1、5.1 疲勞特點,一、疲勞及分類,1、定義,金屬機件或構(gòu)件在變動應(yīng)力和應(yīng)變長期作用下，由于累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞。,2、分類,應(yīng)力大?。?高周疲勞：high cycle fatigue，應(yīng)力低，疲勞壽命Nf106cycles,低周疲勞：low cycle fatigue，應(yīng)力大，接近甚至超過s疲勞壽命Nf105cycles,5.1 疲勞特點,應(yīng)力狀態(tài)：,彎曲疲勞,扭轉(zhuǎn)疲勞,拉壓疲勞,復(fù)合疲勞,環(huán)境：,大氣疲勞,腐蝕疲勞,高溫疲勞,熱疲勞,接觸疲勞,5.1 疲勞特點,二、特點,疲勞是低應(yīng)力循環(huán)延時斷裂，即具有壽命的斷裂. 應(yīng)力壽命. 斷裂應(yīng)力水平往往低于材料抗拉強度，甚至屈服強度。在名

2、義應(yīng)力不高的情況下，由缺陷處局部應(yīng)力集中而形成裂紋，隨著加載循環(huán)的增長，裂紋不斷擴展，直至剩余截面不能再承擔負荷而突然斷裂。實際構(gòu)件的疲勞破壞過程總可以分裂紋萌生、裂紋擴展和最終斷裂三個組成部分。 疲勞是脆性斷裂，在靜載下無論顯示脆性與否，在疲勞斷裂時都不會產(chǎn)生明顯的塑性變形，而斷裂卻常常是突發(fā)性的，沒有預(yù)兆。是在長期累積損傷過程中，經(jīng)裂紋的萌生和緩慢亞穩(wěn)擴展到臨界尺寸時才突然發(fā)生的，因此，疲勞是一種潛在的突發(fā)性脆性斷裂 疲勞對缺陷（缺口、裂紋及組織缺陷）十分敏感 增大對材料的損傷，降低材料的局部強度,5.1 疲勞特點,三、交變載荷,載荷大小，甚至方向都隨時間變化的載荷。,變動載荷,周期變動,

3、無規(guī)則隨機變動,5.1 疲勞特點,對稱交變應(yīng)力,脈動應(yīng)力,波動應(yīng)力,不對稱交變應(yīng)力,循環(huán)應(yīng)力,r0: 方向不變 r0, r=0 (圖b) , 齒輪齒根的循環(huán)彎曲應(yīng)力；軸承的循環(huán)脈動壓應(yīng)力，m= -a0, r=- (圖c), 不對稱交變應(yīng)力 ra, 0r1 (圖d) , 如發(fā)動機缸蓋螺栓的循環(huán)應(yīng)力,5.1 疲勞特點,5.2 疲勞S-N曲線及疲勞極限,一、S(疲勞應(yīng)力)-N(疲勞壽命)曲線,循環(huán)基數(shù)N0通常取108周次或107周次,無水平段曲線(如高強鋼、有色金屬): 根據(jù)材料的使用要求規(guī)定某一循環(huán)周次下不發(fā)生斷裂的應(yīng)力作為有限壽命/條件疲勞極限,有水平段的疲勞曲線(如中、低強度鋼)：試樣可以經(jīng)無

4、限次應(yīng)力循環(huán)也不發(fā)生疲勞斷裂，對應(yīng)的此應(yīng)力稱為疲勞極限，記為-1(對稱循環(huán)，r=-1),火車車軸受力,5.2 疲勞S-N曲線及疲勞極限,二、S-N曲線的測試方法,1、試樣：圓截面，直徑為10mm,2、方法：測試方法：四點彎曲試驗 測試設(shè)備：旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機,同一批試樣試驗速度要相同,平穩(wěn)而無沖擊的將力加載到規(guī)定值 試驗一直進行到試樣失效或達規(guī)定循環(huán)次數(shù)時終止,失效：試樣出現(xiàn)肉眼可見疲勞裂紋或完全斷裂。,5.2 疲勞S-N曲線及疲勞極限,升降法測條件疲勞極限-1(低應(yīng)力) 成組試驗法測定高應(yīng)力部分,試驗方法,數(shù)據(jù)整理，擬 合成疲勞曲線, 成組試驗法測高應(yīng)力段,取34級較高應(yīng)力水平，每級水平下，

5、測5根左右試樣計算中值疲勞壽命,。,。,逐步減小,5.2 疲勞S-N曲線及疲勞極限, 升降法測疲勞極限-1 有效試樣13根以上；一般取35級應(yīng)力水平，每級應(yīng)力增量一般為3%5%,第一根應(yīng)略高于-1估計值 若無法預(yù)計，則一般材料取(0.450.50) b，高強度鋼取(0.300.40) b。根據(jù)上一根試樣結(jié)果，確定下一根試樣的應(yīng)力水平，直至完成全部試驗。 破壞(107周次循環(huán)斷裂)降低應(yīng)力，通過升高應(yīng)力,1，107未斷 1 1)，107斷； 內(nèi)插 1 3-1) 作用下，形成的永留或再現(xiàn)的循環(huán)滑移帶(極不均勻的，集中于局部薄弱區(qū)域), 稱為駐留滑移帶。,循環(huán)次數(shù),駐留滑移帶加寬; 加寬至一定程度，

6、形成微裂紋,5.4 疲勞過程及機理,特征： 1）駐留滑移帶一般只在表面形成，深度較淺，隨循環(huán)次數(shù)的增加，會不斷地加寬 2）駐留滑移帶在表面加寬過程中，會出現(xiàn)擠出脊和侵入溝，在這些地方引起應(yīng)力集中，引發(fā)微裂紋,(2) 擠出脊和侵入溝,滑移帶在表面加寬過程中，還會形成擠出脊和侵入溝。,循環(huán)次數(shù) ，擠出脊高度，,侵入溝深度 (柯垂耳-赫爾模型),從滑移帶開裂萌生裂紋機理可知：只要能提高材料的滑移抗力(如固溶、細晶等)，均可阻止疲勞裂紋萌生，提高疲勞強度。,5.4 疲勞過程及機理,2. 相界面開裂產(chǎn)生裂紋,兩相(第二相、夾雜物和基體)間的結(jié)合力差,各相的形變速率不同, 易在相界面或弱相內(nèi)出現(xiàn)開裂。,從

7、相界面萌生裂紋機理可知： 只要能降低第二相或夾雜物的脆性，提高相界面強度 控制第二相或夾雜物的數(shù)量、形態(tài)、大小和分布，使之“小、少、勻、圓” 均可抑制或延緩疲勞裂紋在第二相或夾雜附近萌生，提高疲勞強度。,5.4 疲勞過程及機理,3. 晶界開裂產(chǎn)生裂紋,位錯運動在晶界處易發(fā)生塞積，出現(xiàn)應(yīng)力集中易在晶界處產(chǎn)生裂紋。 循環(huán)次數(shù),應(yīng)力集中得不到松馳，應(yīng)力峰,從晶界萌生裂紋機理可知：凡使晶界弱化和晶粒粗化的因素，均易產(chǎn)生晶界裂紋，降低疲勞強度,凡使晶界強化、凈化和細化晶粒的因素，均能抵制晶界裂紋形成，提高疲勞強度。,5.4 疲勞過程及機理,二、疲勞裂紋擴展過程及機理,電鏡觀察時，第二階段的微觀斷口特征：

8、略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣，稱為疲勞條帶 每一條帶就是一次應(yīng)力循環(huán)的擴展痕跡，擴展方向與條帶垂直,疲勞微裂紋萌生后即進入裂紋擴展階段。根據(jù)裂紋擴展方向，裂紋擴展可分為兩個階段： 第一階段：沿主滑移系，以純剪切方式向內(nèi)擴展；擴展速率僅10-7mm/次 第二階段：對應(yīng)da/dN的II區(qū)，疲勞裂紋亞穩(wěn)擴展的主要階段。 晶界的阻礙作用，使裂紋擴展方向逐漸垂直于主應(yīng)力方向；擴展速率10-510-2mm/次； 可以穿晶擴展。,5.4 疲勞過程及機理,疲勞條帶是疲勞斷口最典型的微觀特征,滑移系多的FCC金屬(鋁合金、銅合金 奧氏體不銹鋼等)疲勞條帶明顯。,滑移系少的低塑性鋼鐵材料的疲勞條 帶短窄而紊亂，不

9、易甚至不能觀察到,疲勞條帶是疲勞斷口的微觀特征 貝紋線是疲勞斷口的宏觀特征，是由于循環(huán)加載條件的變化而形成的。若在電鏡下觀察貝紋線，可以看出它是由許多疲勞條帶組成的。,5.4 疲勞過程及機理,5.5 影響疲勞強度的主要因素,疲勞斷裂一般是從機件表面應(yīng)力集中處或材料缺陷處發(fā)生的，或者是從二者結(jié)合處發(fā)生的。,材料和機件的疲勞強度不僅與材料成分、組織結(jié)構(gòu)及夾雜物有關(guān)，而且還受載荷條件、工作環(huán)境及加工處理條件的影響。,5.5 影響疲勞強度的主要因素,一、材料成分及組織的影響 疲勞強度也是對材料組織結(jié)構(gòu)敏感的力學性能 1.合金成分 決定組織結(jié)構(gòu)的基本要素 碳是影響疲勞強度的重要元素 其它合金元素通過提高

10、鋼的淬透性和強韌性來影響疲勞強度 2.顯微組織 晶粒大小 細化晶?？商岣卟牧系钠趶姸?金相組織 殘余奧氏體含量淬火態(tài)材料的疲勞強度 結(jié)構(gòu)鋼疲勞強度：淬火-回火組織(粒狀K) 正火組織(片狀K) 不同回火處理疲勞強度：回火馬氏體回火屈氏體回火索氏體,5.5 影響疲勞強度的主要因素,冶煉時形成的非金屬夾雜物是萌生疲勞裂紋的發(fā)源地之一,減少夾雜物的數(shù)量和尺寸都能有效地提高疲勞強度，方式有：,采用真空冶煉和真空澆注，最大限度地減少和控制夾雜物,改變夾雜物與基體間的界面結(jié)合性質(zhì)來改變疲勞強度,3.非金屬夾雜物及冶金缺陷,合金在冶煉、軋制、鍛造、焊接及熱處理過程中帶來的氣孔、縮孔、疏松、偏析、裂紋、過熱

11、、過燒等冶金缺陷均會嚴重降低機件的疲勞強度,5.5 影響疲勞強度的主要因素,二、表面狀態(tài)的影響,1. 應(yīng)力集中,機件表面的缺口應(yīng)力集中，常是引起疲勞破壞的主要原因,選用較小疲勞缺口敏感度qf材料，或增大缺口根部圓弧半徑,2. 表面粗糙度,表面粗糙度, -1； 表面粗糙度, -1,材料強度，表面粗糙度對疲勞極限的影響愈顯著,表面加工方法不同，所得到的粗糙度不同, -1不同。,表面粗糙度, 過載持久值, 有限疲勞壽命,5.5 影響疲勞強度的主要因素,三、殘余應(yīng)力及表面強化的影響,殘余應(yīng)力+外加應(yīng)力總應(yīng)力；殘余壓應(yīng)力(-)， 總應(yīng)力減小，殘余拉應(yīng)力(+) ，總應(yīng)力增大,機件表面殘余壓應(yīng)力狀態(tài)對疲勞強

12、度有顯著影響,殘余壓應(yīng)力提高疲勞強度 殘余拉應(yīng)力降低疲勞強度,殘余壓應(yīng)力顯著提高缺口試樣或機件的疲勞強度,原因：殘余壓應(yīng)力在缺口處集中，有效降低缺口根部的拉應(yīng)力峰值,表面強化處理可在機件表面產(chǎn)生有利的殘余壓應(yīng)力，同時還能提高機件表面的強度和硬度。因此，可以提高疲勞強度,5.5 影響疲勞強度的主要因素,外-1,表面層內(nèi)會產(chǎn)生疲勞裂紋,表面層疲勞極限,表面強化處理形成表面強化層后：表面層疲勞極限提高 表面殘余壓應(yīng)力使表面層總應(yīng)力降低 表面層的總應(yīng)力低于強化層的疲勞極限，因而不會發(fā)生疲勞斷裂,表面強化處理提高疲勞強度的機理,5.5 影響疲勞強度的主要因素,噴丸層深度是表面裂紋長度的3-5倍時效果較好

13、,低周疲勞：金屬在循環(huán)載荷作用下，疲勞壽命為,102105次的疲勞斷裂。,一、低周疲勞,低周疲勞時，名義應(yīng)力低于材料s，但在實際機件缺口根部因應(yīng)力集中卻能產(chǎn)生塑性變形，且該變形是受周圍彈性體約束的。,機件或構(gòu)件受循環(huán)應(yīng)力作用,而缺口根部受循環(huán)塑性應(yīng)變作用疲勞裂紋總是在缺口根部形成,因此，此類疲勞也稱塑性疲勞或應(yīng)變疲勞,5.6 低周疲勞,5.6 低周疲勞, 因應(yīng)力高，低周疲勞破壞有幾個裂 紋源。疲勞條帶較粗，且間距較寬 低周疲勞壽命決定于塑性應(yīng)變幅,低周疲勞的特點 低周疲勞時，因局部區(qū)域產(chǎn)生宏觀塑性變形，使循環(huán)應(yīng)力與應(yīng)變之間不再呈直線關(guān)系，形成滯后回線。 經(jīng)過一定周次后，達到穩(wěn)定狀態(tài)滯后回線 低

14、周疲勞試驗時，在給定的t或 p下測定疲勞壽命。 試驗結(jié)果用t/2 -2Nf或p/2-2Nf曲線以描述低周疲勞規(guī)律，t/2和p/2分別為總應(yīng)變幅和塑性應(yīng)變幅,t總應(yīng)變范圍,p塑性應(yīng)變范圍 e彈性應(yīng)變范圍 t = p+ e,5.6 低周疲勞,2.低周疲勞的金屬循環(huán)硬化與循環(huán)軟化 經(jīng)過一定周次后才形成封閉滯后回線（穩(wěn)定狀態(tài)） 金屬材料在循環(huán)開始狀態(tài)變成穩(wěn)定狀態(tài)過程中其在循環(huán)應(yīng) 變作用下形變抗力會發(fā)生變化，兩種情況： 若金屬材料在恒定應(yīng)變幅(t或p)循環(huán)作用下，隨循環(huán)周次增加其應(yīng)力(形變抗力)不斷增加，即為循環(huán)硬化 若在循環(huán)過程中，應(yīng)力逐漸減小，則為循環(huán)軟化,低周疲勞初期的-t曲線與-曲線 a)循環(huán)硬

15、化 b)循環(huán)軟化,a),b),5.6 低周疲勞,無論是循環(huán)硬化材料還是循環(huán)軟化材料， 對于每一個固定的應(yīng)變范圍，經(jīng)一定循環(huán)周次后，都能得到相應(yīng)的穩(wěn)定滯后回線 將不同應(yīng)變范圍的穩(wěn)定滯后回線的頂點連接起來，即為循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線,對比循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線與單次應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可判斷循環(huán)應(yīng)變對材料性能的影響 循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線高于單次應(yīng)力-應(yīng)變曲線，則是循環(huán)硬化 循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線低于單次應(yīng)力-應(yīng)變曲線，則是循環(huán)軟化,循環(huán)軟化,5.6 低周疲勞,循環(huán)軟化的危害,用循環(huán)軟化材料制作的機件，在承受大應(yīng)變循環(huán)使用 過程中，材料的形變抗力下降，導(dǎo)致工件產(chǎn)生過量的 塑性變形而失效,承受低周大應(yīng)變的機件，應(yīng)選用循

16、環(huán)穩(wěn)定或循環(huán)硬化 型材料,金屬材料產(chǎn)生循環(huán)硬化還是循環(huán)軟化取決于材料的初 始狀態(tài)、工件結(jié)構(gòu)特性及應(yīng)變幅、溫度等。,b/s1.4時，表現(xiàn)為循環(huán)硬化 b/s1.2時，表現(xiàn)為循環(huán)軟化,1.2 b/s1.4時，傾向不定，一般為循環(huán)穩(wěn)定,微觀機理：與位錯的循環(huán)運動有關(guān),5.6 低周疲勞,三、低周沖擊疲勞,沖擊疲勞：機件在重復(fù)沖擊載荷作用下的疲勞斷裂斷裂周次Nf105次時為低周沖擊疲勞,航空、軍械和鍛壓設(shè)備中的許多機件，eg.飛機起落架、炮身及鍛模等是在多次沖擊載荷下工作常因低周沖擊疲勞而失效,常用試驗方法：落錘式多次沖擊試驗(多沖試驗),多沖彎曲、多沖拉伸及多沖壓縮,錘頭以一定的沖擊能量重復(fù)沖擊試樣，直

17、至某一周 次試樣疲勞斷裂或開裂,將不同沖擊能量下的斷裂周次繪成多次沖擊曲線， 即沖擊功A-斷裂周次N曲線(多沖曲線),5.6 低周疲勞,從A-lgN多沖曲線可以看出 隨沖擊能量A減小，斷裂周 次N增加,低周沖擊疲勞強度可用一定 沖擊能量下的斷裂周次或用 要求的斷裂周次時的沖擊能 量表示。,5.6 低周疲勞,金屬的沖擊疲勞強度是一個取決于強度和塑性的綜合,力學性能：,沖擊能量高時，材料的沖擊疲勞強度主要取決于塑 性(塑性高的壽命長),沖擊能量低時，沖擊疲勞強度則主要取決于強度 (強度高的壽命長) 。,不同的沖擊能量要求不同的強度與塑性配合,工程上，對于承受多次小能量沖擊載荷作用的機件，在 選材或制訂工藝時應(yīng)盡量考慮強度的作用，而不必過高 追求塑性,5.6 低周疲勞,四、熱疲勞 熱疲勞：機件在由溫度循環(huán)變化時產(chǎn)生的循環(huán)熱應(yīng)力及熱 應(yīng)變作用下發(fā)生的疲勞 熱機械疲勞：若溫度循環(huán)和機械應(yīng)力循環(huán)疊加所引起的疲 勞。 熱疲勞屬低周疲勞（周期短；明顯塑性變形