疲勞源區(qū)的微觀分析

第五章材料的疲勞第二節(jié)高周疲勞一、S-N曲線（高周疲勞曲線）二、S-N曲線的測(cè)定（對(duì)稱應(yīng)力作用下）

1、疲勞極限的測(cè)定方法

2、有限壽命S-N曲線的測(cè)定方法

3、S-N曲線的繪制

4、疲勞試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)處理及P-S-N曲線的繪制

一、疲勞破壞的特征

二、變動(dòng)載荷和循環(huán)應(yīng)力

三、疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)

四、疲勞宏觀斷口特征第一節(jié)材料疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)三、循環(huán)應(yīng)力特性對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響四、表面幾何特性對(duì)高周疲勞特性的影響1、缺口的影響2、應(yīng)力集中對(duì)疲勞極限的影響3、缺口敏感因子1、平均應(yīng)力和疲勞圖2、加載方式（應(yīng)力狀態(tài)）的影響3、疲勞強(qiáng)度與靜強(qiáng)度之間的關(guān)系4、過(guò)載持久值及過(guò)載損傷界五、構(gòu)件尺度的影響第三節(jié)低周疲勞一、滯后回線

二、循環(huán)硬化和循環(huán)軟化

三、循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

四、應(yīng)變-壽命曲線

五、熱疲勞

六、沖擊疲勞第四節(jié)疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門檻值一、疲勞裂紋擴(kuò)展曲線二、疲勞裂紋擴(kuò)展速率三、影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素1、應(yīng)力比或平均應(yīng)力的影響2、過(guò)載峰的影響3、材料組織的影響4、材料表面狀態(tài)的影響5、溫度的影響第五節(jié)疲勞過(guò)程及機(jī)理一、疲勞裂紋萌生過(guò)程及機(jī)理二、疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及機(jī)理第六節(jié)工程塑料的疲勞一、疲勞熱破壞二、疲勞裂紋擴(kuò)展第七節(jié)影響疲勞強(qiáng)度的主要因素第五章材料的疲勞

FatigueofMaterials第一節(jié)

材料疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)一、疲勞破壞的特征零件或構(gòu)件在承受交變載荷的情況下，與靜載時(shí)的負(fù)荷相比，可以在很低的應(yīng)力水平下發(fā)生破壞，這種破壞我們稱為“疲勞破壞”。疲勞破壞的最大特點(diǎn)是，即使在靜載荷下表現(xiàn)出很大塑性變形的低碳鋼，在疲勞斷口上也很難觀察到很大的塑性變形痕跡，而表現(xiàn)出脆性破壞的斷口形貌（brittle-appearingfracture），而且，這種破壞沒(méi)有任何先兆（withoutanyobviouswarning），非常突然，會(huì)造成很大的財(cái)產(chǎn)和人員的損失。疲勞破壞的三種類型

threebasicfactorscausingfatiguefailureamaximumtensilestressofsufficienthighvalue.2.alargeenoughvariationorfluctuationintheappliedstress.3.asufficientlylargenumberofcyclesoftheappliedstress.二、變動(dòng)載荷和循環(huán)應(yīng)力變動(dòng)載荷：無(wú)規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力周期變動(dòng)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力波形可以是：正弦波、矩形波、三角波對(duì)稱軸相對(duì)于橫軸的位置：對(duì)稱交變應(yīng)力、脈動(dòng)應(yīng)力、波動(dòng)應(yīng)力不對(duì)稱交變應(yīng)力（圖5-2e）循環(huán)應(yīng)力參數(shù)（交變應(yīng)力的描述）：應(yīng)力循環(huán)：應(yīng)力值每重復(fù)變化一次稱為一個(gè)循環(huán)。例如應(yīng)力從最小值變到最大值，再變回到最小值循環(huán)次數(shù)：應(yīng)力重復(fù)變化的次數(shù)，用N表示三、疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)設(shè)計(jì)要求由于實(shí)際上零件或動(dòng)結(jié)構(gòu)的破壞，大部分是疲勞破壞，因此，在進(jìn)行零件或動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，除了靜強(qiáng)度必須滿足要求以外，確定零件或結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度是強(qiáng)度設(shè)計(jì)中另外一個(gè)重要的方面。確定材料的疲勞強(qiáng)度，一般都是通過(guò)疲勞試驗(yàn)（Fatiguetest）進(jìn)行的，而且都是在一定應(yīng)力幅下進(jìn)行的。疲勞的分類

疲勞試驗(yàn)機(jī)的種類

回轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)、平面彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)、拉伸-壓縮疲勞試驗(yàn)機(jī)、扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)機(jī)、組合應(yīng)力疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)稱彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)

四、疲勞宏觀斷口特征疲勞斷口保留了整個(gè)斷裂過(guò)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(guò)程、分析疲勞失效原因的一種重要方法。典型的疲勞斷口具有3個(gè)特征區(qū)：疲勞源、疲勞裂紋亞臨界擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)（疲勞裂紋快速擴(kuò)展失穩(wěn)區(qū)）。疲勞源

疲勞裂紋萌生的策源地，多出現(xiàn)在機(jī)件表面（表面質(zhì)量對(duì)疲勞強(qiáng)度影響大），常出現(xiàn)在缺口、裂紋、刀痕、腐蝕坑等處。但是，若材料內(nèi)部存在嚴(yán)重冶金缺陷（夾雜、縮孔、偏析、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)疲勞源。疲勞源區(qū)比較光亮（是反復(fù)擠壓摩擦的結(jié)果）。

疲勞裂紋亞臨界擴(kuò)展區(qū)

斷口較為光滑并且分布有貝紋線（或海灘花樣），有時(shí)還有裂紋擴(kuò)展臺(tái)階。瞬斷區(qū)

為疲勞裂紋快速擴(kuò)展失穩(wěn)區(qū)，即在亞臨界擴(kuò)展區(qū)內(nèi)的裂紋不斷擴(kuò)展達(dá)到臨界尺寸后，裂紋快速擴(kuò)展產(chǎn)生瞬斷。斷口粗糙，宏觀特征如同靜載，隨材料性質(zhì)而變化：脆性材料斷口呈結(jié)晶狀；韌性材料在心部平面應(yīng)變區(qū)呈放射狀或人字狀紋路，邊緣平面應(yīng)力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在。瞬斷區(qū)在疲勞源的對(duì)側(cè)。斷口分析詳述

疲勞源區(qū)和疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌一個(gè)疲勞源兩個(gè)疲勞源微裂紋疲勞條紋疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞源區(qū)疲勞斷裂的宏觀分析（1）疲勞斷裂源區(qū)的宏觀特征及位置的判別

宏觀上所說(shuō)的疲勞源區(qū)包括裂紋的萌生與第一階段擴(kuò)展區(qū)。疲勞源區(qū)一般位于零件的表面或亞表面的應(yīng)力集中處,由于疲勞源區(qū)暴露于空氣與介質(zhì)中的時(shí)間最長(zhǎng),裂紋擴(kuò)展速率較慢,經(jīng)過(guò)反復(fù)張開(kāi)與閉合的磨損,同時(shí)在不同高度起始的裂紋在擴(kuò)展中相遇,匯合形成輻射狀臺(tái)階或條紋。疲勞源區(qū)一般具有如下宏觀特征①氧化或腐蝕較重,顏色較深;②斷面平坦、光滑、細(xì)密,有些斷口可見(jiàn)到閃光的小刻面;③有向外輻射的放射臺(tái)階或放射狀條紋;④在源區(qū)雖看不到疲勞弧線,但有向外發(fā)射疲勞弧線的中心。有時(shí)疲勞源區(qū)不只一個(gè),在存在多個(gè)源區(qū)的情況下,需要找出疲勞斷裂的主源區(qū)。疲勞斷裂的宏觀分析疲勞斷裂的宏觀分析(2)疲勞斷裂擴(kuò)展區(qū)的宏觀特征

該區(qū)斷面較平坦,與主應(yīng)力相垂直,顏色介于源區(qū)與瞬斷區(qū)之間,疲勞斷裂擴(kuò)展階段留在斷口上最基本的宏觀特征是疲勞弧線(又稱海灘花樣或貝殼花樣)。

疲勞斷裂的宏觀分析疲勞斷裂的宏觀分析疲勞弧線(又稱海灘花樣或貝殼花樣)疲勞斷裂的宏觀分析(3)瞬時(shí)斷裂區(qū)的宏觀特征疲勞裂紋擴(kuò)展至臨界尺寸(即零件剩余截面不足以承受外載時(shí)的尺寸)后發(fā)生失穩(wěn)快速破斷,稱為瞬時(shí)斷裂。斷口上對(duì)應(yīng)的區(qū)域簡(jiǎn)稱瞬斷區(qū),其宏觀特征與帶尖缺口一次性斷裂的斷口相近。疲勞斷裂的微觀分析（1）疲勞源區(qū)的微觀分析首先要確定疲勞源區(qū)的具體位置是表面還是亞表面,對(duì)于多源疲勞還需判明主源與次源。其次要分析源區(qū)的微觀形貌特征,包括裂紋萌生處有無(wú)外物損傷痕跡、加工刀痕、磨損痕跡、腐蝕損傷及腐蝕產(chǎn)物、材質(zhì)缺陷(包括晶界、夾雜物和第二相粒子)等。疲勞源區(qū)的微觀分析能為判斷疲勞斷裂的原因提供十分重要信息與數(shù)據(jù),是分析的重點(diǎn)。疲勞斷裂的微觀分析(2)疲勞擴(kuò)展區(qū)的微觀分析由于第一階段的范圍較小,尤其要仔細(xì)觀察其上有無(wú)疲勞條帶、韌窩、臺(tái)階、二次裂紋以及斷裂小刻面的微觀形貌。對(duì)第二階段的微觀分析主要是觀察有無(wú)疲勞條帶,疲勞條帶的性質(zhì)及條帶間距的變化規(guī)律等。搞清這些特征,對(duì)于分析疲勞斷裂機(jī)制、裂紋擴(kuò)展速度、載荷的性質(zhì)與大小等將起重要作用。疲勞斷裂的微觀分析(3)瞬斷區(qū)微觀特征分析

主要是觀察韌窩的形態(tài)是等軸韌窩、撕裂韌窩還是剪切韌窩（三種形式的韌窩）。搞清韌窩的形貌特征有利于判斷引起疲勞斷裂的載荷類型。(a)等軸韌窩（微觀分析）(b)剪切韌窩（微觀分析）(c)撕裂韌窩（微觀分析）(d)拉長(zhǎng)韌窩（微觀分析）韌性斷口脆性斷口引起疲勞斷裂的載荷類型分析各種類型的疲勞斷裂失效均是在交變載荷作用下造成的,因此,在分析疲勞斷裂失效時(shí),首要的是要以斷口的特征形貌來(lái)分析判斷所受載荷的類型。引起疲勞斷裂的載荷類型分析(1)反復(fù)彎曲載荷引起的疲勞斷裂構(gòu)件承受彎曲載荷時(shí),其應(yīng)力在表面最大、中心最小。所以疲勞裂紋總是在表面形成,然后沿著與最大正應(yīng)力相垂直的方向擴(kuò)展。彎曲疲勞斷口一般與其軸線成90°。①單向彎曲疲勞斷口。在交變單向彎曲載荷作用下,疲勞在交變張應(yīng)力最大的一邊的表面起源。引起疲勞斷裂的載荷類型分析②雙向彎曲疲勞斷口。在交變雙向彎曲載荷作用下,疲勞破壞源則從相對(duì)應(yīng)的兩邊開(kāi)始,幾乎是同時(shí)向內(nèi)擴(kuò)展。③旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口。旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的應(yīng)力分布是外層大、中心小,故疲勞源區(qū)在兩側(cè),這里的裂紋擴(kuò)展速度較快,中心部位較慢,且其疲勞線比較扁。由于在疲勞裂紋擴(kuò)展的過(guò)程中,軸還在不斷的旋轉(zhuǎn),疲勞裂紋的前沿向旋轉(zhuǎn)的相反方向偏轉(zhuǎn)。因此,最后的破壞區(qū)也向旋轉(zhuǎn)的相反方向偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度。引起疲勞斷裂的載荷類型分析(2)拉-拉載荷引起的疲勞斷裂當(dāng)材料承受拉-拉(拉-壓)交變載荷時(shí),其應(yīng)力分布是軸的外表面遠(yuǎn)高于中心。由于應(yīng)力分布均勻,使疲勞源區(qū)的位置變化較大。源區(qū)可以在零件的外表面,也可以在零件的內(nèi)部,這主要取決于各種缺陷在零件中分布狀態(tài)及環(huán)境因素等。引起疲勞斷裂的載荷類型分析(3)扭轉(zhuǎn)載荷引起的疲勞斷裂

軸在交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下,可能產(chǎn)生一種特殊的扭轉(zhuǎn)疲勞斷口,即鋸齒狀斷口。在雙向交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下,在相應(yīng)各個(gè)起點(diǎn)上發(fā)生的裂紋,分別沿著±45°兩個(gè)側(cè)斜方向擴(kuò)展(交變張應(yīng)力最大的方向),相鄰裂紋相交后形成鋸齒狀斷口;在單向交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用下,在相應(yīng)各個(gè)起點(diǎn)上發(fā)生的裂紋只沿45°傾斜方向擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度,最后連接部分破斷而形成棘輪狀斷口。低周疲勞斷裂的判據(jù)(1)宏觀特征

低周疲勞宏觀斷口除具有上述疲勞斷裂宏觀斷口的一般特征之外,還有如下特征:①具有多個(gè)疲勞源,且往往是線源。源區(qū)間的放射狀棱線(疲勞一次臺(tái)階)多而且臺(tái)階的高度差大。②瞬斷區(qū)的面積所占比例大,甚至遠(yuǎn)大于疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)的面積。③疲勞弧線間距加大,穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)的棱線(疲勞二次臺(tái)階)粗且短。④整個(gè)斷口高低不平,隨著斷裂循環(huán)數(shù)(Nf)的降低,斷口形貌愈來(lái)愈接近靜拉伸斷口。低周疲勞斷裂的判據(jù)(2)微觀特征

由于宏觀塑性變形較大,低周疲勞斷裂微觀斷口會(huì)有靜載斷裂的某些特征。在一般情況下,當(dāng)疲勞壽命Nf<90次時(shí),斷口上為細(xì)小的韌窩,沒(méi)有疲勞條帶出現(xiàn)；當(dāng)Nf≥300次時(shí),出現(xiàn)輪胎花樣;當(dāng)Nf>104時(shí),才出現(xiàn)疲勞條帶,此時(shí)的條帶間距較寬,有時(shí)可達(dá)2～3μm,其典型疲勞條帶形貌見(jiàn)下圖。低周疲勞斷口上疲勞條帶的典型形貌如果使用溫度超過(guò)等強(qiáng)溫度,斷口形態(tài)除上述特征外,還會(huì)出現(xiàn)沿晶斷裂特征。第二節(jié)高周疲勞

High-cyclefatigue壽命較長(zhǎng)的疲勞破壞現(xiàn)象受力特點(diǎn)：應(yīng)力水平較低，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系處于彈性范圍內(nèi)變化。從理論上講，高周疲勞可以控制應(yīng)變、也可以控制應(yīng)力，但是，一般在實(shí)驗(yàn)方法上控制應(yīng)力比控制應(yīng)變?nèi)菀讓?shí)現(xiàn)。一、S-N曲線（高周疲勞曲線）疲勞應(yīng)力---疲勞壽命曲線S：代表應(yīng)力水平（

，縱坐標(biāo)），N：代表循環(huán)次數(shù)（壽命，橫坐標(biāo)），該曲線表示在低應(yīng)力水平的前提下（一般不超過(guò)材料的彈性極限），隨著應(yīng)力水平的下降，疲勞壽命是不斷增加的。疲勞曲線循環(huán)次數(shù)N應(yīng)力不斷裂對(duì)數(shù)坐標(biāo)S-N曲線（高周疲勞曲線）鋼鐵材料部分在色金屬（Al合金）條件疲勞極限對(duì)稱循環(huán)疲勞極限：在對(duì)稱載荷的作用下，具有應(yīng)變時(shí)效的材料（碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼等）當(dāng)應(yīng)力水平降低到某一個(gè)臨界值時(shí)，S-N曲線變?yōu)樗骄€（表明試樣可以經(jīng)過(guò)無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)也不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂），稱之為疲勞極限（實(shí)際上只要材料經(jīng)過(guò)107次應(yīng)力循環(huán)而不斷，則可以認(rèn)定材料能夠承受無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生斷裂，由于是對(duì)稱循環(huán)載荷，因此，這個(gè)疲勞極限記為）有限壽命部分無(wú)限壽命部分高周疲勞極限的表示方法S-N曲線反映材料的“過(guò)載持久性能”斜率大的材料1在相同的應(yīng)力水平

下比斜率小的材料2的壽命長(zhǎng)，有缺口的試樣的疲勞強(qiáng)度比光滑試樣的疲勞強(qiáng)度低。二、S-N曲線的測(cè)定（對(duì)稱應(yīng)力作用下）1、疲勞極限的測(cè)定方法（升降法、測(cè)定無(wú)限壽命或低應(yīng)力部分）

測(cè)定方法：升降法測(cè)定

，有效試樣數(shù)在13根以上。從略高于預(yù)計(jì)疲勞極限的應(yīng)力水平開(kāi)始試驗(yàn)，然后逐漸降低應(yīng)力水平（整個(gè)試驗(yàn)在3~5個(gè)應(yīng)力水平下進(jìn)行試驗(yàn)），如上圖。疲勞極限的測(cè)定方法試驗(yàn)原則：凡前一個(gè)試驗(yàn)如不到限定的循環(huán)周次（

）就斷裂時(shí)，用X表示，則后一級(jí)試驗(yàn)就在低一級(jí)應(yīng)力水平下進(jìn)行，直到在限定的循環(huán)周次（

）下發(fā)生斷裂，這時(shí)用O表示；這以后的試驗(yàn)就在高一級(jí)應(yīng)力水平下進(jìn)行，按照此方法直到獲得13個(gè)以上有效數(shù)字為止。疲勞極限的測(cè)定方法在處理試驗(yàn)數(shù)字時(shí)，將出現(xiàn)第一對(duì)相反數(shù)據(jù)以前的數(shù)據(jù)舍去（如上圖中3、4為第一對(duì)相反數(shù)據(jù)，則此前的1、2數(shù)據(jù)應(yīng)該舍去），余下的均為有效數(shù)據(jù)，按照下式計(jì)算

m—有效試驗(yàn)的總次數(shù)（斷與未斷均包括在內(nèi)）；

n—試驗(yàn)的應(yīng)力水平級(jí)數(shù)；—第i級(jí)應(yīng)力水平；

—第i級(jí)應(yīng)力水平下的試驗(yàn)次數(shù)疲勞極限的測(cè)定方法注意：應(yīng)力水平的確定（包括第一級(jí)應(yīng)力水平的確定及應(yīng)力增加量

的選擇）：第一級(jí)應(yīng)力水平應(yīng)略高于預(yù)計(jì)的條件疲勞極限（鋼材：

取

），應(yīng)力增加量為預(yù)計(jì)疲勞極限的3%~5%（鋼材：

）；評(píng)價(jià)升降圖是否有效的依據(jù)：有效數(shù)據(jù)必須大于13個(gè)；圖中X和O的比例大體各占一半。疲勞極限的測(cè)定方法疲勞極限的計(jì)算公式m有效試驗(yàn)的總次數(shù)（破壞和通過(guò)的數(shù)據(jù)均包含在內(nèi)）；n試驗(yàn)應(yīng)力水平級(jí)數(shù)；第i級(jí)應(yīng)力水平；第i級(jí)應(yīng)力水平下的試驗(yàn)次數(shù)（i=1,2,3,………,n）。2、有限壽命S-N曲線的測(cè)定方法（成組法、測(cè)定有限壽命或高應(yīng)力部分）通常用4~5級(jí)應(yīng)力水平下的常規(guī)成組疲勞試驗(yàn)的方法測(cè)定，即每級(jí)應(yīng)力水平下測(cè)3~5試樣的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出中值（即存活率為50%）疲勞壽命，最后再將測(cè)得的結(jié)果擬合成S-N曲線。有限壽命S-N曲線的測(cè)定方法某應(yīng)力水平下試樣斷裂正態(tài)分布函數(shù)有限壽命成組試驗(yàn)法

設(shè)3—4級(jí)較高的應(yīng)力水平（高于疲勞極限）組每組做若5根左右疲勞試驗(yàn)并計(jì)算上述分布函數(shù)其中：數(shù)學(xué)希望平均值正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)差確定以后，f(x)就隨之而定存活率（對(duì)于分布函數(shù)的積分）存活率（對(duì)于上述正態(tài)分布函數(shù)的積分），代表在某一個(gè)應(yīng)力水平下，未斷裂試樣的概率取存活率50%的各個(gè)應(yīng)力水平的點(diǎn)，連接起來(lái)，構(gòu)成疲勞曲線的斜線部分有限壽命S-N曲線的測(cè)定方法疲勞中值計(jì)算：將每一級(jí)應(yīng)力水平下測(cè)的疲勞壽命代入以下計(jì)算公式如果出現(xiàn)越出：即在某一水平下的平均壽命大于規(guī)定的107，則這一組疲勞壽命取排列中值（奇數(shù)），或中間兩個(gè)數(shù)值的平均值（偶數(shù)）。

有限壽命S-N曲線的測(cè)定方法在某一級(jí)應(yīng)力水平下測(cè)得的5個(gè)試樣的疲勞壽命如下表所示：3、S-N曲線的繪制3、S-N曲線的繪制：兩種方法繪制成兩種S-N曲線，

-N曲線和

-lgN

直線在S-N曲線的擬合中有兩種基本方法：逐點(diǎn)描繪法直線擬合法逐點(diǎn)描繪法直線擬合法由于疲勞設(shè)計(jì)上的需要，對(duì)某些金屬材料常用直線擬合上述成組試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)。下面結(jié)合表中所列的30CrMnSi鋼的一組數(shù)據(jù)，介紹直線擬和方法。4、疲勞試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)處理及P-S-N曲線的繪制必要性：零件的疲勞設(shè)計(jì)中必須考慮的問(wèn)題1）對(duì)于工作應(yīng)力在疲勞極限

以下工作的零件，采用升降法測(cè)定的無(wú)限疲勞極限可以滿足要求2）對(duì)于工作應(yīng)力在疲勞極限以上工作的零件（有限壽命設(shè)計(jì)的零件），上述成組法測(cè)定存活率50%的中值S-N曲線作為設(shè)計(jì)依據(jù)，往往安全系數(shù)不夠，偏于危險(xiǎn)（因?yàn)檫@意味著有一半產(chǎn)品在達(dá)到預(yù)定壽命之前出現(xiàn)早期破壞），為此，需要測(cè)得更高存或率的S-N曲線，這樣，即產(chǎn)生了有限壽命段中以存活率P為參數(shù)的曲線，即P-S-N曲線。測(cè)試方法測(cè)試方法測(cè)試方法：三、循環(huán)應(yīng)力特性對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

（非對(duì)稱應(yīng)力條件下的疲勞極限）循環(huán)應(yīng)力特性主要是指平均應(yīng)力

、應(yīng)力比r和加載方式（應(yīng)力狀態(tài)）的影響1、平均應(yīng)力和疲勞圖在許多實(shí)際工況下，零件承受著非對(duì)稱交變循環(huán)應(yīng)力（即

），通常有下列兩種方式給出相應(yīng)的S-N曲線如下（

為應(yīng)力半幅）2、加載方式（應(yīng)力狀態(tài)）的影響同一種材料在不同的應(yīng)力狀態(tài)下測(cè)得的S-N曲線是不同的。加載方式（應(yīng)力狀態(tài)）的影響：注意這里的符號(hào)的意義：通常符號(hào)表示：

對(duì)稱彎曲

對(duì)稱扭轉(zhuǎn)

對(duì)稱拉壓3、疲勞強(qiáng)度與靜強(qiáng)度之間的關(guān)系各種材料的疲勞極限，應(yīng)該由疲勞試驗(yàn)求得，或者查閱相關(guān)的技術(shù)資料，也可以由靜強(qiáng)度作近似估算（用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算）。結(jié)構(gòu)鋼：

，

鑄

鐵：

，

鋁合金：

，

青

銅：4、過(guò)載持久值及過(guò)載損傷界過(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（有限疲勞壽命）；疲勞曲線傾斜部分（斜率越大則抗疲勞過(guò)載能力越強(qiáng)）的任一點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，稱為材料的耐久極限。四、表面幾何特性對(duì)高周疲勞特性的影響

（疲勞缺口敏感度）為了確定幾何形狀變化對(duì)疲勞極限的影響，以缺口為典型代表研究其缺口敏感性。1、缺口的影響：對(duì)靜強(qiáng)度的影響

理論應(yīng)力集中系數(shù)

對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

疲勞缺口系數(shù)

：表示對(duì)光滑試樣（對(duì)稱彎曲）；

：表示對(duì)缺口試樣2、應(yīng)力集中對(duì)疲勞極限的影響構(gòu)件截面尺寸突變處（如切槽、圓孔、尖角等）存在應(yīng)力集中。應(yīng)力集中促使裂紋形成與擴(kuò)展，因而，應(yīng)力集中將使疲勞極限明顯降低。應(yīng)力集中的程度，可以用理論應(yīng)力集中系數(shù)描述。工程中，已將各種情況下的理論應(yīng)力集中系數(shù)編成手冊(cè)，圖15-11a～圖15-11k就是從中節(jié)選的部分圖表。圖中，kt

為理論應(yīng)力集中系數(shù)，對(duì)于正應(yīng)力kt—kt

；對(duì)于切應(yīng)力，kt—ktc（注意同前面的符號(hào)有所不同）3、缺口敏感因子：在高周疲勞條件下，大多數(shù)金屬都對(duì)缺口十分敏感；但是，在低周疲勞條件下，對(duì)取口不太敏感五、構(gòu)件尺度的影響彎曲與扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)表明，疲勞極限隨試件橫截面尺寸增大而減小。引起這一現(xiàn)象的原因，可用圖15-13中兩根直徑不同的試件來(lái)說(shuō)明。圖15-13中，在最大彎曲正應(yīng)力相同的條件下，大試件處于高應(yīng)力區(qū)的材料多于小試件。這樣，大試件出現(xiàn)裂紋的可能性要大于小試件，疲勞極限就要低于小試件。構(gòu)件尺度的影響尺寸對(duì)疲勞極限的影響程度用尺寸系數(shù)來(lái)描述，即對(duì)于正應(yīng)力：對(duì)于剪應(yīng)力：鋼材的尺寸系數(shù)第三節(jié)低周疲勞Low-cyclefatigue低周疲勞

（塑性疲勞-plasticfatigue）低周疲勞的特點(diǎn)：1.局部應(yīng)力>屈服極限，→滯后回線（循環(huán)回線）2.低周疲勞時(shí)，不能用S-N（-N）曲線表示疲勞壽命，而應(yīng)該用-或者-曲線表示疲勞壽命3.低周疲勞破壞時(shí)，同時(shí)存在幾個(gè)裂紋源4.低周疲勞壽命取決于塑性應(yīng)變幅，而高周疲勞壽命取決于應(yīng)力幅或應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子范圍

一、滯后回線Hystereticloop彈性滯后環(huán)必須是加載速率足夠快時(shí)才能夠出現(xiàn)

二、循環(huán)硬化和循環(huán)軟化輸入輸出

輸出注意在恒定應(yīng)力幅循環(huán)加載下，材料發(fā)生循環(huán)軟化是危險(xiǎn)的金屬材料存在以上兩種現(xiàn)象（循環(huán)硬化和循環(huán)軟化），但是，所有高聚物（晶態(tài)和非晶態(tài)）則都是循環(huán)軟化的材料σb/σs＞1.4循環(huán)硬化

σb/σs＜1.2循環(huán)軟化三、循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線循環(huán)曲線

各穩(wěn)定滯后回線頂點(diǎn)的連線

是材料循環(huán)特性的一個(gè)重要力學(xué)參數(shù)循環(huán)曲線可以用Hollomon關(guān)系進(jìn)行描述

循環(huán)應(yīng)變的強(qiáng)度系數(shù)循環(huán)加載下的形變硬化指數(shù)總應(yīng)變幅下的曲線關(guān)系應(yīng)該寫成

舉例四、應(yīng)變-壽命曲線低周疲勞的應(yīng)變—壽命曲線通常用總應(yīng)變半幅和循環(huán)失效的反復(fù)次（，2倍表示一個(gè)循環(huán)下反復(fù)的次數(shù)為2次）在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上表示：將總應(yīng)變半幅分解為彈性應(yīng)變半幅與塑性應(yīng)變半幅之和，Manson-CoffinRelation過(guò)渡壽命低周疲勞部分高周疲勞部分過(guò)渡疲勞壽命不同金屬材料的—曲線有一個(gè)共同的交點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值約為0.01。若以裂紋形成壽命作為失效判據(jù)，圖中交點(diǎn)左側(cè)，即大應(yīng)變量作用下（高應(yīng)力水平，應(yīng)力超過(guò)或接近材料的屈服極限時(shí)），延性好的材料壽命長(zhǎng)（低周疲勞的情況）；交點(diǎn)右側(cè)，即低幅循環(huán)時(shí)（低應(yīng)力水平下，應(yīng)力水平低于材料的屈服極限時(shí)），強(qiáng)度高的材料壽命長(zhǎng)（高周疲勞的情況）。低周疲勞部分高周疲勞部分過(guò)渡疲勞壽命五、熱疲勞低溫收縮產(chǎn)生拉應(yīng)力高溫膨脹產(chǎn)生壓應(yīng)力六、沖擊疲勞沖擊疲勞是機(jī)件在重復(fù)沖擊載荷作用下的疲勞斷裂。試驗(yàn)表明，當(dāng)試樣于破壞前承受的沖擊次數(shù)較少時(shí)（500~1000次），試樣斷裂的原因與一次沖擊相同；當(dāng)沖擊次數(shù)次時(shí)，破壞后具有典型的疲勞斷口特征，屬于疲勞斷裂，即沖擊疲勞斷裂。第四節(jié)疲勞裂紋擴(kuò)展速率

及疲勞門檻值

一、疲勞裂紋擴(kuò)展曲線脆性斷裂與韌性斷裂比較脆斷與韌斷裂紋尺寸-應(yīng)力圖

裂紋突然擴(kuò)展裂紋逐步擴(kuò)展常用三種形式的試樣：三點(diǎn)彎曲單邊缺口試樣（SENB3）中心裂紋拉伸試樣（CCT）緊湊拉伸試樣（CT）二、疲勞裂紋擴(kuò)展速率

低、中、高速率三個(gè)區(qū)域：低速率區(qū)：有下限或門檻值

Kth;

K＜

Kth,裂紋不擴(kuò)展。高速率區(qū):有上限Kmax=KC，

擴(kuò)展快，壽命可不計(jì)。C、m和

Kth，是描述疲勞裂紋擴(kuò)展性能的基本參數(shù)。中速率區(qū):有對(duì)數(shù)線性關(guān)系。Paris公式：

da/dN=C(

K)mlgda/dN

lg(DK)10-5~-610-9低中高thDKcK=(1-r)

K=(1-r)Kmaxda/dN-

K曲線常用材料的Paris關(guān)系可以查閱有關(guān)資料（如下表所示）

三影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素1、應(yīng)力比或平均應(yīng)力的影響SNr=-1r=-1/3r=0SmOSaNSm<0Sm=0Sm>0r增大另外，考慮材料和環(huán)境的共同作用，有些資料中的修正公式為

2、過(guò)載峰的影響在恒載疲勞裂紋擴(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，稱為過(guò)載裂紋停滯現(xiàn)象

3、材料組織的影響矛盾用晶粒度控制材料的起裂應(yīng)該綜合考慮起裂的影響隨晶粒尺寸增長(zhǎng)而增大，材料抗疲勞開(kāi)裂的能力增加隨晶粒尺寸減小而增大，材料抗斷裂的能力增加對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響Ritchie和Fine總結(jié)的規(guī)律隨屈服應(yīng)力降低而增大例：退火組織中存在一定的韌性組織，如殘余奧氏體和貝氏體組織時(shí)，裂紋門檻值比較高例：鋼的高溫回火組織韌性好，裂紋門檻值比較高；鋼的低溫回火組織強(qiáng)度高；韌性差，其裂紋門檻值就比較低；中溫回火組織的性能介于上述兩者之間隨屈服應(yīng)力降低而增大隨屈服應(yīng)力降低而增大例：亞共析鋼種裂紋門檻值與其中鐵素體和珠光體的含量有關(guān)，鐵素體含量高時(shí)，裂紋門檻值高回火溫度越低、門檻值越小，材料變脆越容易產(chǎn)生裂紋

試驗(yàn)觀察表明，疲勞裂紋擴(kuò)展的三個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)著三個(gè)不同的斷裂機(jī)制。Ⅰ區(qū)的疲勞斷口類似解理斷裂，由許多