材料断裂课件 第三章 工程材料的断裂

第三章工程材料的断裂

固体物质在力的作用下分成若干部分的现象。断裂是机械构件三大失效形式之一。三大失效形式：断裂磨损腐蚀3.1断裂的类型一、从宏观上分类：→失效分析，判断受力情况，材料性质1．根据宏观塑性变形出现与否

类别宏观塑性变形(微观塑性变形是有的)吸收能量规定(拉伸)脆性断裂无小塑性断裂有大

≥5%2．根据断裂面取向正断：垂直于Smax或εmax方向发生断裂，最终为正应力致裂。脆性断裂、韧性断裂。→平面应变状态切断：沿最大切应力方向发生断裂，最终为切应力致裂。韧性断裂。→平面应力状态3．根据应力大小类别宏观应力弹性变形塑性变形

归类低应力断裂<宏观、微观微观（脆性）脆性断裂高应力断裂>宏观宏观（韧性、脆性）韧性断裂脆性断裂二、从微观上分类——失效分析——断裂机制按断裂机制（扩展机制）分：穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部——脆性断裂或韧性断裂沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展——多数属脆性断裂(少数韧性断裂)

穿晶断裂类型断裂形貌：如冰糖块状、河流（骨状）花样、解理台阶+撕裂岭、韧窝、蛇行滑移、涟波※宏观，微观上对断裂分类，不能一一对应解理断裂与脆性断裂→以宏观塑性变形为依据。塑性大，韧性高断裂的不同微观机制，可以是脆性断裂，可以是韧性断裂，取决于耗能大小，解理断裂不一定是脆性断裂。3.2断裂过程包括裂纹的萌生和裂纹的扩展二个过程。1．裂纹的萌生裂纹有两种类型：原始裂纹：已存在于材料中；在制造过程中产生的；萌生裂纹：加载后产生的；塑性变形或+原始缺陷（空洞夹杂，气孔等）滑移诱导形核，提出一些位错形核模型：位错塞积、位错反应（双塞积）。2．裂纹的扩展有如下三种方式脆性材料：陶瓷材料、低温下（冷脆温度以下）金属塑性材料：（拉伸） 低应力断裂

断裂性质 高应力脆断（无塑性变形）－脆性材料高应力韧断（有塑性变形，亚临界扩展）－韧性材料 低应力断裂(疲劳和应力腐蚀---亚临界扩展)

（裂纹→亚临界扩展→失稳扩展）－－－断裂(2)原始裂纹C0

↑→C0→Cf失稳（塑性变形强化）(3)原始裂纹C0 不增加,C0→Cf失稳（亚临界扩展）3．对断裂本质的认识断裂过程（裂纹扩展）局限于裂纹尖端及其周围很小体积范围内。相当于小体积成为试样，原试样其它部分成为加载系统，平面应力（试样表面）；平面应变（后试样内部）(2)变形与断裂是不可分割的，变形是断裂的前骤，断裂是变形最后阶段和结果。

临界状态（σf,Cf）=K1c(1)原始裂纹C0 ↑→ C0不变失稳3.3影响断裂的因素切应力——位错推动力——引起塑性变形(对变形和裂纹萌生、扩展均起作用)正应力：拉应力、压应力，只有拉应力使裂纹扩展。工业设计中要求构件处于韧性状态，而不出现危险的脆性断裂，材料是否处于脆性状态不是绝对的，即不存在本质上绝对塑性材料或绝对脆性材料。材料状态取决于四个方面：材料本质 主要因素应力状态 加载方式，机件形状温度工况条件加荷速度影响断裂类型主要因素：1．材料本质：极限应力ts（屈服）tk（切断）Sk（正断）2．应力状态 应力状态软化系数

松驰方式受力→位错产生→运动应力集中形变；断裂裂纹的萌生、扩展塑性变形和断裂的位错解释：塑变：是位错不断增殖，并沿整个滑移面运动的过程；断裂：是位错不断聚集和消失的过程。力学状态图（近似估计断裂类型）从材料本质（以拉伸为标准） 韧性材料；脆性材料应力状态三区：α<ts/Sk脆断，正断；ts/Sk≤α<tk/Sk

韧断、正断；α≥tk/Sk韧断、切断温度和加载速度对断裂的影响

（Sk近似为常数）脆性↑应力状态：降低。载荷类型→影响；构件形状→愈复杂，截面积变化愈剧烈在一定工况条件下选材：（避免脆性断裂，使材料处于韧性状态） 小采用一定塑性的调质钢 大用铸铁等低塑性材料综合考虑合理选材。3.4应力集中应力集中产生位置：宏观：截面改变、缺口处；微观：裂纹处、晶界、夹杂、第二相处。应力集中产生结果：（1）改变应力分布，应力状态，趋于脆化→降低。

单向拉伸，缺口处处于三向拉伸。(2)使脆性材料弱化、塑性材料强化：

客观上，相对的，微观上，塑性区强化，耗能。(3)有利于裂纹的萌生和扩展。

应力集中系数

(最大应力与平均应力比值)

无限大板，椭园孔（裂纹长度） （尖端曲率）Kt大小决定于裂纹长度及尖部程度促进材料脆化的因素：(1)内因：脆化(2)外因：T↓↓↑→↑脆化 （(应力状态)↓）脆化

第四章断裂力学基础及其在工程中的应用

在实际机件设计中，考虑到缺口（或裂纹）的存在，形成多向应力状态，用Kt估算应力集中程度，把复杂多向应力状态换算成单向位伸下的等效应力或等效应变，然后按单向拉伸性能计算：即许用应力 n>1安全系数 设计强度条件：

该条件仅能保证机件不发生塑性变形及随后的韧性断裂，不能防止低应力下的脆性断裂。为了防止脆性断裂，附以δ、Ф、、Tk等塑韧性指标作为设计参考。不能计算，只能凭经验确定塑韧性指标，往往对于中、低强度下的中小件造成浪费；而对高强度或中、低强度下的大件往往不能完全保证避免脆性断裂。原因传统设计中只考虑了应力集中导致应力状态的变化，即缺口或裂纹使应力提高的倍数，而未考虑应力状态变化对变形和断裂过程的影响（由于裂纹存在，断裂应力降低）。而实际构件或材料中存在裂纹，属于非连续力学。断裂力学解决了含有裂纹构件受力分析和强度计算，避免了低应力脆断。可分三种情况：应力集中不严重，较大，裂纹不扩展，无危害缓慢扩展，并伴随明显塑性变形韧性断裂机械设计应力集中严重，较小——低应力脆性断裂——断裂力学4.1Griffith能量理论(显微裂纹存在降低强度）无限大薄板（单位厚度），作用在均匀应力，使其弹性伸长，将两端固定（无塑性变形）——适用于玻璃、陶瓷等脆性材料。

(1)由于裂纹存在，所释放出弹性应变能 →裂纹扩展驱动力(2)形成裂纹，产生表面能W=4aΓ（T单位面积表面能）——扩展阻力。当u≧w裂纹将自动扩展（失稳扩展）求得临界值临界应力具有裂纹的物体,实际强度低于理论强度临界裂纹长度即，裂纹每扩展单位面积时，弹性系统所能提供的能量，等于裂纹扩展所需要能量。

G=为裂纹扩展时能量释放率→裂纹扩展力可见：G与外加应力，试样和裂纹形状、尺寸有关。裂纹扩展准则：G<Gc裂纹稳定

G≥Gc裂纹失稳扩展以上讲的是脆性材料。对于塑性材料：裂纹尖端产生塑性变形，裂纹扩展应变能释放率（驱动力）不仅要满足表面能还要支付裂纹尖端塑性变形功：即Gc=2(Γ+P)P裂纹扩展单位面积所需塑性变形功。由于P与裂纹尖端应力状态密切相关，获得Gc准确物理意义及测试值，必须对裂纹尖部进行应力分析。以上从能量角度得到裂纹扩展；不能显示裂纹扩展具体过程。Irwin通过裂纹前沿应力应变分析得到应力应变近似式，其理论构成线弹性断裂力学基础。4.2裂纹尖端应力场线弹性断裂力学就是利用弹性力学理论，研究含有裂纹材料应力应变规律及裂纹扩展规律。认为：材料在脆断前基本上是弹性变形、应力应变成线性关系；但实际上即使高强钢，裂纹尖端也有小范围屈服，可经裂纹长度修正，转变成线弹性问题。裂纹扩展方式有三种类型，I张开型，II滑开型，III撕开型张开型，I型是最常见，最危险裂纹扩展方式(一般以张开型为例)根据应力集中，在裂纹缺口附近形成不均匀应力分布，缺口顶端出现应力高峰，且随离裂纹尖端距离增加，应力逐渐降低——定性规律。1957年Irwin研究受力裂纹体裂纹尖端附近应力应变分布情况，裂纹长度为2a，无限大平板，得到裂纹尖端附近一点（r,θ）的应力，位移：

要点：上式具有普遍意义：1.一个结构中任何裂纹附近的应力分布是相似的，并且只依赖于r和θ，不同裂纹构件的差别在于K1（应力强度因子）。2.r很小，裂纹尖端附近才成立（r→0）3.K↑

至Kc,σ

↑至σc→开裂K应力强度因子，表示裂纹尖端附近应力场强弱:

K=Yσa1/2Y裂纹形状因子——取决于形状、大小、裂纹形状及尺寸，载荷类型Kc=Yσcac1/2Kc随应力状态变化而变。试样厚度→增加平面应力→平面应变可见，在平面应变下的Kc值（即K1c）保持稳定的最低值→作为判断依据

脆性断裂发生的判据：（计算）K1≥Kc（测试）

G与K关系

能量分析 应力场强度分析 平面应力平面应变4.3裂纹尖端塑性区在裂纹尖端存在应力奇异点。既使超高强度钢，※①裂纹尖端总要有一定的屈服范围；即塑性变形区。※②塑性区大小对裂纹扩展、能量消耗、路径选择有影响。塑性区大小 平面应力

平面应变当

平面应力 平面应变

③

平面应变下三向拉伸应力状态对裂纹尖端塑性变形产生约束，塑性区为平面应力下1/6。实际塑性区大小要比以上分析要大，主要是由于塑性区应力松驰的结果。④应力松驰使塑性区扩大一倍。平面应力平面应变由于屈服，OG区内超过的应力必须由邻近的OG区域承担，ABC面积=DBEF面积。计算结果和实测结果比较接近由于裂纹尖端塑性区的存在，实际线弹性应力场分布从ABC移至EF，如应按线弹性问题处理，可将塑性区出现看作相当于裂纹尺寸稍微增加。(5)有效裂纹尺寸为裂纹尺寸加上塑性区半径。不论平面应力、平面应变，有效裂纹尖端正好位于x轴的塑性区中心，使K1增大。(6)Keff实际比Kapplied所施加的要大。

（平面应力）

（平面应变）上述修正，适用于塑性区很小情况下。有三种情况：无屈服 r<<2a 适用线弹性断裂力学小屈服 r<2a 经修正适用线弹性断裂力学大范围、 r>2a(同一数量级)适用于弹塑性断裂的全面屈服屈服程度取决于，B（厚度）试样尺寸和强度B↑塑性区↓↑塑性区↓一般B≥2.5为平面应变状态→用于测K1c。4.4弹塑性下的断裂韧性线弹性断裂力学适用于线弹性断裂或小范围屈服断裂，其指标K、G。研究弹塑性下断裂韧性必要性：①实际要求：平面应力状态下强度低；薄板等断裂②K1c测试：用小试样代替大试样，避免浪费。

要求一个从线弹性到大范围屈服以至全面屈服（裂纹尖端应力场复杂，无法精确计算），都始终适用的参数。单值决定裂纹尖端应力应变场强度，达到破坏时，该参数达到极值，可作为断裂判据COD，J积分。4.4.1COD（裂纹张开位移）线弹性下应力变化快（敏感），弹塑性时，应力变化小，应变变化快（敏感），可用裂纹前（张开位移）来反映裂纹端部形变场强度，开裂时，达到一个与试样尺寸无关的常数。断裂准则 ≥COD在线弹性与小范围屈服下，与K1c，G1c同样作为断裂判据，并与其有对应关系： 平面应力平面应变即当K1=K1cG1=G1c=在大范围屈服下 已知（测出）已知外载允许裂纹尺寸a

4.4.2J积分（从能量角度）弹塑性下，外力P对试样做功U，形变功U转变为试样弹性应变能和塑性功，并对裂纹尖端应力应变场产生影响。形变功差率 弹性下 （用裂纹长度略异，形状于尺寸完全相同二个试样，单调加荷到相同位移，所需形变功差率）断裂判据 J≥J1c在线弹性下 J=G（裂纹扩展力）在弹塑性下

W应变能密度。T边界条件决定的应力矢量U位移分量是一个围绕裂纹尖端与积分路径无关的线积分，积分值与路径无关，避开求解弹塑性边界值问题。J积分内围绕裂纹尖端口周围地区应力、应变和位移场组成的线积分给出，J积分由场时度决定，反过来，J积分描述裂纹场的强度。J积分还可以通过外载对试样所做的形变功来测得。第三、四章思考题1.阐述断裂的类型分类、断裂过程和扩展方式。2.影响构件产生脆性断裂和韧性断裂的因素是什么？3.试分析应力集中系数Kt与应力强度因子KI的异同点。4.为什么会出现低应力脆断，如何控制和避免。如何控制低应力脆断。5.试分析解理断裂、晶间断裂与脆性断裂的关系和区别。6.Griffith理论的基本思路和适用范围。7.何谓能量释放率GC。8.裂纹尖端强度因子KI、KII、KIII各表示什么？9.何谓平面应力状态和平面应变状态？工程中如何判断工程构件应力状态。10.分析K1、K1C、KC关系；如何在工程中应用。11.工程常用断裂韧度指标存哪些？分析它们的关系.12.论述裂纹尖端塑性区以作用以及尺寸和修正？第五章断裂控制的转变温度方法5.1摆锤冲击试验简单易行，成本低。重要性1．在科学研究及工程上应用广泛，除HRC，作为参考和对比。2．用于冷脆转变温度的确定（控制温度—断裂方式测试方法）3．概念及应用上的模糊。应用最广的是缺口试样摆锤冲击弯曲试验:载荷大小 30kg·m(294J)，15kgm(147J),10kg·m(98J)冲击试样瞬间速度5~7m/s缺口增加材料脆化倾向从以下四方面：(1)

产生高的应力集中 (2)

产生多轴应力状态(3)

产生高的局部应变硬化和裂纹(4)

引起高的应变率。开缺口的目的：造成应力集中和三轴应力状态，使冲击能量和塑性变形集中在缺口附近不大的体积内，以及缺口处应变速率增大，可增加材料脆化趋势。使材料韧、脆转化温度趋于室温附近，使冲击值对温度更为敏感，有利于观察。一、对冲击韧性的误解1．在冲击韧性概念上认为：在冲击试验中①脆性是由冲击引起的。

实际上光滑试样在很高冲击速度下，现为强度，塑性均提高。在常见机械中所受的载荷的速度范围内，冲击因素本身造成的脆化是不大的。其脆化主要是由缺口导致的，因此，冲击韧性——应称为缺口韧性或冲击缺口的韧性。导致结果：②

在工程上，对带有冲击载荷的性质，片面要求材料过高的冲击值。③实际系列冲击试验是集缺口，低温，冲击等三大脆化因素共同作用，与缺口，温度相比，冲击引起脆性倾向最小。

2．不同材料相同的冲击值的物理意义上相差较大。冲击试样经历了弹性变形、塑性变形、裂纹萌生，裂纹扩展。AI+AII裂纹萌生功、AIII裂纹扩展功对于相同值可有以下三种情况：强度高、塑性低 (2)强度高，一定扩展抗力 (3)强度低，较大扩展抗力

3．对的要求上分两种情况（1） 根据经验规定冲击韧性下限值→<将可能导致断裂。（2）控制材质，工艺过程，质量所提出→稳定性，质量控制。二、的应用1.反映材料对一次或少次较大能量冲击破坏抗力。2.系列冲击试验，估价材料低温脆化趋势。3.用于控制材质冶金质量、热加工艺过程及质量和稳定产品质量。作为钢材验收重要指标之一。

对材料的冶金质量，包括缺陷，显微组织差异特别敏感。4.科研中，新材料，新工艺，对比试验。5.2材料的低温脆性现象30%~40%的断裂事故是由低温造成的，即属于低温低应力脆断（在以下）。低温是相对的：中、低强度钢，脆断发生在低温，0℃以下。 高强度钢或脆性材料，脆断发生在高温，0℃以上。规律：1.体心立方或某些密排六方的金属或合金有明显的低温冷脆性现象。而面心立方金属及合金，一般没有低温脆性（即大范围内）。2.高强度钢不存在脆性转变温度。高强度钢在某一温度下发生脆断，在所有温度下均可发生。3.中、高强度钢防止脆断基本原则，阻止裂纹萌生，一旦萌生会在弹性应力下失稳扩展导致脆断。5.3冷脆断转变温度的确定1．冷脆转变特征温度TK韧脆转变温度通常根据能量、塑性变形、断口形貌等随温度变化来定义TK。(1)V15TT冲击功AK=20.3N·m时作为TK。15ft.b用于低碳钢船用钢板抗脆设计标准。(2)NDT无塑性或零塑性转变温度。材料断裂吸收能量不随时间变化的低能区。<NDT100%解理区(3)FTP材料吸收能量不随时的变化的高能区>FTP得到100%纤维状断口。(4)FTE低能阶与高能阶的平均值对应温度。(5)FATT断口形貌转变温度。一般以脆断面积占50%温度为TK，记为FATT5015ft.b二、TK的测定1．落锤冲击试验测NDT要求开裂前无塑性变形（实际上微量塑性变形）→测NDT

2．NDT与FTEFTP有近似关系FTE=NDT+33℃；FTP=NDT+67℃（板厚≤50mm）FTE=NDT+72℃；FTP=NDT+94℃（板厚>75mm）三、断裂分析图综合应力，缺陷和温度之间关系分析开裂扩展和止裂条件，防止脆断和选择材料.主要用于压力容器的防脆设计。※依据断裂分析图的设计原则：选材时，使材料的冷脆转化温度低于结构的实际使用最低温度，※局限性：1．①冷脆转变温度受试样形状、尺寸、缺口、应力状态，加载速度等方面影响。②受缺陷尺寸影响，初始缺陷急剧降低，当脆断。

冲击试样所得冷脆转变温度与实际构件冷脆转变温度不同，只能说冷脆温度低的材料，具有较低冷脆倾向→不能进行安全设计。2．从工程运用的观点，用K1c进行完全设计，没有必要去寻找冷脆转化温度，只要满足K1<K1c即可保证脆断。与断裂力学方法相比，断裂分析图有些粗糙，往往偏于保守.但由于应用多年，积累了大量事实的经验，仍具有较高的实用价值，此外，断裂力学在解决低强度材料脆断问题上还尚需完善。第五章思考题1.增加材料脆化外界因素有哪些，并分析缺口如何导致脆化。2.对冲击韧性容易产生的错误观念有哪些？3.冲击韧性应用如何？4.何谓V15TT、NDT、ETD、FTE、FATT，并画图示之。5.TK冷脆转变温度如何测定。6.试分析断裂分析图中应力缺陷、温度与断裂方式的关系。7.工程上如何防止低应力脆断？断裂分析图方法局限性。

第六章环境加速开裂和冶金脆性6.1概述环境加速开裂的几种类型：腐蚀开裂：应力腐蚀，活性介质中，静态、准静态应力下的断裂作为。腐蚀疲劳，活性介质中，动态应力作用下的断裂作为。

(2)氢破坏：由于溶入材料内部的氢引起的材料脆性断裂。

(3)接触金属脆化：与低熔点的液态或固态金属长期接触，金属原子扩散入材料内部产生脆性断裂。6.2应力腐蚀定义：在拉应力和特定环境介质作用下，经过一定时间所产生的低应力脆断现象。产生条件：(1)拉应力（外载或残余应力）(2)特种介质（合金与腐蚀环境的特殊配合）如低碳钢的碱脆、硝脆，奥氏体不锈钢的氯脆至今尚不能统一地确定什么材料，在什么典型介质中产生或杜绝应力腐蚀断裂。(3)合金或含杂质金属（纯金属无应力腐蚀）6.3应力腐蚀机理及断裂特征应力腐蚀的基本类别：阳极敏感型应力腐蚀阴极敏感型应力腐蚀→氢脆型应力第I种机理：金属进入溶液变为阳离子而被腐蚀，金属离子进入腐蚀介质而溶解为裂纹。裂纹从蚀坑处萌生，裂纹扩展速率取决于金属的溶解速度。力的作用：a.破坏钝化膜，成为不极化电极；b.应力集中使阳极电位降低，加速溶解。扩展途径：穿晶，应力作用于局部微区产生滑移台阶使保护膜破坏，产生阳极溶解，形成穿晶。沿晶，晶界处受到浸蚀，力破坏保护膜，沿晶扩展。断裂过程与断口形貌与疲劳相近。存在亚临界扩展和最终断裂区→腐蚀、氧化，使之呈黑色，灰黑色。6.3应力腐蚀力学性能指标1．——类似于σ－1不发生应力腐蚀断裂时的临界应力。采用光滑试样在应力和介质共同作用下（断裂时间）曲线。

局限性：实际构件一般不可避免存在裂纹或类似裂纹的缺陷。因此，用光滑试样测定不能反映实际构件应力腐蚀抗力。2．KISCC和（da/dt）II，作为应力腐蚀指标——从断裂力学角度，KISCC应力腐蚀裂纹扩展门槛值。K<KISCC长期处于腐蚀环境下，不开裂。KISCC<K<K1C亚临界扩展最终断裂，用（da/dt）II预测寿命。K＞K1C立刻断裂（无介质作用）

※

高强度合金钢、钛合金，K1SCC有确定极限值※

铝合金、钛合金，K1SCC没有确定极限值3．应力腐蚀断裂时间tT=ttr+tinc+ts（瞬态裂纹扩展时间、潜伏时间、稳态裂纹扩展时间）

≃tinc+ts随着K增加，潜伏时间迅速减少；对KISCC附近测量KISCC，注意有较长的潜伏时间（类似于疲劳过载迟滞现象）否则得到较高的KISCC（不准确）6.4氢脆和氢脆型应力腐蚀一、氢脆机理：氢通过不同机制使金属脆化(1)

氢蚀：氢与金属中第二相作用产生高压气体，使晶界结合力减弱而脆化。

如碳钢在高压氢气中，H与碳化物作用产生高压CH4气泡。(2)

白点：熔炼中过量氢随T↓未扩散外逸而富集在位错附近使晶格伸长，产生较大应力，足以使材料撕裂而形成白点。(3)

氢化物致脆：在纯Ti，V，Zr，Nb及其合金中，易形成氢化物，使塑性韧性降低产生脆化。(4)

氢致延滞断裂，高强度钢或（）Ti合金中，固溶态的氢在低于屈服强度应力持续作用下经一段孕育期，在三向拉应力区形成裂纹并扩展发生脆断——常指的氢脆。二、氢脆型应力腐蚀——阴极类型应力腐蚀

当金属表面和环境介质接触，由于阴极反应产生了原子态氢，如果结合成氢原子过程受到阻滞，一部分氢原子将溶解在金属内部，造成金属脆性；在受力情况下，导致裂纹产生和扩展。断裂包括三个阶段：孕育期、稳定扩展区、快速断裂区。第六章思考题1.环境加速开裂的几种类型。2.何谓应力腐蚀，产生的条件、机理。3.试述应力腐蚀力学性能指标。4.试述氢脆及氢脆型应力腐蚀及机理。5.金属冶金脆性有哪几种。何谓中子辐射脆性，如何消除。

第七章疲劳及疲劳裂纹的萌生与扩展7.1概况1．疲劳：材料在变动载荷下，经过一段时间，发生突然断裂的现象。断裂失效中80%是由疲劳破坏引起的。原因：1）波动载荷普通存在(超载现象)；2）强度设计。2．疲劳失效特点：(循环应力下行为与静载不同)——指高周疲劳(最早开始研究)。(1)失效应力低，(2)不论静载下为韧断还是脆断，循环应力下均无明显塑性变形的突然脆断。(3)裂纹萌生于材料薄弱环节，材料构件表面及本身缺陷敏感。(4)变形的高度局部性和不均匀性(经弹、塑、断三个阶段)。宏观局部3．疲劳研究历史1858年whole第一个曲线。早期研究集中在高周疲劳破坏的宏观规律上。疲劳机理通过金相显微镜发现滑移过程、滑移带、挤入挤出。二十世纪五十年代，电子显微镜等先进测试手段出现，机理研究更深入。并引入位错理论，成为疲劳微观机理依据。六十年代，断裂力学的应用，得到疲劳裂纹扩展规律。近几十年，开始研究应变疲劳、、短裂纹扩展等。7.2疲劳的分类疲劳，直接由载荷波动造成的。最常见分类：高周疲劳（应力疲劳）和低周疲劳（应变疲劳）还受其它环境因素影响温度

环境——腐蚀疲劳完整的疲劳曲线

从高周疲劳到低周疲劳过渡区，曲线不连续。试验结果波动性：一般情况下，高周疲劳曲线。通常为50%破坏几率。

P--N疲劳数据波动大，测一组试样的统计平均值。高周疲劳与低周疲劳的差别：

（应力）f（频率）Nf（寿命）变形高周疲劳低（<）高>106弹性应变为主导低周疲劳高（近于或高于）低102-103塑性应变为主导应用安全寿命及（无限寿命）飞机零部件按有限寿命设计，如果按无限寿命设计量的无法起飞有限寿命疲劳设计方法，更合理，更经济7.3应变疲劳（低周疲劳）每一周期应力一应变曲线构成闭合滞后曲线。

总应变弹性应变塑性应变在低周疲劳初期，由于交变应力作用（周期应变）对材料性能产生影响。经过一定循环次数（寿命10-50%），形变抗力达到恒定数值，滞后回线稳定不变，将不同应变幅度下滞后回线的顶点连在一起，得到周期应力——应变曲线。与单次拉伸应力应变曲线比较，可得到周期应变对材料性质影响。退火金属σb/σ0.2>1.4;——循环硬化循环稳定冷加工金属σb/σ0.2<1.2;——循环软化σb/σ0.21.2~1.4形变强化系数n>0.1循环软化形变强化系数n<0.1循环稳定因此：在承受大应力疲劳时，应选用循环稳定或循环硬化材料，否则，易出现变形失效。在低周或高周疲劳中材料选取是不同的。

高周低应力疲劳-N曲线

强度系数，b强度指数（负值）真实应力幅值寿命决定于循环应力选择高强度材料。低周高应力疲劳曲线

C材料常数（负值）塑性应变幅疲劳延性系数寿命决定于循环应变选择高塑性材料和循环应变系数高的材料。(满足强度前提下)可见，材料疲劳性能的好坏不是绝对的，是相对一定应变范围而定，低应变疲劳和高应变疲劳对材料强度和塑性有相反的要求。7.4疲劳裂纹萌生承受疲劳载荷构件寿命Nf=Ni+Ns+Ne即：萌生寿命+扩展寿命（短裂纹+长裂纹）载荷越低Ni占比重越大。裂纹萌生尺寸按分辨能力来区分：-10-4mm电镜下工程需要工程裂纹尺寸0.076mm，或0.1,0.5mm （疲劳裂纹萌生+早期扩展）萌生机理：局部周期滑移(表面晶粒不受约束易于滑移)→挤入挤出(滑移强烈之处)，晶界，孪晶界，夹杂物，第二相→应力集中(局部达到)→裂纹萌生7.5疲劳裂纹尖端塑性区从裂纹萌生（材料中产生微小局部分离）开始，交变载荷所产生变形就由整体转移到裂纹尖端的局部地区——塑性区。塑性区大小形状及其内部和周围应力场的组织、位错等结构变化，对疲劳过程产生重大影响。周期加载导致裂纹尖端塑性区特点：裂纹尖端存在两个不同塑性区：最大应力对应的单调塑性区应力幅Δσ

对应反向塑性区

—反复承受拉抻和压缩变形。平面应力—平面应变—

大约为(2)裂纹尖端存在残余压应力裂纹的闭合。7.6长裂纹的扩展规律196