1、材料力学性能,材料化工学院,第五章 材料的疲劳性能,1850-1860,Whler先生用试验方法研究了车轴的断裂事故，提出了应力-寿命图（S-N)和疲劳极限概念。1870-1890，Gerber研究了平均应力对寿命的影响，Goodman提出了完整的平均应力影响理论。突破了疲劳只与载荷幅值有关的理论界限。1920-Griffith用能量法研究了含裂纹体的有关材料强度理论，初步奠定了事隔20年后由Irwin发展起来的断裂力学理论基础。1945年由Miner提出的线性累计损伤理论问世；1960年，Manson-Coffin提出了塑性应变与疲劳寿命的关系；1961年Paris提出了疲劳裂纹扩展速率的概
2、念。1974年美国军方采用了损伤容损设计方法；目前，材料的疲劳研究方兴未艾，断裂力学、损伤力学和材料物理学结合，已从宏观、细观和微观领域对疲劳问题进行着广泛的研究。,前言,材料的疲劳问题研究从近150多年开始一直受到人们的关注，原因之一就是工程中的零件或构件的破坏80%以上是由于疲劳引起。,前言,疲劳破坏表现的形式：,机械疲劳外加应力/应变波动造成的。,蠕变疲劳循环载荷与高温联合作用下的疲劳。,热机械疲劳循环受载部件的温度变动时材料的疲劳。,腐蚀疲劳、接触疲劳、微动疲劳、电致疲劳等等。,前言,1、变动载荷 疲劳断裂。,前言,2、研究疲劳的一般规律、 疲劳破坏过程及机理、 疲劳力学性能及其影响因
3、素等。,第五章 材料的疲劳性能,5.1 疲劳破坏的一般规律5.2 疲劳破坏的机理（简述）5.3 疲劳抗力指标5.4 影响材料及机件疲劳强度的因素(自学)5.5 热 疲 劳(自学),5.1 疲劳破坏的一般规律,一、疲劳破坏的变动应力二、疲劳破坏的概念和特点三、疲劳断口的宏观特征,一、疲劳破坏的变动应力,1、疲劳： 变动载荷和应变长期作用 累积损伤断裂。2、变动载荷： 载荷大小，甚至方向随时间而变化的载荷。3、变动应力： 变动载荷在单位面积上的平均值。4、变动应力分类： 规则周期变动应力(或称循环应力)； 无规则随机变动应力。5、循环应力： 周期性变化的应力。 有正弦波、矩形波和三角波等。 最常见
4、的为正弦波。,一、疲劳破坏的变动应力,6、表征应力循环特征的参量 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： =/2= (max-min)/2； 应力比 rmin/max。 载荷谱： 载荷-时间历程曲线,一、疲劳破坏的变动应力,7、循环应力类型： (1)对称循环： m0，r-1。 (2)不对称循环： m0，-10，r0 或 m，0r1。 (5)随机变动应力： 循环应力呈随机变化。,二、疲劳破坏的概念和特点,1、疲劳破坏的概念：(1)疲劳的破坏过程： 变动应力薄弱区域的组织 逐渐发生变化和损伤累积、开裂 裂纹扩展突然断裂。(2)疲劳破坏：
5、 循环应力引起的延时断裂， 其断裂应力水平往往低于材料的抗拉强度，甚至低于其屈服强度。(3)疲劳寿命： 机件疲劳失效前的工作时间。(4)疲劳断裂：经历了裂纹萌生和扩展过程。 断口上显示出疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂区的特征。,二、疲劳破坏的概念和特点,2疲劳破坏的特点： (1)一种潜藏的突发性破坏，呈脆性断裂。 (2)疲劳破坏属低应力循环延时断裂。 (3)对缺陷具有高度的选择性。 (4)可按不同方法对疲劳形式分类。按应力状态分， 有弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳及复合疲劳。按应力高低和断裂寿命分， 有高周疲劳(低应力疲劳，s)和低周疲劳(高应力疲劳或应变疲劳)。,三、疲劳断口的宏观
6、特征,1、典型疲劳断口具有3个特征区 疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区。2、疲劳源：(1)多出现在机件表面， 常和缺口、裂纹等缺陷及内部冶金缺陷(夹杂、白点等)有关。(2)疲劳源区比较光亮，该区表面硬度有所提高。(3)疲劳源可以是一个，也可以是多个。,三、疲劳断口的宏观特征,3、疲劳区：(1)断口较光滑并分布有贝纹线(或海滩花样)， 有时还有裂纹扩展台阶。(2)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；(3)贝纹线是疲劳区的最典型特征， 一般认为是因载荷变动引起的。 每组贝纹线好像一簇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。,三、疲劳断口的宏观特征,4、
7、瞬断区：(1)KKc时，裂纹就失稳快速扩展，导致机件瞬时断裂 断口粗糙，脆性断口呈结晶状； 韧性断口，在心部平面应变区呈放射状或人字纹状， 边缘平面应力区则有剪切唇区存在。 (2)瞬断区一般应在疲劳源对侧。,5.2 疲劳破坏的机理,一、金属材料疲劳破坏机理二、非金属材料疲劳破坏机理（自学）,一、金属材料疲劳破坏机理,分为三个主要阶段：1、疲劳裂纹形成，2、疲劳裂纹扩展，3、当裂纹扩展达到临界尺寸时，发生最终的断裂。,1、疲劳微裂纹的形成,疲劳微裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起。表面滑移带开裂；第二相、夹杂物与基体相界面或夹杂物本身断裂；晶界或亚晶界处开裂。在环载荷作用下,即使循环应力不超过屈服强
8、度，也会在试件表面形成滑移带, 称为循环滑移带。拉伸时形成的滑移带分布较均匀，而循环滑移带则集中于某些局部区域。而且在循环滑移带中会出现挤出与挤入，从而在试件表面形成微观切口。,循环滑移带的持久性：疲劳的初期，出现滑移带。随着循环数的增加，滑移带增加。除去滑移带，重新循环加载，滑移带又在原处再现。这种滑移带称为持久滑移带(Persist Slip Band)。在持久滑移带中出现疲劳裂纹。形成的微裂纹在循环加载时将继续长大。当微裂纹顶端接近晶界时，其长大速率减小甚至停止长大。这必然是因为相邻晶粒内滑移系的取向不同。微裂纹只有穿过晶界，才能与相邻晶粒内的微裂纹联接，或向相邻晶粒内扩展，以形成宏观尺
9、度的疲劳裂纹。因为晶界有阻碍微裂纹长大和联接的作用，因而有利于延长疲劳裂纹形成寿命和疲劳寿命。,表面滑移带开裂,较大的夹杂物或第二相，会由于夹杂物与基体界面开裂而形成微裂纹。第二相在循环加载，会形成沿晶裂纹。,1、疲劳微裂纹的形成,2 、疲劳裂纹的扩展,疲劳裂纹扩展可分为两个阶段： 第I阶段，裂纹沿着最大切应力方向向内扩展，即在切应力最大的滑移面内扩展。 第I阶段裂纹扩展的距离一般都很小，约为23个晶粒。 第II阶段，裂纹沿垂直拉应力方向向前扩展形成。在电子显微镜下可显示出疲劳条带。疲劳带是每次循环加载形成的。,5.3 疲劳抗力指标,一、疲劳试验方法二、疲劳强度三、过载持久值四、疲劳缺口敏感度
10、五、疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值,疲劳应力判据,疲劳断裂判据,5.3 疲劳抗力指标,按应力状态分， 有弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳及复合疲劳。,一、疲劳试验方法,1、旋转弯曲疲劳试验：(1)四点弯曲， 对称循环 (m0，r-1)。(2)测定方法： 试样（若干）， 旋转弯曲疲劳试验机； 选择最大循环应力max (0.67b0.4b) （1，2，3 n ）； 对每个试样进行循环加载试验 直至断裂； 测定应力循环数N； (1,N1),(2,N2) 绘制(max)-N(lg N)曲线。,一、疲劳试验方法,2、疲劳曲线S-N曲线 其他不对称循环应力也可作出相应的疲劳曲线， 它们统称为S-N曲线
11、，,一、疲劳试验方法,3、金属材料疲劳曲线类型： 一类有水平线r； (材料的疲劳强度) 疲劳应力判据： r 一类无水平线条件疲劳强度。,二、疲劳强度,定义： 在指定疲劳寿命下，材料能承受的上限循环应力。1、对称循环(r=-1)疲劳强度 弯曲(-1)、扭转(-1)、拉压(-1p)等。,二、疲劳强度,2、不对称循环(-1r1)疲劳强度(1)脆性材料max(min)- m疲劳图:,AHB曲线就是在不同应力比r下的max值； AEC在不同应力比r下的min值； AO在不同应力比r下的m值。AHB曲线上各点max值 即表示由-1r-1p-1。,二、疲劳强度,4、疲劳强度与静强度间关系：,材料的抗拉强度愈
12、大,其疲劳强度也愈大。,三、过载持久值及过载损伤界,过载分类： 长久过载(-1)有限寿命服役； 偶然过载。1、过载持久值(长久过载、有限疲劳寿命)： (1)材料在高于疲劳强度的一定应力(-1)下工作， 发生疲劳断裂的应力循环周次。 (2)由疲劳曲线倾斜部分确定。 (3)材料耐久强度： 即过载应力。,三、过载持久值及过载损伤界,2、过载损伤界（偶然过载） (1)过载损伤界: 短期过载对材料性能的影响，取决于过载应力及过载周次。 实验证明，材料在过载应力水平下只有运转一定周次后，疲劳强度或疲劳寿命才会降低，造成过载损伤。 把在每个过载应力下运行能引起损伤的最少循环周次连接起来就得到该材料的过载损伤
13、界,(2)过载损伤区： 过载损伤界到疲劳曲线间的影线区。 (3)材料的过载损伤界越陡直，损伤区愈窄，则其抵抗疲劳过载能力就愈强。,四、疲劳缺口敏感度qf,qf=(Kf-1)/(Kt-1) Kt理论应力集中系数； Kf为疲劳缺口系数；Kf =-1/-1N； 0qf1; qf随材料强度增高而增大。,五、疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值,1、疲劳裂纹扩展速率(da/dN): 疲劳裂纹亚稳扩展阶段的速率。 针对疲劳过程的第阶段。,(3)固定r及； (4)一定的N对应一定的a，直到断裂； （N，a） (5) N-a曲线,2、裂纹长度a和循环周次N的关系曲线： (1)试样（TPB或CCT或CT）； (2)疲劳
14、裂纹长度测量装置；,五、疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值,3、疲劳裂纹扩展速率： da/dN4、应力强度因子幅(K)： K= Kmax- Kmin =Ymaxa - Ymina =Ya5、da/dN-K（lgda/dN-lgK） 将a-N曲线上各点的dadN 值用图解微分法或递增多项式计算法计算出来; 利用应力强度因子幅(K)公式将相应各点的K值求出， 在双对数坐标系上描点连接即得 lgda/dN-lgK曲线。,五、疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值,6、lg(da/dN)-lgK曲线： I区是疲劳裂纹的初始扩展阶段: da/dN = 10-810-6 ； 区是疲劳裂纹扩展的主要阶段: da/dN =
15、10-510-2 ; Paris公式：da/dN = C(K)n=C(Ya)n 区是疲劳裂纹扩展的最后阶段。7、疲劳裂纹扩展门槛值(Kth)： 代表疲劳裂纹不扩展的K临界值。 da/dN=08、条件疲劳裂纹扩展门槛值(Kth) ： 平面应变，da/dN=10-610-7mm/周次,五、疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值,9、含裂纹件不发生疲劳断裂的校核公式： K =Ya Kth10、疲劳剩余寿命： 初始裂纹长a0扩展到临界长ac所需的循环周次N。 无损探伤确定a0、形状、位置、取向 确定K； 已知KC及 确定ac； 裂纹扩展速率表达式 da/dN = C(K)nN。,5.4 影响材料及机件疲劳强度的因素,
