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： max；最小循环应力： min；平均应力：m=（ max+min ）/2；应力幅 a 或应力范围：=max-min， a= /2=（max-min）/2；应力比（或称循环应力特征系数）：r=min/ 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： m=（ max+min）/2=

2、0，r=-1，大多数旋转轴类零件承受此类应力；不对称循环： m0，-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，a>m>0，-1<r<0；脉动循环：m=a>0，r=0，齿轮的齿根及某些压力容器承受此类应力。 m=a<0，r=，轴承承受脉动循环压应力；波动循环： m>a，0<r<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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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 m 长。随即疲劳裂纹进入第阶段， 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阶段， 断口用电子显微镜可看到韧性条带而脆性

9、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

10、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）。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，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

11、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 10m（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 50m。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。聚合物基复合材