關于材料的疲勞性能第1頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月1850-1860,W?hler先生用試驗方法研究了車軸的斷裂事故，提出了應力-壽命圖（S-N)和疲勞極限概念。1870-1890，Gerber研究了平均應力對壽命的影響，Goodman提出了完整的平均應力影響理論。突破了疲勞只與載荷幅值有關的理論界限。1920-Griffith用能量法研究了含裂紋體的有關材料強度理論，初步奠定了事隔20年后由Irwin發(fā)展起來的斷裂力學理論基礎。1945年由Miner提出的線性累計損傷理論問世；1960年，Manson-Coffin提出了塑性應變與疲勞壽命的關系；1961年Paris提出了疲勞裂紋擴展速率的概念。1974年美國軍方采用了損傷容損設計方法；目前，材料的疲勞研究方興未艾，斷裂力學、損傷力學和材料物理學結合，已從宏觀、細觀和微觀領域對疲勞問題進行著廣泛的研究。前言第2頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月材料的疲勞問題研究從近150多年開始一直受到人們的關注，原因之一就是工程中的零件或構件的破壞80%以上是由于疲勞引起。前言疲勞破壞表現(xiàn)的形式：機械疲勞—外加應力/應變波動造成的。蠕變疲勞—循環(huán)載荷與高溫聯(lián)合作用下的疲勞。熱機械疲勞—循環(huán)受載部件的溫度變動時材料的疲勞。腐蝕疲勞、接觸疲勞、微動疲勞、電致疲勞等等。第3頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月前言1、變動載荷→疲勞斷裂。前言2、研究疲勞的一般規(guī)律、疲勞破壞過程及機理、疲勞力學性能及其影響因素等。第4頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第五章材料的疲勞性能§5.1疲勞破壞的一般規(guī)律§5.2疲勞破壞的機理（簡述）§5.3疲勞抗力指標§5.4影響材料及機件疲勞強度的因素(自學)§5.5熱疲勞(自學)第5頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.1疲勞破壞的一般規(guī)律一、疲勞破壞的變動應力二、疲勞破壞的概念和特點三、疲勞斷口的宏觀特征第6頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月一、疲勞破壞的變動應力1、疲勞：變動載荷和應變→長期作用→累積損傷→斷裂。2、變動載荷：載荷大小，甚至方向隨時間而變化的載荷。3、變動應力：變動載荷在單位面積上的平均值。4、變動應力分類：

規(guī)則周期變動應力(或稱循環(huán)應力)；無規(guī)則隨機變動應力。5、循環(huán)應力：周期性變化的應力。有正弦波、矩形波和三角波等。最常見的為正弦波。第7頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月一、疲勞破壞的變動應力6、表征應力循環(huán)特征的參量①最大循環(huán)應力σmax，最小循環(huán)應力σmin；②平均應力

σm＝(σmax+σmin)/2；③應力幅σα或應力范圍Δσ：

σα=Δσ/2=(σmax-σmin)/2；④應力比

r＝σmin/σmax。⑤載荷譜：載荷-時間歷程曲線第8頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月一、疲勞破壞的變動應力7、循環(huán)應力類型：

(1)對稱循環(huán)：

σm＝0，r＝-1。

(2)不對稱循環(huán)：

σm≠0，-1<r<1。

(3)脈動循環(huán)：

σm＝σα>0，r＝0

或σm＝σα<0，r＝∞。

(4)波動循環(huán)（重復載荷）：

σm>σα，0＜r＜1。

(5)隨機變動應力：循環(huán)應力呈隨機變化。第9頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月二、疲勞破壞的概念和特點1、疲勞破壞的概念：(1)疲勞的破壞過程：變動應力→薄弱區(qū)域的組織→逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開裂→裂紋擴展→突然斷裂。(2)疲勞破壞：循環(huán)應力引起的延時斷裂，其斷裂應力水平往往低于材料的抗拉強度，甚至低于其屈服強度。(3)疲勞壽命：機件疲勞失效前的工作時間。(4)疲勞斷裂：經歷了裂紋萌生和擴展過程。斷口上顯示出疲勞源、疲勞裂紋擴展區(qū)與瞬時斷裂區(qū)的特征。第10頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月二、疲勞破壞的概念和特點2．疲勞破壞的特點：

(1)一種潛藏的突發(fā)性破壞，呈脆性斷裂。

(2)疲勞破壞屬低應力循環(huán)延時斷裂。

(3)對缺陷具有高度的選擇性。

(4)可按不同方法對疲勞形式分類。按應力狀態(tài)分，有彎曲疲勞、扭轉疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞及復合疲勞。按應力高低和斷裂壽命分，有高周疲勞(低應力疲勞，σ＜σs)和低周疲勞(高應力疲勞或應變疲勞)。第11頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月三、疲勞斷口的宏觀特征1、典型疲勞斷口具有3個特征區(qū)

—疲勞源、疲勞裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū)。2、疲勞源：(1)多出現(xiàn)在機件表面，常和缺口、裂紋等缺陷及內部冶金缺陷(夾雜、白點等)有關。(2)疲勞源區(qū)比較光亮，該區(qū)表面硬度有所提高。(3)疲勞源可以是一個，也可以是多個。第12頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月三、疲勞斷口的宏觀特征3、疲勞區(qū)：(1)斷口較光滑并分布有貝紋線(或海灘花樣)，有時還有裂紋擴展臺階。(2)斷口光滑是疲勞源區(qū)的延續(xù)，其程度隨裂紋向前擴展逐漸減弱；(3)貝紋線是疲勞區(qū)的最典型特征，一般認為是因載荷變動引起的。每組貝紋線好像一簇以疲勞源為圓心的平行弧線，凹側指向疲勞源，凸側指向裂紋擴展方向。第13頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月三、疲勞斷口的宏觀特征4、瞬斷區(qū)：(1)KⅠ≥KⅠc時，裂紋就失穩(wěn)快速擴展，導致機件瞬時斷裂．斷口粗糙，脆性斷口呈結晶狀；韌性斷口，在心部平面應變區(qū)呈放射狀或人字紋狀，邊緣平面應力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在。

(2)瞬斷區(qū)一般應在疲勞源對側。第14頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第15頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.2疲勞破壞的機理一、金屬材料疲勞破壞機理二、非金屬材料疲勞破壞機理（自學）第16頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月一、金屬材料疲勞破壞機理分為三個主要階段：1、疲勞裂紋形成，2、疲勞裂紋擴展，3、當裂紋擴展達到臨界尺寸時，發(fā)生最終的斷裂。第17頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月1、疲勞微裂紋的形成疲勞微裂紋由不均勻滑移和顯微開裂引起。①表面滑移帶開裂；第二相、夾雜物與基體相界面或夾雜物本身斷裂；晶界或亞晶界處開裂。②在環(huán)載荷作用下,即使循環(huán)應力不超過屈服強度，也會在試件表面形成滑移帶,稱為循環(huán)滑移帶。③拉伸時形成的滑移帶分布較均勻，而循環(huán)滑移帶則集中于某些局部區(qū)域。而且在循環(huán)滑移帶中會出現(xiàn)擠出與擠入，從而在試件表面形成微觀切口。第18頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月循環(huán)滑移帶的持久性：疲勞的初期，出現(xiàn)滑移帶。隨著循環(huán)數的增加，滑移帶增加。除去滑移帶，重新循環(huán)加載，滑移帶又在原處再現(xiàn)。這種滑移帶稱為持久滑移帶(PersistSlipBand)。在持久滑移帶中出現(xiàn)疲勞裂紋。形成的微裂紋在循環(huán)加載時將繼續(xù)長大。當微裂紋頂端接近晶界時，其長大速率減小甚至停止長大。這必然是因為相鄰晶粒內滑移系的取向不同。微裂紋只有穿過晶界，才能與相鄰晶粒內的微裂紋聯(lián)接，或向相鄰晶粒內擴展，以形成宏觀尺度的疲勞裂紋。因為晶界有阻礙微裂紋長大和聯(lián)接的作用，因而有利于延長疲勞裂紋形成壽命和疲勞壽命。表面滑移帶開裂第19頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月較大的夾雜物或第二相，會由于夾雜物與基體界面開裂而形成微裂紋。第二相在循環(huán)加載，會形成沿晶裂紋。

1、疲勞微裂紋的形成第20頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月2、疲勞裂紋的擴展疲勞裂紋擴展可分為兩個階段：第I階段，裂紋沿著最大切應力方向向內擴展，即在切應力最大的滑移面內擴展。第I階段裂紋擴展的距離一般都很小，約為2－3個晶粒。第II階段，裂紋沿垂直拉應力方向向前擴展形成。在電子顯微鏡下可顯示出疲勞條帶。疲勞帶是每次循環(huán)加載形成的。第21頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.3疲勞抗力指標一、疲勞試驗方法二、疲勞強度三、過載持久值四、疲勞缺口敏感度五、疲勞裂紋擴展速率及擴展門檻值疲勞應力判據疲勞斷裂判據第22頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.3疲勞抗力指標按應力狀態(tài)分，有彎曲疲勞、扭轉疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞及復合疲勞。第23頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月一、疲勞試驗方法1、旋轉彎曲疲勞試驗：(1)四點彎曲，對稱循環(huán)(σm＝0，r＝-1)。(2)測定方法：①試樣（若干），旋轉彎曲疲勞試驗機；②選擇最大循環(huán)應力σmax

(0.67σb～0.4σb)

（σ1，σ2，σ3…～σn

）；③對每個試樣進行循環(huán)加載試驗直至斷裂；④測定應力循環(huán)數N；

(σ1,N1),(σ2,N2)…⑤繪制σ(σmax)-N(lgN)曲線。第24頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月一、疲勞試驗方法2、疲勞曲線S-N曲線其他不對稱循環(huán)應力也可作出相應的疲勞曲線，它們統(tǒng)稱為S-N曲線，第25頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月一、疲勞試驗方法3、金屬材料疲勞曲線類型：

一類有水平線→σr；

(材料的疲勞強度)

疲勞應力判據：

σ≤σr

一類無水平線→條件疲勞強度。第26頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月二、疲勞強度定義：在指定疲勞壽命下，材料能承受的上限循環(huán)應力。1、對稱循環(huán)(r=-1)疲勞強度彎曲(σ-1)、扭轉(τ-1)、拉壓(σ-1p)等。第27頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月二、疲勞強度2、不對稱循環(huán)(-1<r<1)疲勞強度(1)脆性材料σmax(σmin)-σm疲勞圖:①AHB曲線就是在不同應力比r下的σmax值；

AEC在不同應力比r下的σmin值；

AO在不同應力比r下的σm值。②AHB曲線上各點σmax值即表示由-1<r<1各狀態(tài)下的疲勞強度。其r值與AHB線上任一點與原點O的連線與橫坐標夾角α存在以下關系：③r→tanα→α→σmax。第28頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月二、疲勞強度(2)塑性材料σmax(σmin)-σm疲勞圖：第29頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月二、疲勞強度3、不同應力狀態(tài)下的疲勞強度：

(1)同種材料→不同應力狀態(tài)→應力—壽命曲線不同→疲勞強度也不相同。

(2)經驗關系式：鋼：σ-1p=0.85σ-1

鑄鐵：σ-1p=0.65σ-1鋼及輕合金：τ-1=0.55σ-1

鑄鐵：τ-1=0.80σ-1(3)同種材料：

σ-1>σ-1p>τ-1。第30頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月二、疲勞強度4、疲勞強度與靜強度間關系：材料的抗拉強度愈大,其疲勞強度也愈大。第31頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月三、過載持久值及過載損傷界過載分類：長久過載(σ>σ-1)→有限壽命服役；偶然過載。1、過載持久值(長久過載、有限疲勞壽命)：

(1)材料在高于疲勞強度的一定應力(σ>σ-1)下工作，發(fā)生疲勞斷裂的應力循環(huán)周次。

(2)由疲勞曲線傾斜部分確定。

(3)材料耐久強度：即過載應力。第32頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月三、過載持久值及過載損傷界2、過載損傷界（偶然過載）

(1)過載損傷界:

短期過載對材料性能的影響，取決于過載應力及過載周次。實驗證明，材料在過載應力水平下只有運轉一定周次后，疲勞強度或疲勞壽命才會降低，造成過載損傷。把在每個過載應力下運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．(2)過載損傷區(qū)：過載損傷界到疲勞曲線間的影線區(qū)。

(3)材料的過載損傷界越陡直，損傷區(qū)愈窄，則其抵抗疲勞過載能力就愈強。第33頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月四、疲勞缺口敏感度qf

qf=(Kf-1)/(Kt-1)Kt理論應力集中系數；

Kf為疲勞缺口系數；Kf=σ-1/σ-1N；

0<qf<1;qf隨材料強度增高而增大。第34頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月五、疲勞裂紋擴展速率及擴展門檻值1、疲勞裂紋擴展速率(da/dN):

疲勞裂紋亞穩(wěn)擴展階段的速率。針對疲勞過程的第Ⅱ階段。(3)固定r及Δσ；

(4)一定的N對應一定的a，直到斷裂；（N，a）

(5)N-a曲線2、裂紋長度a和循環(huán)周次N的關系曲線：

(1)試樣（TPB或CCT或CT）；

(2)疲勞裂紋長度測量裝置；第35頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月五、疲勞裂紋擴展速率及擴展門檻值3、疲勞裂紋擴展速率：

da/dN4、應力強度因子幅(ΔKⅠ)：

ΔKⅠ=Kmax-Kmin

=Yσmax√a-Yσmin√a=YΔσ√a5、da/dN-ΔKⅠ（lgda/dN-lgΔKⅠ）將a-N曲線上各點的da／dN

值用圖解微分法或遞增多項式計算法計算出來;

利用應力強度因子幅(ΔKⅠ)公式將相應各點的ΔKⅠ值求出，在雙對數坐標系上描點連接即得

lgda/dN-lgΔKⅠ曲線。第36頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月五、疲