材料力学性能_第五章

1、第五章第五章 材料在变动载荷下材料在变动载荷下 的力学性能的力学性能材料力学性能材料力学性能Company L第五章第五章 材料在变动载荷下的力学性能材料在变动载荷下的力学性能5-1 5-1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能5-3 5-3 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展5-5 5-5 影响疲劳强度的主要因素影响疲劳强度的主要因素5-6 5-6 低周疲劳低周疲劳5-4 5-4 疲劳过程及机理疲劳过程及机理第五章第五章 材料在变动载荷下的力学性能材料在变动载荷下的力学性能引言引言 材料构件在材料构件在变动应力和应变变动应力和应变的长

2、期作用下，的长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂的现象由于累积损伤而引起的断裂的现象疲劳。疲劳。 疲劳属疲劳属低应力循环延时断裂低应力循环延时断裂，其断裂应力水，其断裂应力水平往往平往往b b，甚至，甚至s s； 不产生明显的塑性变形，呈现突然的脆断不产生明显的塑性变形，呈现突然的脆断。 疲劳断裂是一种非常危险的断裂。疲劳断裂是一种非常危险的断裂。 工程中研究疲劳的规律、机理、力学性能工程中研究疲劳的规律、机理、力学性能指标、影响因素等，就具有重要的意义。指标、影响因素等，就具有重要的意义。5.1 5.1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点一、变动载荷和循环应力一、变动载荷和循环应力 1 1

3、、变动载荷、变动载荷 变动载荷（应力）变动载荷（应力）是指载荷大小或大小和方向随是指载荷大小或大小和方向随时间按一定规律呈周期性变化或呈无规则随机变化时间按一定规律呈周期性变化或呈无规则随机变化的载荷（应力）。的载荷（应力）。 前者称为前者称为周期变动载荷周期变动载荷（应力）或（应力）或循环载荷循环载荷（应（应力），后者称为力），后者称为随机变动载荷随机变动载荷（应力）。（应力）。 实际的工程构件承受的载荷多为实际的工程构件承受的载荷多为随机变动载荷随机变动载荷，但对工程材料的疲劳特性分析而言，但对工程材料的疲劳特性分析而言，为简化起见，为简化起见，主要讨论主要讨论循环载荷（应力）循环载荷（应

4、力）情况。情况。5.1 5.1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点5.1 5.1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点随机载荷偶然过载对疲劳性能影响很大75.1 5.1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点2 2、循环应力、循环应力 循环应力的波形一般近似为正弦波、矩形波和三角形波循环应力的波形一般近似为正弦波、矩形波和三角形波等。等。（1）循环应力的描述）循环应力的描述最大应力与最小应力：最大应力与最小应力： max、 min 。平均应力：平均应力：m=1/2（max+min）应力幅：应力幅：a=1/2（max-min）应力比：应力比：=min/max85.1 5.1 金属疲劳现象及特点金

5、属疲劳现象及特点（2 2）循环应力的种类）循环应力的种类二、疲劳分类及特点 1、分类 （1）按应力状态按应力状态 弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、复合疲劳等。 （2）按环境按环境 腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳等。 （3）按循环周期按循环周期 高周疲劳高周疲劳（Nf105周次）,因断裂应力低（ s s ），所以也叫低应力疲劳低应力疲劳。 低周疲劳低周疲劳（ Nf 102105周次），由于断裂应力水平高（ s s），往往伴有塑性变形，故称为高高应力疲劳（或应变疲劳）应力疲劳（或应变疲劳）。 （4）按破坏原因 机械疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳。5.1 5.1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点5.1 5.1

6、 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点接触疲劳接触疲劳5.1 5.1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点122、疲劳的特点 （1）断裂应力b b，甚至s s； （2）出现脆性断裂； （3）对材料的缺陷（缺口、裂纹和组织缺陷）十分敏感； （4）疲劳破坏能清楚显示裂纹的萌生和扩展，断裂； （5）存在破坏的临界应力ac； （6）破坏数据的分散性很大。5.1 5.1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点13三、疲劳宏观断口的特征 断口拥有三个形貌不同的区域：疲劳源、疲劳区、瞬断区。 随材质、应力状态的不同，三个区的大小和位置不同。5.1 5.1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点145.1 5.1

7、 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点151、疲劳裂纹源区域 形成于应力集中区：内部缺陷（夹杂物、空洞）、加工缺陷（刀痕、微裂纹）和不当设计（截面突然发生变化）。 由于应力交变，断面摩擦而光亮。加工硬化表面硬度有所提高；随应力状态及其大小的不同，可有一个或几个疲劳源。2、疲劳裂纹扩展区（贝纹区） 断面比较光滑，并分布有贝纹线。循环应力低，材料韧性好，疲劳区大，贝纹线细、明显。 有时在疲劳区的后部，还可看到沿扩展方向的疲劳台阶（高应力作用）。3、瞬断区 一般在疲劳源的对侧。脆性材料为结晶状断口；韧性材料有放射状纹理；边缘为剪切唇。 5.1 5.1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点162024

8、Al合金疲劳条纹合金疲劳条纹5.1 5.1 金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点17p 高周疲劳：疲劳断裂寿命不小于105周次的疲劳，应力小，弹性范围。p 低周疲劳：次数小于104105，应力大于屈服强度，产生塑性变形。 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能18一、S-N曲线和疲劳极限1、疲劳曲线（SN曲线）和疲劳极限 （1）由高应力段和低应力段组成。前者寿命短，后者寿命长，并且随应力水平下降断裂循环周次增加。 （2）对一般金属材料（钢、QT），当循环应力水平降低到某一临界值时，低应力段变为水平线段，表明试样可以经过无限次应力循环也不发生疲劳断裂，故将对应的应力

9、称为疲劳极限，用-1表示（循环应力107周次不断裂）； （3）对于另一类金属材料（有色金属，不锈钢等），S-N曲线没有水平部分，随应力降低，循环周次不断增大。根据使用要求规定某一循环周次下不发生断裂的应力作为“条件疲劳极限” 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能19p 中低强度钢有明显的渐近线p 高强度钢、铝合金、钛合金没用明显的渐近线p 评判断裂应力标准：铸铁：107；有色金属：108，钛合金：107 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能20水平段形成原因：水平段形成原因： 应变时效应变时效强化滑移区域，使该区强化滑移区域，使该

10、区域强度提高域强度提高正面作用正面作用 塑性滑移和疲劳裂纹生成塑性滑移和疲劳裂纹生成使滑移使滑移区域承载能力降低区域承载能力降低累积损伤作累积损伤作用用负面作用负面作用两者平衡，裂纹停止生长，材料不断裂两者平衡，裂纹停止生长，材料不断裂 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能212、N曲线的测定 常用常用旋转弯曲疲劳旋转弯曲疲劳试验机试验机，有效试样，有效试样13根以上。根以上。用升降法测定用升降法测定-1再用概率统计方法再用概率统计方法处理数据。（取可处理数据。（取可信度）信度）确定点的位置、连确定点的位置、连线线 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳

11、曲线及基本疲劳力学性能22 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能23 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能243、不同应力状态下的疲劳极限、不同应力状态下的疲劳极限 根据大量的实验结果，根据大量的实验结果，弯曲与拉压、扭转弯曲与拉压、扭转疲劳极限疲劳极限之间的关系：之间的关系： 钢：钢：-1p=0.85-1 铸铁：铸铁：-1p=0.65-1 铜及轻合金：铜及轻合金：-1=0.55-1 铸铁：铸铁：-1=0.8-1 其中，其中，-1弯曲对称疲劳极限弯曲对称疲劳极限，-1p为对称为对称拉压疲劳极限拉压疲劳极限，-1为对称扭转疲劳极限为

12、对称扭转疲劳极限 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能254、疲劳极限与静强度之间的关系、疲劳极限与静强度之间的关系 金属材料的抗拉强度越大，其疲劳极限也越大：对金属材料的抗拉强度越大，其疲劳极限也越大：对中低强度钢，疲劳极限与抗拉强度大体呈线性关系中低强度钢，疲劳极限与抗拉强度大体呈线性关系。当当b较低时，近似写成较低时，近似写成-1= 0.5b；当当b较高时，发生较高时，发生偏离偏离（强度较高时材料塑性和断裂韧性下降，裂纹易强度较高时材料塑性和断裂韧性下降，裂纹易于形成和扩展于形成和扩展）。）。钢：钢：-1p=0.23（s+b） -1=0.27（s+b）铸铁

13、：铸铁：-1p=0.4b -1=0.45b铝合金：铝合金：-1p=b/6 +7.5(MPa) -1p=b/6 -7.5(MPa) 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能26 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能27二、不对称循环疲劳极限（r） 利用已知的对称循环疲劳极限，用工程作图法求得各种不对称循环疲劳极限。或者采用回归的公式求得。（1）a amm图 y轴上的A点；x轴上的C点。其余各点纵、横坐标各代表每一r下疲劳极限a和m，max max = =a+m 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能28 根

14、据角度，从原点O引直线交曲线于点B，B点对应的横、纵坐标可求出，再求出maxmax。r tan a、m max 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能29根据经验：根据经验：（1）对大多数工程合金，）对大多数工程合金，Soderberg关系对疲劳寿命的关系对疲劳寿命的估计比较保守估计比较保守。（2）对脆性金属，包括高强度钢，其抗拉强度接近于真实断裂应力，）对脆性金属，包括高强度钢，其抗拉强度接近于真实断裂应力，用用Goodman关系来描述或估计疲劳寿命与实验结果吻合得很好。关系来描述或估计疲劳寿命与实验结果吻合得很好。（3）对塑性材料，用）对塑性材料，用Geber

15、关系较好。关系较好。（2）公式法 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能30（3）maxm 图u在B点：m=0（r=-1），），a=-1，疲劳极限r,max=-1;u在A点：m=b（r=1），），a=0，疲劳极限r,max=b;u在AHB曲线上，应力比与角度的关系为：r tan 疲劳极限（交点纵坐标）疲劳极限（交点纵坐标） 5-2 5-2 疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳曲线及基本疲劳力学性能31三、疲劳缺口敏感性疲劳缺口敏感度qf 0 qf Kthth: K，da/dN，裂纹扩展但不快。 I区所占寿命不长。II区（主要段）K，da/dN较大，裂纹亚稳扩展，是决定疲

16、劳裂纹扩展寿命的主要段。III区（最后段）K，da/dN，裂纹失稳扩展。375.3 5.3 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展门槛值p 确定Kth为裂纹疲劳不扩展的K临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值。表示材料组织疲劳裂纹开始扩展的性能，其值越大，阻止疲劳裂纹开始扩展的能力就越大，材料就越好。p 单位MNm-3/2或MPam1/2pKth与-1的区别：-1是光滑试样的无限寿命疲劳强度，用于传统的疲劳强度设计和校核；Kth是裂纹试样的无限寿命疲劳性能，适合裂纹件的设计和校核。 385.3 5.3 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展根据Kthth的定义建立的裂纹件不疲劳断裂校核公式K=Y1/21/2Kthth

17、, 裂纹不扩展。已知其中两个量，可求第三个量。实际测定材料Kthth时很难做到da/dN=0的情况。因此实验时规定，平面应变条件下，da/dN=10-6-610- -7 7mm/周次对应的K来代替Kthth，称为工程疲劳门槛值。395.3 5.3 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展paris公式Paris根据大量试验数据，提出了在疲劳裂纹扩展速率曲线II区，da/dN与K关系的经验公式。 da/dN=c(K)n c、n材料试验常数，与材料、应力比、环境等因素有关。显微组织对n的影响不大，多数材料的n值在24之间变化。405.3 5.3 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展415.3 5.3 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展

18、影响疲劳裂纹扩展速率的因素（1）应力比r的影响应力比r，曲线向左上方移动，使da/dN升高，而且在I、III区的影响比II区的大。425.3 5.3 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展（2）过载峰的影响偶然过载进入过载损伤区，将使材料受到损伤并降低疲劳寿命，但若过载适当，有时反而是有益的。在恒载裂纹疲劳扩展期内，适当的过载峰会使裂纹扩展减慢或停滞一段时间，发生裂纹扩展过载停滞现象，并延长疲劳寿命。435.3 5.3 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展（3）显微组织对I、III区的da/dN影响比较明显。晶粒粗大，Kthth值越高， da/dN值越低；韧性相可使Kthth。钢的高温回火的组织钢的高温回火的组织韧性好

19、，强度低，其韧性好，强度低，其Kth较高；较高；低温回火的组织韧性低温回火的组织韧性差 ， 强 度 高 ， 其差 ， 强 度 高 ， 其Kth较低；较低；中温回火的中温回火的Kth则则介于两者之间。介于两者之间。300M钢445.3 5.3 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展三、疲劳裂纹扩展寿命的估算 对于机件疲劳剩余寿命的估算，一般先用无损探伤方法确定机件初始裂纹尺寸a0、形状位置和取向，从而确定K的表达式K=Y1/21/2，再根据材料的断裂韧性KIC及工作名义应力，确定临界裂纹尺寸ac，然后根据由试验确定的疲劳裂纹扩展速率表达式，最后用积分方法计算从a0到ac所需的循环周次，即疲劳剩余寿命Nc。45

20、5.3 5.3 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展常选用paris公式。da/dN=C(K)n n 和 K=Y1/21/2所以：465.4 5.4 疲劳过程及机理疲劳过程及机理疲劳过程：裂纹萌生、亚稳扩展、失稳扩展、断裂。一、疲劳裂纹的萌生 常将0.050.1mm的裂纹定为疲劳裂纹核。 引起裂纹萌生的原因：显微开裂、不均匀的局部滑移。 主要方式为：表面滑移带开裂；第二相、夹杂物或其界面开裂；晶界或亚界面开裂。471、滑移带开裂（1）驻留滑移带 在交变载荷作用下，永留或能再现的循环滑移带，称为驻留滑移带。 驻留滑移带是由材料某薄弱区域产生的，驻留滑移带一般只在表面形成，其深度较浅。随着加载循环次数的增加，

21、循环滑移带会不断地加宽，当加宽至一定程度时，由于位错的塞积和交割作用，便在驻留滑移带处形成微裂纹。5.4 5.4 疲劳过程及机理疲劳过程及机理48（2）挤出峰和侵入沟 滑移带在表面加宽过程中，还会向前或向后移动，形成挤出峰和侵入沟。循环过程中，峰、沟不断增加，增高（或变深）。（柯垂耳-赫尔模型）。孪晶处也易出现挤出峰和挤入槽。5.4 5.4 疲劳过程及机理疲劳过程及机理5.4 5.4 疲劳过程及机理疲劳过程及机理措施：措施：只要能提高材料的滑移抗力（如采用只要能提高材料的滑移抗力（如采用固溶固溶强化强化、细晶强化细晶强化等手段）、均可以阻止疲等手段）、均可以阻止疲劳裂纹萌生，提高疲劳强度。劳裂

22、纹萌生，提高疲劳强度。502、相界面开裂 两相（包括第二相、夹杂）间的结合力差，各相的形变速率不同，易在相结合处或弱相内出现开裂。只有首先达到临界尺寸的裂纹核，才能继续长大。 改善措施：只要降低第二相或夹杂物的脆性，提高相界面强度，控制第二相或夹杂物的数量、形状、大小和分布，使之“少、圆、小、匀”，均可抑制或延缓疲劳裂纹在第二相或夹杂物附近萌生，提高疲劳强度。5.4 5.4 疲劳过程及机理疲劳过程及机理513、晶界处开裂p 晶界就是面缺陷；位错运动易发生塞积，出现应力集中，晶界开裂。p 凡使晶界弱化和晶粒粗化的因素，如晶界有低熔点夹杂物等有害元素和成分偏析、回火脆、晶界析氢及晶粒粗化等，均易产

23、生晶界裂纹，降低疲劳强度。5.4 5.4 疲劳过程及机理疲劳过程及机理52二、疲劳裂纹扩展过程及机理1、裂纹扩展的两个阶段第一阶段：从表面个别侵入沟（或挤出脊）先形成微裂纹，最后裂纹沿主滑移系，以纯剪切方式向内扩展。扩展速率很低，仅0.1m的扩展量。第二阶段：在da/dN的II区，由于晶界的阻碍作用，使扩展方向逐渐垂直于主应力方向；扩展速率10-5-10-2mm/次。形成疲劳条纹（疲劳辉纹）。一条辉纹就是一次循环的结果。5.4 5.4 疲劳过程及机理疲劳过程及机理535.4 5.4 疲劳过程及机理疲劳过程及机理疲劳条带与贝纹线的区别：疲劳条带与贝纹线的区别：疲劳条带是疲劳断口的微观特征，贝纹线

24、是疲劳断口的宏疲劳条带是疲劳断口的微观特征，贝纹线是疲劳断口的宏观特征观特征，在相邻贝纹线之间可能有成千上万个疲劳条带。，在相邻贝纹线之间可能有成千上万个疲劳条带。在断口上二者可以同时出现，也可以不同时出现。在断口上二者可以同时出现，也可以不同时出现。542、疲劳裂纹扩展模型 裂纹不再扩展的过程，称为“塑性钝化” 该模型对塑性材料的疲劳扩展过程、韧性疲劳条带的形成过程是很成功的。 材料的强度越低，裂纹扩展越快，条带越宽。5.4 5.4 疲劳过程及机理疲劳过程及机理5.5 5.5 影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素一、材料内因 1、化学成分 成分决定组织和强化效果。 2、显微组织 相、相间交互

25、作用、夹杂物、晶粒大小 等。 3、治金缺陷 夹杂、疏松、偏析、裂纹，方向性等。二、材料表面状态和工件结构 1、表面状态 表面粗糙度；表面强化（机械、热处理、喷涂、化学） 2、工件结构 壁厚；壁厚均匀性；表面沟槽等。三、工况因素 1、载荷 载荷的大小和加载方式；加载频率；加载间歇；次载锻炼。 2、环境 温度；周边介质；应力状况。v低周疲劳（应力水平高、循环周次少）举例：低周疲劳（应力水平高、循环周次少）举例：飞机起落飞机起落架架、飞机发动机涡轮盘飞机发动机涡轮盘、常年阵风吹刮的桥梁常年阵风吹刮的桥梁。5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳v工程构件的名义应力一般低于材料的屈服应力，但工程构件的名义应力

26、一般低于材料的屈服应力，但当构件上存在缺口或类似缺口的部位时，则可由应当构件上存在缺口或类似缺口的部位时，则可由应力集中而使其局部区域接近甚至进入了弹塑性状态力集中而使其局部区域接近甚至进入了弹塑性状态。v随着设计思想的改进，随着设计思想的改进，在某些情况下，对构件只要在某些情况下，对构件只要求有限寿命，可允许有较大的承载求有限寿命，可允许有较大的承载，从而使构件处，从而使构件处于应变控制的疲劳过程。于应变控制的疲劳过程。v因此，因此，金属在交变载荷作用下，由于塑性应变的循金属在交变载荷作用下，由于塑性应变的循环作用所引起的疲劳破坏称为低周疲劳（或塑性疲环作用所引起的疲劳破坏称为低周疲劳（或塑

27、性疲劳、应变疲劳）劳、应变疲劳）。 5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳v低周疲劳的交变应力水平较高，低周疲劳的交变应力水平较高， max一般接近或一般接近或超过材料的屈服强度，但加载频率较低，且疲劳超过材料的屈服强度，但加载频率较低，且疲劳寿命较短，一般只有寿命较短，一般只有102105周次。亦称周次。亦称高应力高应力疲劳疲劳。5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳59一、低周疲劳的特点一、低周疲劳的特点 1 1、局部产生、局部产生宏观塑性宏观塑性变形变形，应力与应变之间呈，应力与应变之间呈非线性。非线性。总应变总应变 t t= = e e+ + p p5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳5.6.1 低周

28、疲劳概述低周疲劳概述602 2、要、要用用 t t/2N/2N或或 p p /2N /2N描叙疲劳规律描叙疲劳规律 低周疲劳试验时，或者控制低周疲劳试验时，或者控制总应变范围总应变范围，或者，或者控制控制塑性应变范围塑性应变范围，在给定的，在给定的 t t或或 p p下测定疲下测定疲劳寿命。劳寿命。 试验结果处理不用试验结果处理不用S-NS-N曲线，要用曲线，要用 t t/2N/2N或或 p p/2N/2N描叙疲劳规律。描叙疲劳规律。 t t/2/2和和 p p /2 /2分别表分别表示为示为总应变幅总应变幅和和塑性应变幅塑性应变幅。5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳613 3、裂纹成核期、裂纹

29、成核期短短，有，有多多个裂纹源；断口呈韧窝状、个裂纹源；断口呈韧窝状、轮胎花样状。轮胎花样状。p 由于应力比较大，低周疲劳裂纹容易形核，形核期由于应力比较大，低周疲劳裂纹容易形核，形核期只占寿命的只占寿命的10%10%。p 微观断口的微观断口的疲劳条带较粗，间距较宽，并且常常不疲劳条带较粗，间距较宽，并且常常不连续连续。在某些金属材料中，应力循环周次小于。在某些金属材料中，应力循环周次小于9090时，时，断口呈韧窝状；大于断口呈韧窝状；大于100100次时，出现轮胎花样。次时，出现轮胎花样。5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳624 4、疲劳寿命取决于塑性应变幅。、疲劳寿命取决于塑性应变幅。区别：

30、区别：p 不同点：高周疲劳寿命取决于应力幅或应力不同点：高周疲劳寿命取决于应力幅或应力强度因子范围。强度因子范围。p 相同点：都是循环塑性变形累积损伤的结果。相同点：都是循环塑性变形累积损伤的结果。5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳二、循环硬化和循环软化二、循环硬化和循环软化v在低周疲劳的循环加载初期，材料对循环加载在低周疲劳的循环加载初期，材料对循环加载的响应是一个的响应是一个由不稳定向稳定过渡由不稳定向稳定过渡的过程。此的过程。此过程可分别用应力控制下的过程可分别用应力控制下的 t 曲线曲线或应变或应变控制下的控制下的 t 曲线曲线描述。描述。v材料对循环加载的材料对循环加载的初始响应过程初

31、始响应过程可表现为可表现为循环循环硬化硬化或或循环软化循环软化。5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳应力控制下的材料循环特性应力控制下的材料循环特性 应变控制下的材料循环特应变控制下的材料循环特性性5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳v循环硬化是材料在循环过程中变形抗力不断提循环硬化是材料在循环过程中变形抗力不断提高高（恒定应变范围条件下）（恒定应变范围条件下）、应变逐渐减小、应变逐渐减小（恒定应力范围条件下）（恒定应力范围条件下）的现象；的现象；v循环软化是材料在循环过程中变形抗力不断减循环软化是材料在循环过程中变形抗力不断减小小（恒定应变范围条件下）（恒定应变范围条件下）而应变逐渐增加而应变逐渐增

32、加（恒定应力范围条件下）（恒定应力范围条件下）的现象。的现象。危险危险!v在循环硬化和循环软化两种情况下，相应的滞在循环硬化和循环软化两种情况下，相应的滞后回线都不闭合，只有经过一定周次后才形成后回线都不闭合，只有经过一定周次后才形成封闭滞后回线。封闭滞后回线。5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳p 材料在低周疲劳过程中，由于材料在低周疲劳过程中，由于塑性应变塑性应变的作用，的作用，在一个完在一个完全的循环加载下其应力应变曲线必然形成一个滞后回线全的循环加载下其应力应变曲线必然形成一个滞后回线。p 但在加载初期，材料可能因循环硬化和循环软化而使滞后但在加载初期，材料

33、可能因循环硬化和循环软化而使滞后环并不封闭。环并不封闭。在继续循环中，这种不稳定过程会逐步趋于稳在继续循环中，这种不稳定过程会逐步趋于稳定，最终使滞后环封闭。定，最终使滞后环封闭。5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳40CrNiMo钢的钢的循环应力循环应力-应变曲线应变曲线低于低于单次应力单次应力-应变曲线应变曲线，表明这种钢，表明这种钢具有具有循环软化现象循环软化现象；反；反之，若材料的循环应力之，若材料的循环应力-应变曲线高于它的单次应变曲线高于它的单次应力应力-应变曲线时，则表应变曲线时，则表明该材料具有循环硬化明该材料具有循环硬化现象。现象。5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳p 循环应变会导

34、致材料形变抗力发生变化，使材循环应变会导致材料形变抗力发生变化，使材料的强度变得不稳定。料的强度变得不稳定。p 特别是由循环软化材料制作的机件，在承受大特别是由循环软化材料制作的机件，在承受大应力循环使用过程中，将应力循环使用过程中，将因循环软化产生过量的因循环软化产生过量的塑性变形而使机件破坏塑性变形而使机件破坏。p 因此，因此，承受低周大应变的机件，应该选用循环承受低周大应变的机件，应该选用循环稳定或循环硬化型材料稳定或循环硬化型材料。工程指导意义工程指导意义5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳金属材料产生循环硬化还是循环软化取决于金属材料产生循环硬化还是循环软化取决于材料材料的初始状态的初始

35、状态、结构特性结构特性以及以及应变幅应变幅和和温度温度等。其等。其中，退火状态的塑性材料往往表现为循环硬化，中，退火状态的塑性材料往往表现为循环硬化，而加工硬化的材料则往往表现为循环软化。而加工硬化的材料则往往表现为循环软化。循环硬化与循环软化的影响因素与划分依据循环硬化与循环软化的影响因素与划分依据5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳（1）b/ s标准标准当当b/ s 1.4时，表现为循环硬化；时，表现为循环硬化；当当b/ s 1.2时，表现为循环软化；时，表现为循环软化；当当b/ s 比值在比值在1.21.4之间的材料，其倾向不定。之间的材料，其倾向不定。一般此类材料比较稳定，没有明显的循环硬

36、化和一般此类材料比较稳定，没有明显的循环硬化和循环软化现象。循环软化现象。（2）应变硬化指数）应变硬化指数n评判评判n0.1时，材料表现为循环硬化或循环稳定；时，材料表现为循环硬化或循环稳定；n0.1时，材料表现为循环软化；时，材料表现为循环软化；5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳循环硬化产生原因（位错运动）循环硬化产生原因（位错运动）例如：一些退火软金属在恒应变幅的循环载荷下，例如：一些退火软金属在恒应变幅的循环载荷下，由于由于位错往复运动和交互作用，产生了阻碍位错继位错往复运动和交互作用，产生了阻碍位错继续运动的阻力，从而产生循环硬化续运动的阻力，从而产生循环硬化。p 在冷加工后的金属中，在

37、冷加工后的金属中，充满位错缠结和障碍，这充满位错缠结和障碍，这些障碍在加载中被破坏些障碍在加载中被破坏；p 在一定沉淀强化不稳定的合金中，由于在一定沉淀强化不稳定的合金中，由于沉淀结构沉淀结构在循环加载中被破坏在循环加载中被破坏均可导致循环软化。均可导致循环软化。三、应变三、应变寿命曲线（寿命曲线（N Nf f） v一般用一般用总应变半幅总应变半幅 /2 和和循环失效的反复循环失效的反复次数次数 2Nf 在双对数坐标上表示在双对数坐标上表示低周疲劳的低周疲劳的疲劳抗力疲劳抗力，其，其应变幅（或塑性应变幅）是应变幅（或塑性应变幅）是决定低周疲劳寿命的主要因素决定低周疲劳寿命的主要因素。v经验表明

38、，若把经验表明，若把总应变幅总应变幅 分解为分解为弹性应弹性应变幅变幅 e 和和塑性应变幅塑性应变幅 p 时，二者与循环时，二者与循环次数的关系都可以近似用直线表示。次数的关系都可以近似用直线表示。5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳应变应变寿命曲线（寿命曲线（ ）fNu 2NT：过渡寿命过渡寿命u 在交点左侧（低周疲在交点左侧（低周疲劳范围），劳范围），塑性应变幅塑性应变幅起主导作用起主导作用，材料的疲，材料的疲劳寿命由塑性控制；劳寿命由塑性控制；u 在交点右侧（高周疲在交点右侧（高周疲劳范围），劳范围），弹性应变幅弹性应变幅起主导作用起主导作用，材料的疲，材料的疲劳寿命由强度决定。劳寿命由强度

39、决定。5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 e/22Nf 的关系：的关系：bffeNE22Ef 为为2Nf = 1 时直线的截距，称为时直线的截距，称为疲劳强度系数疲劳强度系数。因相当于一次加载，故可取因相当于一次加载，故可取 f = f (静拉伸的断裂静拉伸的断裂应力应力)b为直线的斜率，称为为直线的斜率，称为疲劳强度指数疲劳强度指数。5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 p / 2 2Nf 的关系（的关系（Manson-Coffin经验方程）：经验方程）：cffpN22 f为为2Nf=1时直线的截距，称为时直线的截距，称为疲劳塑性系数疲劳塑性系数。同理，可以取同理，可以取 f = f (静拉伸的断

40、裂应变静拉伸的断裂应变)。c为直线的斜率，称为为直线的斜率，称为疲劳塑性指数疲劳塑性指数。5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳因此，因此， / 2 2Nf 的关系：的关系：cffbffpeNNE22222上式可以看成是上式可以看成是S-N曲线和曲线和Manson-Coffin曲线的曲线的叠加。叠加。既反映长寿命的弹性应变既反映长寿命的弹性应变-寿命的关系，也寿命的关系，也反映短反映短寿命的塑性应变寿命的塑性应变-寿命的关系。寿命的关系。5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳 为了应用更为方便，曼森通过对为了应用更为方便，曼森通过对29中金属材料的试中金属材料的试验研究发现

41、，总应变幅验研究发现，总应变幅 t / 2与疲劳断裂寿命与疲劳断裂寿命2Nf之间存之间存在下列关系，即在下列关系，即 只要知道材料的静拉伸性能只要知道材料的静拉伸性能b、E、ef，就可以求得，就可以求得材料光滑试样完全对称循环下的地周疲劳寿命曲线。这材料光滑试样完全对称循环下的地周疲劳寿命曲线。这种预测低周疲劳寿命的方法，称为种预测低周疲劳寿命的方法，称为通用斜率法通用斜率法。 需要注意：需要注意：各种表面强化手段，对提高低周疲劳寿各种表面强化手段，对提高低周疲劳寿命均无明显效果命均无明显效果。高强度材料与延性材料的各高强度材料与延性材料的各个曲线交点反复周次大致对个曲线交点反复周次大致对应于

42、应于过渡疲劳寿命过渡疲劳寿命2NT不同金属材料的不同金属材料的 /22Nf 曲线有一个共同的交点，曲线有一个共同的交点，对应的对应的lg( /2)约为约为0.01。交点交点左侧左侧，大应变量大应变量作用下，作用下，延性好延性好的材料的材料寿命长寿命长；交点右侧，交点右侧，低幅低幅循环时，循环时，强度高强度高的材料的材料寿命长寿命长。5.6 5.6 低周疲劳低周疲劳过渡疲劳寿命过渡疲劳寿命2NT ：v弹性应变所造成的损伤与塑性应变造成的弹性应变所造成的损伤与塑性应变造成的损伤相等。损伤相等。e=pv当当2Nf e，材料的疲劳寿材料的疲劳寿命主要取决于命主要取决于p；v当当2Nf 2NT 时时，有，有p e，则，则e可被忽略。可被