《材料性能学》课件-第五章 材料的疲劳性能

第五章材料的疲劳性能1979年，一架美国的“DC-10”大型客机在芝加哥奥黑尔国际机场起飞不久就坠毁。

1985年8月，日航的一架5ALl23客机，由于后部压力隔板的开裂而坠毁。

2002年5月，台湾中华航空公司一架波音747客机在台湾海峡贬空突然解体，造成225人遇难。

事后的调查结果显示，上述的机毁人亡事故均是由飞机结构的疲劳破坏引起的。飞机的疲劳、腐蚀和磨损是引起飞机事故的3种主要模式。据国外资料统计，飞机由结构引发的故障，80%以上是由疲劳失效引起的。飞机疲劳寿命主要取决于两个方面因素：一方面是飞机自身的内部因素，即飞机结构的疲劳设计、材料和加工质量等；另一方面是飞机的外部因素，即飞机的实际使用载荷。材料的疲劳问题研究从近150多年开始一直受到人们的关注，原因之一就是工程中的零件或构件的破坏80%以上是由于疲劳引起。前言疲劳破坏表现的形式：机械疲劳—外加应力/应变波动造成的。蠕变疲劳—循环载荷与高温联合作用下的疲劳。热机械疲劳—循环受载部件的温度变动时材料的疲劳。腐蚀疲劳、接触疲劳、微动疲劳、电致疲劳等等。1、变动载荷→疲劳断裂。2、研究疲劳的一般规律、疲劳破坏过程及机理、疲劳力学性能及其影响因素等。工程中许多机件和构件服役时都承受变动载荷，如曲轴、连杆、齿轮、辊子、叶片及桥梁等，它们的失效形式主要是疲劳断裂。第一节疲劳破坏的一般规律一、疲劳破坏的变动应力

变动载荷是指载荷大小，甚至方向随时间变化的载荷。变动载荷在单位面积上的平均值称为变动应力。疲劳：工件在变动载荷和应变长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象。规则周期变动应力（循环应力）无规则随机变动应力一、疲劳破坏的变动应力图5-1变动应力示意图一般机件承受的变动应力多为循环应力。变化的波形有正弦波、矩形波和三角波等。其中最常见的为正弦波。表征应力循环特征的参量

①最大循环应力σmax，最小循环应力σmin；②平均应力σm=(σmax+σmin)/2；③应力幅σa或应力范围△σ：σa=△σ/2=(σmax-σmin)/2；④应力比r=σmin/σmax图5-2循环应力的类型⑴对称循环，σm=0，r=-1，大多数旋转轴类零件承受此类应力。⑵不对称循环：σm≠0，-l<r<1。发动机连杆或结构中某些支撑杆、螺栓承受此类应力，σa>σm>0,-l<r<0。图5-2循环应力的类型⑶脉动循环：σa=σm>0，r=0，齿轮的齿根及某些压力容器承受此类应力。-σa

＝σm<0，r=-∞，轴承承受脉动循环压应力。⑷波动循环：σm>σa，0<r<1。发动机气缸盖、螺栓承受这种应力。图5-3农用挂车前轴的载荷谱⑸随机变动应力：循环应力呈随机变化，如运行时因道路或云层的变化，汽车、拖拉机及飞机等的零件。工作应力随对间随机变化，如图5-3所示。1、疲劳破坏的概念疲劳的破坏过程是材料内部薄弱区域的组织在变动应力作用下，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累积，最终引起整体破坏的过程。二、疲劳破坏的概念和特点1、疲劳破坏的概念

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的抗拉强度，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。这种规律可用疲劳曲线描述。二、疲劳破坏的概念和特点1、疲劳破坏的概念

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。

二、疲劳破坏的概念和特点2、疲劳破坏的特点⑴该破坏是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。⑵疲劳破坏属低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命的预测就显得十分重要和必要。二、疲劳破坏的概念和特点2、疲劳破坏的特点⑶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样性。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。二、疲劳破坏的概念和特点⑷可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。高周疲劳的断裂寿命（N）较长，N>105，断裂应力水平较低，σ<σs

，又称低应力疲劳，为常见的材料疲劳形式；低周疲劳的断裂寿命较短，N=102~105，断裂应力水平较高，σ≥σs，往往伴有塑性应变发生，常称为高应力疲劳或应变疲劳。二、疲劳破坏的概念和特点图5-4带键的轴旋转弯曲疲劳断口40钢典型疲劳断口具有3个特征区：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区

三、疲劳断口的宏观特征疲劳源疲劳裂纹扩展区瞬断区疲劳源多出现在机件表面，常和缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相连。但若材料内部存在严重冶金缺陷(夹杂、缩孔、偏析、白点等)，也会因局部材料强度降低而在机件内部引发出疲劳源。疲劳源区比较光亮，而且因加工硬化，该区表面硬度会有所提高。三、疲劳断口的宏观特征机件疲劳破坏的疲劳源可以是一个，也可以是多个，它与机件的应力状态及过载程度有关。如单向弯曲疲劳仅产生一个源区，双向反复弯曲可出现两个疲劳源。过载程度愈高，名义应力越大，出现疲劳源的数目就越多。若断口中同时存在几个疲劳源，可根据每个疲劳区大小、源区的光亮程度确定各疲劳源产生的先后，源区越光亮，相连的疲劳区越大，就越先产生；反之，产生的就晚。三、疲劳断口的宏观特征

疲劳区是疲劳裂纹亚临界扩展形成的区域。其宏观特征是：断口较光滑并分布有贝纹线（或海滩花样），有时还有裂纹扩展台阶。

贝纹线是疲劳区的最典型特征，一般认为是因载荷变动引起的，因为机器运转时不可避免地常有启动、停歇、偶然过载等，均要在裂纹扩展前沿线留下弧状贝纹线痕迹。三、疲劳断口的宏观特征脆性断裂区疲劳区疲劳源疲劳纹“贝纹”状花样疲劳区的每组贝纹线好像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，表明裂纹扩展较慢；远离疲劳源区贝纹线较稀疏、粗糙，表明此段裂纹扩展较快。三、疲劳断口的宏观特征三、疲劳断口的宏观特征裂纹源光滑区粗糙区

瞬断区是裂纹失稳扩展形成的区域。在疲劳亚临界扩展阶段，随应力循环增加，裂纹不断增长，当增加到临界尺寸ac

时，裂纹尖端的应力场强度因子KI，达到材料断裂韧性KIc时，裂纹就失稳快速扩展，导致机件瞬时断裂。三、疲劳断口的宏观特征

该区的断口比疲劳区粗糙，宏观特征如同静载，随材料性质而变。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，边缘平面应力区则有剪切唇区存在。瞬断区一般应在疲劳源对侧。瞬断区大小与机件承受名义应力及材料性质有关，高名义应力或低韧性材料，瞬断区大：反之，瞬断区则小。三、疲劳断口的宏观特征§5.2疲劳破坏的机理一、金属材料疲劳破坏机理二、非金属材料疲劳破坏机理一、金属材料疲劳破坏机理1、疲劳裂纹的萌生图5-5疲劳微裂纹的3种形式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1、疲劳裂纹的萌生在循环载荷的作用下，会在试件表面形成循环滑移带。循环滑移带在表面加宽过程中，还会出现挤出脊和侵入沟，随着挤出脊高度与侵入沟深度的不断增加。侵入沟就像很尖锐的微观缺口，应力集中严重，疲劳微裂纹也就易在此处萌生。图5-6金属表面“挤出”与“侵入”并形成裂纹1．疲劳裂纹的萌生图5-7Cottrell和Hull的侵入和挤出模型S1S1S1S1S1S2S2S2S2S2QQ`QQQPP`PPPP`

2、疲劳裂纹的扩展第Ⅰ阶段是沿着最大切应力方向向内扩展。随即疲劳裂纹便进入第Ⅱ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。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阶段在电子显微镜下可显示出疲劳条带。疲劳条带2、疲劳裂纹的扩展

疲劳条带(疲劳辉纹)是略呈弯曲并相互平行的沟槽状花样，与裂纹扩展方向垂直，是裂纹扩展时留下的微观痕迹，为疲劳断口最典型的微观特征。

图5-10韧性疲劳条带形成过程示意图2、疲劳裂纹的扩展公认的塑性钝化模型Laird和Smith提出的L-S模型。张开钝化和闭合锐化。图5-11F（Forsyth）-R（Ryder）再生核模型(a)拉应力半周期内裂纹尖端形成空洞，再生核(b)再生核裂纹与主裂纹桥接2、疲劳裂纹的扩展图5-12两种疲劳条带示意图(a)韧性条带(b)脆性条带韧性条带只有相互平行的弧状条纹，脆性条带除此之外，还带有解理台阶的河流花样，它们大致垂直于疲劳条带线。

2、疲劳裂纹的扩展裂纹扩展方向裂纹扩展方向脆性断裂

疲劳损伤是材料在使用过程中逐渐累积的结果。但是在实际观察不同材料的疲劳断口时，并不一定都能看到清晰的疲劳条带。一般滑移系多的面心立方金属，如Al、Cu合金和18-8不锈钢，其疲劳条带比较明显；而滑移系较少或组织状态较复杂的钢铁材料，其疲劳条带往往短窄而紊乱，甚至看不到。2、疲劳裂纹的扩展疲劳条带是疲劳断口的微观特征，贝纹线是断口的宏观特征，在相邻贝纹线间可能有成千上万条疲劳条带。1、陶瓷材料的疲劳破坏机理高分子聚合物的疲劳破坏机理低密度聚乙烯复合材料与金属材料拉-拉疲劳的比循环应力-循环次数图1-铝合金2-合金钢3-钛合金4-复合材料3、复合材料的疲劳破坏机理与金属材料比较，复合材料具有良好的疲劳性能。疲劳破坏特点：

(1)有多种疲劳损伤形式：如界面脱粘，分层、纤维断裂、空隙增长等。实际上，每种损伤模型都是由多种微观裂纹(或微观破坏)构成的。损伤沿着最佳方位起始和扩展，可以一种或多种形式出现。3、复合材料的疲劳破坏机理⑵复合材料不会发生瞬时的疲劳破坏，常常难以确认破坏与否，故不能沿用金属材料的判断准则。常以疲劳过程中材料弹性模量下降的百分数(如下降l％~2％)、共振频率变化(如1~2Hz)作为破坏依据。⑶聚合物基复合材料承受循环应力时，因材料导热性能差，又可吸收机械能变为热能，且不易逸散，因此温度明显升高，导致材料性能下降，显示出复合材料的疲劳性能对加载频率敏感。3、复合材料的疲劳破坏机理⑷与金属材料不同，较大的应变会使纤维与基体变形不协调引起纤维与基体界面的开裂形成疲劳源，压缩应变使复合材料纵向开裂而提前破坏，所以复合材料的疲劳性能对应变尤其压缩应变特别敏感。二、非金属材料疲劳破坏机理3、复合材料的疲劳破坏机理

(5)复合材料的疲劳性能与纤维取向有关。纤维是主要承载组分，抗疲劳性能又好，故沿纤维方向具有很好的疲劳强度。纤维垂直于载荷方向或与载荷方向成大角度的密集区域，损伤起源于纤维与基体的脱粘。短纤维时还常损伤于纤维末端，故其疲劳强度较低。3、复合材料的疲劳破坏机理第三节疲劳抗力指标一、疲劳试验方法在纯弯曲变形下,测定对称循环的持久极限，技术上较简单.将材料加工成最小直径为7～10mm,表面磨光的试件,每组试验包括10根左右的试件.1、旋转弯曲疲劳试验：(1)四点弯曲，对称循环(σm＝0，r＝-1)。(2)测定方法：①试样（若干），旋转弯曲疲劳试验机；②选择最大循环应力σmax

(0.67σb～0.4σb)

（σ1，σ2，σ3…～σn

）；③对每个试样进行循环加载试验直至断裂；④测定应力循环数N；

(σ1,N1),(σ2,N2)…⑤绘制σ(σmax)-N(lgN)曲线。一、疲劳试验方法图5-16几种材料的S-N曲线一、疲劳试验方法大量试验表明，金属材料疲劳曲线有两种类型：一类有水平线，如一般结构钢和球墨铸铁的疲劳曲线，据此，可标定出无限寿命的疲劳强度σ-1

；另一类无水平线，如有色合金、不锈钢和高强钢的疲劳曲线，只能根据材料的使用要求测定有限寿命N1=106、107或108

下的条件疲劳强度。由于每种应力值采用的试样仅一个，而影响疲劳试验的因素诸多，故试验时数据分散，精度不高，因此国家标准GB4337-84推荐采用多点升降法测定中值疲劳强度σ-1以提高测量精度。一、疲劳试验方法疲劳强度定义为在指定疲劳寿命下，材料能承受的上限循环力。根据要求，指定的疲劳寿命可为无限周次也可为有限周次。疲劳强度是保证机件疲劳寿命的重要材料性能指标，是评定材料、制订工艺和疲劳设计的依据。二、疲劳强度1、对称循环疲劳强度常见的对称循环载荷有对称弯曲、对称扭转、对称拉压等。对应的疲劳强度分别记为σ-1、τ-1及σ-1P，其中σ-1是最常用的。2、不对称循环疲劳强度对于在不对称循环载荷下工作的材料或机件，设计或使用时还需测定材料在相应的不对称循环载荷下的疲劳强度。理论上，可模拟载荷的形式进行实验，测定相应的疲劳曲线以确定疲劳强度，但常因实验条件所限，很难实现。一般多用工程作图法，由疲劳图求出各种不对称循环应力下的疲劳强度。二、疲劳强度二、疲劳强度平均应力σm=(σmax+σmin)/2应力幅σa=(σmax-σmin)/2AHB曲线上各点σmax

值即表示由r=-1~1各状态下的疲劳强度

其实，这种疲劳图的AHB曲线和AEC曲线，也可根据材料σ-1、σb值利用Geber关系绘制二、疲劳强度图5-18塑性材料σmax(σmin)-σm疲劳图二、疲劳强度疲劳图仅适合于脆性材料，需要用σs修正

3、不同应力状态下的疲劳强度同种材料在不同应力状态下，表现出的应力-寿命曲线不同，相应的疲劳强度也不相同。试验表明，弯曲、扭转和抗压疲劳强度存在以下经验关系式。钢铸铁

钢及轻合金

铸铁

式中：σ-1P为对称拉压疲劳强度；τ-1为对称扭转疲劳强度；σ-1为对称弯曲疲劳强度．二、疲劳强度同种材料的疲劳强度σ-1＞σ-1P＞τ-1。因为弯曲疲劳时，试样截面上应力分布不均匀，表面应力最大，只有表面层才产生疲劳损伤，而拉压疲劳时，试样截面的应力均匀分布，整个截面都有可能疲劳损伤，因而，σ-1＞σ-1P。扭转疲劳时切应力大，比变动拉应力更易使材料发生滑移，产生疲劳损伤，故τ-1最小。这些经验关系尽管有误差(10％~30％)，但对于估计疲劳强度值有一定的参考价值。二、疲劳强度

4、疲劳强度与静强度间关系

试验表明，材料的抗拉强度愈大，其疲劳强度也愈大。对于中、低强度钢，疲劳强度与抗拉强度间大体呈线性关系，且可近似表示成σ-1=0.5σb。二、疲劳强度但抗拉强度较高时，这种线性关系要改变，因为强度较高时，材料的塑性和断裂韧性降低，裂纹易于形成和扩展。图5-19钢的疲劳极限σ-1与抗拉强度σb的关系二、疲劳强度经验公式

1、过载持久值材料在高于疲劳强度的一定应力下工作，发生疲劳断裂的应力循环周次称为材料的过载持久值，也称为有限疲劳寿命。过载持久值表征了材料对过载荷疲劳的抗力，该值可由疲劳曲线倾斜部分确定。曲线倾斜角愈陡直，持久值就愈高，表明材料在相同的过载条件（纵坐标值）下能经受的应力循环周次愈多，材料对过载荷的抗力愈高。三、过载持久值及过载损伤界过载分类：长久过载(σ>σ-1)→有限寿命服役；偶然过载。2、过载损伤界实际上，机件往往预先受短期过载，而后再在正常的工作应力下运行。这种短期的过载对材料的性能(σ-1或过载寿命)是否产生影响，取决于过载应力及过载周次。

实验证明，材料在过载应力水平下只有运转一定周次后，疲劳强度或疲劳寿命才会降低，造成过载损伤。三、过载持久值及过载损伤界图5-20过载损伤界三、过载持久值及过载损伤界把在每个过载应力下运行能引起损伤的最少循环周次连接起来，就得到该材料的过载损伤界。材料的过载损伤界越陡直，损伤区愈窄，则其抵抗疲劳过载能力就愈强。工程上在过载疲劳机件选材时，有时宁可选σ-1低些，也要选疲劳损伤区窄的材料。有人用材料内部的非扩展裂纹解释材料的疲劳过载损伤现象。当过载运转一定循环周次后，疲劳损伤累积形成的裂纹尺寸超过材料在σ-1下的非扩展裂纹尺寸时，则会降低疲劳强度；反之，过载累积损伤造成的裂纹尺寸小于σ-1应力的非扩展裂纹的尺寸时，裂纹不会扩展，过载对材料并未造成损伤。三、过载持久值及过载损伤界材料在变动应力作用下的缺口敏感性，常用疲劳缺口敏感度qf表征，即式中：Kt为理论应力集中系数，可查有关手册，Kt＞1；Kf为疲劳缺口系数。

四、疲劳缺口敏感度

Kf为光滑试样和缺口试样疲劳强度之比，，Kf＞1，具体值与缺口几何形状、材料等因素有关。当初人们用qf而不用Kf表征材料缺口敏感度，是企图消除缺口几何形状影响。实验证明，qf并非只决定于材料的常数，当缺口根部r＜1mm时，仍与缺口形状、尺寸有关。四、疲劳缺口敏感度图5-21缺口半径和材料强度对缺口敏感度qf的影响四、疲劳缺口敏感度图5-22疲劳裂纹扩展曲线五、疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值当裂纹a长大到临界裂纹尺寸ac时，试样断裂。裂纹扩展速率da/dN不仅与裂纹长度有关，还与应力水平有关。应力增加，裂纹扩展加快，a-N曲线向左上方移动，ac相应减少。

图5-23lg(da/dN)-lg△KⅠ关系曲线lg△KⅠ疲劳裂纹扩展门槛值Paris公式

KⅠc(或Kc)ΔKth将a-N曲线上各点的da／dN值用图解微分法或递增多项式计算法计算出来;利用应力强度因子幅(ΔKⅠ)公式将相应各点的ΔKⅠ值求出，在双对数坐标系上描点连接即得lgda/dN-lgΔKⅠ曲线。在Ⅰ区，随△KⅠ值的降低，da/dN快速降低，当△KⅠ值降低至△Kth时，da/dN=0，意为疲劳裂纹不扩展；只有△KⅠ＞△Kth时，才有da/dN＞0，裂纹才会扩展。△Kth代表疲劳裂纹不扩展的△KⅠ临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值，表征材料阻止疲劳裂纹开始扩展的能力。

该值越大，材料的疲劳裂纹开始扩展所受的阻力越大，材料抗疲劳裂纹扩展的能力就越强。△Kth的单位与KⅠ的相同，为MN•m-3/2或MPa•m1/2

。同为表征材料无限寿命疲劳性能的△Kth和σ-1，但含义完全不同，σ-1(疲劳强度)代表的是光滑试样的无限寿命疲劳强度，适用于传统的疲劳强度设计和校核；△Kth(疲劳裂纹扩展门槛值)代表的是裂纹试样的无限寿命疲劳性能，适于裂纹件的设计和疲劳强度校核。五、疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值含裂纹件不发生疲劳断裂(无限寿命)的校核公式为：五、疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值

1、已知裂纹件的原始裂纹长度a和材料的疲劳门槛值△Kth，可求得该件在无限疲劳寿命时的承载能力：

2、已知裂纹件的工作载荷△σ和材料的疲劳门槛值△Kth，即可求得裂纹的允许尺寸a：五、疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值实际实验时，很难根据da/dN=0，确定△Kth值。为此，工程上，常规定在平面应变状态下，da/dN=10-6~10-7mm/周次对应的△KⅠ值为△Kth，并称之为条件疲劳裂纹扩展门槛值。⑴Forman公式该式概括了应力比的影响、Ⅱ区的裂纹扩展及最终疲劳断裂的条件。五、疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值

(2)考虑了门槛值△Kth影响的公式该式描述了裂纹在近门槛区——I区和Ⅱ区的扩展五、疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值

(3)描述整个裂纹扩展过程的公式以上各式中A定义为疲劳裂纹扩展系数，是与拉伸性能有关的常数。Kc是与试样的厚度有关的材料断裂韧度；m为材料试验常数。五、疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值对零件的疲劳剩余寿命进行估算时，要先用无损探伤法确定出零件的初始裂纹长a0、形状、位置和取向，以确定裂尖△KⅠ值。再根据已知材料的断裂韧度KⅠc

及名义工作应力△σ

确定临界裂纹长度ac，最后根据所决定采用的裂纹扩展速率表达式，用积分法算出从初始裂纹长a0扩展到临界长ac所需的循环周次N，即为疲劳剩余寿命Nf或是说材料出现初始裂纹a0后的疲劳裂纹扩展寿命。五、疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值五、疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值若用Paris公式求疲劳剩余寿命，则有：第四节影响材料及机件疲劳强度的因素1．载荷条件(1)应力状态和平均应力，应力比的影响规律。(2)在过载损伤区内的过载将降低材料的疲劳强度或寿命。(3)次载锻炼：材料特别是金属在低于疲劳强度的应力先运转一定周次锻炼，可以提高材料的疲劳强度。一、工作条件的影响图5-24次载锻炼对疲劳曲线的影响一、工作条件的影响(4)间歇效应：实验表明，对应变时效材料，在循环加载的运行中，若间歇空载一段时间或间隙时适当加温，可提高疲劳强度，并延长疲劳寿命。(5)载荷频率：在一定的频率范围(170~1000Hz)内，材料的疲劳强度随加载频率的增加而提高。在常用的频率间(50~170Hz)，材料的疲劳强度基本不受频率变化影响；低于1Hz的加载，疲劳强度有所降低。一、工作条件的影响2、温度温度对材料疲劳强度的影响和静强度的影响规律相似，即随温度降低，疲劳强度升高，温度升高，疲劳强度降低，但在某些温度范围因时效、热脆等现象，疲劳强度会出现峰值或谷值。如结构钢在400℃以上时，疲劳强度急剧下降。高温时材料的疲劳曲线没有水平段，疲劳强度只能按规定的循环周次确定。

一、工作条件的影响3、腐蚀介质腐蚀性介质因使材料表面腐蚀产生蚀坑，而降低材料的疲劳强度导致腐蚀疲劳。一般腐蚀疲劳曲线无水平段，只能按规定循环周次确定疲劳强度。腐蚀疲劳强度与材料的静强度间σb无正比关系。

一、工作条件的影响

1、表面状态

机件表面缺口因应力集中往往是疲劳策源地，引起疲劳断裂，可用Kf与qf表征缺口应力集中对材料疲劳强度的影响。Kf

与qf越大，材料的疲劳强度就降得越低。且这种影响随材料强度的增高，更加显著。据此，受循环应力作用的机件选用高强材料制造时，表面须经过仔细的加工，不允许有刀痕、擦伤或大的缺陷，否则材料疲劳强度会显著降低。二、表面状态及尺寸因素

2、尺寸因素在变动载荷作用下，随机件尺寸增大使疲劳强度下降的现象，称为尺寸效应，可用尺寸效应系数ε表示，即式中：(σ-1)d为直径为d的机件的疲劳强度；σ-1为小试样的疲劳强度。缺口试样比光滑试样的尺寸效应更明显。二、表面状态及尺寸因素图5-25表面强化提高疲劳极限示意图三、表面强化及残余应力的影响提高机件表面塑变抗力(硬度和强度)，降低表面的有效拉应力，即可抑制材料表面疲劳裂纹的萌生和扩展，有效地提高承受弯曲与扭转循环载荷下材料的疲劳强度。由于表层疲劳强度的提高及表面残余压应力的作用，使表层总应力降低至强化层疲劳强度以下，便会制止疲劳断裂。这种表面强化处理产生的残余压应力，因在表面缺口处产生压应力集中，可有效地降低缺口根部的拉应力集中，对带缺口机件的有利影响更为显著。三、表面强化及残余应力的影响

1、表面喷丸及滚压

表面喷丸可使金属机件表面形变强化，并在塑变层内产生残余压应力。既提高了表层材料强度；又能抵消部分表层工作的拉应力；还可降低缺口应力集中系数和疲劳缺口敏感度，降低疲劳损伤，提高材料疲劳抗力。

表面滚压与喷丸的作用相似，其压应力层深更大，适于大工件。一般来说，形状复杂的机件采用喷丸强化；形状简单的回转机件采用表面滚压强化。如经滚压加工的螺栓较切削制造的螺栓疲劳寿命可提高1~5倍。

三、表面强化及残余应力的影响69铸钢丸硅酸锆球喷丸用玻璃微珠

喷丸是用压缩空气将坚硬的小弹丸高速喷打向机件表面，

使机件表面产生局部形变强化，在表层产生残余压应力。

材料强度越高，喷丸效果越好；一般机件在热处理强化后

再喷丸；喷丸可使疲劳强度提高40%～50%

喷丸不可过度，否则在机件表面会产生微裂纹，反而有害

2、表面热处理及化学热处理表面淬火及表面化学热处理，既能获得表硬心韧的综合力学性能，又能在机件表层获得残余压应力，从而能有效地提高机件疲劳强度和寿命。

3、复合强化它是将上述各种表面强化工艺重复结合的一种强化工艺。如渗氮、表面淬火、渗碳+喷丸，表面淬火+喷丸(滚压)等，以更进一步提高表面强度及表面表层残余压应力，从而更有效地提高疲劳强度和疲劳寿命。

三、表面强化及残余应力的影响

1、合金成分合金成分是材料组织结构的基木要素。各类工程结构材料中，结构钢的疲劳强度最高，应用也最广泛。结构钢中碳是影响疲劳强度的重要因素，它既可间隙固溶强化基体，又可形成弥散碳化物进行弥散强化，提高材料形变抗力和疲劳强度。四、材料成分及组织的影响图5-26几种钢的疲劳极限与硬度的关系曲线

2、非金属夹杂物及冶金缺陷

脆性夹杂如Al2O3、硅酸盐(球状)等在钢中易萌生疲劳裂纹，而降低材料的疲劳强度。材料在冶炼、轧制、铸造及零件焊接、热处理中产生的气孔、缩孔、偏析、白点、折叠、裂纹等缺陷都可能是裂纹源，从而严重降低材料的疲劳强度和寿命。3、显微组织晶粒大小对疲劳强度的影响。经对碳钢及钛合金的研究发现存在Hall-Petch关系。σ-1=σi+kd-1/2式中：σi为位错在晶格中运动摩擦阻力：k为材料常数；d为晶粒平均直径。四、材料成分及组织的影响晶粒细化可以提高金属的微量塑性抗力，使塑性变形均匀分布，因而会延缓疲劳微裂纹的形成；晶界有阻碍微裂纹长大和联接作用。在结构钢热处理组织中，片状碳化物的正火组织不如粒状碳化物的调质组织的疲劳强度高。以上讨论主要针对高周疲劳而言，对低周疲劳其寿命主要由裂纹扩展阶段决定，并主要取决于材料塑性，而以上诸因素的影响要减弱。第五节热疲劳由周期变化的热应力或热应变引起的材料破坏称为热疲劳（热应力疲劳)。热应力又常与机械应力叠加引起热机械疲劳破坏。一、热疲劳的概念第五节热疲劳许多在高温下服役的机件如热轧辊、汽轮机叶片、热锻模等，或因工作温度发生周期性变化，或因材料在加载循环产生的累积滞后能以热能耗散到环境中，使局部温度变化引起的机件自由膨胀或收缩受到约束时，将产生变动热应力。这种约束可来自外部(刚性支承)，也可来自材料内部(机件内的温度梯度；温度差；非均质材料各相间，多晶体材料各相间的热膨胀系数差异等)。一、热疲劳的概念

当热应力超过材料高温下的屈服强度，将发生局部塑性应变，经过足够的温度变动循环后，这种热塑性应变将引发疲劳裂纹，并导致材料龟裂或断裂。热疲劳和热机械疲劳破坏均是塑性应变损伤累积的结果，服从低周应变疲劳的规律(如Coffin-Manson关系)。热疲劳裂纹多萌生于表面热应变最大区域，有多个裂纹源。一、热疲劳的概念对于脆性材料，特别是陶瓷材料，在生产使用过程中多处在高温状态，温度发生急热、急冷变化时可能产生冲击热应力。材料经受温度瞬变而不被破坏的能力称为材料的抗热震性(热抗震性)。热震破坏分两大类：一类是瞬时断裂，称为热震断裂；另一类是热冲击循环作用引起材料开裂、剥落、碎裂或变质，最后整体损伤，称为热损伤。一、热疲劳的概念

材料的抗热震能力是其力学性能和热学性能对应于各种受热条件的综合表