第五章材料力學(xué)性能

1、第五章第五章 金屬的疲勞金屬的疲勞第五章第五章 金屬的疲勞金屬的疲勞 很多零件、部件在變動載荷下工很多零件、部件在變動載荷下工作，其主要失效形式是疲勞斷裂。作，其主要失效形式是疲勞斷裂。零件零件80以上的失效屬于疲勞破壞以上的失效屬于疲勞破壞案例案例1：1998年年6月月3日，德國一列高日，德國一列高速列車在行駛中突然出軌，造成速列車在行駛中突然出軌，造成100多人遇難身亡，多人遇難身亡，造成事故的原因是造成事故的原因是一節(jié)車箱的車輪內(nèi)部疲勞斷裂。一節(jié)車箱的車輪內(nèi)部疲勞斷裂。從從而導(dǎo)致了近而導(dǎo)致了近50年來德國最慘重的鐵年來德國最慘重的鐵路事故的發(fā)生。路事故的發(fā)生。案例案例2：中華航空公司編號

2、中華航空公司編號B-18255，波音波音747-200型客機(jī)，型客機(jī)，2002年年5月月25日下午日下午3時時28分，從臺北中正機(jī)場起分，從臺北中正機(jī)場起飛，在起飛后飛，在起飛后20分鐘，墜海失事。分鐘，墜海失事。機(jī)上乘客人數(shù)機(jī)上乘客人數(shù)203人人。這架飛機(jī)總飛行時間：這架飛機(jī)總飛行時間：64,810小時。小時。案例案例3：導(dǎo)致哥倫比亞航天飛導(dǎo)致哥倫比亞航天飛機(jī)機(jī)2003年年2月月1日返回途中爆炸日返回途中爆炸解體的解體的5個原因：個原因：第五章第五章 金屬的疲勞金屬的疲勞阻熱片脫落阻熱片脫落升降翼失去控制升降翼失去控制機(jī)體金屬疲勞導(dǎo)致解體機(jī)體金屬疲勞導(dǎo)致解體電纜短路發(fā)生火災(zāi)電纜短路發(fā)生火災(zāi)被

3、隕石擊中被隕石擊中金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門檻值疲勞過程及機(jī)理影響疲勞強(qiáng)度的主要因素低周疲勞第五章第五章 金屬的疲勞金屬的疲勞1金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)一、變動載荷和循環(huán)應(yīng)力二、疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)三、疲勞宏觀斷口特征第五章第五章 金屬的疲勞金屬的疲勞1金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)工程結(jié)構(gòu)在服役過程中，由于工程結(jié)構(gòu)在服役過程中，由于承受變動載荷而導(dǎo)致裂紋萌生和承受變動載荷而導(dǎo)致裂紋萌生和擴(kuò)展以至斷裂失效的全過程稱為擴(kuò)展以至斷裂失效的全過程稱為疲勞。疲勞。疲勞斷裂可以在很低的應(yīng)力下疲勞斷裂可以在很低的應(yīng)力下發(fā)生，一般不發(fā)生明顯的塑性變發(fā)生，

4、一般不發(fā)生明顯的塑性變形，難以檢測和預(yù)防，因而機(jī)件形，難以檢測和預(yù)防，因而機(jī)件的疲勞斷裂會造成很大的經(jīng)濟(jì)以的疲勞斷裂會造成很大的經(jīng)濟(jì)以至生至生 命的損失。命的損失。研究疲勞主要是研究材料在變研究疲勞主要是研究材料在變動載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)、裂紋動載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)、裂紋萌生和擴(kuò)展特性。萌生和擴(kuò)展特性。對于評定工程材料的疲勞抗力，對于評定工程材料的疲勞抗力，進(jìn)而為工程結(jié)構(gòu)部件的抗疲勞設(shè)進(jìn)而為工程結(jié)構(gòu)部件的抗疲勞設(shè)計(jì)、評估構(gòu)件的疲勞壽命以及尋計(jì)、評估構(gòu)件的疲勞壽命以及尋求改善工程材料的疲勞抗力的途求改善工程材料的疲勞抗力的途徑等都是非常重要的。徑等都是非常重要的。一、變動載荷和循環(huán)應(yīng)力一、變動載

5、荷和循環(huán)應(yīng)力1.變動載荷（應(yīng)力）變動載荷（應(yīng)力）指大小或大小和方向隨時間按指大小或大小和方向隨時間按一定規(guī)律呈周期性變化或無規(guī)一定規(guī)律呈周期性變化或無規(guī)則隨機(jī)變化的載荷（應(yīng)力）。則隨機(jī)變化的載荷（應(yīng)力）。變動載荷變動載荷(應(yīng)力應(yīng)力)的種類的種類:1金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)規(guī)則周期變動應(yīng)力（循環(huán)應(yīng)力）規(guī)則周期變動應(yīng)力（循環(huán)應(yīng)力）無規(guī)則變化的隨機(jī)變動應(yīng)力無規(guī)則變化的隨機(jī)變動應(yīng)力1金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)2. 循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力1）基本參量）基本參量maxminminmax21m平均應(yīng)力minmax21a應(yīng)力幅maxminr應(yīng)力比2) 常見的循環(huán)應(yīng)力常見的循環(huán)應(yīng)力a.對稱交變應(yīng)

6、力對稱交變應(yīng)力0 1mr 軸類軸類b.脈動應(yīng)力脈動應(yīng)力0 0ram齒根彎曲齒根彎曲c.波動應(yīng)力波動應(yīng)力ram 0軸承軸承10 ram發(fā)動機(jī)蓋螺栓發(fā)動機(jī)蓋螺栓d.不對稱交變應(yīng)力不對稱交變應(yīng)力01r連桿連桿1金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)二、疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)二、疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)疲勞機(jī)件在變動載荷和應(yīng)變長疲勞機(jī)件在變動載荷和應(yīng)變長期作用下，由于積累損傷而引起期作用下，由于積累損傷而引起的斷裂現(xiàn)象。的斷裂現(xiàn)象。1. 分類分類按載荷類型分：按載荷類型分：彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉壓、復(fù)合疲勞等。彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉壓、復(fù)合疲勞等。按環(huán)境和接觸情況分按環(huán)境和接觸情況分:大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、大氣疲勞、腐蝕疲勞、高

7、溫疲勞、熱疲勞、接觸疲勞、沖擊疲勞等。熱疲勞、接觸疲勞、沖擊疲勞等。按應(yīng)力大小和壽命分按應(yīng)力大小和壽命分:510fN高周疲勞高周疲勞521010fN低周疲勞低周疲勞n高周疲勞特點(diǎn)：高周疲勞特點(diǎn)：斷裂壽命較長，斷裂壽命較長，Nf105周次，斷裂應(yīng)力水平較低，周次，斷裂應(yīng)力水平較低，r2r1(=-1)隨隨平均應(yīng)力的增高，循環(huán)不對稱程平均應(yīng)力的增高，循環(huán)不對稱程度加大，交變應(yīng)力幅占循環(huán)度加大，交變應(yīng)力幅占循環(huán) 應(yīng)力的應(yīng)力的分?jǐn)?shù)越來越小，造成的損傷也越來分?jǐn)?shù)越來越小，造成的損傷也越來越小，越小，使曲線向上移動，使曲線向上移動，疲勞抗力疲勞抗力增加。增加。在極限情況下，在極限情況下， m =max，r=

8、0相當(dāng)于偏位伸。相當(dāng)于偏位伸。b）a相同相同r3r2(=0)r1(=-1)循環(huán)應(yīng)力特性對循環(huán)應(yīng)力特性對S-N曲線的影響曲線的影響隨著平均應(yīng)力升高，不對稱程度越隨著平均應(yīng)力升高，不對稱程度越來越嚴(yán)重，作用在等體積材料中的來越嚴(yán)重，作用在等體積材料中的應(yīng)力水應(yīng)力水 平越來越高，疲勞損傷加劇，平越來越高，疲勞損傷加劇，S-N曲線向下移動。曲線向下移動。疲勞抗力降低。疲勞抗力降低。2）應(yīng)力狀態(tài)的影響）應(yīng)力狀態(tài)的影響不同應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞應(yīng)力不同應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞應(yīng)力-壽命壽命曲線不同，相應(yīng)的疲勞極限也不曲線不同，相應(yīng)的疲勞極限也不相等。相等。通常剪切應(yīng)力幅度的疲勞曲線通常剪切應(yīng)力幅度的疲勞曲線 低于拉壓應(yīng)

9、力幅的疲勞曲線。低于拉壓應(yīng)力幅的疲勞曲線。不同應(yīng)力狀態(tài)的疲勞極限間的不同應(yīng)力狀態(tài)的疲勞極限間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：鋼材的拉壓疲勞與彎扭疲勞鋼材的拉壓疲勞與彎扭疲勞1185. 0p鑄鐵的拉壓疲勞與彎扭疲勞鑄鐵的拉壓疲勞與彎扭疲勞1165. 0p鑄鐵的扭轉(zhuǎn)疲勞與彎扭疲勞鑄鐵的扭轉(zhuǎn)疲勞與彎扭疲勞118 . 0鋼及輕金屬的扭轉(zhuǎn)疲勞與彎扭鋼及輕金屬的扭轉(zhuǎn)疲勞與彎扭疲勞疲勞1155. 05.疲勞極限的估算疲勞極限的估算2 高周疲勞高周疲勞1) 與與s、b的關(guān)系的關(guān)系金屬材料的抗拉強(qiáng)度越大，其疲金屬材料的抗拉強(qiáng)度越大，其疲勞極限也越大。勞極限也越大。對于中、低強(qiáng)度鋼，疲勞極限與對于中、低強(qiáng)度鋼，疲勞極限與抗

10、拉強(qiáng)度間大體呈線性關(guān)系。抗拉強(qiáng)度間大體呈線性關(guān)系。b較低時，可近似寫成較低時，可近似寫成-1=0.5bb較高時，這種近線性關(guān)系較高時，這種近線性關(guān)系就會發(fā)生偏離，這是由于強(qiáng)度就會發(fā)生偏離，這是由于強(qiáng)度較高時，材料的塑性和斷裂韌較高時，材料的塑性和斷裂韌性下降，裂紋易于形成和擴(kuò)展性下降，裂紋易于形成和擴(kuò)展所致。所致。結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼: bsp23. 01bs27. 01鑄鐵：鑄鐵：bp4 . 01b45. 01鋁合金：鋁合金：5 . 7611bp5.761bp2 高周疲勞高周疲勞青青 銅銅 : -1=0.21b2) 與與m、a、s、b的關(guān)系的關(guān)系6.表面幾何因素對高周疲勞特性表面幾何因素對高周疲勞特

11、性的影響的影響缺口越尖銳，疲勞極限下降越多。缺口越尖銳，疲勞極限下降越多。為了在不同材料和不同工藝狀態(tài)為了在不同材料和不同工藝狀態(tài)下度量和比較缺口對材料疲勞強(qiáng)下度量和比較缺口對材料疲勞強(qiáng)度的影度的影 響，通常引用疲勞應(yīng)力集響，通常引用疲勞應(yīng)力集中系數(shù)（疲勞缺口系數(shù)）中系數(shù)（疲勞缺口系數(shù)）11fNK與與Kt不同，不同， Kf不僅與缺口尖銳度不僅與缺口尖銳度有關(guān)，而且與材料的疲勞特性有有關(guān)，而且與材料的疲勞特性有關(guān)。關(guān)。疲勞缺口敏感因子（度）：疲勞缺口敏感因子（度）：試圖試圖消除缺口幾何因素的影響消除缺口幾何因素的影響11tffKKqq f=0，Kf =1，疲勞極限不因缺，疲勞極限不因缺口存在而降

12、低，即對缺口不敏感口存在而降低，即對缺口不敏感2 高周疲勞高周疲勞qf =1，Kf = Kt ，即表示對缺口，即表示對缺口敏感。敏感。q f=01，即，即Kf 一般小于一般小于Kt 實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)表明， qf 值隨材料強(qiáng)度的升值隨材料強(qiáng)度的升高而增大高而增大qf值能反映在疲勞過程中材料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)力集發(fā)生應(yīng)力重新分布，降低應(yīng)力集中的能力。中的能力。2 高周疲勞高周疲勞二、過載持久值及過載損傷界二、過載持久值及過載損傷界1.應(yīng)力變動和累積損傷應(yīng)力變動和累積損傷由于實(shí)際的構(gòu)件多是承受在一定范由于實(shí)際的構(gòu)件多是承受在一定范圍內(nèi)變動的載荷，隨著循環(huán)周次的圍內(nèi)變動的載

13、荷，隨著循環(huán)周次的增加，材質(zhì)劣化，材料內(nèi)部發(fā)生損增加，材質(zhì)劣化，材料內(nèi)部發(fā)生損傷；當(dāng)損傷積累到某傷；當(dāng)損傷積累到某 一數(shù)值時，材一數(shù)值時，材料固有的壽命或塑性耗盡，便導(dǎo)致料固有的壽命或塑性耗盡，便導(dǎo)致材料的破壞。材料的破壞。設(shè)試件在循環(huán)應(yīng)力設(shè)試件在循環(huán)應(yīng)力1下的疲勞下的疲勞壽命為壽命為Nf1，若在該應(yīng)力幅下循，若在該應(yīng)力幅下循環(huán)環(huán)1次，則勞壽命縮減的分?jǐn)?shù)次，則勞壽命縮減的分?jǐn)?shù)為為1Nf1 ，即造成的損傷度為，即造成的損傷度為D1，D1 =1/Nf1 ;若循環(huán)若循環(huán)n1 次次, 則造成的損傷度則造成的損傷度為為n1 D1 = n1 /Nf1當(dāng)總損傷度達(dá)到臨界值時，發(fā)當(dāng)總損傷度達(dá)到臨界值時，發(fā)生疲

14、勞失效。顯然，在恒幅載生疲勞失效。顯然，在恒幅載荷下，損傷度的臨界值為荷下，損傷度的臨界值為1.0。在理論疲勞極限以下，由于在理論疲勞極限以下，由于Nf ，所以損傷度為零，即，所以損傷度為零，即不造成損傷。不造成損傷。2 高周疲勞高周疲勞2.過載持久值及過載損傷界過載持久值及過載損傷界金屬機(jī)件偶然經(jīng)受短期過載，金屬機(jī)件偶然經(jīng)受短期過載，材料原來的疲勞極限可能沒有變材料原來的疲勞極限可能沒有變化，也可能有所降低，這要具體化，也可能有所降低，這要具體視材料所受過載應(yīng)力及相應(yīng)的累視材料所受過載應(yīng)力及相應(yīng)的累計(jì)過載周次而定。計(jì)過載周次而定。1） 過載持久值：過載持久值：材料在高于疲勞極限應(yīng)力下運(yùn)行材料

15、在高于疲勞極限應(yīng)力下運(yùn)行時時, 發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán)周發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán)周次。次。表征材料抵抗過載的能力。表征材料抵抗過載的能力。2）耐久極限：疲勞曲線傾斜部位）耐久極限：疲勞曲線傾斜部位任一點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力任一點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力3） 過載損傷界過載損傷界金屬在高于其疲勞極限的任一金屬在高于其疲勞極限的任一應(yīng)力作用下運(yùn)轉(zhuǎn)，使疲勞極限應(yīng)力作用下運(yùn)轉(zhuǎn)，使疲勞極限開始降低的運(yùn)行周次開始降低的運(yùn)行周次4）過載損傷區(qū)）過載損傷區(qū)2 高周疲勞高周疲勞機(jī)件過載運(yùn)轉(zhuǎn)到這個區(qū)域里，機(jī)件過載運(yùn)轉(zhuǎn)到這個區(qū)域里，都要不同程度地降低材料疲勞極都要不同程度地降低材料疲勞極限，在持久值附近，降低的越多。限，在持久值附近，降低的

16、越多。材料的過載損傷界（或過載持材料的過載損傷界（或過載持久值）越陡直，損傷區(qū)越窄，則久值）越陡直，損傷區(qū)越窄，則其抵抗疲勞過載的能力越強(qiáng)。其抵抗疲勞過載的能力越強(qiáng)。過載損傷的機(jī)理過載損傷的機(jī)理材料內(nèi)部存在裂紋，材料內(nèi)部存在裂紋，Kth 時，時，da/dN 0，裂紋開始擴(kuò)展。裂紋開始擴(kuò)展。Kth 約為約為KIC的的5%10%。實(shí)驗(yàn)中裂紋擴(kuò)展門檻值常定義實(shí)驗(yàn)中裂紋擴(kuò)展門檻值常定義為：為：da/dN2.510-10 m/cycle 時的時的K值。值。斷口：解理花樣，由斷裂小面組斷口：解理花樣，由斷裂小面組成。成。2）II區(qū)為中部區(qū)或穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)，區(qū)為中部區(qū)或穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)，是裂紋擴(kuò)展的主要階段，決定了是

17、裂紋擴(kuò)展的主要階段，決定了疲勞壽命的主要部分。疲勞壽命的主要部分。裂紋擴(kuò)展速率在裂紋擴(kuò)展速率在lgda/dN lgK 雙對數(shù)坐標(biāo)上呈一直線關(guān)系。雙對數(shù)坐標(biāo)上呈一直線關(guān)系。Paris經(jīng)驗(yàn)方程經(jīng)驗(yàn)方程nKCdNdaC、n為與材料和環(huán)境有關(guān)的常數(shù)為與材料和環(huán)境有關(guān)的常數(shù)II區(qū)的裂紋擴(kuò)展速率區(qū)的裂紋擴(kuò)展速率10-810-6 m/cycle斷口：斷口：疲勞條紋疲勞條紋。3疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門檻值疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門檻值3) III區(qū)為裂紋快速擴(kuò)展區(qū)，區(qū)為裂紋快速擴(kuò)展區(qū)，da/dN 10-6 10-5 m/cycle, 并并隨著隨著K的增大而迅速升高。的增大而迅速升高。斷口斷口: 靜載斷裂機(jī)制。靜

18、載斷裂機(jī)制。 Kth與與-1 的關(guān)系的關(guān)系兩者相似，都表示無限壽命兩者相似，都表示無限壽命-1為光滑試樣，為光滑試樣， Kth 有缺口、有缺口、裂紋試樣裂紋試樣 Kth的應(yīng)用的應(yīng)用無限壽命承載能力無限壽命承載能力aYKth允許裂紋尺寸允許裂紋尺寸221thKYa三、疲勞裂紋擴(kuò)展的影響因素三、疲勞裂紋擴(kuò)展的影響因素1) 平均應(yīng)力平均應(yīng)力壓縮載荷下，裂紋是閉合的，對壓縮載荷下，裂紋是閉合的，對裂紋擴(kuò)展無貢獻(xiàn)。裂紋擴(kuò)展無貢獻(xiàn)。平均拉應(yīng)力（應(yīng)力比平均拉應(yīng)力（應(yīng)力比r）升高，）升高，擴(kuò)展曲線向左上方移動，擴(kuò)展曲線向左上方移動， Kth 降低，疲勞抗力降低降低，疲勞抗力降低0121 (0)1ththrKK

19、rr 為為 時的疲勞門檻值時的疲勞門檻值0thK0r3疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門檻值疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門檻值引入殘余壓應(yīng)力降低平均應(yīng)引入殘余壓應(yīng)力降低平均應(yīng)力如表面噴丸、滾壓、淬火處力如表面噴丸、滾壓、淬火處理等，可以提高材料的疲勞抗理等，可以提高材料的疲勞抗力。力。2） 過載峰及裂紋塑性區(qū)的影響過載峰及裂紋塑性區(qū)的影響實(shí)際機(jī)件在工作時很難一直是實(shí)際機(jī)件在工作時很難一直是恒定載荷，往往會有偶然過載。恒定載荷，往往會有偶然過載。偶然過載進(jìn)入過載損傷區(qū)內(nèi)，偶然過載進(jìn)入過載損傷區(qū)內(nèi)，將使材料受到損傷并降低疲勞壽將使材料受到損傷并降低疲勞壽命，但是如果過載適當(dāng)，反而是命，但是如果過載適當(dāng)，反而是有益

20、的。有益的。實(shí)驗(yàn)表明：在恒載裂紋疲勞擴(kuò)實(shí)驗(yàn)表明：在恒載裂紋疲勞擴(kuò)展中間，適當(dāng)?shù)倪^載峰會使裂紋展中間，適當(dāng)?shù)倪^載峰會使裂紋擴(kuò)展減慢或停滯一段時間，發(fā)生擴(kuò)展減慢或停滯一段時間，發(fā)生裂紋擴(kuò)展過載停滯現(xiàn)象，并延長裂紋擴(kuò)展過載停滯現(xiàn)象，并延長疲勞壽命。疲勞壽命。3疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門檻值疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門檻值機(jī)理：機(jī)理：在應(yīng)力循環(huán)正半周時，過載拉在應(yīng)力循環(huán)正半周時，過載拉應(yīng)力產(chǎn)生較大的塑性區(qū)，當(dāng)這個應(yīng)力產(chǎn)生較大的塑性區(qū)，當(dāng)這個較大的塑性區(qū)在循環(huán)負(fù)半周時，較大的塑性區(qū)在循環(huán)負(fù)半周時，因阻止周圍彈性變形恢復(fù)而產(chǎn)生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；壓應(yīng)力迭加于裂紋上，降低拉壓應(yīng)力迭

21、加于裂紋上，降低拉應(yīng)力峰，使裂紋提前閉合，減應(yīng)力峰，使裂紋提前閉合，減少裂紋尖端的少裂紋尖端的K，從而降低，從而降低da/dN，這種影響一般稱為，這種影響一般稱為裂紋裂紋閉合效應(yīng)閉合效應(yīng)。當(dāng)裂紋超過塑性區(qū)后，壓應(yīng)力當(dāng)裂紋超過塑性區(qū)后，壓應(yīng)力消失，裂紋正常擴(kuò)展。消失，裂紋正常擴(kuò)展。3）材料的組織和性能）材料的組織和性能在材料裂紋擴(kuò)展過程中，材在材料裂紋擴(kuò)展過程中，材料組織對料組織對I、III區(qū)的區(qū)的da/dN影響影響比較明顯，而對比較明顯，而對II區(qū)的區(qū)的da/dN影影響不明顯響不明顯3疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門檻值疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門檻值a. 晶粒尺寸晶粒尺寸晶粒越大，晶粒越大，Kth 越大

22、、裂紋開越大、裂紋開始擴(kuò)展困難，但會使裂紋擴(kuò)展速始擴(kuò)展困難，但會使裂紋擴(kuò)展速度增大。度增大。b. 亞共析鋼：亞共析鋼：ththKFCKF% %c.淬火組織：淬火組織： thABKda dN 下和Kth ：M/B/A=1/4/7。d.回火組織：回火組織：Kth ：STMe.性能：性能：thICsKdNdaK 區(qū)thICsKdNdaK 區(qū)第五章第五章 金屬的疲勞金屬的疲勞4疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理疲勞過程包括疲勞裂紋萌生、疲勞過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)展裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展及最后失穩(wěn)擴(kuò)展三個階段，其疲勞壽命三個階段，其疲勞壽命Nf由疲由疲勞裂紋萌生期勞裂紋萌生期N0和裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)和裂

23、紋亞穩(wěn)擴(kuò)展期展期Np所組成。所組成。了解疲勞各階段的物理過程，了解疲勞各階段的物理過程，對認(rèn)識疲勞本質(zhì)、分析疲勞原對認(rèn)識疲勞本質(zhì)、分析疲勞原因，采取強(qiáng)韌化措施，延長疲因，采取強(qiáng)韌化措施，延長疲勞壽命都是很有意義的。勞壽命都是很有意義的。一、疲勞裂紋萌生過程及機(jī)理一、疲勞裂紋萌生過程及機(jī)理宏觀疲勞裂紋是由微觀裂紋的宏觀疲勞裂紋是由微觀裂紋的形成、長大及連接而形成的。形成、長大及連接而形成的。常將常將0.050.10mm的裂紋定義為疲的裂紋定義為疲勞裂紋核，由此來確定疲勞裂紋勞裂紋核，由此來確定疲勞裂紋的萌生期。的萌生期。1) 滑移帶開裂產(chǎn)生裂紋滑移帶開裂產(chǎn)生裂紋試驗(yàn)表明：金屬在循環(huán)應(yīng)力試驗(yàn)表明：

24、金屬在循環(huán)應(yīng)力（-1）長期作用下，即使其應(yīng)）長期作用下，即使其應(yīng)力低于屈服應(yīng)力，也會發(fā)生循環(huán)力低于屈服應(yīng)力，也會發(fā)生循環(huán)位移并形成位移并形成循環(huán)滑移帶循環(huán)滑移帶。與靜載荷時均勻滑移帶相比，與靜載荷時均勻滑移帶相比，循環(huán)滑移循環(huán)滑移不均勻，總是集中分布不均勻，總是集中分布于某些局部薄弱區(qū)域于某些局部薄弱區(qū)域。4疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理用電解拋光方法很難將已產(chǎn)生用電解拋光方法很難將已產(chǎn)生的表面循環(huán)滑移帶去除，即使能的表面循環(huán)滑移帶去除，即使能去除，去除， 當(dāng)對試樣重新循環(huán)加載時，當(dāng)對試樣重新循環(huán)加載時，則循環(huán)滑移帶又在原處出現(xiàn)，這則循環(huán)滑移帶又在原處出現(xiàn)，這種種永留或再現(xiàn)的循環(huán)滑移帶稱為永留或

25、再現(xiàn)的循環(huán)滑移帶稱為駐留滑移帶駐留滑移帶。阿姆柯鐵在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞時產(chǎn)生的滑移帶隨著加載循環(huán)周次的增加，循隨著加載循環(huán)周次的增加，循環(huán)滑移帶不斷加寬，當(dāng)加寬到一環(huán)滑移帶不斷加寬，當(dāng)加寬到一定程度時，由于位錯的塞積和交定程度時，由于位錯的塞積和交割作用，便在割作用，便在駐留滑移帶形成微駐留滑移帶形成微裂紋裂紋。2024-T4鋁合金滑移帶裂紋奧氏體不銹鋼滑移帶開裂形成的裂紋4疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理駐留滑移帶在加寬過程中，還駐留滑移帶在加寬過程中，還會出現(xiàn)會出現(xiàn)擠出脊和侵入溝擠出脊和侵入溝，于是產(chǎn)，于是產(chǎn)生應(yīng)力集中和空洞，經(jīng)過一定循生應(yīng)力集中和空洞，經(jīng)過一定循環(huán)后也會產(chǎn)生微裂紋。環(huán)后也會產(chǎn)生微裂

26、紋。當(dāng)兩個滑移系交替動作時，在當(dāng)兩個滑移系交替動作時，在一個循環(huán)周次之后，便可分別一個循環(huán)周次之后，便可分別形成一個擠出帶和一個侵入溝。形成一個擠出帶和一個侵入溝。隨著循環(huán)周次增加，擠出帶更隨著循環(huán)周次增加，擠出帶更凸起，侵入溝更凹進(jìn)。通常認(rèn)凸起，侵入溝更凹進(jìn)。通常認(rèn)為其中的浸入溝將發(fā)展成為疲為其中的浸入溝將發(fā)展成為疲勞裂紋的核心。勞裂紋的核心。Al-Cu4-Mg1.2-Mn0.3合金表面擠出脊純鋁疲勞試樣橫截面4疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理一般駐留滑移帶只在表面形成，一般駐留滑移帶只在表面形成，其其機(jī)理機(jī)理：表面晶粒受周圍介質(zhì)作用表面晶粒受周圍介質(zhì)作用表面晶粒易受損傷表面晶粒易受損傷表面晶粒

27、不完全被其它晶粒包表面晶粒不完全被其它晶粒包圍，塑性變形約束小圍，塑性變形約束小彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷作用在表面應(yīng)彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷作用在表面應(yīng)力最大力最大駐留滑移帶只在局部出現(xiàn)，而不駐留滑移帶只在局部出現(xiàn)，而不象拉伸屈服后在表面均勻分布，象拉伸屈服后在表面均勻分布，其其原因原因：第一階段在金屬表面均布的細(xì)第一階段在金屬表面均布的細(xì)滑移線，滑移線，F(xiàn)-R開動，位錯密度增開動，位錯密度增長受阻，產(chǎn)生位錯塞積，使位錯長受阻，產(chǎn)生位錯塞積，使位錯源停止，從而滑移線不再發(fā)展，源停止，從而滑移線不再發(fā)展，表面硬化；表面硬化；在交變載荷作用下，兩條滑移在交變載荷作用下，兩條滑移線上螺旋位錯產(chǎn)生交滑移，異號線上螺旋位錯

28、產(chǎn)生交滑移，異號螺旋位錯在滑移面相遇消失，則螺旋位錯在滑移面相遇消失，則這些面上的位錯源開動，滑移線這些面上的位錯源開動，滑移線增長，滑移帶變寬，該區(qū)域較其增長，滑移帶變寬，該區(qū)域較其它區(qū)域不發(fā)生交滑移的位錯源更它區(qū)域不發(fā)生交滑移的位錯源更易于開動，滑移集中于滑移帶內(nèi)，易于開動，滑移集中于滑移帶內(nèi)，而滑移帶比基體弱，宏觀上而滑移帶比基體弱，宏觀上不顯示加工硬化不顯示加工硬化4疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理實(shí)驗(yàn)證實(shí)，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，疲勞裂紋的形成和疲勞裂紋的形成和位錯交滑移的難易程度有關(guān)位錯交滑移的難易程度有關(guān)。容。容易交滑移的單相合金，容易形成易交滑移的單相合金，容易形成疲勞裂紋。疲勞裂紋。 因此因此

29、提高材料的滑移提高材料的滑移抗力，可阻止裂紋的萌生，增強(qiáng)抗力，可阻止裂紋的萌生，增強(qiáng) 材料的疲勞抗力。材料的疲勞抗力。2）相界面開裂產(chǎn)生裂紋）相界面開裂產(chǎn)生裂紋第二相阻礙位錯運(yùn)動，使位錯塞第二相阻礙位錯運(yùn)動，使位錯塞 積積, 從而產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而第從而產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而第二相與基體脫離或破碎，產(chǎn)生裂二相與基體脫離或破碎，產(chǎn)生裂紋。紋。4疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理第二相、夾雜物應(yīng)第二相、夾雜物應(yīng)“少、圓、少、圓、小、勻小、勻”，以提高疲勞抗力，以提高疲勞抗力3）晶界、亞晶界開裂產(chǎn)生裂紋）晶界、亞晶界開裂產(chǎn)生裂紋多晶材料由于晶多晶材料由于晶界的存在和相鄰界的存在和相鄰晶粒的不同取向晶粒的不同取

30、向位錯在某一晶粒內(nèi)部運(yùn)動時會位錯在某一晶粒內(nèi)部運(yùn)動時會受到晶界的阻礙作用，在晶界受到晶界的阻礙作用，在晶界處發(fā)生位錯塞積和應(yīng)力集中現(xiàn)處發(fā)生位錯塞積和應(yīng)力集中現(xiàn)象。象。應(yīng)力不斷循環(huán)，晶界處的應(yīng)力集應(yīng)力不斷循環(huán)，晶界處的應(yīng)力集中得不到松弛時，則應(yīng)力峰越來中得不到松弛時，則應(yīng)力峰越來越高，當(dāng)超過晶界強(qiáng)度時就會在越高，當(dāng)超過晶界強(qiáng)度時就會在晶界上產(chǎn)生裂紋。晶界上產(chǎn)生裂紋。晶界弱化、粗化等也會使晶界晶界弱化、粗化等也會使晶界開裂。強(qiáng)化、凈化、細(xì)化晶界，開裂。強(qiáng)化、凈化、細(xì)化晶界，可提高材料的疲勞抗力?？商岣卟牧系钠诳沽Α?）材料內(nèi)部的缺陷如氣孔、夾雜、）材料內(nèi)部的缺陷如氣孔、夾雜、分層、各向異性、相變

31、或晶粒不分層、各向異性、相變或晶粒不均勻等，都會因局部的應(yīng)力集中均勻等，都會因局部的應(yīng)力集中而引而引 發(fā)裂紋。發(fā)裂紋。4疲勞過程及機(jī)理疲勞過程及機(jī)理二、疲勞裂紋擴(kuò)展及斷口微觀特征二、疲勞裂紋擴(kuò)展及斷口微觀特征1.疲勞裂紋擴(kuò)展，按擴(kuò)展方向可分疲勞裂紋擴(kuò)展，按擴(kuò)展方向可分為兩個階段：為兩個階段：第一階段：從表面?zhèn)€別侵入溝（或第一階段：從表面?zhèn)€別侵入溝（或擠出脊）先形成微裂紋，然后裂紋擠出脊）先形成微裂紋，然后裂紋主要沿主滑移系方向，以純剪切方主要沿主滑移系方向，以純剪切方式式沿沿45向內(nèi)擴(kuò)展。向內(nèi)擴(kuò)展。由于晶界的不斷阻礙作用，裂由于晶界的不斷阻礙作用，裂紋擴(kuò)展逐漸轉(zhuǎn)向垂直拉應(yīng)力方紋擴(kuò)展逐漸轉(zhuǎn)向垂直

32、拉應(yīng)力方向。向。第第I階段裂紋擴(kuò)展速率較小階段裂紋擴(kuò)展速率較小(0.1m數(shù)量級），擴(kuò)展的距離數(shù)量級），擴(kuò)展的距離一般都很小，約為一般都很小，約為25個晶粒。個晶粒。斷口上無明顯的特征，只有一斷口上無明顯的特征，只有一些擦傷的痕跡。在一些強(qiáng)化材些擦傷的痕跡。在一些強(qiáng)化材料中料中,有時存在周期性解理或者有時存在周期性解理或者準(zhǔn)解理花樣準(zhǔn)解理花樣第二階段：第二階段：裂紋裂紋拉應(yīng)力拉應(yīng)力在室溫和無腐蝕的條件下疲勞在室溫和無腐蝕的條件下疲勞裂紋擴(kuò)展為穿晶狀態(tài)。裂紋擴(kuò)展為穿晶狀態(tài)。二、疲勞裂紋擴(kuò)展及斷口微觀特征二、疲勞裂紋擴(kuò)展及斷口微觀特征此階段的大部分循環(huán)周期內(nèi)，裂此階段的大部分循環(huán)周期內(nèi)，裂紋擴(kuò)展速率

33、約為紋擴(kuò)展速率約為10-510-2mm/次次在電子顯微鏡下可顯示出：在電子顯微鏡下可顯示出：第二第二階段的斷口特征是具有略呈彎曲階段的斷口特征是具有略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣，稱為疲并相互平行的溝槽花樣，稱為疲勞條帶（條紋、輝紋）勞條帶（條紋、輝紋）擴(kuò)展最后，進(jìn)入平面應(yīng)力狀態(tài)，擴(kuò)展最后，進(jìn)入平面應(yīng)力狀態(tài)，裂紋沿裂紋沿45擴(kuò)展。擴(kuò)展。瞬斷區(qū)的特征與材料的性質(zhì)有關(guān)瞬斷區(qū)的特征與材料的性質(zhì)有關(guān)塑性材料塑性材料脆性材料脆性材料二、疲勞裂紋擴(kuò)展及斷口微觀特征二、疲勞裂紋擴(kuò)展及斷口微觀特征2.疲勞條紋的形成過程疲勞條紋的形成過程a.塑性疲勞條帶塑性疲勞條帶a)應(yīng)力應(yīng)力=0，裂紋閉合，裂紋閉合b)拉應(yīng)力增

34、加到圖示值時，裂紋張開，拉應(yīng)力增加到圖示值時，裂紋張開，且頂端沿最大切應(yīng)力方向產(chǎn)生滑移且頂端沿最大切應(yīng)力方向產(chǎn)生滑移c)當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)增至最大值時，裂紋張開當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)增至最大值時，裂紋張開最大，相應(yīng)的塑性變形范圍也隨之?dāng)U大。最大，相應(yīng)的塑性變形范圍也隨之?dāng)U大。由于塑性變形，裂紋頂端鈍化，由于塑性變形，裂紋頂端鈍化， 應(yīng)力集應(yīng)力集中減少。中減少。d) 壓應(yīng)力，反向滑移，裂紋壓近，尖端耳壓應(yīng)力，反向滑移，裂紋壓近，尖端耳狀切口。狀切口。e)到壓應(yīng)力為最大值時，裂紋便完全閉到壓應(yīng)力為最大值時，裂紋便完全閉合，尖端尖角。裂紋卻擴(kuò)展了一個相當(dāng)裂紋擴(kuò)展速率數(shù)值的增量合，尖端尖角。裂紋卻擴(kuò)展了一個相當(dāng)裂紋擴(kuò)展速

35、率數(shù)值的增量（主要是拉應(yīng)力半周）。（主要是拉應(yīng)力半周）。二、疲勞裂紋擴(kuò)展及斷口微觀特征二、疲勞裂紋擴(kuò)展及斷口微觀特征二、疲勞裂紋擴(kuò)展及斷口微觀特征二、疲勞裂紋擴(kuò)展及斷口微觀特征SEM下疲勞過程中裂紋的下疲勞過程中裂紋的生長生長二、疲勞裂紋擴(kuò)展及斷口微觀特征二、疲勞裂紋擴(kuò)展及斷口微觀特征光鏡下疲勞過程中裂紋的生長光鏡下疲勞過程中裂紋的生長bcdeaa 96000循環(huán) 60m；b 96300循環(huán) 235m；c 96400循環(huán) 240m d 96800循環(huán) 380m；e 97400循環(huán) 570m；二、疲勞裂紋擴(kuò)展及斷口微觀特征二、疲勞裂紋擴(kuò)展及斷口微觀特征疲勞條帶是裂紋擴(kuò)展時留下的疲勞條帶是裂紋擴(kuò)展

36、時留下的微觀痕跡，每條帶可以視為微觀痕跡，每條帶可以視為應(yīng)力應(yīng)力循環(huán)循環(huán)的擴(kuò)展痕跡，裂紋的擴(kuò)展方的擴(kuò)展痕跡，裂紋的擴(kuò)展方向與條帶垂直。向與條帶垂直。b. 脆性條帶脆性條帶a) a) 初始狀態(tài)初始狀態(tài)0b) b) 前端解理擴(kuò)展前端解理擴(kuò)展c) c)切應(yīng)力作用下切應(yīng)力作用下4545方向很寬范圍內(nèi)方向很寬范圍內(nèi)局部塑性變形局部塑性變形maxd) d) 鈍化，停止鈍化，停止mine)閉合閉合所以解理臺階和疲勞條帶結(jié)合在一起，斷口上有細(xì)小所以解理臺階和疲勞條帶結(jié)合在一起，斷口上有細(xì)小解理平面，其與擴(kuò)展方向一致，與裂紋垂直，有河流解理平面，其與擴(kuò)展方向一致，與裂紋垂直，有河流狀花樣。狀花樣。二、疲勞裂紋擴(kuò)

37、展及斷口微觀特征二、疲勞裂紋擴(kuò)展及斷口微觀特征第五章第五章 金屬的疲勞金屬的疲勞5 低周疲勞低周疲勞一、低周疲的現(xiàn)象和特點(diǎn)一、低周疲的現(xiàn)象和特點(diǎn)飛機(jī)起落架、燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)、飛機(jī)起落架、燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)、高壓容器、核反應(yīng)堆外殼等，高壓容器、核反應(yīng)堆外殼等，所受應(yīng)力水平較高，疲勞壽命所受應(yīng)力水平較高，疲勞壽命較短。較短。低周疲勞是在較高應(yīng)力（往往低周疲勞是在較高應(yīng)力（往往超過材料的屈服強(qiáng)度超過材料的屈服強(qiáng)度s）和較少）和較少循環(huán)次數(shù)（循環(huán)次數(shù)（102105 次）的疲勞次）的疲勞斷裂。斷裂。1. 現(xiàn)象現(xiàn)象對儲罐，若按每天充對儲罐，若按每天充 放料一放料一次，在次，在50年內(nèi)才經(jīng)受年內(nèi)才經(jīng)受18000多

38、次多次載荷循環(huán)。載荷循環(huán)。如帶缺口，圓孔、拐角等的構(gòu)件，如帶缺口，圓孔、拐角等的構(gòu)件，當(dāng)其受到周期載荷時，當(dāng)其受到周期載荷時， 雖然整體雖然整體上尚處在彈性變形范圍，但在應(yīng)上尚處在彈性變形范圍，但在應(yīng)力集中部位的材料已力集中部位的材料已 進(jìn)入塑性變進(jìn)入塑性變形狀態(tài)，此時也是由循環(huán)塑性應(yīng)形狀態(tài)，此時也是由循環(huán)塑性應(yīng)變控制的低周疲勞。變控制的低周疲勞。2.低周疲勞破壞的特點(diǎn)低周疲勞破壞的特點(diǎn)1）應(yīng)力高，有宏觀塑性變形，反）應(yīng)力高，有宏觀塑性變形，反復(fù)加載，經(jīng)若干次復(fù)加載，經(jīng)若干次(通常不超過通常不超過100周次周次)應(yīng)力循環(huán)后，會形成應(yīng)力應(yīng)力循環(huán)后，會形成應(yīng)力應(yīng)變滯后環(huán)（滯后回線）。應(yīng)變滯后環(huán)（滯

39、后回線）。epf其應(yīng)變幅分為兩部分：其應(yīng)變幅分為兩部分：5 低周疲勞低周疲勞在加載初期，類似于包申格在加載初期，類似于包申格效應(yīng)，材料因載荷循環(huán)而出現(xiàn)效應(yīng)，材料因載荷循環(huán)而出現(xiàn)循環(huán)硬化或循環(huán)軟化，所以初循環(huán)硬化或循環(huán)軟化，所以初期的滯后環(huán)并不封閉。期的滯后環(huán)并不封閉。滯后環(huán)內(nèi)的面積代表材料所滯后環(huán)內(nèi)的面積代表材料所吸收的變形功，其中一部分以吸收的變形功，其中一部分以塑性變形能的形式儲存在材料塑性變形能的形式儲存在材料中，或用以改變材料中結(jié)構(gòu)中，或用以改變材料中結(jié)構(gòu) 的的排列；排列；剩下的部分則以熱的形式向周圍剩下的部分則以熱的形式向周圍環(huán)境散逸。環(huán)境散逸。2）由于塑性變形量大，疲勞壽）由于塑性

40、變形量大，疲勞壽命命N由應(yīng)變幅度控制，不能利用由應(yīng)變幅度控制，不能利用-N描述疲勞抗力，故常用描述疲勞抗力，故常用P -Nf的關(guān)系曲線描述。的關(guān)系曲線描述。3）擴(kuò)展過程中有幾個裂紋源，）擴(kuò)展過程中有幾個裂紋源，應(yīng)力高，形核時間短；疲勞條帶應(yīng)力高，形核時間短；疲勞條帶粗、寬且不連續(xù)。粗、寬且不連續(xù)。5 低周疲勞低周疲勞3. 循環(huán)硬化與循環(huán)軟化循環(huán)硬化與循環(huán)軟化1) 現(xiàn)象現(xiàn)象材料在恒定應(yīng)變（應(yīng)力）范圍循材料在恒定應(yīng)變（應(yīng)力）范圍循環(huán)作用下，隨著循環(huán)周次的增加，環(huán)作用下，隨著循環(huán)周次的增加，其應(yīng)力（應(yīng)變）不斷增加，稱為其應(yīng)力（應(yīng)變）不斷增加，稱為循環(huán)硬化循環(huán)硬化；如果在循環(huán)過程中，應(yīng)力（應(yīng)變）如果在

41、循環(huán)過程中，應(yīng)力（應(yīng)變）逐漸減小，則為逐漸減小，則為循環(huán)軟化循環(huán)軟化。發(fā)生循環(huán)硬化或軟化的判據(jù)：發(fā)生循環(huán)硬化或軟化的判據(jù)：1）b /s 1.4時，發(fā)生硬化；時，發(fā)生硬化；2）b /s 1.2時，發(fā)生軟化；時，發(fā)生軟化；3）1.2 b /s 1.4時，則難以時，則難以判斷。判斷。n0.1,硬化、穩(wěn)定硬化、穩(wěn)定即初始硬而強(qiáng)的材料發(fā)生軟化，即初始硬而強(qiáng)的材料發(fā)生軟化，如晶態(tài)或非晶態(tài)高聚物等。反如晶態(tài)或非晶態(tài)高聚物等。反之，則發(fā)生硬化。之，則發(fā)生硬化。恒應(yīng)力下的循環(huán)軟化與恒應(yīng)恒應(yīng)力下的循環(huán)軟化與恒應(yīng)變下的循環(huán)硬化，特別危險(xiǎn)！變下的循環(huán)硬化，特別危險(xiǎn)！5 低周疲勞低周疲勞二、低周疲勞的應(yīng)變二、低周疲勞的

42、應(yīng)變-壽命曲線壽命曲線低周疲勞的應(yīng)變低周疲勞的應(yīng)變-壽命曲線壽命曲線(Nf )，通常用總應(yīng)變半幅（，通常用總應(yīng)變半幅（/2 ）和循環(huán)變向次數(shù)和循環(huán)變向次數(shù)(2Nf )表示；表示；應(yīng)變半幅應(yīng)變半幅(/2)可分解為彈性應(yīng)可分解為彈性應(yīng)變半幅變半幅(e /2)和塑性應(yīng)變半幅和塑性應(yīng)變半幅(p /2)。e /22Nf的關(guān)系的關(guān)系22bfefNE 為為2Nf=1時，直線的截距，稱時，直線的截距，稱為為疲勞強(qiáng)度系數(shù)疲勞強(qiáng)度系數(shù)，由于，由于2Nf =1相相當(dāng)于一次加載，所以可粗略地取當(dāng)于一次加載，所以可粗略地取 （靜拉伸的斷裂應(yīng)力）；（靜拉伸的斷裂應(yīng)力）；fEffb為直線的斜率，稱為為直線的斜率，稱為疲勞強(qiáng)

43、度疲勞強(qiáng)度指數(shù)指數(shù), b-0.07-0.15p /22Nf的關(guān)系的關(guān)系22cpffN 為為2Nf =1時直線的截距，稱時直線的截距，稱為為疲勞塑性系數(shù)疲勞塑性系數(shù)，同理，也可，同理，也可取取 (靜拉伸的斷裂應(yīng)變靜拉伸的斷裂應(yīng)變)；fff 5 低周疲勞低周疲勞于是于是/22Nf關(guān)系成為關(guān)系成為:22222bcpfefffNNE不同金屬材料的不同金屬材料的/2 2Nf曲線曲線有一個共同的交點(diǎn)，對應(yīng)的應(yīng)變有一個共同的交點(diǎn)，對應(yīng)的應(yīng)變值約為值約為0.01。在交點(diǎn)右側(cè)，即低。在交點(diǎn)右側(cè)，即低幅循環(huán)時，強(qiáng)度高的材料壽命長。幅循環(huán)時，強(qiáng)度高的材料壽命長。上式右邊兩項(xiàng)是兩條直線，分別上式右邊兩項(xiàng)是兩條直線，分

44、別代表彈性應(yīng)變幅代表彈性應(yīng)變幅-壽命線和塑性應(yīng)壽命線和塑性應(yīng)變幅變幅-壽命線。壽命線。曲線曲線e /22Nf與與p /22Nf相相交，交點(diǎn)所對應(yīng)的壽命稱為交，交點(diǎn)所對應(yīng)的壽命稱為過渡過渡疲勞壽命疲勞壽命(2Nf)t在交點(diǎn)左側(cè)的低周疲勞范圍內(nèi)，在交點(diǎn)左側(cè)的低周疲勞范圍內(nèi)，塑性應(yīng)變幅起主導(dǎo)作用，材料的塑性應(yīng)變幅起主導(dǎo)作用，材料的疲勞壽命由塑性控制；疲勞壽命由塑性控制；在交點(diǎn)右側(cè)的高周疲勞范圍內(nèi)，在交點(diǎn)右側(cè)的高周疲勞范圍內(nèi)，彈性應(yīng)變幅起主導(dǎo)作用，材料的彈性應(yīng)變幅起主導(dǎo)作用，材料的疲勞壽命由強(qiáng)度決定。疲勞壽命由強(qiáng)度決定。5 低周疲勞低周疲勞于是于是/22Nf關(guān)系成為關(guān)系成為:22222bcpfefff

45、NNE所以選擇機(jī)件材料和決定工藝所以選擇機(jī)件材料和決定工藝時，要區(qū)分機(jī)件的服役條件是哪時，要區(qū)分機(jī)件的服役條件是哪一類疲勞，一類疲勞，如屬高周疲勞，應(yīng)主如屬高周疲勞，應(yīng)主要考慮材料強(qiáng)度，如屬低周疲勞，要考慮材料強(qiáng)度，如屬低周疲勞，則應(yīng)在保持一定強(qiáng)度基礎(chǔ)上盡量則應(yīng)在保持一定強(qiáng)度基礎(chǔ)上盡量選用塑性好的材料。選用塑性好的材料。過渡疲勞壽命是評定材料疲勞行過渡疲勞壽命是評定材料疲勞行為的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。與材料為的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。與材料強(qiáng)度密切相關(guān)強(qiáng)度密切相關(guān)在硬度很高時，過渡疲勞壽命在硬度很高時，過渡疲勞壽命很低，可達(dá)幾十至幾百周次，很低，可達(dá)幾十至幾百周次， 這這意味著對于高強(qiáng)度狀態(tài)的材料，意味

46、著對于高強(qiáng)度狀態(tài)的材料，即使壽命并不很長，即使壽命并不很長， 也已具有高也已具有高周疲勞的性質(zhì)。周疲勞的性質(zhì)。對低硬度高塑性材料，過渡疲對低硬度高塑性材料，過渡疲勞壽命可達(dá)勞壽命可達(dá)104105周次，對于周次，對于多數(shù)調(diào)質(zhì)狀態(tài)的鋼材就是這種情多數(shù)調(diào)質(zhì)狀態(tài)的鋼材就是這種情況，則只有壽命足夠長，況，則只有壽命足夠長， 高于高于相應(yīng)的過渡疲勞壽命時，才屬于相應(yīng)的過渡疲勞壽命時，才屬于高周疲勞。高周疲勞。區(qū)分高周或低周疲勞的意義區(qū)分高周或低周疲勞的意義,在在于尋找合理的提高疲勞抗力的于尋找合理的提高疲勞抗力的途徑途徑6影響疲勞強(qiáng)度的主要因素影響疲勞強(qiáng)度的主要因素第五章第五章 金屬的疲勞金屬的疲勞一、加

47、載規(guī)范及環(huán)境的影響一、加載規(guī)范及環(huán)境的影響1. 載荷頻率載荷頻率1001000Hz 1f150170Hz基本不變基本不變1 f40： 1%CHRC銀紋引發(fā)銀紋引發(fā)銀紋銀紋裂紋裂紋擴(kuò)展擴(kuò)展斷裂斷裂疲疲勞壽命短，斷面呈鏡面勞壽命短，斷面呈鏡面區(qū)：中應(yīng)力區(qū)區(qū)：中應(yīng)力區(qū)a1/2-1/4 s 或或b 呈線性下降。呈線性下降。引發(fā)銀紋引發(fā)銀紋裂紋裂紋擴(kuò)展擴(kuò)展速度速度區(qū)區(qū): 低應(yīng)力區(qū)低應(yīng)力區(qū)a難以引發(fā)銀紋，難以引發(fā)銀紋，在交變應(yīng)力下，聚合物損傷積在交變應(yīng)力下，聚合物損傷積累及微觀結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生了微孔累及微觀結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生了微孔洞和微裂紋。洞和微裂紋。S-N曲線接近于曲線接近于水平狀態(tài)。水平狀態(tài)。聚合物的疲勞強(qiáng)度

48、聚合物的疲勞強(qiáng)度-1隨分子量隨分子量的增大而提高，但隨結(jié)晶度的的增大而提高，但隨結(jié)晶度的增大而降低。增大而降低。11123b7 聚合物的疲勞聚合物的疲勞對低應(yīng)力下易產(chǎn)生銀紋的結(jié)晶態(tài)對低應(yīng)力下易產(chǎn)生銀紋的結(jié)晶態(tài)聚合物的疲勞過程，會出現(xiàn)以下現(xiàn)聚合物的疲勞過程，會出現(xiàn)以下現(xiàn)象：象：1) 常發(fā)生疲勞應(yīng)變軟化，而不出現(xiàn)常發(fā)生疲勞應(yīng)變軟化，而不出現(xiàn)應(yīng)變硬化。應(yīng)變硬化。2) 分子鏈間剪切滑移，分子鏈斷裂，分子鏈間剪切滑移，分子鏈斷裂，晶體精細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。晶體精細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。3) 產(chǎn)生顯微孔洞產(chǎn)生顯微孔洞4) 微孔洞復(fù)合成微裂紋，微裂紋擴(kuò)微孔洞復(fù)合成微裂紋，微裂紋擴(kuò)展成宏觀裂紋。展成宏觀裂紋。一般剛性聚合

49、物的一般剛性聚合物的S-N曲線并不出曲線并不出現(xiàn)三個階段現(xiàn)三個階段二、聚合物的疲勞裂紋擴(kuò)展二、聚合物的疲勞裂紋擴(kuò)展1.疲勞過程：疲勞過程：疲勞應(yīng)力引發(fā)銀紋疲勞應(yīng)力引發(fā)銀紋裂紋裂紋擴(kuò)展擴(kuò)展斷裂斷裂特點(diǎn)：雖符合特點(diǎn)：雖符合Paris方程，但方程，但只出現(xiàn)只出現(xiàn) 一個階段（第二階段）一個階段（第二階段）nKCdNda7 聚合物的疲勞聚合物的疲勞2.斷口：斷口：1）疲勞輝紋；）疲勞輝紋；2）斑紋；疲勞裂紋不是連續(xù)的，）斑紋；疲勞裂紋不是連續(xù)的，而是呈跳躍式發(fā)展。而是呈跳躍式發(fā)展。第五章第五章 金屬的疲勞金屬的疲勞8 陶瓷材料的疲勞陶瓷材料的疲勞與金屬材料疲勞（在長期交變與金屬材料疲勞（在長期交變應(yīng)力下

50、，耐用應(yīng)力下降及破壞應(yīng)力下，耐用應(yīng)力下降及破壞行為行為 ）相比）相比,陶瓷疲勞含義更廣陶瓷疲勞含義更廣: 靜態(tài)疲勞：靜態(tài)疲勞： 一定載荷作用下，一定載荷作用下，耐用應(yīng)力下降；耐用應(yīng)力下降； 動態(tài)疲勞：動態(tài)疲勞：恒定載荷速率加載，恒定載荷速率加載，研究材料失效斷裂對加載速率的研究材料失效斷裂對加載速率的敏感。敏感。循環(huán)疲勞：循環(huán)疲勞： 同金屬疲勞；同金屬疲勞；一、靜疲勞一、靜疲勞通常用裂紋頂端的應(yīng)力強(qiáng)度因子通常用裂紋頂端的應(yīng)力強(qiáng)度因子KI 和裂紋擴(kuò)展速率和裂紋擴(kuò)展速率V 的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線表示。表示。1）在區(qū)域）在區(qū)域I，裂紋開始擴(kuò)展，在，裂紋開始擴(kuò)展，在此領(lǐng)域裂紋尖端的水蒸汽引起此領(lǐng)域裂紋尖

51、端的水蒸汽引起Si-O結(jié)合，這種應(yīng)力腐蝕速度控制結(jié)合，這種應(yīng)力腐蝕速度控制了裂紋擴(kuò)展速度了裂紋擴(kuò)展速度V。裂紋擴(kuò)展速度和應(yīng)力強(qiáng)度因子裂紋擴(kuò)展速度和應(yīng)力強(qiáng)度因子KI的關(guān)系可用下式表示：的關(guān)系可用下式表示：nVAK8 陶瓷材料的疲勞陶瓷材料的疲勞2）在區(qū)域）在區(qū)域，裂紋尖端水分的，裂紋尖端水分的擴(kuò)散速度跟上了應(yīng)力腐蝕速度，擴(kuò)散速度跟上了應(yīng)力腐蝕速度，擴(kuò)散速度控制了裂紋擴(kuò)展速度，擴(kuò)散速度控制了裂紋擴(kuò)展速度，所以裂紋擴(kuò)展速度變成了與所以裂紋擴(kuò)展速度變成了與KI無無關(guān)的恒定值。關(guān)的恒定值。3）在區(qū)域）在區(qū)域，腐蝕反應(yīng)時由于，腐蝕反應(yīng)時由于材料內(nèi)部缺陷等原因，使裂紋快材料內(nèi)部缺陷等原因，使裂紋快速擴(kuò)展，最后當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)速擴(kuò)展，最后當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子度因子 KI達(dá)到