1、1,變動(dòng)載荷 低應(yīng)力（小于屈服強(qiáng)度） 疲勞失效約占80以上。 如何提高材料疲勞壽命 材料疲勞性能的科學(xué)研究已成為材料強(qiáng)度科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要組成部分,5 金屬的疲勞,2,1、金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn) 2、疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能 3、疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門檻值 4、疲勞過(guò)程及機(jī)理 5、影響疲勞強(qiáng)度的主要因素 6、低周疲勞,主要內(nèi)容,3,變動(dòng)載荷是指載荷的大小、方向隨時(shí)間變化的載荷，其單位面積上的平均值為變動(dòng)應(yīng)力。 變動(dòng)應(yīng)力可分為周期變動(dòng)應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）和無(wú)規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力。 生產(chǎn)中機(jī)件正常工作時(shí)，其變動(dòng)應(yīng)力多為循環(huán)應(yīng)力。,5.1.1 變動(dòng)載荷和循環(huán)應(yīng)力,5.1 金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn),4,圖 變動(dòng)

2、應(yīng)力示意圖 a)應(yīng)力大小變化 b)、c)應(yīng)力大小及方向都變化 d)應(yīng)力大小及方向無(wú)規(guī)則的變化,變動(dòng)應(yīng)力,5,循環(huán)應(yīng)力的波形有正弦波、矩形波和三角波等。 表征應(yīng)力循環(huán)特征的參量有： 最大循環(huán)應(yīng)力max，最小循環(huán)應(yīng)力min 平均應(yīng)力:m=(max+min)/2 應(yīng)力幅或應(yīng)力范圍:a=(max-min)/2 應(yīng)力比:r=min/max,循環(huán)應(yīng)力及其特征參量,6,圖 循環(huán)應(yīng)力的類型 a)、e) 交變應(yīng)力 b)、c)、d) 重復(fù)循環(huán)應(yīng)力,對(duì)稱交變應(yīng)力 m=0,r=-1,脈動(dòng)應(yīng)力 m=a0,r=0 m=aa,0r1,不對(duì)稱交變應(yīng)力 -11 b)表面層應(yīng)力/疲勞極限1.4，循環(huán)硬化； b/s0.1時(shí)，材料表

3、現(xiàn)為循環(huán)硬化或循環(huán)穩(wěn)定。,159,5.6 低周疲勞,5.6.1 低周疲勞 低周疲勞的金屬循環(huán)硬化與循環(huán)軟化 循環(huán)硬化和循環(huán)軟化現(xiàn)象與位錯(cuò)循環(huán)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。 在一些退火軟金屬中，在恒應(yīng)變幅的循環(huán)載荷下，由于位錯(cuò)往復(fù)運(yùn)動(dòng)和交互作用，產(chǎn)生了阻礙位錯(cuò)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的阻力，從而產(chǎn)生循環(huán)硬化。 在冷加工后的金屬中，充滿位錯(cuò)纏結(jié)和障礙，這些障礙在循環(huán)加載中被破壞；或在一些沉淀強(qiáng)化不穩(wěn)定的合金中。由于沉淀結(jié)構(gòu)在循環(huán)加載中校破壞均可導(dǎo)致循環(huán)軟化。,160,曼森（S.S.Manson）和柯芬（L.F.Coffin）等分析了低周疲勞的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和規(guī)律，提出了低周疲勞壽命公式：,曼森柯芬公式：,低周疲勞的應(yīng)變-壽命曲線,161,

4、5.6 低周疲勞,5.6.1 低周疲勞 低周疲勞的應(yīng)變壽命曲線,圖 應(yīng)變幅疲勞壽命曲線 1p/2-2Nf曲線 2e/2-2Nf曲線 3t/2-2Nf曲線,過(guò)渡壽命,在交點(diǎn)左側(cè)、即低周疲勞范圍內(nèi)，塑性應(yīng)變幅起主導(dǎo)作用，材料的疲勞壽命由塑性控制； 在交點(diǎn)右側(cè)，即高周疲勞范圍內(nèi)，彈性應(yīng)變幅起主導(dǎo)作用，材料的疲勞壽命由強(qiáng)度決定。,162,5.6 低周疲勞,5.6.1 低周疲勞 過(guò)渡壽命 過(guò)渡壽命也是材料的疲勞性能指標(biāo)，在設(shè)汁與選材方面具有重要意義，其值與材料性能有關(guān)。高強(qiáng)度材料過(guò)渡壽命可能少至10次；低強(qiáng)度材料則可能超過(guò)105次。一般， 提高材料強(qiáng)度，過(guò)渡壽命減??； 提高材料塑性和韌性，過(guò)渡壽命增大。

5、,163,5.6 低周疲勞,5.6.1 低周疲勞 總應(yīng)變幅與疲勞斷裂壽命的關(guān)系 曼森通過(guò)對(duì)29種金屬材料的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，總應(yīng)變幅與疲勞斷裂壽命之間存在下列關(guān)系：,上式可求得材料光滑試樣完全對(duì)稱循環(huán)下的低周疲勞壽命曲線。這種預(yù)測(cè)低周疲勞壽命的方法，稱為通用斜率法。,164,5.6 低周疲勞,5.6.2 熱疲勞 有些機(jī)件在服役過(guò)程中溫度要發(fā)生反復(fù)變化，如熱鍛模、熱軋輥及渦輪機(jī)葉片等。 機(jī)件在由溫度循環(huán)變化時(shí)產(chǎn)生的循環(huán)熱應(yīng)力及熱應(yīng)變作用下發(fā)生的疲勞，稱為熱疲勞。 若溫度循環(huán)和機(jī)械應(yīng)力循環(huán)疊加所引起的疲勞，則為熱機(jī)械疲勞。 產(chǎn)生熱應(yīng)力必須有兩個(gè)條件： 溫度變化 機(jī)械約束,165,5.6 低周疲勞,5.

6、6.2 熱疲勞 熱疲勞和熱機(jī)械疲勞 熱疲勞和熱機(jī)械疲勞破壞也是塑性應(yīng)變累積損傷的結(jié)果，基本上服從低周應(yīng)變疲勞規(guī)律。例如，柯芬研究一些材料的熱疲勞行為時(shí)發(fā)現(xiàn)塑性應(yīng)變范圍和壽命之間也存在下列關(guān)系：,溫度循環(huán)平均溫度下材料的靜拉伸真實(shí)斷裂應(yīng)變,同一溫度下的斷面收縮率,166,5.6 低周疲勞,5.6.2 熱疲勞 熱疲勞和熱機(jī)械疲勞 裂紋是沿表面熱廢變最大的區(qū)域形成。一般有幾個(gè)裂紋源，在熱循環(huán)過(guò)程中，有些裂紋發(fā)展形成主裂紋。裂紋擴(kuò)展方向垂直于表面，并向縱探擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂。 金屬材料抗熱疲勞性能、不但與材料的熱傳導(dǎo)、熱比容等熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，而且還與彈性模量、屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能，以及密度、幾何因素等有關(guān)。

7、,167,5.6 低周疲勞,5.6.3 沖擊疲勞 沖擊疲勞 沖擊疲勞是機(jī)件在重復(fù)沖擊載荷作用下的疲勞斷裂。 當(dāng)破壞前承受的沖擊次數(shù)較少時(shí)（5001000次），試樣斷裂的原因與一次沖擊相同； 當(dāng)沖擊次數(shù)N105次時(shí)，破壞后具有典型的疲勞斷口，屬于疲勞斷裂，即為沖擊疲勞。,168,5.6 低周疲勞,5.6.3 沖擊疲勞 沖擊疲勞曲線 沖擊疲勞曲線與一般疲勞曲線相似，可由沖擊疲勞曲線確定沖擊疲勞極限。材料的沖擊疲勞抗力除可用沖擊疲勞極限表示外，也可用一定沖擊能量下的沖斷周次或用要求的沖斷次數(shù)時(shí)的沖斷能量表示。直接用沖擊能量表示材料的沖擊疲勞抗力簡(jiǎn)便易行，故應(yīng)用較廣。,169,5.6 低周疲勞,5.6

8、.3 沖擊疲勞 沖擊疲勞曲線,圖 多次沖擊曲線,沖擊吸收功減少，沖斷次數(shù)增加,170,5.6 低周疲勞,5.6.3 沖擊疲勞 沖擊疲勞抗力 金屬的沖擊疲勞抗力是一個(gè)取決于強(qiáng)度和塑性的綜合力學(xué)性能，它有如下一些特點(diǎn)： 1、在沖擊能量高時(shí)，材料的沖擊疲勞抗力主要取決于塑性；沖擊能量低時(shí)，沖擊疲勞抗力則主要取決于強(qiáng)度。,171,5.6 低周疲勞,5.6.3 沖擊疲勞 沖擊疲勞抗力 2、淬火回火鋼的沖擊疲勞抗力隨回火溫度不同不是單調(diào)變化的，與常規(guī)單一力學(xué)性能指標(biāo)之間也不存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，而是在某溫度下有一個(gè)峰值，該峰值隨沖擊能量增加向高溫方向移動(dòng)。,圖 40鋼沖擊疲勞強(qiáng)度、常規(guī)力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系,1

9、72,5.6 低周疲勞,5.6.3 沖擊疲勞 沖擊疲勞抗力 3、沖擊韌度的影響，因材料強(qiáng)度不同而異。高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的塑性和沖擊韌度對(duì)提高沖擊疲勞抗力有較大作用；中、低強(qiáng)度鋼的塑性和沖擊韌度對(duì)提高沖擊疲勞抗力作用不大。 這是因?yàn)閺?qiáng)度水平高、沖擊韌度比較低，適當(dāng)提高一些韌性對(duì)提高沖擊疲勞抗力的影響比較突出；而中、低強(qiáng)度鋼的沖擊韌度已經(jīng)比較高，再增加值對(duì)提高沖擊疲勞抗力影響不大。,173,用光滑試樣低周疲勞試驗(yàn)結(jié)果來(lái)估算缺口機(jī)件的疲勞壽命。 如果光滑試樣和缺口機(jī)件缺口根部區(qū)經(jīng)受相同的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變歷程，則形成同樣累積損傷所需的加載循環(huán)周次應(yīng)該相同。根據(jù)這一假設(shè)提出的估算缺口機(jī)件疲勞壽命的方法，稱

10、為局部應(yīng)變法。它是將缺口根部區(qū)局部的應(yīng)力應(yīng)變與機(jī)件所受名義應(yīng)力應(yīng)變聯(lián)系起來(lái)，以估算疲勞壽命的方法。,5.6.4 缺口機(jī)件疲勞壽命估算,174,5.6 低周疲勞,5.6.4 缺口機(jī)件疲勞壽命估算 步驟 這種方法分兩個(gè)步驟： 一是根據(jù)缺口機(jī)件所受名義應(yīng)力確定缺口根部區(qū)局部的應(yīng)力和應(yīng)變； 二是由局部應(yīng)力和應(yīng)變估算疲勞壽命。,175,5.6 低周疲勞,5.6.4 缺口機(jī)件疲勞壽命估算 第一步 Neuber規(guī)則認(rèn)為，在缺口根部區(qū)處于彈塑性狀態(tài)時(shí)，理論應(yīng)力集中系數(shù)Kt等于實(shí)際應(yīng)力集中系數(shù)K和實(shí)際應(yīng)變集中系數(shù)K的幾何平均值，并且可以推廣應(yīng)用于低周疲勞，即,176,5.6 低周疲勞,5.6.4 缺口機(jī)件疲勞壽命估算 第一步,如果缺口根部區(qū)處于彈性狀態(tài),名恒定時(shí)，為等軸雙曲線,由Neuber規(guī)則確定的局部應(yīng)力范圍和應(yīng)變范圍呈雙曲線變化。,177,5.6 低周疲勞,5.6.4 缺口機(jī)件疲勞壽命估算 第一步 當(dāng)材料給定時(shí)，材料就有確定的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線。由于缺口根部區(qū)的局部應(yīng)力應(yīng)變必須與材料的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變行為一致。所以兩條曲線的交點(diǎn)決定的應(yīng)力和應(yīng)變就是機(jī)件缺口根部區(qū)的局部應(yīng)力和應(yīng)變。,178,5.6 低周疲勞,5.6.4 缺口機(jī)件疲勞壽命估算 第二步 根據(jù)所得的局部應(yīng)變范圍，從光滑試樣測(cè)得的材料t/22Nf曲線上，就可以求得估算的缺口機(jī)件疲勞壽命。如果局部應(yīng)變范圍較低，也可以用