材料力學(xué)性能第五章-金屬的疲勞

1、第五章第五章 金金屬的疲勞屬的疲勞江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 想想 一一 想想想想 一一 想想人工作久了就會(huì)感到疲勞，難道金屬工作久了也會(huì)疲勞嗎？金屬的疲勞能得到恢復(fù)嗎？金屬材料在受到交變應(yīng)力或重復(fù)循環(huán)應(yīng)力時(shí)，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后，往往在工作應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度的情況下突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。金屬“疲勞”一詞，最早是由法國學(xué)者J-V彭賽（Panelet）于1839年提出來的。1850年德國工程師沃勒（A.Woler)設(shè)計(jì)了第一臺(tái)用于機(jī)車車軸的疲勞試驗(yàn)機(jī)，用來進(jìn)行全尺寸機(jī)車車軸的疲勞試驗(yàn)。1871年沃勒系統(tǒng)論述了疲勞壽命和循環(huán)應(yīng)力的關(guān)系，提出了S-N曲線和疲勞極限的概念，確立了應(yīng)力幅是疲勞破壞

2、的決定因素，奠定了金屬疲勞的基礎(chǔ)。金屬疲勞是十分普遍的現(xiàn)象，例如火車的車軸是典型的承受彎曲疲勞，汽車的傳動(dòng)軸主要是承受扭轉(zhuǎn)疲勞等。據(jù)150多年來的統(tǒng)計(jì)，金屬部件中有80以上的斷裂是由于疲勞而引起的，極易造成人身事故和經(jīng)濟(jì)損失，因此認(rèn)識(shí)疲勞現(xiàn)象、研究疲勞破壞規(guī)律、提高疲勞抗力、防止疲勞失效是非常重要的。1998年6月3日，德國發(fā)生了一起慘重的鐵路交通事故。一列高速列車脫軌，造成100多人遇難。一個(gè)車輪的輪箍發(fā)生斷裂，導(dǎo)致車輪脫軌，進(jìn)而造成車廂橫擺，橫擺的車廂以其巨大的力量將橋墩撞斷，造成橋梁坍塌，壓住了通過的列車車廂，并使已通過橋洞的車頭及前5節(jié)車廂斷開，而后面的幾節(jié)車廂則接二連三地撞在坍塌的橋

3、體上。2007年11月2日，一架美軍 F-15C鷹式戰(zhàn)斗機(jī)在做空中纏斗飛行訓(xùn)練時(shí)，飛機(jī)突然凌空解體，一份調(diào)查結(jié)果表明，飛機(jī)的關(guān)鍵支撐構(gòu)件桁梁出現(xiàn)了金屬疲勞問題。81、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、疲勞過程及機(jī)理5、影響疲勞強(qiáng)度的主要因素6、低周疲勞本章主要內(nèi)容9p 變動(dòng)載荷變動(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。p 變動(dòng)應(yīng)力可分為周期變動(dòng)應(yīng)力周期變動(dòng)應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力）和無規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力無規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力。p 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

4、5.1 金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)10圖圖 變動(dòng)應(yīng)力示意圖變動(dòng)應(yīng)力示意圖a)a)應(yīng)力大小變化應(yīng)力大小變化 b)b)、c)c)應(yīng)力大小及方向都變化應(yīng)力大小及方向都變化 d)d)應(yīng)力大小及方向無規(guī)則的變化應(yīng)力大小及方向無規(guī)則的變化變動(dòng)應(yīng)力11循環(huán)應(yīng)力的波形有正弦波、矩形波和三角波等。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：表征應(yīng)力循環(huán)特征的參量有：v最大循環(huán)應(yīng)力最大循環(huán)應(yīng)力maxmax，最小循環(huán)應(yīng)力，最小循環(huán)應(yīng)力minminv平均應(yīng)力平均應(yīng)力: :m m=(=(maxmax+ +minmin)/2)/2v應(yīng)力幅或應(yīng)力范圍應(yīng)力幅或應(yīng)力范圍: :a a=(=(maxmax- -mi

5、nmin)/2)/2v應(yīng)力比應(yīng)力比: :r r= =minmin/ /maxmax循環(huán)應(yīng)力及其特征參量12圖圖 循環(huán)應(yīng)力的類型循環(huán)應(yīng)力的類型a)a)、e) e) 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 b)b)、c)c)、d) d) 重復(fù)循環(huán)應(yīng)力重復(fù)循環(huán)應(yīng)力對(duì)稱交變應(yīng)力對(duì)稱交變應(yīng)力m m=0,r=-1=0,r=-1脈動(dòng)應(yīng)力脈動(dòng)應(yīng)力m m= =a a0,r=00,r=0m m= =a a a a,0r1,0r1不對(duì)稱交變應(yīng)力不對(duì)稱交變應(yīng)力-1r0-1r10105 5較低較低s s表表 高周疲勞和低周疲勞對(duì)比高周疲勞和低周疲勞對(duì)比高周疲勞和低周疲勞18p 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

6、疲勞破壞前均不會(huì)發(fā)生明顯的塑性變形，呈脆性斷裂呈脆性斷裂。 p 疲勞破壞屬低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂，對(duì)于疲勞壽命的預(yù)測(cè)就顯得十分重要和必要。p 對(duì)缺口、裂紋及組織等缺陷十分敏感對(duì)缺口、裂紋及組織等缺陷十分敏感，即對(duì)缺陷具有高度的選擇性。因?yàn)槿笨诨蛄鸭y會(huì)引起應(yīng)力集中，加大對(duì)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，二者綜合更加速疲勞破壞的起始與發(fā)展。疲勞的特點(diǎn)“彗星”號(hào)是世界上第一種正式投入航線運(yùn)營的民用噴氣客機(jī)。然而從1953年5月至1954年4月的11個(gè)月中，竟有架“彗星號(hào)”客機(jī)在空中解體，機(jī)毀人亡。事故分析表明，其中兩次空難的原因是飛機(jī)密封座艙

7、結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞所致，飛機(jī)在多次起降過程中，其增壓座艙殼體經(jīng)反復(fù)增壓與減壓，在矩形舷窗窗框角上出現(xiàn)了裂紋引起疲勞斷裂。針對(duì)這個(gè)問題，英國德哈維蘭公司對(duì)“彗星”號(hào)飛機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，加固了機(jī)身，采用了橢圓形航窗，使疲勞問題得到很好的解決。 “彗星號(hào)”客機(jī)悲劇是世界航空史上首次發(fā)生的因金屬疲勞而導(dǎo)致飛機(jī)失事的事件，從此，在飛機(jī)設(shè)計(jì)中將結(jié)構(gòu)疲勞極限正式列入強(qiáng)度規(guī)范加以要求。 飛機(jī)舷窗高速列車21疲勞斷口保留了整個(gè)斷裂過程的所有痕跡，記載著很多斷裂信息，具有明顯的形貌特征，而這些特征又受材料性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力大小及環(huán)境因素的影響，因此對(duì)疲勞斷口的分析是研究疲勞過程、分析疲勞失效原因的一種重要方法。疲勞斷

8、裂經(jīng)歷了裂紋萌生和擴(kuò)展過程。由于應(yīng)力水平較低，因此具有較明顯的裂紋萌生裂紋萌生和穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段，相應(yīng)的斷口上也顯示出疲勞源疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)與瞬時(shí)斷裂瞬時(shí)斷裂區(qū)區(qū)的特征。 5.1.3 疲勞宏觀斷口特征22疲勞宏觀斷口23疲勞源是疲勞裂紋萌生的策源地策源地。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(夾雜、縮孔、伯析、白點(diǎn)等)，也會(huì)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)比較光亮疲勞源區(qū)比較光亮，而且因加工硬化，該區(qū)表面硬度會(huì)有所提高。疲勞源24機(jī)件疲勞破壞的疲勞源可以是一個(gè)，

9、也可以是多個(gè)，它與機(jī)件的應(yīng)力狀態(tài)及過載程度有關(guān)。如單向彎曲疲勞僅產(chǎn)生一個(gè)源區(qū)，雙向反復(fù)彎曲可出現(xiàn)兩個(gè)疲勞源。過載程度愈高，名義應(yīng)力越大，出現(xiàn)疲勞源的數(shù)目就越多。若斷口中同時(shí)存在幾個(gè)疲勞源，可根據(jù)每個(gè)疲勞區(qū)大小、源區(qū)的光亮程度確定各疲勞源產(chǎn)生的先后，源區(qū)越光亮，相連的疲勞區(qū)越大，就越先產(chǎn)生；反之，產(chǎn)生的就晚。 疲勞源 2002年5月25日，臺(tái)灣華航的一架波音747客機(jī)在執(zhí)行臺(tái)北到香港的CI611航班途中，墜毀于澎湖外海，機(jī)上225名乘客與機(jī)組人員全部遇難。經(jīng)調(diào)查證實(shí)，失事原因是金屬疲勞斷裂，金屬疲勞裂紋竟源自1980年2月7日飛機(jī)起飛時(shí)擦地產(chǎn)生的刮痕。后來飛機(jī)進(jìn)行維修時(shí)，刮痕并未刨光即補(bǔ)上補(bǔ)釘，

10、金屬疲勞裂紋就沿著刮痕產(chǎn)生。 26疲勞區(qū)是疲勞裂紋裂紋形成的區(qū)域形成的區(qū)域。斷口較光滑并分布有貝紋線貝紋線(或海灘花樣)，有時(shí)還有裂紋擴(kuò)展臺(tái)階裂紋擴(kuò)展臺(tái)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)展快饅、擠壓摩擦程度上的差異。疲勞區(qū)27一般認(rèn)為是因載荷變動(dòng)引起的，因?yàn)闄C(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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。疲勞區(qū)的每組貝紋線好像一簇以疲勞源以疲勞源為圓心為圓心的平行弧線，凹側(cè)指向疲勞源，凸側(cè)指向裂凹側(cè)指向疲勞源，凸側(cè)指向裂紋擴(kuò)展方向紋擴(kuò)展方向。近疲勞源區(qū)貝紋線較細(xì)密，表明裂紋擴(kuò)展較慢；遠(yuǎn)離疲勞源區(qū)貝紋線較稀疏、粗糙，表明此段裂紋擴(kuò)

11、展較快。貝紋線貝紋線疲勞區(qū)的最典型特征疲勞區(qū)的最典型特征28貝紋區(qū)的總范圍與過載程度及材料的性質(zhì)有關(guān)。若機(jī)件名義應(yīng)力較高或材料韌性較差，則疲勞區(qū)范圍較小，貝紋線不明顯；反之，低名義應(yīng)力或高韌性材科，疲勞區(qū)范圍較大，貝紋線粗且明顯。貝紋線的形狀則由裂紋前沿線各點(diǎn)的擴(kuò)展速度、載荷類型、過載程度及應(yīng)力集中等決定。貝紋線1998年6月3日，德國艾舍德高速列車脫軌事故中的車輪輪緣疲勞斷口30瞬斷區(qū)是裂紋裂紋形成的區(qū)域形成的區(qū)域。在疲勞亞臨界擴(kuò)展階段，隨應(yīng)力循環(huán)增加，裂紋不斷增長(zhǎng)，當(dāng)增加到臨界尺寸ac時(shí)，裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI達(dá)到材料斷裂韌性KIc(Kc)時(shí)。裂紋就失穩(wěn)快速擴(kuò)展，導(dǎo)致機(jī)件瞬時(shí)斷裂。瞬

12、斷區(qū)31瞬斷區(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。v脆性材料斷口呈結(jié)晶狀結(jié)晶狀；v韌性材料斷口，在心部平面應(yīng)變區(qū)呈放射狀或人放射狀或人字紋狀字紋狀，邊緣平面應(yīng)力區(qū)則有剪切唇區(qū)剪切唇區(qū)存在。瞬斷區(qū)32瞬斷區(qū)一般應(yīng)在疲勞源對(duì)側(cè)疲勞源對(duì)側(cè)。但對(duì)旋轉(zhuǎn)彎曲來說，低名義應(yīng)力時(shí)，瞬斷區(qū)位置逆旋轉(zhuǎn)方向偏轉(zhuǎn)一角度；高名義應(yīng)力時(shí)，多個(gè)疲勞源同時(shí)從表面向內(nèi)擴(kuò)展，使瞬斷區(qū)移向中心位置。瞬斷區(qū)大小與機(jī)件承受名義應(yīng)力及材料性質(zhì)有關(guān)，高名義應(yīng)力或低韌性材科，瞬斷區(qū)大；反之。瞬斷區(qū)則小。 瞬斷區(qū)33各類疲勞斷口形貌各類疲勞斷口形貌34各類斷口的特點(diǎn)截面上應(yīng)力分布均勻。裂紋擴(kuò)展等速，貝紋線呈一族平行的圓弧線平

13、行的圓弧線。裂紋沿表層的擴(kuò)展比中間區(qū)快。5.1 5.1 金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)5.1.3 疲勞宏觀斷口特征35各類斷口的特點(diǎn)疲勞區(qū)范圍小，表層與中間區(qū)的裂紋擴(kuò)展相差無幾，貝紋線蛇形狀從起始的半圓弧狀到半橢圓狀最后為波浪狀變化；疲勞區(qū)范圍大。表層裂紋擴(kuò)展比中間超前許多，故貝紋線形狀由起始的半圓弧狀到半橢圓弧狀、波浪弧狀最后為凹向橢圓弧狀變化。5.1 5.1 金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)5.1.3 疲勞宏觀斷口特征36各類斷口的特點(diǎn)表面應(yīng)力最高，其貝紋線變化與帶缺口機(jī)件的拉壓疲勞相似。表面有缺口時(shí)，應(yīng)力集中增強(qiáng)，變化會(huì)更大。5.1 5.1 金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)

14、5.1.3 疲勞宏觀斷口特征37各類斷口的特點(diǎn)因最大正應(yīng)力方向與扭轉(zhuǎn)軸傾斜45，最大切應(yīng)力垂直或平行于軸向分布。v正斷型疲勞斷口與軸向呈45，且易出現(xiàn)鋸齒狀或星形狀斷口。v切應(yīng)力引起的切斷型疲勞斷口沿最大切應(yīng)力即垂直于扭轉(zhuǎn)軸方向，上面一般看不到貝紋線。 5.1 5.1 金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)5.1.3 疲勞宏觀斷口特征38高應(yīng)力旋轉(zhuǎn)彎曲，有應(yīng)力集中低應(yīng)力旋轉(zhuǎn)彎曲，有高應(yīng)力集中39疲勞力學(xué)性疲勞力學(xué)性能指標(biāo)能指標(biāo) 疲勞缺口疲勞缺口敏感度敏感度疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度過載持久過載持久值值5.2 疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能40p 疲勞曲線疲勞曲線是疲勞應(yīng)力疲勞應(yīng)力與疲勞壽命疲勞壽命的關(guān)系曲線，

15、即SN曲線。p 用途：用途：它是確定疲勞極限、建立疲勞應(yīng)力判據(jù)的基礎(chǔ)。p 1860年，維勒在解決火車軸斷裂時(shí)，首先提出疲勞曲線和疲勞極限的概念，所以后人也稱該曲線為維勒曲線。 5.2.1 疲勞曲線和對(duì)稱循環(huán)疲勞極限41圖圖 幾種材料的疲勞曲線幾種材料的疲勞曲線合金鋼合金鋼w wc c0.47%0.47%碳鋼碳鋼鋁合金鋁合金灰鑄鐵灰鑄鐵1041051031061071081090204060應(yīng)力應(yīng)力max/10MPa循環(huán)周次循環(huán)周次/次次高應(yīng)力段和低應(yīng)力段，高應(yīng)力段壽高應(yīng)力段和低應(yīng)力段，高應(yīng)力段壽命短，低應(yīng)力段壽命長(zhǎng)。命短，低應(yīng)力段壽命長(zhǎng)。應(yīng)力水平下降，斷裂循環(huán)周次增加。應(yīng)力水平下降，斷裂循環(huán)周

16、次增加。疲勞曲線42p有水平段有水平段（碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、球鐵等）經(jīng)過無限次應(yīng)力循環(huán)也不發(fā)生疲勞斷裂，將對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為疲勞極限，記為-1（對(duì)稱循環(huán)）p無水平段無水平段（鋁合金、不銹鋼、高強(qiáng)度鋼等）只是隨應(yīng)力降低，循環(huán)周次不斷增大。此時(shí)，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)力作為條件疲勞極限。例：高強(qiáng)度鋼、鋁合金和不銹鋼：N108周次鈦合金：N107周次疲勞極限疲勞極限431r（r為應(yīng)力比） 疲勞斷裂應(yīng)力判據(jù)疲勞斷裂應(yīng)力判據(jù)44旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，能試驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，能試驗(yàn)對(duì)稱循環(huán)和恒應(yīng)力幅的要求。稱循環(huán)和恒應(yīng)力幅的要求。疲勞曲線的測(cè)定疲

17、勞曲線的測(cè)定旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)示意圖45圖圖 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)疲勞試樣適用于旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)上的光滑試樣其尺寸形狀如圖所示，其直徑d可為6mm、7.5mm、9.5mm。 板材純彎曲疲勞試驗(yàn)示意圖適用于板狀試樣481.用升降法測(cè)定條件疲勞極限；2.用成組試驗(yàn)法測(cè)定高應(yīng)力部分；3.將上述兩試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，并擬合成疲勞曲線。疲勞曲線的測(cè)試方法疲勞曲線的測(cè)試方法49有效試樣1313根以上，取3 35 5級(jí)應(yīng)力水平。每級(jí)應(yīng)力增量一般為的（35%）。試樣應(yīng)力水平略高于-1。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果而定。若第一根斷裂，則降低應(yīng)力35%；反之，升高35%。其余均以此處

18、理。，如在以后數(shù)據(jù)的應(yīng)力波動(dòng)范圍內(nèi)，可作為有效數(shù)據(jù)加以利用，否則舍去。v按公式計(jì)算-1（r=-1，N=107周次）。疲勞曲線的測(cè)定疲勞曲線的測(cè)定升降法測(cè)定疲勞極限升降法測(cè)定疲勞極限5014203N圖圖 升降法示意圖升降法示意圖應(yīng)力增量應(yīng)力增量 試樣斷裂試樣斷裂 試樣通過試樣通過12103411514768161213159升降法測(cè)定疲勞極限升降法測(cè)定疲勞極限條件疲勞極限按下式計(jì)算：式中：m有效試驗(yàn)的總次數(shù) (破壞或通過數(shù)據(jù)均計(jì)算在內(nèi))。 n試驗(yàn)應(yīng)力水平級(jí)數(shù)。i 第i級(jí)應(yīng)力水平。vi 第i級(jí)應(yīng)力水平下的試驗(yàn)次數(shù)。niiiNRvm1)(152取3 34 4級(jí)較高應(yīng)力水平，每級(jí)應(yīng)力應(yīng)力水平下，測(cè)定5

19、 5根左右試樣的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算中值（存活率為50）疲勞壽命。高應(yīng)力成組測(cè)定高應(yīng)力成組測(cè)定53將升降法測(cè)得的-1作為SN曲線的最低應(yīng)力水平點(diǎn)，與成組試驗(yàn)法的測(cè)定結(jié)果擬合成直線或曲線，即得存活率50的中值SN曲線。圖圖 某種鋁合金的疲勞曲線某種鋁合金的疲勞曲線成組法測(cè)得的試驗(yàn)點(diǎn)成組法測(cè)得的試驗(yàn)點(diǎn) 升降法測(cè)得的試驗(yàn)點(diǎn)升降法測(cè)得的試驗(yàn)點(diǎn)Nr=0.1疲勞曲線的測(cè)定疲勞曲線的測(cè)定54同一材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下測(cè)得的疲勞極限不相同，但是它們之間存在一定的聯(lián)系。根據(jù)試驗(yàn)確定，對(duì)稱彎曲疲勞極限(-1)與對(duì)稱拉壓(-1p)、扭轉(zhuǎn)（-1）疲勞極限之間存在下列關(guān)系：鋼：-1p=0.85-1鑄鐵：-1p =

20、0.65-1，-1=0.8-1銅及輕合金：-1=0.55-1 不同應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞極限不同應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞極限55圖圖 鋼的疲勞極限鋼的疲勞極限-1-1與抗拉強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度b b的關(guān)系的關(guān)系-1/b=0.5-1/b=0.3-1/b=0.24Kt=1.62.1碳鋼碳鋼低碳合金鋼低碳合金鋼中碳合金鋼中碳合金鋼100300500700900-1/MPa2006001000140018002200b/MPa2006001000140018002200b/MPavb較低時(shí)，較低時(shí)，-1=0.5bvb較高時(shí)，發(fā)生偏移。由于較高時(shí)，發(fā)生偏移。由于強(qiáng)度升高，塑性和韌性下降，強(qiáng)度升高，塑性和韌性下降，裂紋易于形

21、成和擴(kuò)展。裂紋易于形成和擴(kuò)展。v金屬材料的抗拉強(qiáng)度越大，金屬材料的抗拉強(qiáng)度越大，疲勞極限也越大。疲勞極限也越大。v中、低強(qiáng)度鋼，疲勞極限與中、低強(qiáng)度鋼，疲勞極限與抗拉強(qiáng)度之間大體呈線性關(guān)系?？估瓘?qiáng)度之間大體呈線性關(guān)系。疲勞極限與靜強(qiáng)度間的關(guān)系疲勞極限與靜強(qiáng)度間的關(guān)系56屈強(qiáng)比s/b對(duì)疲勞極限也有一定的影響，建議用下面經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：結(jié)構(gòu)鋼：-1p=0.23(s+b) -1=0.27(s+b) 鑄鐵： -1p=0.4b -1=0.45b 鋁合金：-1p=b/6+7.5MPa -1=b/6-7.5MPa青銅： -1=0.21b疲勞極限與靜強(qiáng)度間的關(guān)系疲勞極限與靜強(qiáng)度間的關(guān)系57很多機(jī)件在不對(duì)稱循環(huán)載

22、荷下工作，所以需要測(cè)定材料的不對(duì)稱循環(huán)疲勞極限。通常用工程作圖工程作圖法法，由疲勞圖求得各種不對(duì)稱循環(huán)的疲勞極限。是各種循環(huán)疲勞極限的集合圖，也是疲勞曲線的另一種表達(dá)形式。5.2.2 疲勞圖和不對(duì)稱循環(huán)疲勞極限585.2.2 疲勞圖和不對(duì)稱循環(huán)疲勞極限圖圖 不同應(yīng)力比的疲勞曲線不同應(yīng)力比的疲勞曲線疲勞極限隨應(yīng)力比疲勞極限隨應(yīng)力比r r的增的增大而升高。可根據(jù)平均大而升高?？筛鶕?jù)平均應(yīng)力對(duì)疲勞極限的影響應(yīng)力對(duì)疲勞極限的影響規(guī)律建立疲勞圖，根據(jù)規(guī)律建立疲勞圖，根據(jù)不同的作圖方法，有兩不同的作圖方法，有兩種疲勞圖。種疲勞圖。r=0.30.3015.2 5.2 疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能疲勞曲線及基本

23、疲勞力學(xué)性能59圖圖 a a-m m疲勞圖疲勞圖rrma11)(21)(21tanminmaxminmaxrammaxminmaxminmax22maamABECD-1bO45m=0,r=-1,a=-1m=b,r=1,a=0r=0,a=?,m=?, 0=?Fa- -m疲勞圖疲勞圖60ABC曲線也可用數(shù)學(xué)解析式表示，常用的公式有：Gerber公式:Goodman公式:Soderberg公式:211bmabma11sma11a a- -m m疲勞圖疲勞圖61圖圖 maxmax(minmin)-)-a a疲勞圖疲勞圖rm122tanminmaxmaxmaxmax (min)ABECO-1bH0-1b

24、45mr=0,0=?max (min)-m疲勞圖62習(xí)題16364圖圖 塑性材料的塑性材料的maxmax(minmin)-)-m m疲勞圖疲勞圖maxABCO4555minPRQm00.2塑性材料max (min)-m疲勞圖65零件常短時(shí)在高于疲勞極限情況下工作，機(jī)件偶然過載偶然過載運(yùn)行對(duì)疲勞壽命會(huì)不會(huì)降低？通常用過載損害界過載損害界來衡量偶然超過疲勞極限運(yùn)行對(duì)疲勞壽命的影響。5.2.3 抗疲勞過載能力5.2 5.2 疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能66過載損傷界5.2.3 抗疲勞過載能力max-1過載損傷界過載損傷界過載持久值線過載持久值線lgNlgN0過載損傷區(qū)過載損傷

25、區(qū)高于高于-1-1的應(yīng)力下進(jìn)行疲勞試的應(yīng)力下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，經(jīng)過驗(yàn)，經(jīng)過N N周次后，再在疲勞周次后，再在疲勞極限的應(yīng)力下運(yùn)轉(zhuǎn)，看是否影極限的應(yīng)力下運(yùn)轉(zhuǎn)，看是否影響疲勞壽命響疲勞壽命N N0 0。acb各應(yīng)力水平下發(fā)生疲勞斷裂的各應(yīng)力水平下發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán)周次稱應(yīng)力循環(huán)周次稱過載持久值過載持久值5.2 5.2 疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能67疲勞過載損傷的原因疲勞過載損傷可用金屬內(nèi)部的“非擴(kuò)展裂紋非擴(kuò)展裂紋”來解釋。材料內(nèi)部存在裂紋， 能經(jīng)受無限次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂，指在該應(yīng)力下裂紋是非擴(kuò)展的。當(dāng)過載運(yùn)轉(zhuǎn)到一定循環(huán)周次后，疲勞損傷形成的裂紋尺寸超過在疲勞極限應(yīng)力下“非

26、擴(kuò)展裂紋”尺寸，則在以后的疲勞極限應(yīng)力下再運(yùn)轉(zhuǎn)，裂紋將繼續(xù)擴(kuò)展，使之在小于的循環(huán)次數(shù)下就發(fā)生疲勞，說明過載已造成了損傷。5.2.3 抗疲勞過載能力5.2 5.2 疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能68疲勞過載損傷的原因當(dāng)在低過載下（應(yīng)力循環(huán)周次又不足），累積損傷造成的裂紋長(zhǎng)度小于在應(yīng)力下的“非擴(kuò)展裂紋”尺寸時(shí)，裂紋就不會(huì)擴(kuò)展，這時(shí)過載對(duì)材料不造成疲勞損傷。因此，過載損傷界就是在不同過載應(yīng)力下，損傷累因此，過載損傷界就是在不同過載應(yīng)力下，損傷累積造成的裂紋尺寸達(dá)到或超過應(yīng)力的積造成的裂紋尺寸達(dá)到或超過應(yīng)力的“非擴(kuò)展裂紋非擴(kuò)展裂紋”尺寸的循環(huán)次數(shù)。尺寸的循環(huán)次數(shù)。 5.2.3 抗

27、疲勞過載能力5.2 5.2 疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能69機(jī)件常帶有臺(tái)階、拐角、鏈槽、油孔、螺紋等結(jié)構(gòu)，它們類似于缺口作用，造成該區(qū)域的應(yīng)力集中，因而會(huì)縮短機(jī)件疲勞壽命，降低材料疲勞強(qiáng)度。 5.2.4 疲勞缺口敏感度5.2 5.2 疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能70金屬材料在交變載荷作用下的缺口敏感性，常用疲勞缺口敏感度qf評(píng)定:5.2.4 疲勞缺口敏感度11tffKKq理論應(yīng)力集中系數(shù)理論應(yīng)力集中系數(shù) 疲勞缺口系數(shù)疲勞缺口系數(shù) NfK115.2 5.2 疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能71出現(xiàn)兩者極端情況vKfKt，即缺口試

28、樣疲勞過程中應(yīng)力分布與彈性狀態(tài)完全一樣，沒有發(fā)生應(yīng)力重新分布，這時(shí)缺口降低疲勞極限最嚴(yán)重。 vKf1，即缺口不降低疲勞極限，說明疲勞過程中應(yīng)力產(chǎn)生了很大的重分布，應(yīng)力集中效應(yīng)完全被消除，qf=0，材料的疲勞缺口敏感性最小。 5.2.4 疲勞缺口敏感度11tffKKq5.2 5.2 疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能72qf值能反映在疲勞過程中材料發(fā)生應(yīng)力重新分布，降低應(yīng)力集中的能力。由于一般材料-1N低于-1，即Kf大于1，故qf通常值在01范圍內(nèi)變化。 5.2.4 疲勞缺口敏感度5.2 5.2 疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能73q qf f的影響因素的

29、影響因素v鋼種v疲勞類型高周疲勞和低周疲勞v強(qiáng)度（硬度） v缺口形狀5.2.4 疲勞缺口敏感度5.2 5.2 疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能74q qf f的影響因素的影響因素鋼種鋼種5.2.4 疲勞缺口敏感度鋼種鋼種qfqf值值結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼0.60.60.80.8粗晶粒鋼粗晶粒鋼0.10.10.20.2灰鑄鐵灰鑄鐵0.110.110.250.25球鐵球鐵0 00.050.05表表 不同鋼種的不同鋼種的q qf f值值5.2 5.2 疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能75q qf f的影響因素的影響因素疲勞類型疲勞類型，大多數(shù)金屬對(duì)缺口十分敏感。，對(duì)缺口

30、不太敏感。（這是因?yàn)楹笳呷笨诟恳徊糠值貐^(qū)已處于塑性區(qū)內(nèi)，發(fā)生應(yīng)力松弛，使應(yīng)力集中降低所致。） 5.2.4 疲勞缺口敏感度5.2 5.2 疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能76q qf f的影響因素的影響因素強(qiáng)度（硬度）強(qiáng)度（硬度）強(qiáng)度（硬度）增加，qf增加。所以，不同的熱處理工藝對(duì)qf影響不同，淬火回火鋼較正火、退火鋼對(duì)缺口要敏感。5.2.4 疲勞缺口敏感度5.2 5.2 疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能77q qf f的影響因素的影響因素缺口形狀缺口形狀5.2.4 疲勞缺口敏感度13801100 965825690550415345MPa圖圖 缺口半徑

31、和材料強(qiáng)度對(duì)缺口敏感度缺口半徑和材料強(qiáng)度對(duì)缺口敏感度qfqf的影響的影響缺口半徑缺口半徑r/mm缺口敏感度缺口敏感度qf0.20.40.60.81.00.51.02.02.53.03.54.001.5v缺口根部曲率半徑較小時(shí)，缺口根部曲率半徑較小時(shí)，缺口越尖銳，缺口越尖銳，q qf f值越低。值越低。v強(qiáng)度越高，強(qiáng)度越高，q qf f越高。越高。5.2 5.2 疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能78q qf f的影響因素的影響因素缺口形狀缺口形狀，缺口越尖銳，qf值越低。這是因?yàn)镵t和Kf都隨缺口尖銳度增加而提高，但Kt增高比Kf快。，缺口尖銳度對(duì)的影響明顯減小，與缺口形狀關(guān)

32、系不大。因此，測(cè)定材料的疲勞缺口敏感度時(shí)，缺口曲率半徑應(yīng)選用比較大的數(shù)值。 5.2.4 疲勞缺口敏感度5.2 5.2 疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能材料在交變載荷作用下，疲勞壽命為102105次（即大應(yīng)力低周次）的疲勞斷裂。 如：飛機(jī)起落架起飛和降落時(shí)（壽命只有幾千次），壓力容器周期的升壓和降壓。低周疲勞和高周疲勞的區(qū)分，大約以105周次為界，這是個(gè)很粗略的界限。80疲勞應(yīng)力判據(jù)疲勞應(yīng)力判據(jù)斷裂疲勞判據(jù)斷裂疲勞判據(jù)疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度疲勞裂紋擴(kuò)疲勞裂紋擴(kuò)展速率展速率疲勞缺口疲勞缺口敏感度敏感度過載持久過載持久值值疲勞設(shè)計(jì)815.3 5.3 疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門檻值疲勞裂紋

33、擴(kuò)展速率及疲勞門檻值斷口分析斷口分析研究亞穩(wěn)擴(kuò)展過程的意義研究亞穩(wěn)擴(kuò)展過程的意義疲勞源疲勞源疲勞區(qū)疲勞區(qū)瞬斷區(qū)瞬斷區(qū)裂紋萌生裂紋萌生亞穩(wěn)擴(kuò)展亞穩(wěn)擴(kuò)展失穩(wěn)擴(kuò)展失穩(wěn)擴(kuò)展82疲勞裂紋擴(kuò)展曲線的測(cè)定v設(shè)備：高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)設(shè)備：高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)v試樣：試樣：三點(diǎn)彎曲單邊缺口試樣（三點(diǎn)彎曲單邊缺口試樣（SENB3SENB3）、中心裂中心裂紋拉伸試樣（紋拉伸試樣（CCTCCT）或或緊湊拉仲試樣（緊湊拉仲試樣（CTCT）v方法：先預(yù)制疲勞裂紋，隨后在固定應(yīng)力比方法：先預(yù)制疲勞裂紋，隨后在固定應(yīng)力比r r和應(yīng)和應(yīng)力范圍力范圍條件下循環(huán)加載。記錄裂紋長(zhǎng)度條件下循環(huán)加載。記錄裂紋長(zhǎng)度a a隨循隨循環(huán)擴(kuò)展增長(zhǎng)情況，作出

34、疲勞裂紋擴(kuò)展曲線。環(huán)擴(kuò)展增長(zhǎng)情況，作出疲勞裂紋擴(kuò)展曲線。 5.3.1 疲勞裂紋擴(kuò)展曲線疲勞裂紋擴(kuò)展曲線83斜率表示裂紋擴(kuò)展斜率表示裂紋擴(kuò)展速率，每循環(huán)一次速率，每循環(huán)一次的裂紋擴(kuò)展距離。的裂紋擴(kuò)展距離。討論：討論：1 1、斜率的變化規(guī)律、斜率的變化規(guī)律2 2、改變應(yīng)力，曲線如何變化、改變應(yīng)力，曲線如何變化疲勞裂紋擴(kuò)展曲線疲勞裂紋擴(kuò)展曲線84aYaYaYKKKminmaxminmaxK裂紋尺寸a應(yīng)力水平裂紋擴(kuò)展速率裂紋擴(kuò)展速率dNda5.3.2 疲勞裂紋擴(kuò)展速率疲勞裂紋擴(kuò)展速率85裂紋擴(kuò)展速裂紋擴(kuò)展速率（對(duì)數(shù)）率（對(duì)數(shù)） 應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍（對(duì)數(shù)）范圍（對(duì)數(shù)）疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線疲勞裂

35、紋擴(kuò)展速率曲線86整體看：整體看：在在、區(qū)，區(qū)， KK對(duì)對(duì)da/dNda/dN影響較大；影響較大；在在區(qū)，呈冪函數(shù)關(guān)系。區(qū)，呈冪函數(shù)關(guān)系。 疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線87區(qū)：區(qū)： 裂紋初始擴(kuò)展階段；裂紋初始擴(kuò)展階段；1010-8-81010-6-6mm/mm/周周次次 快速提高，但快速提高，但KK變化范圍很小所以提變化范圍很小所以提高有限。高有限。 疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線-I區(qū)區(qū)88區(qū)區(qū) ： 裂紋擴(kuò)展主要階段；裂紋擴(kuò)展主要階段；1010-5-51010-2-2mm/mm/周次周次 da/dNda/dNKK呈冪函數(shù)關(guān)系，呈冪函數(shù)關(guān)系，KK變化范變化范圍很大，擴(kuò)展壽

36、命長(zhǎng)。圍很大，擴(kuò)展壽命長(zhǎng)。 疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線-II區(qū)區(qū)89區(qū)區(qū) ： 裂紋擴(kuò)展最后階段裂紋擴(kuò)展最后階段 ； da/dNda/dN很大，并隨很大，并隨KK增加而很快地增大，增加而很快地增大，只需擴(kuò)展很少周次即會(huì)導(dǎo)致材料失穩(wěn)斷裂。只需擴(kuò)展很少周次即會(huì)導(dǎo)致材料失穩(wěn)斷裂。 疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線-III區(qū)區(qū)90區(qū)：區(qū)： KKKKthth時(shí)，時(shí)，da/dN=0;da/dN=0; KKKKthth時(shí)，時(shí)，da/dN0,da/dN0,開始擴(kuò)展。開始擴(kuò)展。KKthth是疲勞裂紋不擴(kuò)展是疲勞裂紋不擴(kuò)展的臨界值，稱為的臨界值，稱為疲勞裂紋疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值擴(kuò)展門檻值。 疲勞

37、裂紋擴(kuò)展門檻值疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值Kth911材料阻止疲勞裂材料阻止疲勞裂紋開始擴(kuò)展的性紋開始擴(kuò)展的性能，是材料的力能，是材料的力學(xué)性能指標(biāo)學(xué)性能指標(biāo) 2與疲勞極限有些與疲勞極限有些相似，表示無限相似，表示無限壽命的疲勞性能壽命的疲勞性能3規(guī)定平面應(yīng)變條規(guī)定平面應(yīng)變條件下件下da/dN=10da/dN=10-6-6- -1010-7-7mm/mm/周期，周期，工工程（或條件）疲程（或條件）疲勞門檻值勞門檻值疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值的討論92材料KKthth材料KKthth低合金鋼6.6純銅2.518-8不銹鋼6.060/40黃銅3.5純鋁1.7純鎳7.94.5銅鋁不銹鋼2.1鎳基合金7.1工程金屬材料

38、的工程金屬材料的KKthth一般很小，約一般很小，約5 510%K10%KIcIc表表 幾種工程金屬材料幾種工程金屬材料KKthth測(cè)定值（測(cè)定值（r r0 0） 金屬工程材料的Kth93aYKththKaYK校核公式：已知裂紋尺寸a，和疲勞門檻值Kth，可得求無限疲勞壽命承載能力：已知工作載荷，和疲勞門檻值Kth，可得求裂紋的允許尺寸a：221thKYa根據(jù)Kth建立裂紋不疲勞斷裂的校核公式疲勞裂紋擴(kuò)展判據(jù)94nKcdNda)(c，n為材料試驗(yàn)參數(shù) cKndNdalglglg1861年，Paris提出：區(qū)，da/dN與K呈冪函數(shù)關(guān)系Paris公式950 . 312109 . 6KdNda鐵素

39、體鐵素體-珠光體鋼珠光體鋼25. 312106 . 5KdNda奧氏體鋼奧氏體鋼25. 2101035. 1KdNda馬氏體鋼馬氏體鋼由圖可見：鋼的強(qiáng)度水平和顯微組織對(duì)區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率影響不大。圖圖 各種鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率的分散帶各種鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率的分散帶各種鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率96可以描述各種材料和各種試驗(yàn)條件下的疲勞可以描述各種材料和各種試驗(yàn)條件下的疲勞裂紋擴(kuò)展，為疲勞機(jī)件的設(shè)計(jì)或失效分析提裂紋擴(kuò)展，為疲勞機(jī)件的設(shè)計(jì)或失效分析提供有效的壽命估算方法。供有效的壽命估算方法。一般只適用于低應(yīng)力、低擴(kuò)展速率的范圍及一般只適用于低應(yīng)力、低擴(kuò)展速率的范圍及較長(zhǎng)的疲勞壽命，即所謂的較長(zhǎng)的疲

40、勞壽命，即所謂的高周疲勞場(chǎng)合高周疲勞場(chǎng)合。Paris公式的應(yīng)用及適用范圍97Paris公式雖然簡(jiǎn)單實(shí)用，但畢竟是經(jīng)驗(yàn)公式，公式雖然簡(jiǎn)單實(shí)用，但畢竟是經(jīng)驗(yàn)公式，有著一定的適用范圍。近年來，除了有著一定的適用范圍。近年來，除了Paris公公式外，還提出比較復(fù)雜全面的公式。式外，還提出比較復(fù)雜全面的公式。p Forman公式公式 p 考慮了門檻值考慮了門檻值Kth影響的公式影響的公式 p 描述整個(gè)裂紋擴(kuò)展過程的公式描述整個(gè)裂紋擴(kuò)展過程的公式 其他疲勞裂紋擴(kuò)展速率公式981967年，F(xiàn)orman提出考慮了應(yīng)力比和材料斷裂韌度對(duì)da/dN的影響，提出下列公式：KKrKcdNdacn)1 ()(nKcdN

41、da)(ParisParis公式公式可描述可描述、區(qū)的擴(kuò)展，但沒區(qū)的擴(kuò)展，但沒反映反映區(qū)的裂紋擴(kuò)展情況區(qū)的裂紋擴(kuò)展情況修修正正Forman公式991972年，Donahue等人考慮了門檻值Kth的影響，對(duì)Paris公式做出了修正：mthKKCdNda)(1977年，McEvily和Groeger在關(guān)于疲勞裂紋門檻值的研究中，提出下式，其中注意到材料常數(shù)m2。max21)(KKKKKCdNdacth11倪向貴等倪向貴等 疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律ParisParis公式的一般修正及應(yīng)用公式的一般修正及應(yīng)用J J 壓力容器壓力容器,Vol23.No12 2006,Vol23.No12 200

42、6考慮了門檻值Kth影響的公式1100KKrKKCdNdacmth)1 ()(其中，C為疲勞裂紋擴(kuò)展系數(shù)，是與拉伸性能有關(guān)的常數(shù)。Kc是與試樣厚度有關(guān)的材料斷裂韌度；m為材料試驗(yàn)常數(shù)。 描述整個(gè)裂紋擴(kuò)展過程的公式101根據(jù)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的公式，用根據(jù)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的公式，用積分法積分法可可估算出疲勞裂紋擴(kuò)展壽命估算出疲勞裂紋擴(kuò)展壽命N Nc c或帶裂紋或帶裂紋( (或缺陷或缺陷) )機(jī)件的剩余疲勞壽命。這在生產(chǎn)上具有實(shí)際機(jī)件的剩余疲勞壽命。這在生產(chǎn)上具有實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。意義和應(yīng)用價(jià)值。 疲勞裂紋擴(kuò)展速率的公式的作用102擴(kuò)展速率過載峰應(yīng)力比材料組織影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素103平均應(yīng)

43、力和應(yīng)力比影響的等效性maxminrminmax21amaxminrra12maxrra12minminmax21m)1 ()1 (rrama a一定時(shí)，一定時(shí)，rr，m m。因此，平均應(yīng)力和應(yīng)力比具因此，平均應(yīng)力和應(yīng)力比具有等效性有等效性應(yīng)力比r（或平均應(yīng)力）的影響104圖圖 應(yīng)力比應(yīng)力比r r對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響由圖可見，隨由圖可見，隨r r增加，曲線向增加，曲線向左上方左上方移動(dòng)移動(dòng)da/dNda/dN升高，升高，、區(qū)比區(qū)比區(qū)影響較大，區(qū)影響較大，降低降低了了KKthth。2/1011rrKKthth區(qū)，區(qū)，r r對(duì)對(duì)KKthth的影響規(guī)律為：的影響規(guī)律為：脈

44、動(dòng)循環(huán)脈動(dòng)循環(huán)r=0r=0下下的疲勞門檻值的疲勞門檻值應(yīng)力比r（或平均應(yīng)力）的影響105殘余應(yīng)力的影響殘余應(yīng)力與外加循環(huán)應(yīng)力疊加將改變實(shí)際的應(yīng)力比，從而影響da/dN 和Kth。殘余壓應(yīng)力減小r，使da/dN降低和Kth升高，對(duì)疲勞有利。殘余拉應(yīng)力相反。應(yīng)力比r（或平均應(yīng)力）的影響106偶然的過載進(jìn)人過載損傷區(qū)內(nèi)，將使材料受到損傷并降低疲勞壽命；在恒載裂紋疲勞擴(kuò)展期內(nèi)，適當(dāng)?shù)倪^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)展裂紋擴(kuò)展過載停滯現(xiàn)象過載停滯現(xiàn)象，并延長(zhǎng)疲勞壽命。圖圖 過載峰對(duì)過載峰對(duì)20242024T3T3鋁合金鋁合金da/dNda/dN的影響的影響過載峰的影響107圖圖 過載在裂

45、紋尖端形成的塑性區(qū)過載在裂紋尖端形成的塑性區(qū)應(yīng)力循環(huán)正半周：過載拉應(yīng)力產(chǎn)生較大的塑性區(qū)。當(dāng)這個(gè)較大塑性區(qū)在循環(huán)負(fù)半周時(shí)，因阻止周圍彈性變形恢復(fù)而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力殘余壓應(yīng)力，使得裂紋提前閉合，減小裂紋尖端的K，從而降低da/dN,這種影響稱為裂紋閉裂紋閉合效應(yīng)合效應(yīng)。過載停滯的原因108材料組織對(duì)、區(qū)影響明顯，區(qū)不明顯。晶粒越粗大，Kth，da/dN。和對(duì)屈服強(qiáng)度的影響相反，提高疲勞裂紋萌生抗力和提高疲勞裂紋擴(kuò)展抗力存在矛盾。實(shí)踐中采用抓主要矛盾，折中的方法。亞共析鋼的Kth與鐵素體及珠光體的含量有關(guān)。碳含量，鐵素體，Kth材料組織的影響109鋼的淬火組織中存在殘余的韌性組織，可提高Kth，降低d

46、a/dN。鋼中馬氏體、貝氏體和殘余奧氏體對(duì)Kth的貢獻(xiàn)比例是M:B:A=1:4:7。噴丸強(qiáng)化提高Kth。高溫回火組織韌性好，強(qiáng)度低，其Kth高；低溫回火組織韌性差，強(qiáng)度低，其Kth低；中溫回火的Kth介于二者之間。材料組織的影響110圖圖 300M300M鋼不同熱處理對(duì)鋼不同熱處理對(duì)da/dNda/dN及及KKthth的影響的影響不同回火組織的影響111疲勞剩余壽命估算的步驟疲勞剩余壽命估算的步驟1、用無損探傷法確定出零件的初始裂紋長(zhǎng)。、用無損探傷法確定出零件的初始裂紋長(zhǎng)。形狀、位置和取向，以確定裂尖形狀、位置和取向，以確定裂尖KI值。值。2、根據(jù)已知材料的斷裂韌度、根據(jù)已知材料的斷裂韌度KI

47、C及名義工作及名義工作應(yīng)力應(yīng)力確定臨界裂紋長(zhǎng)度確定臨界裂紋長(zhǎng)度ac。3、根據(jù)所采用的裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式，用積、根據(jù)所采用的裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式，用積分法算出從初始裂紋長(zhǎng)分法算出從初始裂紋長(zhǎng)a0擴(kuò)展到臨界長(zhǎng)擴(kuò)展到臨界長(zhǎng)ac所需所需的循環(huán)周次的循環(huán)周次N，即為疲勞剩余壽命，即為疲勞剩余壽命Nc。5.3.3 疲勞裂紋擴(kuò)展壽命估算112常選用常選用ParisParis公式，取公式，取 則，則，當(dāng)當(dāng)n2n2時(shí)，時(shí)，當(dāng)當(dāng)n n2 2時(shí)，時(shí)，naYcdNda)(2/)(nnnacYdadNaYK2/)2(2/)2(02/011)()2(2)(0ncnnaannnNcaaYcnacYdadNNcc02lnln)

48、(1aaYcNcc疲勞壽命的估算113某汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的某汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的0.20.2=672MPa, K=672MPa, KICIC=34.1MPa=34.1MPam m1/21/2，da/dN=10da/dN=10-11-11( (K)K)4 4。工作時(shí)，因起動(dòng)或停機(jī)在轉(zhuǎn)。工作時(shí)，因起動(dòng)或停機(jī)在轉(zhuǎn)子中心孔壁的最大合成慣性力子中心孔壁的最大合成慣性力0 0=352MPa=352MPa。經(jīng)超聲。經(jīng)超聲波探傷，得知中心孔壁附近有波探傷，得知中心孔壁附近有2a2a0 0=8mm=8mm的的圓片狀埋藏圓片狀埋藏裂紋裂紋，裂紋離孔壁距離，裂紋離孔壁距離h=5.3mmh=5.3mm。如果此發(fā)電機(jī)平。如果此發(fā)電機(jī)

49、平均每周起動(dòng)和停機(jī)各一次，試估算轉(zhuǎn)子在循環(huán)慣性均每周起動(dòng)和停機(jī)各一次，試估算轉(zhuǎn)子在循環(huán)慣性力作用下的疲勞壽命。力作用下的疲勞壽命。疲勞壽命的估算例題1141.計(jì)算計(jì)算KI應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子表達(dá)式為：應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子表達(dá)式為：QaMKea/2c=0.5，a/h=0.75。查。查Me曲線，得曲線，得Me=1.1。斷裂力學(xué)計(jì)算得。斷裂力學(xué)計(jì)算得Q=2.41，則，則41. 23521 . 141. 2aaMKe1152.計(jì)算裂紋臨界尺寸計(jì)算裂紋臨界尺寸ac由斷裂判據(jù)得：由斷裂判據(jù)得：QaMKccec41. 23521 . 1aKcmmmmac2 . 6)3521 . 1 (41. 21 .34221163.

50、估算疲勞壽命估算疲勞壽命當(dāng)當(dāng)Kmin0時(shí)時(shí)41141110)(10QaMKdNdae)(235041. 23521 . 1101000411411周次ccaaaaefadaQaMdaN)(6 .222522350252年cNt117例題2118例題2119例題31201215.4 5.4 疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理裂紋萌生、亞穩(wěn)擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展三個(gè)過程。萌生期N0亞穩(wěn)擴(kuò)展期Np對(duì)疲勞各階段過程以及機(jī)理的了解，有助于我們認(rèn)識(shí)疲勞本質(zhì)，分析疲勞原因，以及延長(zhǎng)疲勞壽命。1225.4 5.4 疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理金屬材料的疲勞過程也是裂紋萌生相擴(kuò)展的過程。材料薄弱區(qū)或高應(yīng)力區(qū)：通過不均勻滑移、

51、微裂紋形成及長(zhǎng)大而完成。常將長(zhǎng)0.050.050.10mm0.10mm的裂紋定為疲勞裂紋核，對(duì)應(yīng)的循環(huán)周期為裂紋萌生期。時(shí)間長(zhǎng)短與應(yīng)力水平有關(guān)，低應(yīng)力時(shí)，疲勞的萌生期可占整個(gè)壽命的大半以上。 5.4.1 疲勞裂紋萌生過程及機(jī)理1235.4 5.4 疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理大量研究表明：疲勞微裂紋由不均勻滑移和顯微開裂引起。主要方式有：表面滑移帶開裂表面滑移帶開裂; ;第二相、夾第二相、夾雜物與基體界面或夾雜物本身開裂；晶界或亞晶界雜物與基體界面或夾雜物本身開裂；晶界或亞晶界處開裂。處開裂。5.4.1 疲勞裂紋萌生過程及機(jī)理圖圖 疲勞微裂疲勞微裂紋萌生的紋萌生的三種形式三種形式 1245.4

52、 5.4 疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理滑移帶開裂產(chǎn)生裂紋滑移帶開裂產(chǎn)生裂紋在循環(huán)載荷的作用下，即使循環(huán)應(yīng)力未超過材料屈服強(qiáng)度，也會(huì)在試件表面形成循環(huán)滑移帶循環(huán)滑移帶。循環(huán)滑移帶集中于某些局部區(qū)域（高應(yīng)力或薄弱區(qū)），用電解拋光法也很難將其去除，即使去除了，再重新循環(huán)加載后，還會(huì)在原處再現(xiàn)。故稱這種永留或再現(xiàn)的循環(huán)滑移帶為駐留滑移帶駐留滑移帶疲勞裂紋核心產(chǎn)生的策源地之一疲勞裂紋核心產(chǎn)生的策源地之一。 5.4.1 疲勞裂紋萌生過程及機(jī)理1255.4 5.4 疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理駐留滑移帶的特點(diǎn)駐留滑移帶的特點(diǎn)v持久駐留性v由材料某些薄弱的地區(qū)產(chǎn)生5.4.1 疲勞裂紋萌生過程及機(jī)理v一般只在表

53、面形成，深度較淺。隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加，循環(huán)滑移帶會(huì)不斷地加寬。當(dāng)加寬到一定程度時(shí)，由于位錯(cuò)的塞積和交割的作用，在駐留滑移帶處形成微裂紋。 1265.4 5.4 疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理駐留滑移帶的特點(diǎn)駐留滑移帶的特點(diǎn)駐留滑移帶在表面加寬過程中，會(huì)出現(xiàn)擠出脊和侵入溝，于是就在這些地方引起應(yīng)力集中，經(jīng)過一定循環(huán)后會(huì)引發(fā)微裂紋。5.4.1 疲勞裂紋萌生過程及機(jī)理圖圖 金屬表面金屬表面“擠出擠出”、“侵入侵入”并形成裂紋并形成裂紋1275.4 5.4 疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理柯垂?fàn)枺ˋ.H.Cottrel）和赫爾（D.Hull）曾提出交叉滑移模型交叉滑移模型說明擠出和侵入的形成過程。5.4

54、.1 疲勞裂紋萌生過程及機(jī)理1285.4 5.4 疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理交叉滑移模型交叉滑移模型5.4.1 疲勞裂紋萌生過程及機(jī)理圖圖 柯垂?fàn)柡諣柲Ｐ涂麓範(fàn)柡諣柲Ｐ?295.4 5.4 疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理如何提高疲勞強(qiáng)度如何提高疲勞強(qiáng)度滑移帶開裂產(chǎn)生裂紋角度滑移帶開裂產(chǎn)生裂紋角度從滑移開裂產(chǎn)生疲勞裂紋形成機(jī)理看，只要能提高材料滑移抗力（固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化等），均可阻止疲勞裂紋萌生，提高疲勞強(qiáng)度。5.4.1 疲勞裂紋萌生過程及機(jī)理1305.4 5.4 疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理相界面開裂產(chǎn)生裂紋相界面開裂產(chǎn)生裂紋在疲勞失效分析中，常發(fā)現(xiàn)很多疲勞源是由材料中的第二相或夾雜物引起的

55、，因此提出了第二相、夾雜物和基體界面開裂，或第二相、夾雜物本身開裂的疲勞裂紋萌生機(jī)理。5.4.1 疲勞裂紋萌生過程及機(jī)理圖圖 微孔形核長(zhǎng)大模型微孔形核長(zhǎng)大模型1315.4 5.4 疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理如何提高疲勞強(qiáng)度如何提高疲勞強(qiáng)度相界面開裂產(chǎn)生裂紋角度相界面開裂產(chǎn)生裂紋角度從第二相或夾雜物可引發(fā)疲勞裂紋的機(jī)理來看，只要能降低第二相或夾雜物脆性，提高相界面強(qiáng)度，控制第二相或夾雜物的數(shù)量、形態(tài)、大小和分布、使之“少、圓、小、勻”，均可抑制或延緩疲勞裂紋在第二相或夾雜物附近萌生，提高疲勞強(qiáng)度。 5.4.1 疲勞裂紋萌生過程及機(jī)理1325.4 5.4 疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理晶界開裂產(chǎn)生

56、裂紋晶界開裂產(chǎn)生裂紋晶界的存在和相鄰晶粒的不同取向性，位錯(cuò)在某一晶粒內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到晶界的阻礙作用，在晶界處發(fā)生位錯(cuò)塞積和應(yīng)力集中位錯(cuò)塞積和應(yīng)力集中現(xiàn)象。在應(yīng)力不斷循環(huán)下，晶界處的應(yīng)力集中得不到松弛時(shí)，則應(yīng)力峰越來越高，當(dāng)超過晶界強(qiáng)度時(shí)就會(huì)在晶界處產(chǎn)生裂紋。5.4.1 疲勞裂紋萌生過程及機(jī)理圖圖 ZenerZener位錯(cuò)塞積形成裂紋位錯(cuò)塞積形成裂紋1335.4 5.4 疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理如何提高疲勞強(qiáng)度如何提高疲勞強(qiáng)度晶界開裂產(chǎn)生裂紋晶界開裂產(chǎn)生裂紋從晶界萌生裂紋來看，凡使晶界弱化晶界弱化和晶粒粗化晶粒粗化的因素，如晶界有低熔點(diǎn)夾雜物等有害元素和成分偏析、回火脆、晶界析氫及晶粒粗化等，

57、均易產(chǎn)生晶界裂紋、降低疲勞強(qiáng)度降低疲勞強(qiáng)度；反之，凡使晶界強(qiáng)化、凈化和細(xì)化晶粒的因素，均能抑制晶界裂紋形成，提高疲勞強(qiáng)度。 5.4.1 疲勞裂紋萌生過程及機(jī)理1345.4 5.4 疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理裂紋擴(kuò)展過程裂紋擴(kuò)展過程5.4.2 疲勞裂紋擴(kuò)展過程及機(jī)理裂紋擴(kuò)展階段，根據(jù)裂紋擴(kuò)裂紋擴(kuò)展階段，根據(jù)裂紋擴(kuò)展方向，可分為兩個(gè)階段。展方向，可分為兩個(gè)階段。圖圖 疲勞裂紋擴(kuò)展兩個(gè)階段疲勞裂紋擴(kuò)展兩個(gè)階段1355.4 5.4 疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理裂紋擴(kuò)展過程裂紋擴(kuò)展過程第一階段第一階段從表面?zhèn)€別侵入溝或擠出脊先形成微裂紋，裂紋再主要沿滑移系方向，以純剪切的方式向內(nèi)擴(kuò)展。多數(shù)裂紋成為不擴(kuò)

58、展裂紋，只有少數(shù)裂紋會(huì)擴(kuò)展23個(gè)晶粒范圍。裂紋擴(kuò)展速率很低，每一個(gè)應(yīng)力循環(huán)只有0.1m數(shù)量級(jí)的擴(kuò)展量。5.4.2 疲勞裂紋擴(kuò)展過程及機(jī)理1365.4 5.4 疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理裂紋擴(kuò)展過程裂紋擴(kuò)展過程第一階段斷口特點(diǎn)第一階段斷口特點(diǎn)由于擴(kuò)展速率小，且總進(jìn)程也很小，所以斷口很難分析，?？床坏绞裁葱蚊蔡卣鳎挥幸恍┎羵暮圹E。一些強(qiáng)化材料中，有時(shí)可看到周期解理周期解理或準(zhǔn)解理花準(zhǔn)解理花樣樣，甚至有沿晶開裂的冰糖狀花樣沿晶開裂的冰糖狀花樣。5.4.2 疲勞裂紋擴(kuò)展過程及機(jī)理1375.4 5.4 疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理裂紋擴(kuò)展過程裂紋擴(kuò)展過程第二階段第二階段由于晶界的不斷阻礙作用，裂紋

59、擴(kuò)展逐漸轉(zhuǎn)向垂直于拉應(yīng)力方向，進(jìn)入第二階段。在室溫及無腐蝕條件下疲勞裂紋擴(kuò)展總是穿晶的。裂紋的擴(kuò)展速率約為10-510-2mm/次，和裂紋擴(kuò)展速率曲線的區(qū)對(duì)應(yīng)。5.4.2 疲勞裂紋擴(kuò)展過程及機(jī)理1385.4 5.4 疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理裂紋擴(kuò)展過程裂紋擴(kuò)展過程第二階段斷口特點(diǎn)第二階段斷口特點(diǎn)具有略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣，稱為疲勞條疲勞條帶（條紋）帶（條紋）。裂紋擴(kuò)展時(shí)，留下的微觀痕跡，每一條帶可視為一次應(yīng)力循環(huán)的擴(kuò)展痕跡，裂紋的擴(kuò)展方向與條帶垂直。5.4.2 疲勞裂紋擴(kuò)展過程及機(jī)理1395.4 5.4 疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理疲勞條疲勞條帶帶5.4.2 疲勞裂紋擴(kuò)展過程及機(jī)理圖

60、圖 疲勞條帶疲勞條帶a) a) 韌性條帶韌性條帶10000 b) 10000 b) 脆性條帶脆性條帶600060001405.4 5.4 疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理疲勞條帶疲勞條帶疲勞斷口最典型的微觀特征疲勞斷口最典型的微觀特征常用疲勞條帶間寬與K的關(guān)系分析疲勞破壞。不同斷口并不一定都能看到清晰的疲勞條帶。一般滑移面多的面心立方金屬，疲勞條帶比較明顯，而滑移系較少或組織比較復(fù)雜的材料，疲勞條帶往往短窄而紊亂，甚至看不到。5.4.2 疲勞裂紋擴(kuò)展過程及機(jī)理1415.4 5.4 疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理疲勞條帶和貝紋線疲勞條帶和貝紋線條帶條帶是疲勞斷口的微觀特征微觀特征貝紋線貝紋線是疲勞斷口