1、第五章 金屬的疲勞,第一節(jié) 金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn) 第二節(jié) 疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能 第三節(jié) 疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門檻值 第四節(jié) 疲勞過(guò)程及機(jī)理 第五節(jié) 影響疲勞強(qiáng)度的因素 第六節(jié) 低周疲勞,第一節(jié) 金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn),一、變動(dòng)載荷和循環(huán)應(yīng)力 1、變動(dòng)載荷和變動(dòng)應(yīng)力 變動(dòng)載荷：載荷大小、甚至方向均隨時(shí)間變化的載荷。 變動(dòng)應(yīng)力：變動(dòng)載荷在單位面積上的平均值。分規(guī)則周期變動(dòng)應(yīng)力和無(wú)規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力兩種。 2、循環(huán)應(yīng)力 規(guī)則周期性變化的應(yīng)力稱循環(huán)應(yīng)力，表征應(yīng)力循環(huán)特征的幾個(gè) 參量： 最大應(yīng)力 max 最小應(yīng)力 min 平均應(yīng)力 m=（max+min）/2 應(yīng)力幅 a=（maxmin）/2 應(yīng)力比 r

2、=,常見(jiàn)的循環(huán)應(yīng)力,（1）對(duì)稱交變應(yīng)力： m=0 r = -1 （2）脈動(dòng)應(yīng)力：m=a0, r = 0 或m=aa 0r1 （4）不對(duì)稱交變應(yīng)力： -1r0,二、疲勞破壞的概念及特點(diǎn),1、疲勞的定義 金屬機(jī)件或構(gòu)件在變動(dòng)載荷和應(yīng)變長(zhǎng)期作用下，由于累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞。 2、疲勞的分類 （1）按應(yīng)力狀態(tài)不同分類 彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、復(fù)合疲勞等。 （2）按環(huán)境和接觸情況不同分類 大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、接觸疲勞、熱疲勞等。 （3）按斷裂壽命和應(yīng)力高低不同分類 高周疲勞：Nf 105 ；s 亦稱低應(yīng)力疲勞。 低周疲勞：Nf = 102105 ；s 亦稱高應(yīng)力疲勞或應(yīng)變疲勞

3、。,3、疲勞破壞的特點(diǎn),（1）疲勞是低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂,斷裂壽命隨應(yīng)力不同而變化。 （2）s；故不論是韌性材料，還是脆性材料，疲勞斷裂均是脆性斷裂。 （3）疲勞對(duì)缺陷十分敏感，由于疲勞破壞是從局部開(kāi)始的，故對(duì)缺陷具有高度的選擇性。 （4）疲勞斷裂也是裂紋萌生和擴(kuò)展過(guò)程。 應(yīng)力低，具有明顯的裂紋萌生和亞穩(wěn)擴(kuò)展階段。,三、疲勞宏觀斷口特征,典型的疲勞斷口按照斷裂過(guò)程可分為三個(gè)區(qū)域，疲勞源、疲勞區(qū)和瞬斷區(qū)。,1、疲勞源,疲勞源（或稱疲勞核心），疲勞裂紋萌生的策源地，一般總是產(chǎn)生在構(gòu)件表面層的局部應(yīng)力集中處，但如果構(gòu)件內(nèi)部存在冶金缺陷或內(nèi)裂紋，也可在構(gòu)件內(nèi)部或皮下產(chǎn)生疲勞源。 疲勞源區(qū)光亮度最大，在斷

4、口上常能看到一個(gè)明顯的亮斑。 疲勞源有時(shí)不止一個(gè)，尤其在低周疲勞下，其應(yīng)力幅值較大，斷口上常有幾個(gè)不同位置的疲勞源?？梢愿鶕?jù)源區(qū)的光亮度、相鄰疲勞區(qū)的大小，貝紋線的密度去確定各個(gè)疲勞源的產(chǎn)生順序。 源區(qū)光亮度；相鄰疲勞區(qū)越大；貝紋線越多越密者疲勞源越先產(chǎn)生。,2、疲勞區(qū)判斷疲勞斷裂的重要特征,該區(qū)是疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展所形成的斷口區(qū)域。 宏觀特征：斷口比較光滑并分布有貝紋線（由載荷變動(dòng)引起）或海灘波紋狀花樣。 每個(gè)疲勞區(qū)的貝紋線如一簇以疲勞源為圓心的平行弧線，其凹側(cè)指向疲勞源，凸側(cè)指向裂紋擴(kuò)展方向。 貝紋線間距也不同，近疲勞源處貝紋線較細(xì)密，表示裂紋擴(kuò)展較慢；而遠(yuǎn)離疲勞源處貝紋線較稀疏，表示裂紋擴(kuò)

5、展較快，留下的痕跡較粗糙。,與過(guò)載程度以及材料性質(zhì)有關(guān)： 名義應(yīng)力較低或材料韌性較好疲勞區(qū)較大，貝紋線細(xì)而明顯。 名義應(yīng)力較高或材料韌性較差疲勞區(qū)較小，貝紋線粗而不明顯。 有時(shí)在疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的后部還可看到沿?cái)U(kuò)展方向的疲勞臺(tái)階，亦稱疲勞溝線，這是在高應(yīng)力下，裂紋沿不同平面擴(kuò)展最后形成的。,3、瞬斷區(qū),瞬斷區(qū)是疲勞裂紋達(dá)到臨界尺寸后發(fā)生失穩(wěn)快速擴(kuò)展所形成的斷口區(qū)域。其斷口比疲勞區(qū)粗糙，宏觀特征同靜載荷下的斷口一樣，脆性材料為結(jié)晶狀斷口；若為韌性材料，則在中間平面應(yīng)變區(qū)為放射狀或人字紋斷口，邊緣平面應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)剪切唇。 瞬斷區(qū)位置應(yīng)在疲勞源的對(duì)側(cè)（旋轉(zhuǎn)彎曲特殊） 瞬斷區(qū)的大小和構(gòu)件名義應(yīng)力及材料性質(zhì)

6、有關(guān)。若名義應(yīng)力較高或材料韌性較差則瞬斷區(qū)，反之則瞬斷區(qū)。,第二節(jié) 疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能,一、疲勞實(shí)驗(yàn)方法 原理：用小試樣模擬實(shí)際機(jī)件的應(yīng)力情況，在疲勞試驗(yàn)機(jī)上系統(tǒng)測(cè)量材料的疲勞曲線，從而建立疲勞極限和疲勞應(yīng)力判據(jù)。 試驗(yàn)設(shè)備：最常用的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī) 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和方法： GB433784 金屬旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法 GB307584 金屬軸向疲勞試驗(yàn)方法 將相同尺寸的疲勞試樣，從0.67b0.4b范圍內(nèi)選擇幾個(gè)不同的最大循環(huán)應(yīng)力1、2、n，分別對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行循環(huán)加載試驗(yàn)，測(cè)定它們從加載開(kāi)始到試樣斷裂所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N1、N2、Nn，然后將試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成maxN曲線或max-lgN曲線

7、，即疲勞曲線。,旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī),二、疲勞曲線,疲勞應(yīng)力和疲勞壽命之間的關(guān)系曲線統(tǒng)稱疲勞曲線（SN曲線），分兩種：有水平線段的疲勞曲線和無(wú)水平線段的疲勞曲線。,三、疲勞極限,1、定義 疲勞極限材料抵抗無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)也不疲勞斷裂的強(qiáng)度指標(biāo)。 條件疲勞極限材料抵抗規(guī)定應(yīng)力循環(huán)周次而不疲勞斷裂的強(qiáng)度指標(biāo)。 兩者統(tǒng)稱疲勞強(qiáng)度，常用r 表示，r為應(yīng)力比，如對(duì)于對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)：r = -1，則疲勞極限用-1 表示。 疲勞斷裂應(yīng)力判據(jù) r 疲勞斷裂 -1 的測(cè)定詳見(jiàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB4377-84，而不對(duì)稱循環(huán)的疲勞極限可通過(guò)-1 來(lái)估算。,2、不同應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞極限,同一材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下測(cè)得的疲勞極限也不

8、相 同，但它們之間存在一定的聯(lián)系。 對(duì)稱彎曲、對(duì)稱扭轉(zhuǎn)、對(duì)稱拉壓對(duì)應(yīng)的疲勞極限 分別用-1 、-1及-1P 表示，根據(jù)試驗(yàn)確定： 鋼：-1P = 0.85-1 鑄鐵：-1P = 0.65-1 銅及輕合金：-1 = 0.55-1 鑄鐵：-1 = 0.8-1,3、疲勞極限與靜強(qiáng)度間的關(guān)系,試驗(yàn)表明：br，對(duì)于中低強(qiáng)度鋼兩者 大體呈線性關(guān)系。 當(dāng)b較低時(shí)， -1 = 0.5 b 當(dāng)b較高時(shí)，偏離 對(duì)于對(duì)稱循環(huán)下的疲勞極限，可采用以下經(jīng)驗(yàn)公式： 結(jié)構(gòu)鋼：-1P = 0.23 ( s +b ) -1 = 0.27 ( s +b ) 鑄鐵：-1P = 0.4 b -1 = 0.45 b 鋁合金：-1P =

9、 1/6b + 7.5 MPa -1 = 1/6b - 7.5 Mpa 青銅：-1 = 0.21b,四、過(guò)載持久值及過(guò)載損傷界,1、過(guò)載持久值 金屬材料在高于疲勞極限的應(yīng)力下運(yùn)行時(shí)，發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán)周次稱為材料的過(guò)載持久值，也稱有限疲勞壽命。 過(guò)載持久值表征材料對(duì)過(guò)載荷的抗力。疲勞曲線的傾斜部分愈陡直，則持久值愈高。 疲勞曲線傾斜部分的任一點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，稱為材料的耐久極限。 2、過(guò)載損傷界 過(guò)載損傷金屬在高于疲勞極限的應(yīng)力水平下運(yùn)轉(zhuǎn)一定周次后，其疲勞極限或疲勞壽命減小。,過(guò)載損傷界,過(guò)載損傷界引起過(guò)載損傷需有一定的過(guò)載應(yīng)力和一定的應(yīng)力循環(huán)周次相配合。即在每一過(guò)載應(yīng)力下，只有過(guò)載運(yùn)轉(zhuǎn)超過(guò)

10、某一周次后才會(huì)引起過(guò)載損傷。 過(guò)載損傷區(qū)過(guò)載損傷界到疲勞曲線高應(yīng)力區(qū)直線段之間的影線區(qū)。 材料的過(guò)載損傷界愈陡直， 損傷區(qū)愈窄，則其抵抗疲勞 過(guò)載的能力愈強(qiáng)。 金屬材料抵抗疲勞過(guò)載 損傷的能力，用過(guò)載損 傷界或過(guò)載損傷區(qū)表示。,五、疲勞缺口敏感度,金屬材料在交變載荷作用下的缺口敏感性，需用疲勞缺口敏感度qf評(píng)定： kt =max/m 1：理論應(yīng)力集中系數(shù)即應(yīng)力集中處最大應(yīng)力與平均應(yīng)力之比 kf =-1 /-1N 1 ：疲勞缺口系數(shù)即光滑試樣和缺口試樣疲勞極限之比。 qf 疲勞缺口敏感度,1、qf = 1 即 kf = kt 缺口試樣疲勞過(guò)程中應(yīng)力分布與彈性狀態(tài)完全一樣，沒(méi)有發(fā)生應(yīng)力重新分布，材

11、料的疲勞缺口敏感性最大。 2、qf = 0 即 kf =1 -1 =-1 N 缺口不降低疲勞極限，疲勞過(guò)程中應(yīng)力產(chǎn)生很大重分布，疲勞缺口敏感性最小。 qf能反映在疲勞過(guò)程中材料發(fā)生應(yīng)力重分布，降低應(yīng) 力集中的能力。 3、一般： 0 qf 1 同樣材料：強(qiáng)度（或硬度）qf 4、高周疲勞大多數(shù)金屬對(duì)缺口十分敏感,低周疲勞時(shí)因缺口根部一部分區(qū)域已處在塑性區(qū)，發(fā)生應(yīng)力松弛，降低了應(yīng)力集中，缺口敏感度降低。,5、當(dāng)初人們用qf而不用kf表征材料缺口敏感度，目的是消除缺口幾何形狀的影響。但試驗(yàn)證明：qf并非是只決定于材料的常數(shù)。 缺口根部曲率半徑較小時(shí)，缺口尖銳度qf 缺口根部曲率半徑較大時(shí)，缺口尖銳度對(duì)

12、qf的影響減小。,課堂測(cè)驗(yàn),一.填空 1. 變動(dòng)載荷 是引起疲勞破壞的外力，它是指大小、方向 均隨時(shí)間變化的載荷。 2.按斷裂壽命和應(yīng)力高低不同，可將疲勞分為 高周疲勞 和 低周疲勞 。 3.典型疲勞斷口具有形貌不同的三個(gè)區(qū)域，即 疲勞源 、疲勞區(qū) 和 瞬斷區(qū) 。 4. 疲勞極限 是材料抵抗無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)也不疲勞斷裂 的強(qiáng)度指標(biāo)。 5.金屬材料抵抗疲勞過(guò)載損傷的能力，用 過(guò)載損傷界 或過(guò)載損傷區(qū) 表示。,第三節(jié) 疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門檻值,一、疲勞裂紋擴(kuò)展曲線 1、a-N曲線 疲勞裂紋擴(kuò)展曲線在固定應(yīng)力比r和應(yīng)力范圍條件下循環(huán)加載，裂紋長(zhǎng)度a隨循環(huán)周次N的變化曲線，即a-N曲線。 曲線的斜率

13、 疲勞裂紋擴(kuò)展速率。 故疲勞裂紋擴(kuò)展速率不僅和應(yīng)力水平有關(guān)，還和當(dāng)時(shí)的裂紋尺寸有關(guān)。,疲勞裂紋擴(kuò)展曲線,2 1,隨著Na、 ，最后當(dāng)a達(dá)到ac時(shí)， 增大到無(wú)限大。,應(yīng)力范圍曲線位置向 左上方移動(dòng)，ac、Np,2、應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍K,由斷裂力學(xué)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子理論： 如認(rèn)為疲勞裂紋擴(kuò)展的每一微小過(guò)程類似 是裂紋體小區(qū)域的斷裂過(guò)程，K就是裂紋 尖端控制疲勞裂紋擴(kuò)展的復(fù)合力學(xué)參量。,3、da/dN-k （ lgda/dN- lgk）曲線,將a-N曲線可轉(zhuǎn)化為由k控制的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線：da/dN -k 或 lgda/dN- lgk 由曲線可知，可分為三個(gè)區(qū)： I區(qū)：疲勞裂紋初始擴(kuò)展階段 da

14、/dN很小。 隨kda/dN快速提高，但 k變化范圍很小， da/dN提 高有限，所占擴(kuò)展壽命不長(zhǎng)。,II區(qū)：疲勞裂紋擴(kuò)展的主要階段，是決定疲勞壽命的主要部分 da/dN較I區(qū)大 da/dN和k關(guān)系可由Paris公式描述： da/dN = c（k）n 該區(qū)雖然擴(kuò)展進(jìn)程快，但k變化范圍大，故所占擴(kuò)展壽命長(zhǎng)。 III區(qū)：疲勞裂紋擴(kuò)展的最后階段 da/dN很大，且隨kda/dN，只需擴(kuò)展很少周次即導(dǎo)致材料失穩(wěn)斷裂。該區(qū)所占的擴(kuò)展壽命也不長(zhǎng)。,二、疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值,1、定義 kth疲勞裂紋不擴(kuò)展的k臨界值，稱為疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值。 kth表示材料阻止裂紋開(kāi)始疲勞擴(kuò)展的性能，其值越大，阻止疲勞裂紋開(kāi)始

15、擴(kuò)展的能力就越大，材料也就越好。 單位:MN.m-3/2或 MPa.m1/2,疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值,2、kth和-1的異同： 共同點(diǎn)：均表示無(wú)限壽命的疲勞性能; 受材料成分和組織、載荷條件以及環(huán)境影響 相異點(diǎn)： -1是光滑試樣無(wú)限壽命疲勞強(qiáng)度，適用于傳統(tǒng)的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)和校核。 kth是裂紋試樣的無(wú)限壽命疲勞性能，適用于裂紋件的設(shè)計(jì)和疲勞強(qiáng)度校核。,3、kth判據(jù) 由kth可建立裂紋件不疲勞斷裂（無(wú)限壽命）的校核公式 K = Y Kth 由此可知： 或:,4、工程疲勞門檻值,工程（或條件）疲勞門檻值 在實(shí)際測(cè)定材料的Kth時(shí)很難做到da/dN =0，因此實(shí)驗(yàn)中常規(guī)定在平面應(yīng)變條件下da/dN =1

16、0-610-7mm/周次，它所對(duì)應(yīng)的K作為Kth。,三、疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響因素,1、應(yīng)力比（或平均應(yīng)力）的影響 2、過(guò)載峰及裂紋塑性區(qū)的影響 實(shí)驗(yàn)表明：在恒載裂紋疲勞擴(kuò)展期內(nèi)，適當(dāng)?shù)倪^(guò)載峰會(huì)使裂紋擴(kuò)展減慢或停滯一段時(shí)間，發(fā)生裂紋擴(kuò)展的過(guò)載停滯現(xiàn)象。 裂紋尖端塑性區(qū)的殘余壓應(yīng)力使裂紋產(chǎn)生閉合效應(yīng)，減小裂紋尖端的K，從而降低da/dN 3、 材料組織和力學(xué)性能的影響,應(yīng)力比（或平均應(yīng)力）的影響,平均應(yīng)力m=(1+r)a /(1-r) ，在a一定的條件下，rm，故平均應(yīng)力和應(yīng)力比的影響具有等效性。 在m0和r0的情況下： （1）應(yīng)力比或平均應(yīng)力會(huì)影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線的位置，隨r或m，曲線向左

17、上方移動(dòng)，即rda/dN，且在I、III區(qū)的影響比II區(qū)大。 （2）在I區(qū)，rkth kth = kth0(1-r)/(1+r)1/2 （r0） kth0 脈動(dòng)循環(huán)（r=0）下的疲勞門檻值。 （3）機(jī)件內(nèi)部殘余應(yīng)力的影響 殘余壓應(yīng)力rda/dN，kth，疲勞壽命 殘余拉應(yīng)力rda/dN，kth，疲勞壽命,材料組織和力學(xué)性能的影響,材料組織對(duì)I、III區(qū)da/dN影響比較明顯，對(duì)II區(qū)影響不太明顯。 （1） 晶粒越粗大Kth，da/dN （2） 對(duì)亞共析鋼 C% 鐵素體含量kth （3） 鋼的淬火組織中存在一定量的AR和Bkth，da/dN （4） 鋼的回火組織一般隨回火溫度kth，但具體規(guī)律尚

18、不清楚 （5） 噴丸強(qiáng)化處理kth （6） 強(qiáng)度和韌度的影響 s，KICI區(qū)：da/dN，kth III區(qū)：da/dN s，KICI區(qū)：da/dN，kth III區(qū)：da/dN,四、疲勞裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式,1、Paris公式 高周疲勞場(chǎng)合：在低應(yīng)力s-1 ；低擴(kuò)展速率da/dN10-2mm/周次；較長(zhǎng)的疲勞壽命Nf104周次 對(duì)于II區(qū)，Paris建立了經(jīng)驗(yàn)公式： da/dN = C（K）n C、n材料試驗(yàn)常數(shù)，由lg da/dNlgk曲線的截距和斜率來(lái)確定 lg da/dN = lgC + nlgk 材料、成分、組織及強(qiáng)度對(duì)II區(qū)疲勞裂紋的擴(kuò)展影響不大。,2、Forman公式,Forman公

19、式在Paris公式的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮了應(yīng)力比和斷裂韌度對(duì)da/dN的影響，描述了裂紋在II、III區(qū)的擴(kuò)展，但未反應(yīng)I區(qū)裂紋擴(kuò)展情況。 r應(yīng)力比 Kc和試件厚度有關(guān)的材料斷裂韌度,3、 綜合公式,在Forman公式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮I區(qū)kth的影響： 由上式知，當(dāng)kkth時(shí)，da/dN0，滿足I區(qū)裂紋擴(kuò)展情況，同時(shí)亦滿足有應(yīng)力比及斷裂韌度影響的II區(qū)、III區(qū)裂紋擴(kuò)展情況。但上式較復(fù)雜，工程計(jì)算還是以Paris公式為主。,五、疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的估算,1.無(wú)損探傷確定機(jī)件初始裂紋尺寸a0,形狀位置和取向，從而確定KYa1/2 2.根據(jù)材料斷裂韌度KIC以及工作名義應(yīng)力，確定臨界裂紋尺寸ac 3

20、.根據(jù)由試驗(yàn)確定的疲勞裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式，用積分方法計(jì)算從a0到ac所需的循環(huán)周次，即疲勞剩余壽命Nc。,以Paris公式為例： 當(dāng)n2時(shí)疲勞剩余壽命 當(dāng)n=2時(shí),第四節(jié) 疲勞過(guò)程及機(jī)理,疲勞過(guò)程包括：疲勞裂紋萌生、裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展及 最后失穩(wěn)擴(kuò)展三個(gè)階段。 疲勞壽命Nf由疲勞裂紋萌生期Ni和裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展 期Np組成。,一、疲勞裂紋萌生過(guò)程及機(jī)理 疲勞裂紋核 0.050.1mm 疲勞微觀裂紋由不均勻局部滑移和顯微開(kāi)裂引起。 1、滑移帶開(kāi)裂產(chǎn)生裂紋 循環(huán)滑移 循環(huán)滑移帶 （駐留滑移帶） 循環(huán)滑移帶不斷加寬 位錯(cuò)的塞積、交割，在駐留滑移帶處形成微裂紋。 駐留滑移帶在加寬過(guò)程中，還會(huì)出現(xiàn)擠出脊和侵人溝，

21、于是此處產(chǎn)生應(yīng)力集中和空洞，經(jīng)過(guò)一定循環(huán)后也會(huì)產(chǎn)生微裂紋。 柯垂?fàn)柡諣柲Ｐ?擠出脊和侵人溝,柯垂?fàn)柡諣柲Ｐ?在拉應(yīng)力半周期內(nèi)，先在取向最有利的 滑移面上位錯(cuò)源S1被激活，當(dāng)它增殖的 位錯(cuò)滑動(dòng)到表面時(shí)，便在P處留下滑移臺(tái) 階。 位錯(cuò)源S1與滑移臺(tái)階P處于一個(gè)平面內(nèi)。,在同一拉應(yīng)力半周期內(nèi)，隨著拉應(yīng)力增大，在另一個(gè)滑移面上的位錯(cuò)源S2也被激活，當(dāng)它增殖的位錯(cuò)滑動(dòng)到表面時(shí)，在Q處留下滑移臺(tái)階。 同時(shí)，后一個(gè)滑移面上位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使第一個(gè)滑移面錯(cuò)開(kāi)，造成S1與P不再處于同一平面內(nèi)。,在壓應(yīng)力半周期內(nèi)，位錯(cuò)源S1又被激活， 位錯(cuò)向反方向滑動(dòng)，在晶體表面留下反向 滑移臺(tái)階P，于是P處形成一個(gè)侵入溝。 同時(shí)，造成

22、S2與Q不再處于同一平面。,若應(yīng)力不斷循環(huán)，擠出脊高度增加，侵入溝深度加深，而寬度不變,在同一壓應(yīng)力半周期內(nèi)，隨著壓應(yīng)力 增大，位錯(cuò)源S2又被激活，位錯(cuò)沿反 方向運(yùn)動(dòng)，滑出表面后留下一個(gè)反向的 滑移臺(tái)階Q，于是在此處形成擠出脊。 同時(shí)，又將S1帶回原位置，與滑移臺(tái)階 P處于一個(gè)平面內(nèi)。,2、相界面開(kāi)裂產(chǎn)生裂紋 在疲勞失效分析中，常常發(fā)現(xiàn)很多疲勞源都是由材料中的第二相或夾雜物引起的，因此而提出了第二相、夾雜物和基體界面開(kāi)裂，或第二相、夾雜物本身開(kāi)裂的疲勞裂紋萌生機(jī)理（微孔形核長(zhǎng)大模型）。 3、晶界開(kāi)裂產(chǎn)生裂紋 多晶體材料由于晶界的存在和相鄰晶粒的不同取向性，位錯(cuò)在晶內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到晶界的阻礙，在晶界

23、處發(fā)生位錯(cuò)塞積和應(yīng)力集中。在應(yīng)力不斷循環(huán)下，應(yīng)力集中得不到松弛，則應(yīng)力峰越來(lái)越高，當(dāng)超過(guò)晶界強(qiáng)度時(shí)就會(huì)在晶界處產(chǎn)生裂紋。,二、疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及機(jī)理,疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)分兩個(gè)階段： 第一階段，疲勞裂紋形成后沿主滑移系方向以純剪切方式向內(nèi)擴(kuò)展的過(guò)程。 第二階段，裂紋沿與正應(yīng)力相垂直的方向擴(kuò)展。,疲勞裂紋擴(kuò)展第一階段,在疲勞裂紋擴(kuò)展第一階段，多數(shù)裂紋為不擴(kuò)展裂紋，少數(shù)擴(kuò)展約23個(gè)晶粒，裂紋擴(kuò)展速率很低，每一個(gè)應(yīng)力循環(huán)大約只有0.1m的擴(kuò)展量。 由于該階段裂紋擴(kuò)展速率極低，擴(kuò)展總進(jìn)程也很小，所以該階段的斷口很難分析，常?？床坏绞裁葱蚊蔡卣?，只有一些擦傷的痕跡。但在一些強(qiáng)化材料中，有時(shí)可看到周期解理或準(zhǔn)解

24、理花樣，甚至還有沿晶開(kāi)裂的冰糖狀花樣。,疲勞裂紋擴(kuò)展的第二階段,疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展的主要部分。 其斷口最重要的特征是具有略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣，即疲勞條帶，其特點(diǎn)： （1）疲勞條帶是一系列基本上相互平行的條紋，略帶彎曲呈波浪形，并與裂紋局部擴(kuò)展方向相垂直。 （2）每一條紋代表一次載荷循環(huán)，疲勞紋在數(shù)量上與循環(huán)次數(shù)相等。 （3）疲勞條帶間距隨應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍（K）的變化而變化。在失效分析中常利用疲勞條帶間寬與K的關(guān)系分析疲勞破壞。 （4）疲勞斷口在微觀上通常由許多大小不同，高低不同的小斷塊所組成，每一小斷塊上疲勞條帶連續(xù)而平行；但相鄰小斷塊上的疲勞條帶不連續(xù)，不平行。 （5）斷口兩側(cè)斷面上的

25、疲勞條帶基本對(duì)應(yīng)。,韌性條帶,一般滑移系多的面心立方金屬，疲勞條帶比較明顯， 如Al、Cu合金等； 滑移系較少或組織狀態(tài)復(fù)雜的鋼鐵材料，疲勞條帶短 窄而紊亂，甚至看不到。 疲勞條帶與貝紋線區(qū)別： 1.疲勞條帶是疲勞斷口的微觀特征； 貝紋線疲勞斷口的宏觀特征。 2.在斷口上，二者可同時(shí)出現(xiàn)也可不同時(shí)出現(xiàn)。,塑性鈍化模型,左側(cè)曲線：實(shí)線段 表示交變應(yīng)力的變化,右側(cè)示意圖：疲勞裂 紋剖面示意圖,交變應(yīng)力為0，裂紋呈閉合狀態(tài)； 受拉應(yīng)力時(shí)，裂紋張開(kāi)，裂紋尖端由于應(yīng)力集中， 沿45方向發(fā)生滑移；,拉應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，滑移區(qū)擴(kuò)大，裂紋尖端變?yōu)?半圓形，發(fā)生鈍化，裂紋停止擴(kuò)展。 交變應(yīng)力為壓應(yīng)力時(shí)，滑移沿反

26、方向進(jìn)行，原裂紋 與新擴(kuò)展的裂紋表面被壓近，裂紋尖端被彎折成耳 狀切口，為沿45方向滑移準(zhǔn)備了應(yīng)力集中條件。,壓應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，裂紋表面被壓合，裂紋尖端 又由鈍變銳，形成一對(duì)尖角，在斷口上便留下一條 疲勞條帶，裂紋向前擴(kuò)展一個(gè)條帶的距離。,課堂習(xí)題,填空 1.緊湊拉伸試樣預(yù)制裂紋后在固定應(yīng)力比和應(yīng)力范圍條 件下循環(huán)加載， 隨 的變化曲線即為疲勞裂紋擴(kuò) 展曲線。 2.疲勞裂紋不擴(kuò)展的應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍臨界值，稱為 。 3.產(chǎn)生疲勞微觀裂紋的主要方式有 、 和 。 4.疲勞裂紋擴(kuò)展第二階段斷口最重要的特征是具有 。 5.駐留滑移帶在加寬過(guò)程中，還會(huì)出現(xiàn) 和 ，其成因 可用柯垂耳赫爾模型描述。,第五

27、節(jié) 影響疲勞強(qiáng)度的因素,一、工作條件的影響 1、載荷條件 2、 溫度 一般T疲勞強(qiáng)度 但對(duì)鋼：在200400范圍內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)疲勞極限峰值。 高溫時(shí)材料的疲勞曲線無(wú)水平段，只能確定條件疲勞極限。 3、腐蝕介質(zhì) 腐蝕介質(zhì)存在使材料表面腐蝕產(chǎn)生蝕坑，而降低材料疲勞強(qiáng)度導(dǎo)致腐蝕疲勞。腐蝕疲勞只有條件疲勞極限。,載荷條件的影響,（1）平均應(yīng)力和應(yīng)力狀態(tài) 對(duì)于相同材料：平均應(yīng)力m或應(yīng)力比r疲勞強(qiáng)度 應(yīng)力狀態(tài)：對(duì)于同一材料-1 -1P -1 （2）過(guò)載損傷 在過(guò)載損傷區(qū)內(nèi)的過(guò)載疲勞強(qiáng)度、疲勞壽命 （3）次載鍛煉 低于疲勞極限的應(yīng)力稱為次載。 金屬在低于疲勞極限的應(yīng)力下是運(yùn)轉(zhuǎn)一定次數(shù)后疲勞極限的現(xiàn)象稱為次載鍛煉

28、。 次載應(yīng)力水平越接近疲勞極限其鍛煉效果 次載鍛煉的循環(huán)周次鍛煉效果，但達(dá)到一定周次后效果就不再提高。,載荷條件的影響,（4）間隙效應(yīng) 試驗(yàn)表明：對(duì)應(yīng)變時(shí)效材料，在循環(huán)加載的運(yùn)行中，若間歇空載一段時(shí)間或間歇時(shí)適當(dāng)加溫，可提高疲勞強(qiáng)度、延長(zhǎng)疲勞壽命。注意：間隙次載可提高疲勞強(qiáng)度及延長(zhǎng)疲勞壽命，而間歇過(guò)載對(duì)疲勞壽命不但無(wú)益，甚至還會(huì)降低疲勞強(qiáng)度。 （5）載荷頻率 載荷頻率在一定范圍內(nèi)可提高疲勞強(qiáng)度。 以鋼的-1為例 頻率在1701000Hz 頻率f-1 在50170Hz 影響不大 低于1Hz（ 60次/min）時(shí)-1 常用的疲勞試驗(yàn)機(jī) f：50010000周/min之間，此時(shí)測(cè)算的-1較穩(wěn)定，可不

29、考慮頻率的影響。,二、表面狀態(tài)及尺寸因素的影響,1、表面狀態(tài) （一）應(yīng)力集中 機(jī)件表面缺口應(yīng)力集中是引起疲勞破壞的主要原因，可用Kf與qf表征應(yīng)力集中對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響程度。 Kfqf疲勞強(qiáng)度 （二）表面粗糙度 表面粗糙度越低疲勞極限越高。 材料強(qiáng)度愈高， 表面粗糙度的影響愈顯著。 表面加工方法不同，所得到 的粗糙度不同，因而，同一種 材料的疲勞極限也不一樣。,2、尺寸因素,在變動(dòng)載荷作用下，隨機(jī)件尺寸增大，其疲勞強(qiáng)度下降的現(xiàn)象稱為尺寸效應(yīng)。 尺寸效應(yīng)系數(shù)： (-1)d 直徑為d的機(jī)件疲勞強(qiáng)度 -1 小試樣的疲勞強(qiáng)度 缺口試樣比光滑試樣的尺寸效應(yīng)更為顯著。,三、表面強(qiáng)化及殘余應(yīng)力的影響,疊加殘余

30、壓應(yīng)力，總應(yīng)力減小；疊加殘余拉應(yīng)力，總應(yīng)力增大。殘余壓應(yīng)力提高疲勞強(qiáng)度；殘余拉應(yīng)力，降低疲勞強(qiáng)度。 殘余壓應(yīng)力的有利影響與外加應(yīng)力的狀態(tài)有關(guān)： 彎曲疲勞時(shí)，殘余壓應(yīng)力的效果比扭轉(zhuǎn)疲勞大； 拉壓疲勞時(shí)，殘余壓應(yīng)力的影響較小。 殘余壓應(yīng)力提高疲勞強(qiáng)度的效果與以下因素有關(guān)： 殘余壓應(yīng)力值的大小 殘余壓應(yīng)力區(qū)的深度與分布 殘余壓應(yīng)力在疲勞過(guò)程中是否發(fā)生松弛等。,對(duì)于承受彎曲或扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷的機(jī)件通過(guò)表面強(qiáng)化可以 提高疲勞強(qiáng)度。 解釋原因： 機(jī)件表面的硬度和強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度 在機(jī)件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力疲勞強(qiáng)度 表面強(qiáng)化方法包括：表面噴丸、滾壓、表面淬火以及 表面化學(xué)熱處理等。 （1）表面噴丸及滾壓 噴丸是用壓縮

31、空氣將堅(jiān)硬的小彈丸高速噴打向機(jī)件表 面，使機(jī)件表面產(chǎn)生局部形變強(qiáng)化；同時(shí)因塑變層周圍 的彈性約束，又在塑變層內(nèi)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。 殘余壓應(yīng)力大小與噴丸壓力、速度以及彈丸直徑有關(guān)， 最大可達(dá)材料屈服強(qiáng)度的一半。,表面滾壓與噴丸作用相似，其壓應(yīng)力層深度較大，適于 大工件；表面粗糙度低時(shí)，強(qiáng)化效果更好。形狀復(fù)雜的 零件可采用噴丸強(qiáng)化，形狀簡(jiǎn)單的回轉(zhuǎn)形零件可采用表 面滾壓強(qiáng)化。 （2）表面熱處理及化學(xué)熱處理 利用組織相變獲得表面強(qiáng)化的工藝方法，除能使機(jī)件獲 得表硬心韌的綜合力學(xué)性能外，還可利用表面組織相變 以及組織應(yīng)力、熱應(yīng)力變化，使機(jī)件表面層獲得高強(qiáng)度 和殘余壓應(yīng)力，更有效提高機(jī)件疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命。

32、 表面強(qiáng)化處理的有利影響對(duì)于帶缺口的試樣和機(jī)件更 為顯著，因?yàn)樵诒砻嫒笨谔幃a(chǎn)生壓應(yīng)力集中，可有效地 降低缺口根部的拉應(yīng)力集中。,四、材料成分及組織的影響,1、合金成分 結(jié)構(gòu)鋼中碳是影響疲勞強(qiáng)度的重要因素： a. 間隙固溶強(qiáng)化基體 b. 形成彌散碳化物進(jìn)行彌散強(qiáng)化 其它元素在鋼中的作用： a.提高鋼的淬透性 b.改善鋼的強(qiáng)韌性來(lái)影響疲勞強(qiáng)度。 2、非金屬夾雜物及冶金缺陷 非金屬夾雜物疲勞強(qiáng)度 冶金及熱加工缺陷疲勞強(qiáng)度 3、顯微組織 （1）晶粒細(xì)化-1，在低碳鋼和鈦合金中符合Hall-petch公式 -1 =i + kd 1/2 但在中、高強(qiáng)度低合金鋼中上式不一定符合。,（2）鋼的熱處理組織 正火

33、組織因碳化物為片狀，其疲勞強(qiáng)度最低；淬火回火組織因碳化物為粒狀，其疲勞強(qiáng)度比正火高。 回火馬氏體疲勞強(qiáng)度回火托氏體回火索氏體 相同硬度:等溫淬火組織疲勞強(qiáng)度淬水回火組織 淬火組織中存在未溶鐵素體或殘余奧氏體或非馬氏體組織過(guò)早形成疲勞裂紋疲勞強(qiáng)度,第六節(jié) 低周疲勞,一、低周疲勞的特點(diǎn) 金屬在循環(huán)載荷作用下，疲勞壽命為102105 的疲勞斷裂稱低周疲勞（亦稱塑性疲勞或應(yīng)變疲勞），其特點(diǎn)： 1、低周疲勞時(shí)，局部區(qū)域產(chǎn)生宏觀塑性變形，循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變之間不再呈直線關(guān)系，而形成如圖所示的滯后回線。 2、低周疲勞試驗(yàn)時(shí)，在給定的t或p下測(cè)定疲勞壽命，不再使用S-N曲線，而應(yīng)改用總應(yīng)變幅t/22Nf曲線或塑性應(yīng)

34、變幅p/22Nf描述材料的疲勞規(guī)律。 3、低周疲勞破壞有幾個(gè)裂紋源，微觀斷口的疲勞條帶較粗，間距較寬，常不連續(xù)。 4、低周疲勞壽命決定于塑性應(yīng)變幅，而高周疲勞壽命則決定于應(yīng)力幅或應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子范圍，但兩者都是循環(huán)塑性變形累積損傷的結(jié)果。,低周疲勞應(yīng)力應(yīng)變滯后回線,二、金屬循環(huán)硬化與循環(huán)軟化,1、定義 金屬材料由循環(huán)開(kāi)始狀態(tài)變成穩(wěn)定狀態(tài)的過(guò)程，與其在循環(huán)應(yīng)變作用下的形變抗力變化有關(guān)。若金屬材料在恒定應(yīng)變范圍循環(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(guò)程中，應(yīng)力逐漸減小，則為循環(huán)軟化。 對(duì)于每一個(gè)固定的應(yīng)變范圍，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

35、回線的頂點(diǎn)連接起來(lái)，便可得到循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線。它是評(píng)定材料低周疲勞特性的曲線。 比較循環(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(duì)材料性能的影響。,2、循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線,3、循環(huán)硬化與循環(huán)軟化的影響因素,金屬材料產(chǎn)生循環(huán)硬化還是循環(huán)軟化取決于其初始狀態(tài)、結(jié)構(gòu)特性以及應(yīng)變幅和溫度等。 （1）退火狀態(tài)的塑性材料易產(chǎn)生循環(huán)硬化。 （2）加工硬化的材料則往往是循環(huán)軟化。 （3） 材料的b/s1.4， 循環(huán)硬化； b/s1.2，循環(huán)軟化； b/s = 1.21.4 傾向不定。 （4）應(yīng)變硬化指數(shù)n0.1 ，循環(huán)軟化； n0.1， 循環(huán)硬化或循環(huán)穩(wěn)定。,三、低周疲勞的應(yīng)變壽命曲線,1、tNf曲線 曼森

36、和柯芬等提出低周疲勞壽命公式 在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖中，上式等號(hào)右邊兩項(xiàng)是兩條直線，分 別代表彈性應(yīng)變幅壽命線和塑性應(yīng)變幅壽命線。其 中塑性應(yīng)變幅壽命關(guān)系公式 稱為曼森柯芬公式。,t/22Nf關(guān)系曲線,兩條直線存在一個(gè)交點(diǎn)，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壽命稱為過(guò)渡壽命。 交點(diǎn)左側(cè)（低周疲勞范圍）塑性應(yīng)變幅起主導(dǎo)作用，材料疲勞壽命由塑性控制； 交點(diǎn)右側(cè)（高周疲勞范圍）彈性應(yīng)變幅起主導(dǎo)作用，材料疲勞壽命由強(qiáng)度決定； 材料強(qiáng)度交點(diǎn)左移過(guò)渡壽命 材料塑性、韌性交點(diǎn)右移過(guò)渡壽命,曼森（S.S.Manson）通過(guò)對(duì)耐熱鋼，普通結(jié)構(gòu)鋼等29材料的研究后提出總應(yīng)變幅與疲勞斷裂壽命之間滿足： ef靜拉伸時(shí)真實(shí)斷裂應(yīng)變 efln1/(1-

37、) 斷面收縮率 上式中： 只要知道材料的靜拉伸性能b、E、ef或即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。,2、pNf曲線,低周疲勞的壽命決定于塑性應(yīng)變幅，曼森柯芬提出了pNf的關(guān)系式： pNfz = C z、C材料常數(shù) z=0.20.7 C=0.51ef 上式是低周疲勞的基本關(guān)系式，可用以估算材料在低周疲勞下的壽命。 金屬材料的低周疲勞壽命與屈服強(qiáng)度及材料類型關(guān)系不大。只有塑性應(yīng)變幅才是決定低周疲勞壽命的控制因素。在塑性應(yīng)變幅一定時(shí)，低周疲勞壽命取決于材料的塑性。因而，機(jī)件在低周疲勞下服役時(shí)，應(yīng)注意材料的塑性。在滿足強(qiáng)度要求的前提下，應(yīng)盡量選用塑性較高的材料。各種表面強(qiáng)化手段，對(duì)低周疲勞壽命的提高均無(wú)明顯效果。,四、熱疲勞、沖擊疲勞,1、