材料力學性能_第五章

1、第五章第五章 材料在變動載荷下材料在變動載荷下 的力學性能的力學性能材料力學性能材料力學性能Company L第五章第五章 材料在變動載荷下的力學性能材料在變動載荷下的力學性能5-1 5-1 金屬疲勞現(xiàn)象及特點金屬疲勞現(xiàn)象及特點5-2 5-2 疲勞曲線及基本疲勞力學性能疲勞曲線及基本疲勞力學性能5-3 5-3 疲勞裂紋擴展疲勞裂紋擴展5-5 5-5 影響疲勞強度的主要因素影響疲勞強度的主要因素5-6 5-6 低周疲勞低周疲勞5-4 5-4 疲勞過程及機理疲勞過程及機理第五章第五章 材料在變動載荷下的力學性能材料在變動載荷下的力學性能引言引言 材料構(gòu)件在材料構(gòu)件在變動應(yīng)力和應(yīng)變變動應(yīng)力和應(yīng)變的長

2、期作用下，的長期作用下，由于累積損傷而引起的斷裂的現(xiàn)象由于累積損傷而引起的斷裂的現(xiàn)象疲勞。疲勞。 疲勞屬疲勞屬低應(yīng)力循環(huán)延時斷裂低應(yīng)力循環(huán)延時斷裂，其斷裂應(yīng)力水，其斷裂應(yīng)力水平往往平往往b b，甚至，甚至s s； 不產(chǎn)生明顯的塑性變形，呈現(xiàn)突然的脆斷不產(chǎn)生明顯的塑性變形，呈現(xiàn)突然的脆斷。 疲勞斷裂是一種非常危險的斷裂。疲勞斷裂是一種非常危險的斷裂。 工程中研究疲勞的規(guī)律、機理、力學性能工程中研究疲勞的規(guī)律、機理、力學性能指標、影響因素等，就具有重要的意義。指標、影響因素等，就具有重要的意義。5.1 5.1 金屬疲勞現(xiàn)象及特點金屬疲勞現(xiàn)象及特點一、變動載荷和循環(huán)應(yīng)力一、變動載荷和循環(huán)應(yīng)力 1 1

3、、變動載荷、變動載荷 變動載荷（應(yīng)力）變動載荷（應(yīng)力）是指載荷大小或大小和方向隨是指載荷大小或大小和方向隨時間按一定規(guī)律呈周期性變化或呈無規(guī)則隨機變化時間按一定規(guī)律呈周期性變化或呈無規(guī)則隨機變化的載荷（應(yīng)力）。的載荷（應(yīng)力）。 前者稱為前者稱為周期變動載荷周期變動載荷（應(yīng)力）或（應(yīng)力）或循環(huán)載荷循環(huán)載荷（應(yīng)（應(yīng)力），后者稱為力），后者稱為隨機變動載荷隨機變動載荷（應(yīng)力）。（應(yīng)力）。 實際的工程構(gòu)件承受的載荷多為實際的工程構(gòu)件承受的載荷多為隨機變動載荷隨機變動載荷，但對工程材料的疲勞特性分析而言，但對工程材料的疲勞特性分析而言，為簡化起見，為簡化起見，主要討論主要討論循環(huán)載荷（應(yīng)力）循環(huán)載荷（應(yīng)

4、力）情況。情況。5.1 5.1 金屬疲勞現(xiàn)象及特點金屬疲勞現(xiàn)象及特點5.1 5.1 金屬疲勞現(xiàn)象及特點金屬疲勞現(xiàn)象及特點隨機載荷偶然過載對疲勞性能影響很大75.1 5.1 金屬疲勞現(xiàn)象及特點金屬疲勞現(xiàn)象及特點2 2、循環(huán)應(yīng)力、循環(huán)應(yīng)力 循環(huán)應(yīng)力的波形一般近似為正弦波、矩形波和三角形波循環(huán)應(yīng)力的波形一般近似為正弦波、矩形波和三角形波等。等。（1）循環(huán)應(yīng)力的描述）循環(huán)應(yīng)力的描述最大應(yīng)力與最小應(yīng)力：最大應(yīng)力與最小應(yīng)力： max、 min 。平均應(yīng)力：平均應(yīng)力：m=1/2（max+min）應(yīng)力幅：應(yīng)力幅：a=1/2（max-min）應(yīng)力比：應(yīng)力比：=min/max85.1 5.1 金屬疲勞現(xiàn)象及特點金

5、屬疲勞現(xiàn)象及特點（2 2）循環(huán)應(yīng)力的種類）循環(huán)應(yīng)力的種類二、疲勞分類及特點 1、分類 （1）按應(yīng)力狀態(tài)按應(yīng)力狀態(tài) 彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、復(fù)合疲勞等。 （2）按環(huán)境按環(huán)境 腐蝕疲勞、熱疲勞、接觸疲勞等。 （3）按循環(huán)周期按循環(huán)周期 高周疲勞高周疲勞（Nf105周次）,因斷裂應(yīng)力低（ s s ），所以也叫低應(yīng)力疲勞低應(yīng)力疲勞。 低周疲勞低周疲勞（ Nf 102105周次），由于斷裂應(yīng)力水平高（ s s），往往伴有塑性變形，故稱為高高應(yīng)力疲勞（或應(yīng)變疲勞）應(yīng)力疲勞（或應(yīng)變疲勞）。 （4）按破壞原因 機械疲勞、腐蝕疲勞、熱疲勞。5.1 5.1 金屬疲勞現(xiàn)象及特點金屬疲勞現(xiàn)象及特點5.1 5.1

6、 金屬疲勞現(xiàn)象及特點金屬疲勞現(xiàn)象及特點接觸疲勞接觸疲勞5.1 5.1 金屬疲勞現(xiàn)象及特點金屬疲勞現(xiàn)象及特點122、疲勞的特點 （1）斷裂應(yīng)力b b，甚至s s； （2）出現(xiàn)脆性斷裂； （3）對材料的缺陷（缺口、裂紋和組織缺陷）十分敏感； （4）疲勞破壞能清楚顯示裂紋的萌生和擴展，斷裂； （5）存在破壞的臨界應(yīng)力ac； （6）破壞數(shù)據(jù)的分散性很大。5.1 5.1 金屬疲勞現(xiàn)象及特點金屬疲勞現(xiàn)象及特點13三、疲勞宏觀斷口的特征 斷口擁有三個形貌不同的區(qū)域：疲勞源、疲勞區(qū)、瞬斷區(qū)。 隨材質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)的不同，三個區(qū)的大小和位置不同。5.1 5.1 金屬疲勞現(xiàn)象及特點金屬疲勞現(xiàn)象及特點145.1 5.1

7、 金屬疲勞現(xiàn)象及特點金屬疲勞現(xiàn)象及特點151、疲勞裂紋源區(qū)域 形成于應(yīng)力集中區(qū)：內(nèi)部缺陷（夾雜物、空洞）、加工缺陷（刀痕、微裂紋）和不當設(shè)計（截面突然發(fā)生變化）。 由于應(yīng)力交變，斷面摩擦而光亮。加工硬化表面硬度有所提高；隨應(yīng)力狀態(tài)及其大小的不同，可有一個或幾個疲勞源。2、疲勞裂紋擴展區(qū)（貝紋區(qū)） 斷面比較光滑，并分布有貝紋線。循環(huán)應(yīng)力低，材料韌性好，疲勞區(qū)大，貝紋線細、明顯。 有時在疲勞區(qū)的后部，還可看到沿擴展方向的疲勞臺階（高應(yīng)力作用）。3、瞬斷區(qū) 一般在疲勞源的對側(cè)。脆性材料為結(jié)晶狀斷口；韌性材料有放射狀紋理；邊緣為剪切唇。 5.1 5.1 金屬疲勞現(xiàn)象及特點金屬疲勞現(xiàn)象及特點162024

8、Al合金疲勞條紋合金疲勞條紋5.1 5.1 金屬疲勞現(xiàn)象及特點金屬疲勞現(xiàn)象及特點17p 高周疲勞：疲勞斷裂壽命不小于105周次的疲勞，應(yīng)力小，彈性范圍。p 低周疲勞：次數(shù)小于104105，應(yīng)力大于屈服強度，產(chǎn)生塑性變形。 5-2 5-2 疲勞曲線及基本疲勞力學性能疲勞曲線及基本疲勞力學性能18一、S-N曲線和疲勞極限1、疲勞曲線（SN曲線）和疲勞極限 （1）由高應(yīng)力段和低應(yīng)力段組成。前者壽命短，后者壽命長，并且隨應(yīng)力水平下降斷裂循環(huán)周次增加。 （2）對一般金屬材料（鋼、QT），當循環(huán)應(yīng)力水平降低到某一臨界值時，低應(yīng)力段變?yōu)樗骄€段，表明試樣可以經(jīng)過無限次應(yīng)力循環(huán)也不發(fā)生疲勞斷裂，故將對應(yīng)的應(yīng)力

9、稱為疲勞極限，用-1表示（循環(huán)應(yīng)力107周次不斷裂）； （3）對于另一類金屬材料（有色金屬，不銹鋼等），S-N曲線沒有水平部分，隨應(yīng)力降低，循環(huán)周次不斷增大。根據(jù)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” 5-2 5-2 疲勞曲線及基本疲勞力學性能疲勞曲線及基本疲勞力學性能19p 中低強度鋼有明顯的漸近線p 高強度鋼、鋁合金、鈦合金沒用明顯的漸近線p 評判斷裂應(yīng)力標準：鑄鐵：107；有色金屬：108，鈦合金：107 5-2 5-2 疲勞曲線及基本疲勞力學性能疲勞曲線及基本疲勞力學性能20水平段形成原因：水平段形成原因： 應(yīng)變時效應(yīng)變時效強化滑移區(qū)域，使該區(qū)強化滑移區(qū)域，使該

10、區(qū)域強度提高域強度提高正面作用正面作用 塑性滑移和疲勞裂紋生成塑性滑移和疲勞裂紋生成使滑移使滑移區(qū)域承載能力降低區(qū)域承載能力降低累積損傷作累積損傷作用用負面作用負面作用兩者平衡，裂紋停止生長，材料不斷裂兩者平衡，裂紋停止生長，材料不斷裂 5-2 5-2 疲勞曲線及基本疲勞力學性能疲勞曲線及基本疲勞力學性能212、N曲線的測定 常用常用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機試驗機，有效試樣，有效試樣13根以上。根以上。用升降法測定用升降法測定-1再用概率統(tǒng)計方法再用概率統(tǒng)計方法處理數(shù)據(jù)。（取可處理數(shù)據(jù)。（取可信度）信度）確定點的位置、連確定點的位置、連線線 5-2 5-2 疲勞曲線及基本疲勞力學性能疲勞

11、曲線及基本疲勞力學性能22 5-2 5-2 疲勞曲線及基本疲勞力學性能疲勞曲線及基本疲勞力學性能23 5-2 5-2 疲勞曲線及基本疲勞力學性能疲勞曲線及基本疲勞力學性能243、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 根據(jù)大量的實驗結(jié)果，根據(jù)大量的實驗結(jié)果，彎曲與拉壓、扭轉(zhuǎn)彎曲與拉壓、扭轉(zhuǎn)疲勞極限疲勞極限之間的關(guān)系：之間的關(guān)系： 鋼：鋼：-1p=0.85-1 鑄鐵：鑄鐵：-1p=0.65-1 銅及輕合金：銅及輕合金：-1=0.55-1 鑄鐵：鑄鐵：-1=0.8-1 其中，其中，-1彎曲對稱疲勞極限彎曲對稱疲勞極限，-1p為對稱為對稱拉壓疲勞極限拉壓疲勞極限，-1為對稱扭轉(zhuǎn)疲勞極限為

12、對稱扭轉(zhuǎn)疲勞極限 5-2 5-2 疲勞曲線及基本疲勞力學性能疲勞曲線及基本疲勞力學性能254、疲勞極限與靜強度之間的關(guān)系、疲勞極限與靜強度之間的關(guān)系 金屬材料的抗拉強度越大，其疲勞極限也越大：對金屬材料的抗拉強度越大，其疲勞極限也越大：對中低強度鋼，疲勞極限與抗拉強度大體呈線性關(guān)系中低強度鋼，疲勞極限與抗拉強度大體呈線性關(guān)系。當當b較低時，近似寫成較低時，近似寫成-1= 0.5b；當當b較高時，發(fā)生較高時，發(fā)生偏離偏離（強度較高時材料塑性和斷裂韌性下降，裂紋易強度較高時材料塑性和斷裂韌性下降，裂紋易于形成和擴展于形成和擴展）。）。鋼：鋼：-1p=0.23（s+b） -1=0.27（s+b）鑄鐵

13、：鑄鐵：-1p=0.4b -1=0.45b鋁合金：鋁合金：-1p=b/6 +7.5(MPa) -1p=b/6 -7.5(MPa) 5-2 5-2 疲勞曲線及基本疲勞力學性能疲勞曲線及基本疲勞力學性能26 5-2 5-2 疲勞曲線及基本疲勞力學性能疲勞曲線及基本疲勞力學性能27二、不對稱循環(huán)疲勞極限（r） 利用已知的對稱循環(huán)疲勞極限，用工程作圖法求得各種不對稱循環(huán)疲勞極限?；蛘卟捎没貧w的公式求得。（1）a amm圖 y軸上的A點；x軸上的C點。其余各點縱、橫坐標各代表每一r下疲勞極限a和m，max max = =a+m 5-2 5-2 疲勞曲線及基本疲勞力學性能疲勞曲線及基本疲勞力學性能28 根

14、據(jù)角度，從原點O引直線交曲線于點B，B點對應(yīng)的橫、縱坐標可求出，再求出maxmax。r tan a、m max 5-2 5-2 疲勞曲線及基本疲勞力學性能疲勞曲線及基本疲勞力學性能29根據(jù)經(jīng)驗：根據(jù)經(jīng)驗：（1）對大多數(shù)工程合金，）對大多數(shù)工程合金，Soderberg關(guān)系對疲勞壽命的關(guān)系對疲勞壽命的估計比較保守估計比較保守。（2）對脆性金屬，包括高強度鋼，其抗拉強度接近于真實斷裂應(yīng)力，）對脆性金屬，包括高強度鋼，其抗拉強度接近于真實斷裂應(yīng)力，用用Goodman關(guān)系來描述或估計疲勞壽命與實驗結(jié)果吻合得很好。關(guān)系來描述或估計疲勞壽命與實驗結(jié)果吻合得很好。（3）對塑性材料，用）對塑性材料，用Geber

15、關(guān)系較好。關(guān)系較好。（2）公式法 5-2 5-2 疲勞曲線及基本疲勞力學性能疲勞曲線及基本疲勞力學性能30（3）maxm 圖u在B點：m=0（r=-1），），a=-1，疲勞極限r(nóng),max=-1;u在A點：m=b（r=1），），a=0，疲勞極限r(nóng),max=b;u在AHB曲線上，應(yīng)力比與角度的關(guān)系為：r tan 疲勞極限（交點縱坐標）疲勞極限（交點縱坐標） 5-2 5-2 疲勞曲線及基本疲勞力學性能疲勞曲線及基本疲勞力學性能31三、疲勞缺口敏感性疲勞缺口敏感度qf 0 qf Kthth: K，da/dN，裂紋擴展但不快。 I區(qū)所占壽命不長。II區(qū)（主要段）K，da/dN較大，裂紋亞穩(wěn)擴展，是決定疲

16、勞裂紋擴展壽命的主要段。III區(qū)（最后段）K，da/dN，裂紋失穩(wěn)擴展。375.3 5.3 疲勞裂紋擴展疲勞裂紋擴展疲勞裂紋擴展門檻值p 確定Kth為裂紋疲勞不擴展的K臨界值，稱為疲勞裂紋擴展門檻值。表示材料組織疲勞裂紋開始擴展的性能，其值越大，阻止疲勞裂紋開始擴展的能力就越大，材料就越好。p 單位MNm-3/2或MPam1/2pKth與-1的區(qū)別：-1是光滑試樣的無限壽命疲勞強度，用于傳統(tǒng)的疲勞強度設(shè)計和校核；Kth是裂紋試樣的無限壽命疲勞性能，適合裂紋件的設(shè)計和校核。 385.3 5.3 疲勞裂紋擴展疲勞裂紋擴展根據(jù)Kthth的定義建立的裂紋件不疲勞斷裂校核公式K=Y1/21/2Kthth

17、, 裂紋不擴展。已知其中兩個量，可求第三個量。實際測定材料Kthth時很難做到da/dN=0的情況。因此實驗時規(guī)定，平面應(yīng)變條件下，da/dN=10-6-610- -7 7mm/周次對應(yīng)的K來代替Kthth，稱為工程疲勞門檻值。395.3 5.3 疲勞裂紋擴展疲勞裂紋擴展paris公式Paris根據(jù)大量試驗數(shù)據(jù)，提出了在疲勞裂紋擴展速率曲線II區(qū)，da/dN與K關(guān)系的經(jīng)驗公式。 da/dN=c(K)n c、n材料試驗常數(shù)，與材料、應(yīng)力比、環(huán)境等因素有關(guān)。顯微組織對n的影響不大，多數(shù)材料的n值在24之間變化。405.3 5.3 疲勞裂紋擴展疲勞裂紋擴展415.3 5.3 疲勞裂紋擴展疲勞裂紋擴展

18、影響疲勞裂紋擴展速率的因素（1）應(yīng)力比r的影響應(yīng)力比r，曲線向左上方移動，使da/dN升高，而且在I、III區(qū)的影響比II區(qū)的大。425.3 5.3 疲勞裂紋擴展疲勞裂紋擴展（2）過載峰的影響偶然過載進入過載損傷區(qū)，將使材料受到損傷并降低疲勞壽命，但若過載適當，有時反而是有益的。在恒載裂紋疲勞擴展期內(nèi)，適當?shù)倪^載峰會使裂紋擴展減慢或停滯一段時間，發(fā)生裂紋擴展過載停滯現(xiàn)象，并延長疲勞壽命。435.3 5.3 疲勞裂紋擴展疲勞裂紋擴展（3）顯微組織對I、III區(qū)的da/dN影響比較明顯。晶粒粗大，Kthth值越高， da/dN值越低；韌性相可使Kthth。鋼的高溫回火的組織鋼的高溫回火的組織韌性好

19、，強度低，其韌性好，強度低，其Kth較高；較高；低溫回火的組織韌性低溫回火的組織韌性差 ， 強 度 高 ， 其差 ， 強 度 高 ， 其Kth較低；較低；中溫回火的中溫回火的Kth則則介于兩者之間。介于兩者之間。300M鋼445.3 5.3 疲勞裂紋擴展疲勞裂紋擴展三、疲勞裂紋擴展壽命的估算 對于機件疲勞剩余壽命的估算，一般先用無損探傷方法確定機件初始裂紋尺寸a0、形狀位置和取向，從而確定K的表達式K=Y1/21/2，再根據(jù)材料的斷裂韌性KIC及工作名義應(yīng)力，確定臨界裂紋尺寸ac，然后根據(jù)由試驗確定的疲勞裂紋擴展速率表達式，最后用積分方法計算從a0到ac所需的循環(huán)周次，即疲勞剩余壽命Nc。45

20、5.3 5.3 疲勞裂紋擴展疲勞裂紋擴展常選用paris公式。da/dN=C(K)n n 和 K=Y1/21/2所以：465.4 5.4 疲勞過程及機理疲勞過程及機理疲勞過程：裂紋萌生、亞穩(wěn)擴展、失穩(wěn)擴展、斷裂。一、疲勞裂紋的萌生 常將0.050.1mm的裂紋定為疲勞裂紋核。 引起裂紋萌生的原因：顯微開裂、不均勻的局部滑移。 主要方式為：表面滑移帶開裂；第二相、夾雜物或其界面開裂；晶界或亞界面開裂。471、滑移帶開裂（1）駐留滑移帶 在交變載荷作用下，永留或能再現(xiàn)的循環(huán)滑移帶，稱為駐留滑移帶。 駐留滑移帶是由材料某薄弱區(qū)域產(chǎn)生的，駐留滑移帶一般只在表面形成，其深度較淺。隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加，

21、循環(huán)滑移帶會不斷地加寬，當加寬至一定程度時，由于位錯的塞積和交割作用，便在駐留滑移帶處形成微裂紋。5.4 5.4 疲勞過程及機理疲勞過程及機理48（2）擠出峰和侵入溝 滑移帶在表面加寬過程中，還會向前或向后移動，形成擠出峰和侵入溝。循環(huán)過程中，峰、溝不斷增加，增高（或變深）。（柯垂耳-赫爾模型）。孿晶處也易出現(xiàn)擠出峰和擠入槽。5.4 5.4 疲勞過程及機理疲勞過程及機理5.4 5.4 疲勞過程及機理疲勞過程及機理措施：措施：只要能提高材料的滑移抗力（如采用只要能提高材料的滑移抗力（如采用固溶固溶強化強化、細晶強化細晶強化等手段）、均可以阻止疲等手段）、均可以阻止疲勞裂紋萌生，提高疲勞強度。勞裂

22、紋萌生，提高疲勞強度。502、相界面開裂 兩相（包括第二相、夾雜）間的結(jié)合力差，各相的形變速率不同，易在相結(jié)合處或弱相內(nèi)出現(xiàn)開裂。只有首先達到臨界尺寸的裂紋核，才能繼續(xù)長大。 改善措施：只要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、形狀、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，提高疲勞強度。5.4 5.4 疲勞過程及機理疲勞過程及機理513、晶界處開裂p 晶界就是面缺陷；位錯運動易發(fā)生塞積，出現(xiàn)應(yīng)力集中，晶界開裂。p 凡使晶界弱化和晶粒粗化的因素，如晶界有低熔點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，均易產(chǎn)

23、生晶界裂紋，降低疲勞強度。5.4 5.4 疲勞過程及機理疲勞過程及機理52二、疲勞裂紋擴展過程及機理1、裂紋擴展的兩個階段第一階段：從表面?zhèn)€別侵入溝（或擠出脊）先形成微裂紋，最后裂紋沿主滑移系，以純剪切方式向內(nèi)擴展。擴展速率很低，僅0.1m的擴展量。第二階段：在da/dN的II區(qū)，由于晶界的阻礙作用，使擴展方向逐漸垂直于主應(yīng)力方向；擴展速率10-5-10-2mm/次。形成疲勞條紋（疲勞輝紋）。一條輝紋就是一次循環(huán)的結(jié)果。5.4 5.4 疲勞過程及機理疲勞過程及機理535.4 5.4 疲勞過程及機理疲勞過程及機理疲勞條帶與貝紋線的區(qū)別：疲勞條帶與貝紋線的區(qū)別：疲勞條帶是疲勞斷口的微觀特征，貝紋線

24、是疲勞斷口的宏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觀特征，在相鄰貝紋線之間可能有成千上萬個疲勞條帶。，在相鄰貝紋線之間可能有成千上萬個疲勞條帶。在斷口上二者可以同時出現(xiàn)，也可以不同時出現(xiàn)。在斷口上二者可以同時出現(xiàn)，也可以不同時出現(xiàn)。542、疲勞裂紋擴展模型 裂紋不再擴展的過程，稱為“塑性鈍化” 該模型對塑性材料的疲勞擴展過程、韌性疲勞條帶的形成過程是很成功的。 材料的強度越低，裂紋擴展越快，條帶越寬。5.4 5.4 疲勞過程及機理疲勞過程及機理5.5 5.5 影響疲勞強度的因素影響疲勞強度的因素一、材料內(nèi)因 1、化學成分 成分決定組織和強化效果。 2、顯微組織 相、相間交互

25、作用、夾雜物、晶粒大小 等。 3、治金缺陷 夾雜、疏松、偏析、裂紋，方向性等。二、材料表面狀態(tài)和工件結(jié)構(gòu) 1、表面狀態(tài) 表面粗糙度；表面強化（機械、熱處理、噴涂、化學） 2、工件結(jié)構(gòu) 壁厚；壁厚均勻性；表面溝槽等。三、工況因素 1、載荷 載荷的大小和加載方式；加載頻率；加載間歇；次載鍛煉。 2、環(huán)境 溫度；周邊介質(zhì)；應(yīng)力狀況。v低周疲勞（應(yīng)力水平高、循環(huán)周次少）舉例：低周疲勞（應(yīng)力水平高、循環(huán)周次少）舉例：飛機起落飛機起落架架、飛機發(fā)動機渦輪盤飛機發(fā)動機渦輪盤、常年陣風吹刮的橋梁常年陣風吹刮的橋梁。5.6 5.6 低周疲勞低周疲勞v工程構(gòu)件的名義應(yīng)力一般低于材料的屈服應(yīng)力，但工程構(gòu)件的名義應(yīng)力

26、一般低于材料的屈服應(yīng)力，但當構(gòu)件上存在缺口或類似缺口的部位時，則可由應(yīng)當構(gòu)件上存在缺口或類似缺口的部位時，則可由應(yīng)力集中而使其局部區(qū)域接近甚至進入了彈塑性狀態(tài)力集中而使其局部區(qū)域接近甚至進入了彈塑性狀態(tài)。v隨著設(shè)計思想的改進，隨著設(shè)計思想的改進，在某些情況下，對構(gòu)件只要在某些情況下，對構(gòu)件只要求有限壽命，可允許有較大的承載求有限壽命，可允許有較大的承載，從而使構(gòu)件處，從而使構(gòu)件處于應(yīng)變控制的疲勞過程。于應(yīng)變控制的疲勞過程。v因此，因此，金屬在交變載荷作用下，由于塑性應(yīng)變的循金屬在交變載荷作用下，由于塑性應(yīng)變的循環(huán)作用所引起的疲勞破壞稱為低周疲勞（或塑性疲環(huán)作用所引起的疲勞破壞稱為低周疲勞（或塑

27、性疲勞、應(yīng)變疲勞）勞、應(yīng)變疲勞）。 5.6 5.6 低周疲勞低周疲勞v低周疲勞的交變應(yīng)力水平較高，低周疲勞的交變應(yīng)力水平較高， max一般接近或一般接近或超過材料的屈服強度，但加載頻率較低，且疲勞超過材料的屈服強度，但加載頻率較低，且疲勞壽命較短，一般只有壽命較短，一般只有102105周次。亦稱周次。亦稱高應(yīng)力高應(yīng)力疲勞疲勞。5.6 5.6 低周疲勞低周疲勞59一、低周疲勞的特點一、低周疲勞的特點 1 1、局部產(chǎn)生、局部產(chǎn)生宏觀塑性宏觀塑性變形變形，應(yīng)力與應(yīng)變之間呈，應(yīng)力與應(yīng)變之間呈非線性。非線性?？倯?yīng)變總應(yīng)變 t t= = e e+ + p p5.6 5.6 低周疲勞低周疲勞5.6.1 低周

28、疲勞概述低周疲勞概述602 2、要、要用用 t t/2N/2N或或 p p /2N /2N描敘疲勞規(guī)律描敘疲勞規(guī)律 低周疲勞試驗時，或者控制低周疲勞試驗時，或者控制總應(yīng)變范圍總應(yīng)變范圍，或者，或者控制控制塑性應(yīng)變范圍塑性應(yīng)變范圍，在給定的，在給定的 t t或或 p p下測定疲下測定疲勞壽命。勞壽命。 試驗結(jié)果處理不用試驗結(jié)果處理不用S-NS-N曲線，要用曲線，要用 t t/2N/2N或或 p p/2N/2N描敘疲勞規(guī)律。描敘疲勞規(guī)律。 t t/2/2和和 p p /2 /2分別表分別表示為示為總應(yīng)變幅總應(yīng)變幅和和塑性應(yīng)變幅塑性應(yīng)變幅。5.6 5.6 低周疲勞低周疲勞613 3、裂紋成核期、裂紋

29、成核期短短，有，有多多個裂紋源；斷口呈韌窩狀、個裂紋源；斷口呈韌窩狀、輪胎花樣狀。輪胎花樣狀。p 由于應(yīng)力比較大，低周疲勞裂紋容易形核，形核期由于應(yīng)力比較大，低周疲勞裂紋容易形核，形核期只占壽命的只占壽命的10%10%。p 微觀斷口的微觀斷口的疲勞條帶較粗，間距較寬，并且常常不疲勞條帶較粗，間距較寬，并且常常不連續(xù)連續(xù)。在某些金屬材料中，應(yīng)力循環(huán)周次小于。在某些金屬材料中，應(yīng)力循環(huán)周次小于9090時，時，斷口呈韌窩狀；大于斷口呈韌窩狀；大于100100次時，出現(xiàn)輪胎花樣。次時，出現(xiàn)輪胎花樣。5.6 5.6 低周疲勞低周疲勞624 4、疲勞壽命取決于塑性應(yīng)變幅。、疲勞壽命取決于塑性應(yīng)變幅。區(qū)別：

30、區(qū)別：p 不同點：高周疲勞壽命取決于應(yīng)力幅或應(yīng)力不同點：高周疲勞壽命取決于應(yīng)力幅或應(yīng)力強度因子范圍。強度因子范圍。p 相同點：都是循環(huán)塑性變形累積損傷的結(jié)果。相同點：都是循環(huán)塑性變形累積損傷的結(jié)果。5.6 5.6 低周疲勞低周疲勞二、循環(huán)硬化和循環(huán)軟化二、循環(huán)硬化和循環(huán)軟化v在低周疲勞的循環(huán)加載初期，材料對循環(huán)加載在低周疲勞的循環(huán)加載初期，材料對循環(huán)加載的響應(yīng)是一個的響應(yīng)是一個由不穩(wěn)定向穩(wěn)定過渡由不穩(wěn)定向穩(wěn)定過渡的過程。此的過程。此過程可分別用應(yīng)力控制下的過程可分別用應(yīng)力控制下的 t 曲線曲線或應(yīng)變或應(yīng)變控制下的控制下的 t 曲線曲線描述。描述。v材料對循環(huán)加載的材料對循環(huán)加載的初始響應(yīng)過程初

31、始響應(yīng)過程可表現(xiàn)為可表現(xiàn)為循環(huán)循環(huán)硬化硬化或或循環(huán)軟化循環(huán)軟化。5.6 5.6 低周疲勞低周疲勞應(yīng)力控制下的材料循環(huán)特性應(yīng)力控制下的材料循環(huán)特性 應(yīng)變控制下的材料循環(huán)特應(yīng)變控制下的材料循環(huán)特性性5.6 5.6 低周疲勞低周疲勞v循環(huán)硬化是材料在循環(huán)過程中變形抗力不斷提循環(huán)硬化是材料在循環(huán)過程中變形抗力不斷提高高（恒定應(yīng)變范圍條件下）（恒定應(yīng)變范圍條件下）、應(yīng)變逐漸減小、應(yīng)變逐漸減?。ê愣☉?yīng)力范圍條件下）（恒定應(yīng)力范圍條件下）的現(xiàn)象；的現(xiàn)象；v循環(huán)軟化是材料在循環(huán)過程中變形抗力不斷減循環(huán)軟化是材料在循環(huán)過程中變形抗力不斷減小小（恒定應(yīng)變范圍條件下）（恒定應(yīng)變范圍條件下）而應(yīng)變逐漸增加而應(yīng)變逐漸增

32、加（恒定應(yīng)力范圍條件下）（恒定應(yīng)力范圍條件下）的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。危險危險!v在循環(huán)硬化和循環(huán)軟化兩種情況下，相應(yīng)的滯在循環(huán)硬化和循環(huán)軟化兩種情況下，相應(yīng)的滯后回線都不閉合，只有經(jīng)過一定周次后才形成后回線都不閉合，只有經(jīng)過一定周次后才形成封閉滯后回線。封閉滯后回線。5.6 5.6 低周疲勞低周疲勞5.6 5.6 低周疲勞低周疲勞p 材料在低周疲勞過程中，由于材料在低周疲勞過程中，由于塑性應(yīng)變塑性應(yīng)變的作用，的作用，在一個完在一個完全的循環(huán)加載下其應(yīng)力應(yīng)變曲線必然形成一個滯后回線全的循環(huán)加載下其應(yīng)力應(yīng)變曲線必然形成一個滯后回線。p 但在加載初期，材料可能因循環(huán)硬化和循環(huán)軟化而使滯后但在加載初期，材料

33、可能因循環(huán)硬化和循環(huán)軟化而使滯后環(huán)并不封閉。環(huán)并不封閉。在繼續(xù)循環(huán)中，這種不穩(wěn)定過程會逐步趨于穩(wěn)在繼續(xù)循環(huán)中，這種不穩(wěn)定過程會逐步趨于穩(wěn)定，最終使滯后環(huán)封閉。定，最終使滯后環(huán)封閉。5.6 5.6 低周疲勞低周疲勞40CrNiMo鋼的鋼的循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線低于低于單次應(yīng)力單次應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線，表明這種鋼，表明這種鋼具有具有循環(huán)軟化現(xiàn)象循環(huán)軟化現(xiàn)象；反；反之，若材料的循環(huán)應(yīng)力之，若材料的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線高于它的單次應(yīng)變曲線高于它的單次應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線時，則表應(yīng)變曲線時，則表明該材料具有循環(huán)硬化明該材料具有循環(huán)硬化現(xiàn)象?，F(xiàn)象。5.6 5.6 低周疲勞低周疲勞p 循環(huán)應(yīng)變會導(dǎo)

34、致材料形變抗力發(fā)生變化，使材循環(huán)應(yīng)變會導(dǎo)致材料形變抗力發(fā)生變化，使材料的強度變得不穩(wěn)定。料的強度變得不穩(wěn)定。p 特別是由循環(huán)軟化材料制作的機件，在承受大特別是由循環(huán)軟化材料制作的機件，在承受大應(yīng)力循環(huán)使用過程中，將應(yīng)力循環(huán)使用過程中，將因循環(huán)軟化產(chǎn)生過量的因循環(huán)軟化產(chǎn)生過量的塑性變形而使機件破壞塑性變形而使機件破壞。p 因此，因此，承受低周大應(yīng)變的機件，應(yīng)該選用循環(huán)承受低周大應(yīng)變的機件，應(yīng)該選用循環(huán)穩(wěn)定或循環(huán)硬化型材料穩(wěn)定或循環(huán)硬化型材料。工程指導(dǎo)意義工程指導(dǎo)意義5.6 5.6 低周疲勞低周疲勞金屬材料產(chǎn)生循環(huán)硬化還是循環(huán)軟化取決于金屬材料產(chǎn)生循環(huán)硬化還是循環(huán)軟化取決于材料材料的初始狀態(tài)的初始

35、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)特性結(jié)構(gòu)特性以及以及應(yīng)變幅應(yīng)變幅和和溫度溫度等。其等。其中，退火狀態(tài)的塑性材料往往表現(xiàn)為循環(huán)硬化，中，退火狀態(tài)的塑性材料往往表現(xiàn)為循環(huán)硬化，而加工硬化的材料則往往表現(xiàn)為循環(huán)軟化。而加工硬化的材料則往往表現(xiàn)為循環(huán)軟化。循環(huán)硬化與循環(huán)軟化的影響因素與劃分依據(jù)循環(huán)硬化與循環(huán)軟化的影響因素與劃分依據(jù)5.6 5.6 低周疲勞低周疲勞（1）b/ s標準標準當當b/ s 1.4時，表現(xiàn)為循環(huán)硬化；時，表現(xiàn)為循環(huán)硬化；當當b/ s 1.2時，表現(xiàn)為循環(huán)軟化；時，表現(xiàn)為循環(huán)軟化；當當b/ s 比值在比值在1.21.4之間的材料，其傾向不定。之間的材料，其傾向不定。一般此類材料比較穩(wěn)定，沒有明顯的循環(huán)硬

36、化和一般此類材料比較穩(wěn)定，沒有明顯的循環(huán)硬化和循環(huán)軟化現(xiàn)象。循環(huán)軟化現(xiàn)象。（2）應(yīng)變硬化指數(shù)）應(yīng)變硬化指數(shù)n評判評判n0.1時，材料表現(xiàn)為循環(huán)硬化或循環(huán)穩(wěn)定；時，材料表現(xiàn)為循環(huán)硬化或循環(huán)穩(wěn)定；n0.1時，材料表現(xiàn)為循環(huán)軟化；時，材料表現(xiàn)為循環(huán)軟化；5.6 5.6 低周疲勞低周疲勞循環(huán)硬化產(chǎn)生原因（位錯運動）循環(huán)硬化產(chǎn)生原因（位錯運動）例如：一些退火軟金屬在恒應(yīng)變幅的循環(huán)載荷下，例如：一些退火軟金屬在恒應(yīng)變幅的循環(huán)載荷下，由于由于位錯往復(fù)運動和交互作用，產(chǎn)生了阻礙位錯繼位錯往復(fù)運動和交互作用，產(chǎn)生了阻礙位錯繼續(xù)運動的阻力，從而產(chǎn)生循環(huán)硬化續(xù)運動的阻力，從而產(chǎn)生循環(huán)硬化。p 在冷加工后的金屬中，在

37、冷加工后的金屬中，充滿位錯纏結(jié)和障礙，這充滿位錯纏結(jié)和障礙，這些障礙在加載中被破壞些障礙在加載中被破壞；p 在一定沉淀強化不穩(wěn)定的合金中，由于在一定沉淀強化不穩(wěn)定的合金中，由于沉淀結(jié)構(gòu)沉淀結(jié)構(gòu)在循環(huán)加載中被破壞在循環(huán)加載中被破壞均可導(dǎo)致循環(huán)軟化。均可導(dǎo)致循環(huán)軟化。三、應(yīng)變?nèi)?、?yīng)變壽命曲線（壽命曲線（N Nf f） v一般用一般用總應(yīng)變半幅總應(yīng)變半幅 /2 和和循環(huán)失效的反復(fù)循環(huán)失效的反復(fù)次數(shù)次數(shù) 2Nf 在雙對數(shù)坐標上表示在雙對數(shù)坐標上表示低周疲勞的低周疲勞的疲勞抗力疲勞抗力，其，其應(yīng)變幅（或塑性應(yīng)變幅）是應(yīng)變幅（或塑性應(yīng)變幅）是決定低周疲勞壽命的主要因素決定低周疲勞壽命的主要因素。v經(jīng)驗表明

38、，若把經(jīng)驗表明，若把總應(yīng)變幅總應(yīng)變幅 分解為分解為彈性應(yīng)彈性應(yīng)變幅變幅 e 和和塑性應(yīng)變幅塑性應(yīng)變幅 p 時，二者與循環(huán)時，二者與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系都可以近似用直線表示。次數(shù)的關(guān)系都可以近似用直線表示。5.6 5.6 低周疲勞低周疲勞應(yīng)變應(yīng)變壽命曲線（壽命曲線（ ）fNu 2NT：過渡壽命過渡壽命u 在交點左側(cè)（低周疲在交點左側(cè)（低周疲勞范圍），勞范圍），塑性應(yīng)變幅塑性應(yīng)變幅起主導(dǎo)作用起主導(dǎo)作用，材料的疲，材料的疲勞壽命由塑性控制；勞壽命由塑性控制；u 在交點右側(cè)（高周疲在交點右側(cè)（高周疲勞范圍），勞范圍），彈性應(yīng)變幅彈性應(yīng)變幅起主導(dǎo)作用起主導(dǎo)作用，材料的疲，材料的疲勞壽命由強度決定。勞壽命由強度

39、決定。5.6 5.6 低周疲勞低周疲勞 e/22Nf 的關(guān)系：的關(guān)系：bffeNE22Ef 為為2Nf = 1 時直線的截距，稱為時直線的截距，稱為疲勞強度系數(shù)疲勞強度系數(shù)。因相當于一次加載，故可取因相當于一次加載，故可取 f = f (靜拉伸的斷裂靜拉伸的斷裂應(yīng)力應(yīng)力)b為直線的斜率，稱為為直線的斜率，稱為疲勞強度指數(shù)疲勞強度指數(shù)。5.6 5.6 低周疲勞低周疲勞 p / 2 2Nf 的關(guān)系（的關(guān)系（Manson-Coffin經(jīng)驗方程）：經(jīng)驗方程）：cffpN22 f為為2Nf=1時直線的截距，稱為時直線的截距，稱為疲勞塑性系數(shù)疲勞塑性系數(shù)。同理，可以取同理，可以取 f = f (靜拉伸的斷

40、裂應(yīng)變靜拉伸的斷裂應(yīng)變)。c為直線的斜率，稱為為直線的斜率，稱為疲勞塑性指數(shù)疲勞塑性指數(shù)。5.6 5.6 低周疲勞低周疲勞因此，因此， / 2 2Nf 的關(guān)系：的關(guān)系：cffbffpeNNE22222上式可以看成是上式可以看成是S-N曲線和曲線和Manson-Coffin曲線的曲線的疊加。疊加。既反映長壽命的彈性應(yīng)變既反映長壽命的彈性應(yīng)變-壽命的關(guān)系，也壽命的關(guān)系，也反映短反映短壽命的塑性應(yīng)變壽命的塑性應(yīng)變-壽命的關(guān)系。壽命的關(guān)系。5.6 5.6 低周疲勞低周疲勞5.6 5.6 低周疲勞低周疲勞 為了應(yīng)用更為方便，曼森通過對為了應(yīng)用更為方便，曼森通過對29中金屬材料的試中金屬材料的試驗研究發(fā)現(xiàn)

41、，總應(yīng)變幅驗研究發(fā)現(xiàn)，總應(yīng)變幅 t / 2與疲勞斷裂壽命與疲勞斷裂壽命2Nf之間存之間存在下列關(guān)系，即在下列關(guān)系，即 只要知道材料的靜拉伸性能只要知道材料的靜拉伸性能b、E、ef，就可以求得，就可以求得材料光滑試樣完全對稱循環(huán)下的地周疲勞壽命曲線。這材料光滑試樣完全對稱循環(huán)下的地周疲勞壽命曲線。這種預(yù)測低周疲勞壽命的方法，稱為種預(yù)測低周疲勞壽命的方法，稱為通用斜率法通用斜率法。 需要注意：需要注意：各種表面強化手段，對提高低周疲勞壽各種表面強化手段，對提高低周疲勞壽命均無明顯效果命均無明顯效果。高強度材料與延性材料的各高強度材料與延性材料的各個曲線交點反復(fù)周次大致對個曲線交點反復(fù)周次大致對應(yīng)于

42、應(yīng)于過渡疲勞壽命過渡疲勞壽命2NT不同金屬材料的不同金屬材料的 /22Nf 曲線有一個共同的交點，曲線有一個共同的交點，對應(yīng)的對應(yīng)的lg( /2)約為約為0.01。交點交點左側(cè)左側(cè)，大應(yīng)變量大應(yīng)變量作用下，作用下，延性好延性好的材料的材料壽命長壽命長；交點右側(cè)，交點右側(cè)，低幅低幅循環(huán)時，循環(huán)時，強度高強度高的材料的材料壽命長壽命長。5.6 5.6 低周疲勞低周疲勞過渡疲勞壽命過渡疲勞壽命2NT ：v彈性應(yīng)變所造成的損傷與塑性應(yīng)變造成的彈性應(yīng)變所造成的損傷與塑性應(yīng)變造成的損傷相等。損傷相等。e=pv當當2Nf e，材料的疲勞壽材料的疲勞壽命主要取決于命主要取決于p；v當當2Nf 2NT 時時，有，有p e，則，則e可被忽略?？杀?/p>