型,115,5.4 疲劳过
15、程及机理,如何提高疲劳强度相界面开裂产生裂纹角度从第二相或夹杂物可引发疲劳裂纹的机理来看，只要能降低第二相或夹杂物脆性，提高相界面强度，控制第二相或夹杂物的数量、形态、大小和分布、使之“少、圆、小、匀”，均可抑制或延缓疲劳裂纹在第二相或夹杂物附近萌生，提高疲劳强度。,5.4.1 疲劳裂纹萌生过程及机理,116,5.4 疲劳过程及机理,晶界开裂产生裂纹晶界的存在和相邻晶粒的不同取向性，位错在某一晶粒内运动时会受到晶界的阻碍作用，在晶界处发生位错塞积和应力集中现象。在应力不断循环下，晶界处的应力集中得不到松弛时，则应力峰越来越高，当超过晶界强度时就会在晶界处产生裂纹。,5.4.1 疲劳裂纹萌生过程
16、及机理,图 Zener位错塞积形成裂纹,117,5.4 疲劳过程及机理,如何提高疲劳强度晶界开裂产生裂纹从晶界萌生裂纹来看，凡使晶界弱化和晶粒粗化的因素，如晶界有低熔点夹杂物等有害元素和成分偏析、回火脆、晶界析氢及晶粒粗化等，均易产生晶界裂纹、降低疲劳强度；反之，凡使晶界强化、净化和细化晶粒的因素，均能抑制晶界裂纹形成，提高疲劳强度。,5.4.1 疲劳裂纹萌生过程及机理,118,5.4 疲劳过程及机理,裂纹扩展过程,5.4.2 疲劳裂纹扩展过程及机理,裂纹扩展阶段，根据裂纹扩展方向，可分为两个阶段。,图 疲劳裂纹扩展两个阶段,119,5.4 疲劳过程及机理,裂纹扩展过程第一阶段从表面个别侵入沟
17、或挤出脊先形成微裂纹，裂纹再主要沿滑移系方向，以纯剪切的方式向内扩展。多数裂纹成为不扩展裂纹，只有少数裂纹会扩展23个晶粒范围。裂纹扩展速率很低，每一个应力循环只有0.1m数量级的扩展量。,5.4.2 疲劳裂纹扩展过程及机理,120,5.4 疲劳过程及机理,裂纹扩展过程第一阶段断口特点由于扩展速率小，且总进程也很小，所以断口很难分析，常看不到什么形貌特征，只有一些擦伤的痕迹。一些强化材料中，有时可看到周期解理或准解理花样，甚至有沿晶开裂的冰糖状花样。,5.4.2 疲劳裂纹扩展过程及机理,121,5.4 疲劳过程及机理,裂纹扩展过程第二阶段由于晶界的不断阻碍作用，裂纹扩展逐渐转向垂直于拉应力方向
18、，进入第二阶段。在室温及无腐蚀条件下疲劳裂纹扩展总是穿晶的。裂纹的扩展速率约为10-510-2mm/次，和裂纹扩展速率曲线的区对应。,5.4.2 疲劳裂纹扩展过程及机理,122,5.4 疲劳过程及机理,裂纹扩展过程第二阶段断口特点具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样，称为疲劳条带（条纹）。裂纹扩展时，留下的微观痕迹，每一条带可视为一次应力循环的扩展痕迹，裂纹的扩展方向与条带垂直。,5.4.2 疲劳裂纹扩展过程及机理,123,5.4 疲劳过程及机理,疲劳条带,5.4.2 疲劳裂纹扩展过程及机理,图 疲劳条带a) 韧性条带10000 b) 脆性条带6000,124,5.4 疲劳过程及机理,疲劳条带疲劳
19、断口最典型的微观特征常用疲劳条带间宽与K的关系分析疲劳破坏。不同断口并不一定都能看到清晰的疲劳条带。一般滑移面多的面心立方金属，疲劳条带比较明显，而滑移系较少或组织比较复杂的材料，疲劳条带往往短窄而紊乱，甚至看不到。,5.4.2 疲劳裂纹扩展过程及机理,125,5.4 疲劳过程及机理,疲劳条带和贝纹线条带是疲劳断口的微观特征贝纹线是疲劳断口的宏观特征，相邻贝纹线之间有成千上万的疲劳条带。二者可能同时出现，也可同时不出现，也可其中一个出现而另一个不出现。,5.4.2 疲劳裂纹扩展过程及机理,126,5.4 疲劳过程及机理,条带形成的原因塑性钝化模型Larid和Smith在研究铝、镍金属疲劳时提出
20、，高塑性的Al、Ni材料在交变循环应力下，因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。,5.4.2 疲劳裂纹扩展过程及机理,图 Laird疲劳裂纹扩展模型,127,5.5 影响疲劳强度的主要因素,表 影响材料及机件疲劳强度的因素,128,应力集中机件表面缺口因应力集中往往是疲劳策源地，引起疲劳断裂，可用Kf与qf表征缺口应力集中对材料疲劳强度的影响。Kf与qf越大，材料的疲劳强度就降得越低。且这种影响随材料强度的增高，更加显著。,5.5.1 表面状态的影响,129,表面粗糙度表面粗糙度越低，材料的疲劳极限越高；表面粗糙度越高，疲劳极限越低。材料强度越高，表面粗糙度对疲劳极限的影响
21、越显著。表面加工方法不同，同一材料的疲劳极限不同。所以，受循环应力作用的机件选用高强材料制造时，表面须经过仔细的加工，不允许有刀痕、擦伤或大的缺陷，否则材料疲劳强度会显著降低。,5.5.1 表面状态的影响,130,图 加工方法对弯曲疲劳极限的影响,抗拉强度越高的材料，加工方法对疲劳极限的影响越大。,表面粗糙度对疲劳极限的影响,131,残余应力的影响总应力为残余应力和外加应力的叠加。叠加残余压应力总应力减小；叠加残余拉应力总应力增加。所以，机件表面残余应力状态对疲劳强度有显著影响：残余压应力提高疲劳强度；残余拉应力降低疲劳强度。,5.5.2 残余应力及表面强化的影响,132,残余压应力的影响与外
22、加应力的应力状态有关不同应力状态，机件表面层的应力梯度不同。弯曲疲劳时,效果比扭转疲劳大；拉压疲劳时，影响较小。残余压应力显著提高有缺口机件的疲劳强度残余应力可在缺口处集中，能有效地降低缺口根部的拉应力峰值。残余压应力的大小、深度、分布以及是否发生松弛都会影响疲劳强度。,残余压应力的影响,133,表面强化的影响表面强化可在机件表面产生残余压应力，同时提高强度和硬度。两方面的作用都会提高疲劳强度。,5.5.2 残余应力及表面强化的影响,134,图 表面强化提高疲劳极限示意图a)表面层应力/疲劳极限1 b)表面层应力/疲劳极限1,表面强化的影响,135,喷丸滚压表面淬火表面化学热处理,表面强化方法
23、,136,5.5 影响疲劳强度的主要因素,5.5.2 残余应力及表面强化的影响表面强化方法喷丸喷丸：用压缩空气将坚硬的小弹丸高速喷打向机件表面，使机件表面产生局部形变强化；同时因塑变层周围的弹性约束，又在塑变层内产生残余压应力。,137,5.5 影响疲劳强度的主要因素,5.5.2 残余应力及表面强化的影响表面强化方法喷丸特点及参数弹丸直径：0.11mm压应力深度：(0.250.5)弹丸直径压应力大小：与喷丸的压力、速度及弹丸直径有关，最大可达屈服强度的一半喷丸的效果：与被喷件的材料强度有关，强度越高，效果越好。但不可喷丸过度。,138,5.5 影响疲劳强度的主要因素,5.5.2 残余应力及表面
24、强化的影响表面强化方法喷丸残余应力深度的影响,图 40CrNiMo钢喷丸残余压应力深度与裂纹长度之比对疲劳极限的影响,压应力深度以大于表明缺陷尺寸为好。40CrNiMo钢喷丸层深度是表面裂纹长度的35倍效果较好。,139,5.5 影响疲劳强度的主要因素,5.5.2 残余应力及表面强化的影响表面强化方法表面滚压作用和喷丸相似，只是压应力层深度较大，适合于大工件表面粗糙度低时，强化效果好。形状复杂的工件可采用喷丸强化，形状简单的回转形零件，可采用滚压强化。,140,5.5 影响疲劳强度的主要因素,5.5.2 残余应力及表面强化的影响表面强化方法表面热处理及化学热处理都是利用组织相变获得强化的工艺方法表面淬火有火焰加热淬火，感应加热淬火和低淬透性钢的整体加热薄壳淬火等。表面化学热处理有渗碳、渗氮及碳氮共渗等。,141,5.5 影响疲劳强度的主要因素,5.5.2 残余应力及表面强化的影响表面强化方法表面热处理及化学热处理表层强化效果及残余压应力的大小，因工艺方法和强化层厚薄不同而异。硬度由高到低的顺序渗氮渗碳感应加热淬火强化层深度由高到低顺序表面淬火渗碳渗氮,
