材料的疲劳性能

1、材料的疲劳性能一、疲劳破坏的变动应力材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称 为疲劳。变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。变动载荷在单位面积上 的平均值称为变动应力，分为规则周期变动应力(或称循环应力)和无规则随 机变动应力两种。1、表征应力循环特征的参量有：最大循环应力：T max；最小循环应力：T min； 平均应力： (T n= ( (T max+ (T min) /2 ； 应力幅T a或应力范围、T： T =T max- T min ，T a =A T 12=( T max- T min ) /2 ； 应力比(或称循环应力特征系数)：r= T min/ T

2、max。 2、按平均应力和应力幅的相对大小，循环应力分为：对称循环： T m=(T max+T min) /2=0 ，r=-1 ，大多数旋转轴类零件承受此类应 力；不对称循环：T mH 0, -1<r<1。发动机连杆或结构中某些支撑杆、螺栓承受此类应力， T a>T m>0，-1<r<0 ； 脉动循环：t m= t a>0, r=0，齿轮的齿根及某些压力容器承受此类应力。 m= T a<0, r= X,轴承承受脉动循环压应力； 波动循环：T m>T a, 0<<1，发动机气缸盖、螺栓承受此种应力； 随机变动应力：循环应力呈随机变

3、化，无规律性，如运行时因道路或者云 层的变化，汽车、拖拉机及飞机等的零件，工作应力随时间随机变化 二、疲劳破坏的概念和特点1、疲劳破坏概念在变动应力作用下，材料内部薄弱区域的组织逐渐发生变化和损伤累积、 开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂的过程，是一个从局部区域开 始的损伤积累，最终引起整体破坏的过程。疲劳破坏是循环应力引起的延时断裂，其断裂应力水平往往低于材料抗拉 强度，甚至低于其屈服强度。机件疲劳失效前的工作时间称为疲劳寿命，疲劳 断裂寿命随循环应力不同而改变。应力高，寿命短；应力低，寿命长。当应力 低于材料的疲劳强度时，寿命可无限长。疲劳断裂也经历了裂纹萌生和扩展过程。由于应力水

4、平较低，因此具有较 明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段，相应的断口上也显示出疲劳源、疲劳裂纹扩 展区与瞬时断裂区的特征。2、疲劳破坏的特点（1）疲劳破坏与静载或一次性冲击加载破坏比较具有以下特点： 该破坏为一种潜藏的突发性破坏，在静载下显示韧性或脆性破坏的材料, 在疲劳破坏前均不会发生明显的塑性变形，呈脆性断裂，易引起事故造成经济 损失； 疲劳破坏属于低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命的预测显得十分重要和必要； 疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织）十分敏感，即对缺陷具有高度的选择 性。因为缺口或裂纹会引起应力集中，加大对材料的损伤作用；组织缺陷（夹 杂、疏松、白点、脱碳等）将降低材料的局部强度。二者综合更加

5、速疲劳破坏 的起始与发展。 可以按不同方法对疲劳形式分类。按应力状态分有弯曲疲劳、扭转疲劳、 拉压疲劳、接触疲劳及复合疲劳；按应力高低和断裂寿命分有高周疲劳和低周 疲劳。三、疲劳断口的宏观特征1、典型疲劳断口具有3个特征区：疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬断区。（1）疲劳源疲劳裂纹萌生区，多出现在零件表面，与加工刀痕、缺口、裂纹、蚀坑等 相连。特征是光亮，因为疲劳源区裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多。疲劳源 可以是一个，也可以有多个。如：单向弯曲，只有一个疲劳源；双向弯曲，可 出现两个疲劳源。（2） 疲劳裂纹扩展区（亚临界扩展区）？疲劳裂纹扩展区特征为断口较光滑并分布有贝纹线或裂纹扩展台阶。贝纹 线是

6、疲劳区最典型的特征，是一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，凹侧指向疲劳 源，凸侧指向裂纹扩展方向。近疲劳源区贝纹线较细密（裂纹扩展较慢），远 疲劳源区贝纹线较稀疏、粗糙（裂纹扩展较快）。贝纹线区的大小取决于过载 程度及材料的韧性，高名义应力或材料韧性较差时，贝纹线区不明显；反之， 低名义应力或高韧性材料，贝纹线粗且明显，范围大。（3）瞬断区瞬断区是裂纹失稳扩展形成的区域。该区断口粗糙，脆性材料断口呈结晶 状；韧性材料断口在心部平面应变区呈放射状或人字纹状；表面平面应力区则 有剪切唇区存在。瞬断区一般在疲劳源对侧，大小与名义应力、材料性质有关。 高名义应力或脆性材料，瞬断区大；反之，瞬断区小。四、金属

7、材料疲劳破坏的机理1、疲劳裂纹的萌生（形核）裂纹萌生常在材料薄弱区或高应力区，通过不均匀滑移、微裂纹形成及长大而完成。通常将长的裂纹定为疲劳裂纹核，对应的循环周期N为裂纹萌生期。疲劳微裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起，主要方式有：表面 滑移带开裂，第二相、夹杂物与基体界面或夹杂物本身开裂，晶界或亚晶界处 开裂。在循环载荷作用下，即使循环载荷未超过材料屈服强度，也会在材料表面 形成循环滑移带一不均匀滑移，其与静拉伸形成的均匀滑移不同，循环滑移带 集中于某些局部区域，用电解抛光法也难以去除，即使去除了，再重新循环加 载，还会在原处再现。称这种永留或再现的循环滑移带为驻留滑移带。驻留滑 移带在表面加宽

8、过程中，会形成挤出脊和侵入沟，从而引起应力集中，形成疲 劳微裂纹。（1）表面易产生疲劳裂纹的原因： 在许多载荷方式下，如扭转疲劳，弯曲和旋转弯曲疲劳等，表面应力最 大。 实际构件表面多存在类裂纹缺陷，如缺口，台阶，键槽，加工划痕等，这些部位极易由应力集中而成为疲劳裂纹萌生地。 相比于晶粒内部，自由表面晶粒受约束较小，更易发生循环塑性变形。 自由表面与大气直接接触，因此，如果环境是破坏过程中的一个因素， 则表面晶粒受影响较大。2、疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹萌生后开始扩展，第I阶段沿着最大切应力方向向内扩展。大多 数微裂纹不继续扩展，成为不扩展裂纹，个别微裂纹可延伸几十 卩m长。随即疲 劳裂纹进入第H

9、阶段，沿垂直拉应力方向向前扩展形成主裂纹，直至最后形成 剪切唇为止。在室温及无腐蚀条件下，第H阶段呈穿晶扩展，扩展速率da/dN随N的增加而增大。在多数韧性材料的第H阶段，断口用电子显微镜可看到韧性条带而 脆性材料中可看到脆性条带。疲劳条带(辉纹)呈略弯曲并相互平行的沟槽状 花样，与裂纹扩展方向垂直。与贝纹线不同，疲劳条带是疲劳断口的微观特征。疲劳条带形成的原因：裂纹尖端的塑性张开，钝化和闭合钝化，使裂纹向 前延续扩展疲劳裂纹的形成与扩展模型。五、非金属材料疲劳破坏机理1、陶瓷材料的疲劳破坏机理静态疲劳相当于金属中的延迟断裂，即在一定载荷作用下，材料耐用应力 随时间下降的现象。动态疲劳在恒定加

10、载条件下，研究材料断裂失效对加载速 率的敏感性。循环疲劳在长期变动应力作用下，材料的破坏行为。陶瓷材料断 口呈现脆性断口的特征。2、高分子聚合物的疲劳破坏机理(1) 非晶态聚合物 高循环应力时，应力很快达到或超过材料银纹的引发应力，产生银纹， 随后转变成裂纹，扩展后导致材料疲劳破坏。 中循环应力也会引发银纹，形成裂纹，但裂纹扩展速率较低(机理相同)0 低循环应力，难以引发银纹，由材料微损伤累积及微观结构变化产生微 孔及微裂纹，最终裂纹扩展导致宏观破坏。(2) 结晶态高聚合物或低应力循环的非晶态高聚合物， 疲劳过程有以下现象： 整个过程，疲劳应变软化而不出现硬化。 分子链间剪切滑移，分子链断裂，

11、结晶损伤，晶体结构变化。 产生显微孔洞，微孔洞合并成微裂纹，并扩展成宏观裂纹。 断口呈裂纹扩展形成的肋状形态，断口呈丛生簇状结构（拉拔）。（3）高聚物的热疲劳由于聚合物为粘弹性材料，具有较大面积的应力滞后环，所以在应力循环 过程中，外力所做的功有相当一部分转化为热能；而聚合物导热性能差，因此 温度急剧升高，甚至高于熔点或玻璃化转变温度，从而产生热疲劳。热疲劳常 是聚合物疲劳失效的主要原因。因此疲劳循环产生的热量，使聚合物升温，可 以修补高分子、的微结构损伤，使机械疲劳裂纹形核困难。（4）聚合物疲劳断口可观察到两种特征的条纹： 疲劳辉纹：每周期的裂纹扩展值为10卩m （间距）。聚合物相对分子量较 高时，在所有应力强度因子条件下，皆可形成疲劳辉纹。 疲劳斑纹：对应着不连续、跳跃式的裂纹扩展，间距有50卩m相对分子量较低时，在较低应力强度因子条件下，易形成疲劳斑纹。3、复合材料的疲劳破坏机理（1）复合材料疲劳破坏的特点： 多种疲劳损伤形式：界面脱粘、分层、纤维断裂、空隙增长等。 不发生瞬断，其疲劳破坏的标准与金属不同，常以弹性模量下降的百分 数1%-2%，共振频率变化（1-2HZ）作为破坏依据。 聚