材料的疲勞性能

材料的疲勞性能第1頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五5.1疲勞破壞的一般規(guī)律一：疲勞破壞的變動(dòng)應(yīng)力

變動(dòng)應(yīng)力示意圖第2頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五名詞解釋疲勞：工件在變動(dòng)載荷和應(yīng)變長期作用下，因累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象變動(dòng)載荷（應(yīng)力）：載荷（應(yīng)力）大小，甚至方向隨時(shí)間變化的載荷（應(yīng)力）可分為：周期變動(dòng)；隨機(jī)變動(dòng)波形：正弦波、三角波、梯形波第3頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五描述參量最大循環(huán)應(yīng)力（最小）σmax；σmin

平均應(yīng)力σm=(σmax+σmin)/2

應(yīng)力幅σa=Δσ/2=(σmax-σmin)/2

應(yīng)力比r=σmin/σmax（表征變動(dòng)的不對稱程度）第4頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五

循環(huán)應(yīng)力類型

(a)(e)交變應(yīng)力(b)(c)(d)重復(fù)循環(huán)應(yīng)力第5頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五循環(huán)應(yīng)力的類型對稱循環(huán)σm=0,r=-1不對稱循環(huán)σm≠0,-1＜r＜1脈動(dòng)循環(huán)

σm=σa＞0,r=0σm=σa＜0,r=-∞波動(dòng)循環(huán)σm＞σa，0＜r＜1隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力第6頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五二：疲勞破壞的概念

疲勞破壞的過程是材料內(nèi)部薄弱區(qū)域組織在變動(dòng)應(yīng)力的作用下，逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開裂，當(dāng)裂紋擴(kuò)展達(dá)到一定程度后發(fā)生突然斷裂的過程，是一個(gè)從局部區(qū)域開始的損傷累積，最終引起整體破壞的過程延時(shí)斷裂，應(yīng)力斷裂水平較低（甚至低于疲勞強(qiáng)度）應(yīng)力高，壽命短；應(yīng)力低，壽命長經(jīng)歷裂紋的萌生和擴(kuò)展過程第7頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五三：疲勞破壞的特點(diǎn)盡管疲勞載荷有各種類型，但它們都有一些共同的特點(diǎn)斷裂時(shí)并無明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有明顯的預(yù)兆，而是突然地破壞，呈脆性斷裂疲勞對缺陷（缺口、裂紋、組織缺陷）十分敏感引起疲勞斷裂的應(yīng)力很低，常常低于靜載時(shí)的屈服強(qiáng)度，屬于低應(yīng)力延時(shí)斷裂疲勞破壞能清楚地顯示出裂紋的萌生、擴(kuò)展和最后斷裂三個(gè)組成部份分類：高周疲勞（N﹥105），斷裂應(yīng)力水平較低，壽命長；低周疲勞（N=102-105），斷裂水平較高，伴有塑性應(yīng)變發(fā)生（高應(yīng)力疲勞或應(yīng)變疲勞）第8頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五四：疲勞斷口的宏觀特征疲勞斷口可分為疲勞源；疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)；瞬斷區(qū)

帶鍵槽的旋轉(zhuǎn)軸的彎曲疲勞斷口（40鋼）

第9頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五疲勞源

疲勞裂紋萌生的位置，多出現(xiàn)在機(jī)件表面（缺口、裂紋、刀痕、蝕坑），也可出現(xiàn)在機(jī)件內(nèi)部（冶金缺陷）特征1）疲勞源區(qū)比較光滑（受反復(fù)擠壓，摩擦次數(shù)多）2）表面硬度因加工硬化有所提高3）可以是一個(gè)，也可能有多個(gè)疲勞源（和應(yīng)力狀態(tài)及過載程度有關(guān)）第10頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)是疲勞裂紋亞臨界擴(kuò)展的區(qū)域特征1）斷口較光滑，分布有貝紋線（或海灘花樣），有時(shí)還有裂紋擴(kuò)展臺階2）貝紋線是疲勞區(qū)的最典型特征，貝紋線是以疲勞源為圓心的平行弧線，凹側(cè)指向疲勞源，凸側(cè)指向裂紋擴(kuò)展方向3）近疲勞源區(qū)貝紋線較密，遠(yuǎn)離疲勞源區(qū)貝紋線較疏第11頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五

旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的斷口形貌第12頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五瞬斷區(qū)

是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(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，當(dāng)a=ac時(shí)，KI=KIC，裂紋失穩(wěn)快速擴(kuò)展，機(jī)件瞬時(shí)斷裂特征1）斷口比疲勞區(qū)粗糙，宏觀特征如同靜載2）脆性材料斷口呈結(jié)晶狀3）韌性材料斷口在心部呈放射狀或人字紋狀，邊緣區(qū)有剪切唇存在第13頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五5.2疲勞破壞機(jī)理一：金屬材料疲勞破壞機(jī)理疲勞裂紋的萌生1）在材料簿弱區(qū)或高應(yīng)力區(qū)，通過不均勻滑移，微裂紋形成及長大而完成2）定義裂紋長度為0.05—0.10mm時(shí)為裂紋疲勞核，對應(yīng)的循環(huán)周期為裂紋萌生期第14頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五疲勞裂紋形核方式1）表面滑移帶開裂2）第二相，夾雜物與基體界面或夾雜物本身開裂3）晶界和亞晶界開裂疲勞微裂紋形成的三種形式第15頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五表面滑移帶開裂解釋

1）在循環(huán)載荷作用下，即使循環(huán)應(yīng)力未超過材料屈服強(qiáng)度，也會(huì)在試樣表面形成循環(huán)滑移帶

2）循環(huán)滑移帶集中于某些局部區(qū)域（高應(yīng)力或簿弱區(qū)）

3）循環(huán)滑移帶很難去除，即使去除，再次循環(huán)加載時(shí)，還會(huì)在原處再現(xiàn)（駐留滑移帶）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(huì)不斷地加寬2）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，在這些地方引起應(yīng)力集中，引發(fā)微裂紋第16頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五金屬表面“擠出”與“侵入”并形成裂紋第17頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五擠出和侵入的形成過程（交叉滑移模型）交叉滑移模型第18頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五疲勞裂紋的擴(kuò)展疲勞裂紋擴(kuò)展的兩個(gè)階段第19頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五第一階段：疲勞裂紋沿最大切應(yīng)力方向向內(nèi)擴(kuò)展（幾十μm,2—5個(gè)晶粒）第二階段：沿垂直拉應(yīng)力方向向前擴(kuò)展形成主裂紋，直至最后形成剪切唇在第二階段，穿晶擴(kuò)展，對韌性材料：韌性疲勞條帶；對脆性材料：脆性條帶疲勞條帶（疲勞輝紋）：是略呈彎曲并相互平行的溝槽狀花樣，與裂紋擴(kuò)展方向垂直

（疲勞斷口最典型的微觀特征）第20頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五疲勞條帶（a）韌性條帶×1000（b）脆性條帶×600第21頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五疲勞條帶形成解釋1）塑性鈍化模型（L—S模型）韌性疲勞條帶形成過程示意圖第22頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五塑性鈍化模型（L—S模型）

高塑性材料（如Al、Ni等）在變動(dòng)循環(huán)應(yīng)力作用下，裂紋尖端的塑性張開鈍化和閉合銳化，會(huì)使裂紋向前延續(xù)擴(kuò)展特點(diǎn)：循環(huán)拉應(yīng)力時(shí)，張開鈍化循環(huán)壓應(yīng)力時(shí)，閉合銳化一個(gè)循環(huán)，形成一條疲勞條帶第23頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五2）再生核模型（F—R模型）F-R再生核模型(a)拉應(yīng)力時(shí)裂紋尖端形成空洞(b)再生核與主裂紋橋接第24頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五解釋：

疲勞裂紋的擴(kuò)展是斷續(xù)的，通過主裂紋前方萌生新裂紋核、長大并與主裂紋連接來實(shí)現(xiàn)的在拉應(yīng)力半周期，裂紋尖端發(fā)生塑性變形在其前方彈塑性交界三向拉應(yīng)力區(qū)若存在第二相或夾雜物，界面開裂第二相脆斷形成空洞（疲勞裂紋再生核）主裂紋和裂紋核之間因內(nèi)頸縮而發(fā)生長大、橋接主裂紋向前擴(kuò)展一段距離，形成疲勞條帶第25頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五5.3疲勞抗力指標(biāo)一：S-N曲線和疲勞強(qiáng)度（極限）疲勞曲線測定方法1）選擇幾個(gè)不同的最大循環(huán)應(yīng)力σ1，σ2………σn2）測定從加載到試樣斷裂所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)N1，N2………Nn3）得σ—N曲線（或S-N曲線）通常：S可表示最大應(yīng)力（σmax）、應(yīng)力幅（σa）及其它載荷形式第26頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五幾種材料的S-N曲線第27頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五從上圖可知金屬材料的疲勞曲線有兩類一類有水平線（結(jié)構(gòu)鋼、鑄鐵），水平線表示在此循環(huán)應(yīng)力作用下，試樣可經(jīng)歷無限次循環(huán)而不發(fā)生斷裂（σ≤σ－1，N→∞）另一類無水平線（有色金屬、高強(qiáng)鋼），根據(jù)材料的使用要求，測定給定循環(huán)周次的疲勞極限（條件疲勞極限）疲勞曲線上的水平線代表無限壽命區(qū)邊界，斜線段代表有限壽命區(qū)邊界總結(jié)：縱坐標(biāo)表示疲勞極限，橫坐標(biāo)表示疲勞壽命第28頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五應(yīng)力比（r）對疲勞強(qiáng)度的影響對于對稱循環(huán)載荷（r=-1)1）對稱彎曲：σ-12）對稱扭轉(zhuǎn)：τ-13）對稱拉壓：σ-1P當(dāng)循環(huán)應(yīng)力為非對稱循環(huán)應(yīng)力時(shí)，計(jì)為σ－r第29頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五求不對稱循環(huán)載荷的疲勞強(qiáng)度（作圖法）1）已知：應(yīng)力比r，疲勞強(qiáng)度S2）根據(jù)

r=σmin/σmax，

σm=(σmax+σmin)/2，可求出σmin，σmax，σm3）以σmin，σmax為縱坐標(biāo)，σm為橫坐標(biāo)作疲勞圖

σmax（σmin）－σm疲勞圖第30頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五從圖可知：B點(diǎn)：σm=0，r=-1,

σa=σ-1=σmax，屬對稱循環(huán)A點(diǎn)：σm=σb,r=1,σa=0,屬靜力拉伸狀態(tài)AHB曲線上各點(diǎn)σmax值即表示由r=-1∽1各狀態(tài)下的疲勞強(qiáng)度α角和r的關(guān)系：已知r,可求出α，在AHB上對應(yīng)點(diǎn)的縱坐標(biāo)即為此r相對應(yīng)的疲勞強(qiáng)度

第31頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五二：過載持久值及過載損傷界

過載持久值材料在高于疲勞強(qiáng)度的一定應(yīng)力下工作，發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán)周次稱為材料的過載持久值（有限疲勞壽命）特點(diǎn)：1）表征材料對過載疲勞的抗力2）由疲勞曲線傾斜部分確定，曲線傾斜得越陡直，持久值越高第32頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五過載損傷界

材料在過載應(yīng)力水平下，只有運(yùn)行一定周次后，疲勞強(qiáng)度或疲勞壽命才會(huì)降低，造成過載損傷

把在每個(gè)過載應(yīng)力下運(yùn)行能引起損傷的最少循環(huán)周次連接起來就得到該材料的過載損傷界

過載損傷界到疲勞曲線間的影線區(qū)稱為材料的過載損傷區(qū)

過載損傷界示意圖第33頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五三：疲勞缺口敏感度

材料在變動(dòng)應(yīng)力作用下的缺口敏感性表征：Kf:疲勞缺口系數(shù)；為光滑試樣和缺口試樣疲勞強(qiáng)度之比

Kf＞1Kt:理論應(yīng)力集中系數(shù)；可查手冊，Kt＞1，按定義：1＞qf＞0,當(dāng)Kf=1時(shí)，qf趨近于零，材料對缺口完全不敏感

Kf=Kt；qf=1；材料對缺口十分敏感

qf隨材料強(qiáng)度增高而增大第34頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五四：疲勞裂紋擴(kuò)展速率

試驗(yàn)表明：測量疲勞裂紋長度和循環(huán)周數(shù)的關(guān)系如圖疲勞裂紋擴(kuò)展曲線

Δσ2﹥Δσ1第35頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五從圖可知：1）曲線的斜率da/dN（疲勞裂紋擴(kuò)展速率）在整個(gè)過程中是不斷增長的2）當(dāng)da/dN無限增大，裂紋將失穩(wěn)擴(kuò)展，試樣斷裂3）應(yīng)力增加，裂紋擴(kuò)展加快，a-N曲線向左上方移動(dòng)，ac相應(yīng)減小結(jié)論：裂紋擴(kuò)展速率da/dN和應(yīng)力水平及裂紋長度有關(guān)根據(jù)斷裂力學(xué)：可定義應(yīng)力強(qiáng)度因子幅為第36頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五1）ΔK?就是裂紋尖端控制疲勞裂紋擴(kuò)展的復(fù)合力學(xué)參量2）通過裂紋長度（a）及應(yīng)力幅（Δσ），計(jì)算出da/dN；ΔK?3）建立da/dN－ΔK關(guān)系曲線（如右圖）該圖可分為三個(gè)區(qū)Lg(da/dN)-lgΔKⅠ關(guān)系曲線第37頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五I區(qū)：毗鄰裂紋的初始擴(kuò)展階段，da/dN值很小，約10-8—10-6

mm/周次

從ΔKth開始，隨著ΔKI值增加，da/dN快速增長II區(qū)：疲勞裂紋擴(kuò)展的主要階段，是決定壽命的主要階段，

da/dN約為10-5---10-2mm/周次

可用Paris公式表示：

C、n：為材料常數(shù)，實(shí)驗(yàn)確定第38頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五III區(qū)：疲勞裂紋擴(kuò)展的最后階段，該區(qū)的da/dN值很高，隨ΔKI增加急劇增大，導(dǎo)致材料失穩(wěn)斷裂，占裂紋擴(kuò)展壽命的比例不長

當(dāng)ΔKI=ΔKth時(shí)，da/dN=0，意味裂紋不擴(kuò)展當(dāng)ΔKI＞ΔKth時(shí)，da/dN＞0，裂紋擴(kuò)展第39頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值（ΔKth）

表征材料阻止疲勞裂紋開始擴(kuò)展的能力。該值越大，材料的疲勞裂紋開始擴(kuò)展所受的阻力越大，材料抗疲勞裂紋擴(kuò)展的能力越強(qiáng)含裂紋件不發(fā)生疲勞斷裂（無限壽命）的校核公式：Paris公式適用范圍：低應(yīng)力，低擴(kuò)展速率（da/dN＜10-2mm/周次）較長壽命（Nf＞104）的情況第40頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五例：對零件的疲勞剩余壽命的計(jì)算

1）無損探傷確定零件的初始裂紋長a02）確定裂紋形狀，位置，取向，以確定裂尖ΔKI值3）根據(jù)KIc和Δσ確定臨界裂紋長度ac4）計(jì)算從a0擴(kuò)展到臨界ac所需的循環(huán)周次N，即為疲勞剩余壽命Nf。用Paris公式計(jì)算：∵