1、第五章 材料的疲勞性能 5-1疲勞破壞的一般規(guī)律5-2疲勞破壞的機(jī)理5-3疲勞抗力指標(biāo)5-4影響材料及機(jī)件疲勞強(qiáng)度的因素5-5熱疲勞1 工件在變動(dòng)載荷和應(yīng)變長期作用下，因累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象，稱為疲勞。 由于變動(dòng)載荷和應(yīng)變是導(dǎo)致疲勞破壞的外動(dòng)力，所以應(yīng)該先對其進(jìn)行了解。變動(dòng)載荷是指載荷大小，甚至方向都隨時(shí)間變化的載荷。變動(dòng)載荷在單位面積上的平均值稱為變動(dòng)應(yīng)力，可分為規(guī)則周期變動(dòng)應(yīng)力(或稱循環(huán)應(yīng)力)和無規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力兩種，可用應(yīng)力-時(shí)間曲線描述，如圖5-l所示。23 一般機(jī)件承受的變動(dòng)應(yīng)力多為循環(huán)應(yīng)力。循環(huán)應(yīng)力是周期性變化的應(yīng)力，變化的波形有正弦波、矩形波和三角波等。其中最常見的為正弦波。

2、 表征應(yīng)力循環(huán)特征的參量有：4一、疲勞破壞的變動(dòng)應(yīng)力 按照應(yīng)力幅和平均應(yīng)力的相對大小，循環(huán)應(yīng)力類型如圖5-2所示：5 一般機(jī)件承受的變動(dòng)應(yīng)力多為循環(huán)應(yīng)力，是周期性變化的應(yīng)力。表征應(yīng)力循環(huán)特征的參量有：61. 疲勞破壞的概念疲勞破壞過程是材料內(nèi)部薄弱區(qū)域的組織在變動(dòng)應(yīng)力作用下，逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開裂，當(dāng)裂紋擴(kuò)展達(dá)到一定程度后發(fā)生突然斷裂的過程，是一個(gè)從局部區(qū)域開始的損傷累積，到最終引起整體破壞的過程。疲勞破壞是循環(huán)應(yīng)力引起的延時(shí)斷裂，其斷裂應(yīng)力水平往往低于材料的抗拉強(qiáng)度，甚至低于其屈服強(qiáng)度。機(jī)件疲勞失效前的工作時(shí)間稱為疲勞壽命，疲勞斷裂壽命隨循環(huán)應(yīng)力不同而改變。應(yīng)力高，機(jī)件壽命短；應(yīng)力低，

3、壽命長。當(dāng)應(yīng)力低于材料的疲勞強(qiáng)度時(shí)，壽命可無限長。 72. 疲勞破壞的特點(diǎn) 疲勞破壞與靜載或一次性沖擊加載破壞相比較，具有以下特點(diǎn)： (1)該破壞是一種潛藏的突發(fā)性破壞，在靜載下顯示韌性或脆性破壞的材料，在疲勞破壞前均不會發(fā)生明顯的塑性變形，呈脆性斷裂，易引起事故造成經(jīng)濟(jì)損失。 (2)疲勞破壞屬低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂，對于疲勞壽命的預(yù)測就顯得十分重要和必要。8 (3)疲勞對缺陷(缺口、裂紋及組織)十分敏感，即對缺陷具有高度的選擇性。因?yàn)槿笨诨蛄鸭y會引起應(yīng)力集中，加大對材料的損傷作用；組織缺陷(夾雜、疏松、白點(diǎn)、脫碳等)，將降低材料的局部強(qiáng)度，二者綜合更會加速疲勞破壞的起始與發(fā)展。9 (4)可按不同

4、方法對疲勞形式分類。 接應(yīng)力狀態(tài)分：有彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞以及復(fù)合疲勞。 按應(yīng)力高低和斷裂壽命分：有高周疲勞和低周疲勞。 高周疲勞：斷裂壽命(N)較長(N105)，斷裂應(yīng)力水平較低，又稱低應(yīng)力疲勞，為常見的材料疲勞形式。 低周疲勞：斷裂壽命較短(N=102105) ，斷裂應(yīng)力水平較高，常稱為高應(yīng)力疲勞。10三、疲勞斷口的宏觀特征 如圖5-4所示，典型疲勞斷口具有3個(gè)特征區(qū)-疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)。11 疲勞源是疲勞裂紋萌生的策源地，多出現(xiàn)在機(jī)件表面，常和缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺陷相連。但若材料內(nèi)部存在嚴(yán)重冶金缺陷，也會因局部材料強(qiáng)度降低而在機(jī)件內(nèi)部引發(fā)出疲勞源。 因

5、疲勞源區(qū)裂紋表面受反復(fù)擠壓，摩擦次數(shù)多，疲勞源區(qū)比較光亮，而且因加工硬化，該區(qū)表面硬度會有所提高。12 疲勞區(qū)是疲勞裂紋亞臨界擴(kuò)展形成的區(qū)域。其宏觀特征是：斷口較光滑并分布有貝紋線(或海灘花樣)，有時(shí)還有裂紋擴(kuò)展臺階。 斷口光滑是疲勞源區(qū)的延續(xù)，其程度隨裂紋向前擴(kuò)展逐漸減弱，反映裂紋擴(kuò)展快慢、擠壓摩擦程度上的差異。貝紋線是疲勞區(qū)的最典型特征，一般認(rèn)為是因載荷變動(dòng)引起的，因?yàn)闄C(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不可避免地常有啟動(dòng)、停歇、偶然過載等，均要在裂紋擴(kuò)展前沿線留下弧狀貝紋線痕跡。13 瞬斷區(qū)是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域。該區(qū)的斷口比疲勞區(qū)粗糙，宏觀特征如同靜載，隨材料性質(zhì)而變。 脆性材料斷口呈結(jié)晶狀；韌性材料斷口，在

6、心部平面應(yīng)變區(qū)呈放射狀或人字紋狀，邊緣平面應(yīng)力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在。14 5-2疲勞破壞的機(jī)理一、金屬材料疲勞破壞機(jī)理 1.疲勞裂紋的萌生 金屬材料的疲勞過程也是裂紋萌生和擴(kuò)展的過程。因變動(dòng)應(yīng)力的循環(huán)作用，裂紋萌生往往在材料薄弱區(qū)或高應(yīng)力區(qū)，通過不均勻滑移、微裂紋形成及長大而完成。 疲勞微裂紋由不均勻滑移和顯微開裂引起。主要方式有：表面滑移帶開裂；第二相、夾雜物與基體界面或雜質(zhì)本身開裂；晶界或亞晶界處開裂。152.疲勞裂紋的擴(kuò)展疲勞裂紋萌生后便開始擴(kuò)展。第階段是沿著最大切應(yīng)力方向向內(nèi)擴(kuò)展。其中多數(shù)微裂紋并不繼續(xù)擴(kuò)展，成為不擴(kuò)展裂紋，只有個(gè)別微裂紋可延伸幾十m (即2-5個(gè)晶粒)長。16隨即疲勞裂

7、紋便進(jìn)入第階段，沿垂直拉應(yīng)力方向向前擴(kuò)展形成主裂紋，直至最后形成剪切唇為止。17二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理 1.陶瓷材料的疲勞破壞機(jī)理 常溫下陶瓷材料的疲勞與金屬有所不同，其含義更廣：有靜態(tài)疲勞、循環(huán)疲勞和動(dòng)態(tài)疲勞之分。 其中循環(huán)疲勞與金屬疲勞具有相同含義，同屬在長期變動(dòng)應(yīng)力作用下，材料的破壞行為；靜態(tài)疲勞則相當(dāng)于金屬中的延遲斷裂，即在一定載荷作用下，材料可耐受應(yīng)力隨時(shí)間下降的現(xiàn)象；動(dòng)態(tài)疲勞是在恒定速率加載條件下研究材料斷裂失效對加載速率的敏感性。18 與金屬材料完全不同的疲勞力學(xué)特性還有：陶瓷材料常溫時(shí)，在應(yīng)力作用下不發(fā)生或很難發(fā)生塑性變形，裂紋尖端根本不存在循環(huán)應(yīng)力的疲勞效應(yīng)。因此金屬材料

8、的損傷累積及疲勞機(jī)理對陶瓷材料并不適用。 但與金屬材料相同的是：疲勞破壞也同樣經(jīng)歷了裂紋萌生、疲勞裂紋擴(kuò)展、瞬時(shí)斷裂的過程。19 疲勞裂紋多萌生于材料表面，對表面材料的缺陷或裂縫大小十分敏感。陶瓷材料疲勞裂紋的亞臨界擴(kuò)展速率對變動(dòng)載荷應(yīng)力幅不敏感，而是強(qiáng)烈依賴裂紋尖端的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子，一旦裂紋尖端應(yīng)力超過非線性形變起始點(diǎn)，材料強(qiáng)度就大幅度衰減。 此外，裂紋擴(kuò)展速率還明顯依賴于環(huán)境、材料成分、組織結(jié)構(gòu)等，其程度遠(yuǎn)比金屬材料高，擴(kuò)展的壽命過程遠(yuǎn)比金屬材料要短，并呈龜裂狀。20二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理 2.高分子聚合物的疲勞破壞機(jī)理 在拉應(yīng)力作用下，由于非晶態(tài)聚合物的表面和內(nèi)部會出現(xiàn)銀紋，因此，

9、不同結(jié)構(gòu)的聚合物疲勞破壞機(jī)理也有差異。易產(chǎn)生銀紋的非晶態(tài)聚合物的疲勞破壞過程主要決定于外加名義應(yīng)力。 高循環(huán)應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力很快便達(dá)到或超過材料銀紋的引發(fā)應(yīng)力，產(chǎn)生銀紋，并隨之轉(zhuǎn)變成裂紋，擴(kuò)展后導(dǎo)致材料疲勞破壞。21 中應(yīng)力循環(huán)時(shí)也會產(chǎn)生銀紋，并轉(zhuǎn)變成裂紋，裂紋擴(kuò)展速度比高應(yīng)力區(qū)低，但機(jī)理、過程相同； 低應(yīng)力循環(huán)時(shí)因難以引發(fā)銀紋，由材料微損傷累積及微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微孔洞及微裂紋，并導(dǎo)致宏觀破壞。 由于聚合物為粘彈性材料，具有較大面積的應(yīng)力滯后環(huán)，所以在循環(huán)過程中部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，使導(dǎo)熱性差的試樣本身溫度急劇上升，甚至高于熔點(diǎn)或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，從而產(chǎn)生熱疲勞。熱疲勞常是聚合物疲勞失效的主要原因；但是

10、，疲勞循環(huán)產(chǎn)生的熱量，有時(shí)也可以用來修補(bǔ)高分子的微結(jié)構(gòu)損傷。22二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理 3.復(fù)合材料的疲勞破壞機(jī)理 與金屬材料相比，復(fù)合材料具有良好的疲勞性能，其疲勞破壞有以下特點(diǎn)：有多種疲勞損傷形式：如界面脫粘、分層、纖維斷裂、空隙增長。復(fù)合材料不會發(fā)生瞬時(shí)的疲勞破壞。23聚合物基復(fù)合材料承受循環(huán)應(yīng)力時(shí)，因材料導(dǎo)熱性能差，又可吸收機(jī)械能變?yōu)闊崮?，且不易逸散，因此溫度明顯升高，導(dǎo)致材料性能下降，顯示出復(fù)合材料的疲勞性能對加載頻率敏感。復(fù)合材料的疲勞性能對應(yīng)變尤其是壓縮應(yīng)變特別敏感。復(fù)合材料的疲勞性能與纖維取向有關(guān)。24 5-3疲勞抗力指標(biāo) 在機(jī)械設(shè)計(jì)中，疲勞應(yīng)力判據(jù)和斷裂疲勞是疲勞設(shè)計(jì)的基

11、本依據(jù)，其中作為材料疲勞抗力指標(biāo)的疲勞強(qiáng)度、過載持久值、疲勞缺口敏感度及疲勞裂紋擴(kuò)展速率等都是材料的基本力學(xué)性能指標(biāo)。25 5-3疲勞抗力指標(biāo) 疲勞強(qiáng)度的定義：在指定疲勞壽命下，材料能承受的上限循環(huán)應(yīng)力。根據(jù)要求，指定的疲勞壽命可為無限周次也可為有限周次。 應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度有很大影響，應(yīng)根據(jù)實(shí)際循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)測定選用相應(yīng)的疲勞強(qiáng)度。材料的抗拉強(qiáng)度愈大，其疲勞強(qiáng)度也愈大。一、疲勞強(qiáng)度26 5-3疲勞抗力指標(biāo) 過去一直認(rèn)為，對于承受變動(dòng)載荷的機(jī)件按疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)是安全的。實(shí)際上，服役過程中機(jī)件不可避免要受到偶然的過載作用，如設(shè)備緊急剎車、突然起動(dòng)等；又有的機(jī)件并不要求無限壽命，常在高于疲勞強(qiáng)度的應(yīng)力下進(jìn)

12、行有限壽命服役。 顯然僅依據(jù)材料的疲勞強(qiáng)度并不能評定上述兩種情況下的材料抗疲勞性能，為此，提出過載持久值和過載損傷界的概念。二、過載持久及過載損傷界27 1.過載持久值 材料在高于疲勞強(qiáng)度的一定應(yīng)力下工作，發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán)周次稱為過載持久值，也稱為有限疲勞壽命。 過載持久值表征了材料對過載荷疲勞的抗力，該值可由疲勞曲線傾斜部分確定。曲線傾斜的愈陡直，持久值就愈高，表明材料在相同的過載條件下能經(jīng)受的應(yīng)力循環(huán)周次愈多，材料對過載荷的抗力愈高。282.過載損傷界 實(shí)際上，機(jī)件往往預(yù)先受短期過載，而以后再在正常的工作應(yīng)力下運(yùn)行。這種短期的過載對材料的性能是否產(chǎn)生影響，取決于過載應(yīng)力及過載周次。材料在過載應(yīng)力水平下只有運(yùn)轉(zhuǎn)一定的周次后，疲勞強(qiáng)度或壽命才會降低，造成過載損傷。把在每個(gè)過載應(yīng)力下運(yùn)行能引起損傷的最少循環(huán)周次連接起來就得到該材料的過載損傷界。29 5-3疲勞抗力指標(biāo) 實(shí)際機(jī)件常常帶有臺階、拐角、鍵槽、油孔、螺紋等結(jié)構(gòu)，其作用類似于缺口，造成該區(qū)域的應(yīng)力集中，因而會縮短機(jī)件疲勞壽命，降低材料疲勞強(qiáng)度。 材料在變動(dòng)應(yīng)力作用下的缺口敏感性，常用疲勞缺口敏感度qf表征，即 qf=