材料的力学性能08课件

第八章金属的疲劳金属在循环载荷作用下，即使所受的应力低于屈服强度，也会发生断裂，这种现象称为疲劳。

疲劳断裂，一般不发生明显的塑性变形，难以检测和预防，因而机件的疲劳断裂会造成很大的经济以至生命的损失。

疲劳研究的主要目的：为防止机械和结构的疲劳失效。8.1绪言疲劳失效的过程和机制。介绍估算裂纹形成寿命的方法，以及延寿技术。介绍一些疲劳研究的新成果。金属疲劳的基本概念和一般规律。

本章主要介绍具体目的：▲精确地估算机械结构的零构件的疲劳寿命，简称定寿，保证在服役期内零构件不会发生疲劳失效；

▲采用经济而有效的技术和管理措施以延长疲劳寿命，简称延寿，从而提高产品质量。③加载频率f，单位为Hz。还有加载波形，如正弦波，三角波以及其它波形②

平均应力σm或应力比R

σm＝(σmax+σmin)／2R=σmin

/σmax①

应力幅σa或应力范围Δσ

σa=Δσ/2=(σmax-σmin)/2,

σmax和σmin分别为循环最大应力和循环最小应力；循环应力的特征参数：循环应力分为下列几种典型情况：(1)交变对称循环，σm=0，R＝-1，如图8-1(a)所示。大多数轴类零件，通常受到交变对称循环应力的作用；这种应力可能是弯曲应力、扭转应力、或者是两者的复合。

(2)交变不对称循环，0＜σm＜σa，-1＜R＜0，如图8-1(b)所示。结构中某些支撑件受到这种循环应力-大拉小压的作用。(3)脉动循环，σm=σa，R＝0，如图8-1(c)所示。齿轮的齿根和某些压力容器受到这种脉动循环应力的作用。

(4)波动循环，σm>σa，0＜R＜1，如图8-1(d)所示。飞机机翼下翼面、钢梁的下翼缘以及预紧螺栓等，均承受这种循环应力的作用。(5)脉动压缩循环、大压小拉循环等等。滚珠轴承受到脉动压缩循环应力，内燃机连秆受到大压小拉循环应力的作用。疲劳寿命曲线可以分为三个区：(1)低循环疲劳(LowCycleFatigue)区在很高的应力下，在很少的循环次数后，试件即发生断裂，并有较明显的塑性变形。一般认为，低循环疲劳发生在循环应力超出弹性极限，疲劳寿命在0.25到104或105次之间。因此，低循环疲劳又可称为短寿命疲劳。

(2)高循环疲劳(HighCycleFatigue)区在高循环疲劳区，循环应力低于弹性极限，疲劳寿命长，Nf＞105次循环，且随循环应力降低而大大地延长。试件在最终断裂前，整体上无可测的塑性变形，因而在宏观上表现为脆性断裂。在此区内，试件的疲劳寿命长，故可将高循环疲劳称为长寿命疲劳。(3)无限寿命区或安全区试件在低于某一临界应力幅σac的应力下，可以经受无数次应力循环而不断裂，疲劳寿命趋于无限；即σa≤σac，Nf→∞。故可将σac称为材料的理论疲劳极限或耐久限。在绝大多数情况下，S-N曲线存在一条水平渐近线，其高度即为σac.（见图8-3）。

疲劳极限：在指定的疲劳寿命下，试件所能承受的上限应力幅值。指定寿命通常取Nf=107cycles。在应力比R=-1时测定的疲劳极限记为σ-1。测定疲劳极限最简单的方法是所谓的单点试验法。

常采用升降法测定疲劳极限。工程上的定义8.2.3疲劳极限及其实验测定疲劳极限：试件可经受无限的应力循环而不发生断裂，所能承受的上限循环应力幅值。光滑试件的疲劳极限σ-1

切口试件的疲劳极限σ-1n

疲劳强度缩减系数Kf

Kf=σ-1/σ-1n

疲劳切口敏感度qq=(Kf-1)/(Kt-1)(8-8)

q

=0，Kf

=1，疲劳极限不因切口存在而降低，即对切口不敏感。

q=1，Kf=Kt

，即表示对切口敏感。图8-7应力集中对高强度铝合金LC9疲劳寿命的影响

实验表明，

q之值随材料强度的升高而增大，这说明高强度材料的疲劳切口敏感度较高。8.4疲劳切口敏感度

疲劳载荷谱：按某种规律随时间而变化的载荷曲线。图8-9疲劳载荷谱示意图

8.5累积疲劳损伤变幅载荷图8-9示意地表示零件所受的变幅应力。图8-10疲劳寿命曲线与累积损伤计算示意图

如何根据等幅载荷下测定的S-N曲线，估算变幅载荷下的疲劳寿命。常用的是Miner线性累积伤定则。当总损伤度达到临界值时，发生疲劳失效。显然，在恒幅载荷下，损伤度的临界值为1.0。

若零件所受的变幅载荷有m级，则在不同级的循环应力下所造成的总损伤度为若将恒幅加载看成变幅载荷的特例，则变幅载荷下损伤度的临界值也应为1.0。故有

即在变幅载荷下，疲劳总损伤度达到1.0时，发生疲劳失效。此即Miner线性累积损伤定则。（8-9）

8.6疲劳失效过程和机制8.6.1疲劳裂纹形成过程和机制

疲劳失效过程可以分为三个主要阶段：①疲劳裂纹形成，②疲劳裂纹扩展，③当裂纹扩展达到临界尺寸时，发生最终的断裂。疲劳的初期，出现滑移带。随着循环数的增加，滑移带增加。除去滑移带，重新循环加载，滑移带又在原处再现。这种滑移带称为持久滑移带(PersistSlipBand)。在持久滑移带中出现疲劳裂纹。已形成的微裂纹在循环加载时将继续长大。当微裂纹顶端接近晶界时，其长大速率减小甚至停止长大。这必然是因为相邻晶粒内滑移系的取向不同。循环滑移带的持久性微裂纹只有穿过晶界，才能与相邻晶粒内的微裂纹联接，或向相邻晶粒内扩展，以形成宏观尺度的疲劳裂纹。因为晶界有阻碍微裂纹长大和联接的作用，因而有利于延长疲劳裂纹形成寿命和疲劳寿命。较大的夹杂物或第二相，会由于夹杂物与基体界面开裂而形成微裂纹。第二相在循环加载，会形成沿晶裂纹。

第I阶段，裂纹沿着与拉应力成45o的方向，即在切应力最大的滑移面内扩展。第I阶段裂纹扩展的距离一般都很小，约为2－3个晶粒。

第II阶段，裂纹扩展方向与拉应力垂直。在电子显微镜下可显示出疲劳条带。疲劳带是每次循环加载形成的。

8.6.2疲劳裂纹扩展过程和机制疲劳裂纹扩可分为两个阶段。

由此可见，每加载一次，裂纹向前扩展一段距离，这就是裂纹扩展速率da／dN，同时在断口上留下一疲劳条带，而且裂纹扩展是在拉伸加载时进行的。裂纹扩展的塑性钝化模型与实验观测结果相符。图8-17裂纹扩展的塑性钝化模型

上一页

应当指出，疲劳条带只是在塑性好的材料，尤其是具有面心立方晶格的铝合金、奥氏体不锈钢等的疲劳断口上清晰地观察到。在一些低塑性材料中，如粗片状珠光体钢，疲劳裂纹以微区解理(Microcleavage)或沿晶分离的方式扩展，因而在这类材料的疲劳断口上不能观察到疲劳条带。

注意，不可将疲劳条带与宏观疲劳断口上的贝壳状条纹相混淆。宏观疲劳断口上的贝壳状条纹是由于循环加载条件的变化而形成的。若在电子显微镜下观察贝壳状条纹，可以看出它是由很多疲劳条带组成的。该模型的缺点：屈服强度高的材料与实验观测结果不符。图8-20应力应变回线随循环次数变化示意图,(a)退火铜；(b)加工硬化铜对于某些合金，要使其△ε或△εp

保持恒定，则必须随加载循环数的增加提高应力幅,这种现象称为循环硬化；反之，则为循环软化。

当△εp=C时，应力幅随循环加载次数变化示意图。循环硬化或软化可分为三个阶段：加载开始时的快速硬化或软化阶段，循环硬化或软化速率逐小的过渡阶段，以及循环硬化或软化的饱和阶段。

图8-21循环硬化(1)和循环软化（2）变化情况示意图

8.7.3应变疲劳曲线和表达式

总应变范围△ε是弹性应变范围△εe与塑性应变范围△εp之和：

△ε=△εe+△εp应变疲劳试验时试件所受的循环应变幅超出弹性极限，故试件的疲劳寿命短，故又将应变疲劳称为低循环疲劳或低周疲劳。图8-23应变疲劳寿命曲线

应变疲劳试验时，控制总应变范围或者控制塑性应变范围。在给定的△ε或△εp下，测定疲劳寿命Nf，将应变疲劳实验数据在logNf-log△ε双对数坐标纸上作图，即得应变疲劳寿命曲线。

对a-N曲线求导，即得裂纹扩展速率da／dN，也就是每循环一次裂纹扩展的距离，单位为m／cycle。8.8疲劳裂纹形成寿命的估算

(略)8.9疲劳裂纹扩展速率及门槛值

8.9.1疲劳裂纹扩展速率的测定在固定的载荷△P和应力比R下进行。实验时每隔一定的加载循环数，测定裂纹长度a，作出a-N关系曲线。图8-27裂纹长度与加载循环数关系曲线再将相应的裂纹长度，代入应力强度因子表达式计算出△K。最后绘制出da／dN-△K关系曲线，即疲劳裂纹扩展速率曲线。图8-28典型的疲劳裂纹扩展速率曲线

疲劳裂纹扩展速率曲线可以分为三个区：I区为近门槛区，裂纹扩展速率随着△K的降低而迅速降低，以至da／dN→0。与此相对应△K值称为疲劳裂纹扩展门槛值，记为△Kth。当△K≤△Kth

时，da／dN＝0。这是裂纹扩展门槛值的物理定义或理论定义。实验测定的裂纹扩展门槛值常定义为：da／dN＝1-3×10-10m／cycle时的△K值。I区接近于△Kth

，故又将I区称为近门槛区。II区为中部区或稳态扩展区，对应于da／dN＝10-8-10-6

m／cycle。在II区；裂纹扩展速率在logda/dN-log△K

双对数坐标上呈一直线。III区为裂纹快速扩展区，da／dN

＞10-6-10-5m／cycle,并随着△K的增大而迅速升高。当Kmax＝△K／(1-R)=KIC

时，试件或零件断裂。

为了精确地估算零件的裂纹扩展寿命最著名――Paris裂纹扩展速率公式

提高ΔKth之值，使裂纹扩展速率大大降低。显微组织变化引起了裂纹在Ⅱ区扩展机制的改变,裂纹在Ⅱ区若裂纹以非条带机制扩展，则提高材料的强度和塑性可降低裂纹扩展速率。

8.9.3降低疲劳裂纹扩展速率的途径8.9.2疲劳裂纹扩展速率表达式da／dN＝C△Km(8-18)式中C，m为实验测定的常数。Paris公式仅适用于II区。(经验公式)按(8-23)式计算裂纹扩展寿命，要选择合适的裂纹扩展速率公式，确定初始裂纹尺寸ai和临界裂纹尺寸ac，即积分的上、下限。修正后的Paris公式，计算裂纹扩展寿命，即用Paris公式计算裂纹扩展寿命将会给出保守的结果。

8.9.4疲劳裂纹扩展寿命估算（8-24）（8-23）零件的裂纹扩展寿命Np，可按下式估算8.10延寿技术1．细化晶粒随着晶粒尺寸的减小，合金的裂纹形成寿命和疲劳总寿命延长。2．减少和细化合金中的夹杂物细化合金中的夹杂物颗粒，可以延长疲劳寿命。3．微量合金化向低碳钢中加铌，大幅度地提高钢的强度和裂纹形成门槛值，大幅度地延长裂纹形成寿命。4．减少高强度钢中的残余奥氏体将高强度马氏体纲中的残余奥氏体