第四章材料的疲劳.ppt

第四章 材料的疲劳问题的提出：问题的提出：1 1）许多工程结构在服役时承受变动载荷）许多工程结构在服役时承受变动载荷 （如曲轴、连杆、齿轮、桥梁等）（如曲轴、连杆、齿轮、桥梁等）2 2）在机械零件断裂失效中有）在机械零件断裂失效中有8080％以上属于疲劳％以上属于疲劳破坏破坏3 3）疲劳断裂通常发生在远低于材料静强度的变）疲劳断裂通常发生在远低于材料静强度的变动应力条件下，并且破坏前不发生明显塑性变动应力条件下，并且破坏前不发生明显塑性变形，难以检测和预防形，难以检测和预防      因此：研究材料的疲劳性能有重要意义因此：研究材料的疲劳性能有重要意义 l外加变动载荷变动载荷造成的机械疲劳机械疲劳l变动载荷变动载荷与高温联合作用引起的蠕变蠕变-疲劳疲劳l机件温度变化和应力交变应力交变导致的热疲劳热疲劳l存在侵蚀性介质的环境中施加变动载荷变动载荷引起的腐蚀疲劳腐蚀疲劳l两个部件循环循环接触引起的磨损疲劳磨损疲劳定义定义疲劳疲劳：： 工件在应力和应变工件在应力和应变长期反复作用下长期反复作用下发生损伤发生损伤和断裂的现象和断裂的现象 分类：分类：l(1) 按应力状态不同，可分为：弯曲疲劳、扭按应力状态不同，可分为：弯曲疲劳、扭转疲劳、挤压疲劳、复合疲劳转疲劳、挤压疲劳、复合疲劳l(2) 按环境及接触情况不同，可分为：大气疲按环境及接触情况不同，可分为：大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳劳l(3) 按断裂寿命和应力高低不同，可分为：高按断裂寿命和应力高低不同，可分为：高周疲劳、低周疲劳，这是周疲劳、低周疲劳，这是最基本的分类方法最基本的分类方法1 1、疲劳概述、疲劳概述1.1 变动载荷（应力）：变动载荷（应力）：        载荷（应力）大小，甚至方向随时间变化载荷（应力）大小，甚至方向随时间变化的载荷（应力）的载荷（应力）        可分为：可分为： 周期变动；随机变动周期变动；随机变动l周期变动应力：（a）（b）（c），循环应力或交变应力。

火车车轴和曲轴轴颈上的一点在运转过程中所受的力l随即变动应力：（d），如飞机、汽车上的零件l一般机件承受的变动应力多为循环应力循环应一般机件承受的变动应力多为循环应力循环应力是周期性变化的应力，变化的波形有正弦波、力是周期性变化的应力，变化的波形有正弦波、矩形波和三角波等其中矩形波和三角波等其中最常见的为正弦波最常见的为正弦波        应力每重复变化一次的过程，称为一个应力每重复变化一次的过程，称为一个应力循应力循环环，完成一个应力循环所需的时间称为一个，完成一个应力循环所需的时间称为一个周期周期，，用用 T表示表征应力循环特征的参量有表征应力循环特征的参量有：：l最大（最小）循环应力最大（最小）循环应力σmax；；σmin      l平均应力平均应力                       σm= (σmax+σmin)/2l 应力半幅应力半幅           σa=Δσ/2 = (σmax-σmin)/2l 应力比应力比               r =σmin/σmax （表征变动的不对称程度）（表征变动的不对称程度）l（（a））σm =0，，r=-1时，为对称循环。

大多数旋转时，为对称循环大多数旋转轴类零件承受此类应力轴类零件承受此类应力l（（b））-（（d）非对称载荷，）非对称载荷，σm ≠ 0l（（b））σm =σa>0，，r=0时，拉应力脉动循环，压力时，拉应力脉动循环，压力容器；容器；l（（c）） σm =σa<0，，r=-∞时，压应力脉动循环，轴时，压应力脉动循环，轴承多承受此种载荷；承多承受此种载荷；l（（d）） σm >σa，，0

的损伤累积，最终引起整体破坏的过程ü机件疲劳失效前的循环次数称为机件疲劳失效前的循环次数称为疲劳寿命疲劳寿命，疲劳断，疲劳断裂寿命随循环应力不同而改变裂寿命随循环应力不同而改变疲劳破坏的特点疲劳破坏的特点 疲劳破坏与静载或一次性冲击加载破坏相比较，具疲劳破坏与静载或一次性冲击加载破坏相比较，具有以下特点：有以下特点： (1)(1)疲劳破坏的断裂应力水平往往低于材料的抗拉强疲劳破坏的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度，甚至低于其屈服强度 (2)(2)疲劳破坏属疲劳破坏属低应力循环延时断裂低应力循环延时断裂，应力高，机件，应力高，机件寿命短；应力低，寿命长当应力低于材料的疲劳强度寿命短；应力低，寿命长当应力低于材料的疲劳强度时，寿命可无限长所以对于疲劳寿命的预测就显得十时，寿命可无限长所以对于疲劳寿命的预测就显得十分重要和必要分重要和必要 (3)(3)疲劳损伤是在长期疲劳损伤是在长期累积损伤累积损伤过程中，经裂纹萌生过程中，经裂纹萌生和缓慢亚稳扩展到临界尺寸时才突然发生的和缓慢亚稳扩展到临界尺寸时才突然发生的l (4)(4)疲劳破坏经历了疲劳破坏经历了裂纹的萌生、扩展和最后断裂裂纹的萌生、扩展和最后断裂三个阶段。

三个阶段l (5)(5)疲劳疲劳对缺陷对缺陷( (缺口、裂纹及组织缺口、裂纹及组织) )十分十分敏感敏感，即，即对缺陷具有高度的选择性因为缺口或裂纹会引起应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；组织缺陷力集中，加大对材料的损伤作用；组织缺陷( (夹杂、夹杂、疏松、白点、脱碳等疏松、白点、脱碳等) )，将降低材料的局部强度，二，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者综合更加速疲劳破坏的起始与发展l (6)(6)该破坏是一种该破坏是一种潜藏的突发性破坏潜藏的突发性破坏，在静载下显，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明显的塑性变形，呈脆性断裂，易引起事故造成经济损失1.3 1.3 疲劳断口的宏观特征疲劳断口的宏观特征 典型疲劳断口具有典型疲劳断口具有3 3个特征区：个特征区： 疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区（（1 1）疲劳源）疲劳源 是疲劳裂纹萌生的策源地，裂纹萌生的位置，是疲劳裂纹萌生的策源地，裂纹萌生的位置，多出多出现在机件表面，常和缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相现在机件表面，常和缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相连连。

但若但若材料内部存在严重冶金缺陷材料内部存在严重冶金缺陷，也会因局部材料，也会因局部材料强度降低而在机件内部引发出疲劳源强度降低而在机件内部引发出疲劳源•特征特征1）疲劳源区比较）疲劳源区比较光滑光滑（受反复挤压，摩擦次数多）（受反复挤压，摩擦次数多）2）表面）表面硬度硬度因加工硬化有所提因加工硬化有所提高高3）可以是一个，也可能有多个疲劳源（和应力状态及过载程）可以是一个，也可能有多个疲劳源（和应力状态及过载程度有关），发生先后跟光亮程度有关度有关），发生先后跟光亮程度有关（（2 2）疲劳区）疲劳区 是疲劳裂纹亚临界扩展形成的区域是疲劳裂纹亚临界扩展形成的区域其宏观形貌是其宏观形貌是断口较光滑并分布有贝纹线断口较光滑并分布有贝纹线( (或或海滩花样海滩花样) )，有时还有裂纹扩展台阶，有时还有裂纹扩展台阶特点：特点：Ø贝纹线是疲劳区的最典型特征，贝纹线是疲劳区的最典型特征，一般认为是因载荷变动引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所以载等，均要在裂纹扩展前沿线留下弧状贝纹线痕迹。

所以只只出现在实际构件的疲劳断口上出现在实际构件的疲劳断口上Ø贝纹线是以疲劳源为圆心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，贝纹线是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密，远离疲劳凸侧指向裂纹扩展方向；近疲劳源区贝纹线较密，远离疲劳源区贝纹线较疏源区贝纹线较疏Ø断口光滑是疲劳源区的延续，其程度随裂纹向前扩展逐渐断口光滑是疲劳源区的延续，其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱，反映裂纹扩展快慢、挤压摩擦程度上的差异减弱，反映裂纹扩展快慢、挤压摩擦程度上的差异（（3 3）瞬断区）瞬断区 是裂纹失稳扩展形成的区域是裂纹失稳扩展形成的区域该区的断口比疲劳区粗糙，宏观特征如同静载，随该区的断口比疲劳区粗糙，宏观特征如同静载，随材料性质而变材料性质而变 脆性材料断口呈结晶状；韧性材料断口，在心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区则有剪切唇区存在 2 2、疲劳的宏观表征、疲劳的宏观表征 要知道在多大力的载荷下材料能承受多少次循环？——大量实验l2.1 2.1 疲劳曲线疲劳曲线 德国人Wohler针对火车车轴疲劳进行研究，得到了循环应力（S）与疲劳循环寿命（N）之间的关系。

——疲劳曲线（疲劳曲线（S-NS-N曲线）曲线）旋转弯曲疲劳试验l试样旋转并承受一弯矩产生弯矩的力恒定不变且不转动试样可装成悬臂，在一点或两点加力；或装成横梁，在四点加力试验一直进行到试样失效或超过预定应力循环次数 •光滑无缺口疲劳试样光滑无缺口疲劳试样•σm =0，，r=-1的对称循环及应力幅的对称循环及应力幅•纯弯曲条件纯弯曲条件l当应力达到一定大小以后，材料不断裂疲劳曲线测定方法疲劳曲线测定方法1）选择几个不同的最大循环应力）选择几个不同的最大循环应力σ1，，σ2………σn2）测定从加载到试样断裂所经历的循环次数）测定从加载到试样断裂所经历的循环次数N1，，N2………Nn，，即疲劳寿命即疲劳寿命3）绘制）绘制σ—N 曲线或者曲线或者σ –lgN曲线或者曲线或者lgσ -lgN曲线曲线完整完整S-N曲线曲线l准静态断裂（准静态断裂（AB段）：段）：A端应力接近于抗拉强度，循环寿命很短，准静态断裂l低周疲劳（低周疲劳（BC段）：段）：随着循环次数的增加，使材料发生疲劳破坏的最大应力不断下降 C点相应的循环次数大约在10000左右这一阶段由于应力循环次数相对很小，所以叫做低周疲劳。

l低周疲劳时，由于应力水平较高，一般σ≥σs，发生较大应变，不适用于循环频率较高的试验，故也称低频疲劳低频疲劳或应变疲劳应变疲劳l观察试件在这一阶段的破坏断口，可见到材料已发生塑性变形的特征所以低周疲劳性能常用应应变变-寿命曲线寿命曲线表征一般的疲劳曲线特指N>104范围内的应力-寿命曲线l有些机械零件，例如一次性使用的火箭发动机的某些零件、导弹壳体等，在整个使用寿命期间应力变化次数只有几百到几千次，故其疲劳属于低周疲劳但对绝大多数通用零件来说，当其承受变应力作用时，其应力循环次数总是大于10000的所以大部分是高周疲劳大部分是高周疲劳l    高周疲劳（高周疲劳（CD段）：段）：循环应力较低的CD段寿命较长，称高周疲劳大多数通用机械零件及专用零件的失效都是由高周疲劳引起的D有限疲劳寿命无限疲劳寿命ØBD段代表有限寿命疲劳破坏在此范围内，试件经过相应次数的变应力作用后总会发生疲劳破坏Ø在D点以后，如果σmax＜σD 时,则无论应力变化多少次,材料都不会破坏故D点以后的水平线代表了试件无限寿命疲劳阶段ØD点所对应的应力σD是材料的无限寿命疲劳极限疲劳极限，也称为持久疲劳极限，用符号σ-1表示。

2.2 2.2 疲劳极限疲劳极限金属材料的疲劳曲线有两类，所以疲劳极限也有两种金属材料的疲劳曲线有两类，所以疲劳极限也有两种u一类有水平线（结构钢、球磨铸铁）的疲劳曲线，水平一类有水平线（结构钢、球磨铸铁）的疲劳曲线，水平线表示在此循环应力作用下，试样可经历无限次循环而不线表示在此循环应力作用下，试样可经历无限次循环而不发生断裂（发生断裂（σ≤σ－－1，，N→∞），此循环应力即疲劳极限此循环应力即疲劳极限u另一类无水平线（有色金属、高强钢或不锈钢）的疲劳另一类无水平线（有色金属、高强钢或不锈钢）的疲劳曲线，规定能达到某一循环周次（一般为曲线，规定能达到某一循环周次（一般为N=107）而不断）而不断裂的最大应力为疲劳极限（裂的最大应力为疲劳极限（条件疲劳极限条件疲劳极限）1 1）对称应力循环下的疲劳极限）对称应力循环下的疲劳极限l几种材料的S-N曲线疲劳极限：疲劳极限：对于对称循环载荷（对于对称循环载荷（ r = -1 ) )                                    1）对称弯曲：）对称弯曲：σ-1                                    2）对称扭转：）对称扭转：τ-1                                    3）对称拉压：）对称拉压：σ-1P当循环应力为非对称循环应力时，计为当循环应力为非对称循环应力时，计为σσ－－r r疲劳极限测定方法：疲劳极限测定方法：l单点法单点法 首先根据经验在一给定循环应力幅首先根据经验在一给定循环应力幅σa,i下测定寿命下测定寿命N，若，若N<107 ，则进一步降低应力幅至，则进一步降低应力幅至σa,i+1 ，再次测定寿命，再次测定寿命N，，若若N仍然仍然<107，则重复上述步骤，直到，则重复上述步骤，直到N>107，则计算，则计算              Δσa = σa,i+1 - σa,i 若若Δσa ≤5% σa,i ，则疲劳极限为，则疲劳极限为较简单，容易施行，但精确度较低，只能粗略估算。

较简单，容易施行，但精确度较低，只能粗略估算l升降法升降法      取不少于取不少于13个试样，进行分级载荷下的疲劳寿命测个试样，进行分级载荷下的疲劳寿命测试以N=107为参考值，来判断下一个试样的载荷时为参考值，来判断下一个试样的载荷时升还是降若升还是降若N<107,则下一个试样载荷降一级；若则下一个试样载荷降一级；若N>107，则下一个试样的载荷升一级，一直到，则下一个试样的载荷升一级，一直到13个试个试样做完为止则疲劳极限为样做完为止则疲劳极限为m——有效试验总次数有效试验总次数 n——试验应力水平级数试验应力水平级数σa——第第i级应力水平级应力水平 υi——第第i级应力水平下的试验次数级应力水平下的试验次数时间长，较复杂，但结果精确度较高，是标准方法时间长，较复杂，但结果精确度较高，是标准方法应力状态对疲劳极限的影响应力状态对疲劳极限的影响l一般情况下 σ-1 > σ-1P  >τ-1                         ——应力状态对疲劳极限有影响应力状态对疲劳极限有影响例如：例如：σ-1P =0.85 σ-1 （钢） σ-1P =0.65 σ-1 （铸铁） τ-1 =0.55 σ-1 （钢） τ-1 =0.8 σ-1 （铸铁）载荷频率对疲劳极限的影响载荷频率对疲劳极限的影响lf f<1Hz<1Hz，疲劳极限降低；，疲劳极限降低；lf f在在50~170Hz50~170Hz范围内，频范围内，频率对疲劳极限无明显影响率对疲劳极限无明显影响lf f>170Hz>170Hz，疲劳极限提高，疲劳极限提高lf f>10>103 3HzHz，疲劳极限降低，疲劳极限降低强度和疲劳极限的关系强度和疲劳极限的关系l一般可以根据材料的静强度估算疲劳极限。

l存在关系：抗拉强度越高，疲劳极限越高l对结构钢： σ-1P =0.23（ σs + σb ）； σ-1 =0.27（ σs + σb ）l对铸铁： σ-1P =0.4 σb ； σ-1 =0.45 σb l对铝合金： σ-1P =0.17 σb +7.5； σ-1 =0.17 σb -7.5l对青铜： σ-1 =0.21 σb l疲劳极限与材料强度近似成正比，所以合金化、疲劳极限与材料强度近似成正比，所以合金化、细化晶粒和组织等强化方法可以提高材料的疲劳细化晶粒和组织等强化方法可以提高材料的疲劳极限l大多数机械零件所承受载荷属于非对称循环应力 ——考虑平均应力、应力幅、应力比（（2 2）非对称应力循环下的疲劳极限）非对称应力循环下的疲劳极限应力比提高，应力比提高，疲劳极限和疲劳极限和疲劳寿命增疲劳寿命增长长! !平均应力提高，疲劳极限和疲劳寿命减小平均应力提高，疲劳极限和疲劳寿命减小! !2.3 疲劳过载l有时要求机件在高于疲劳极限的应力状态下工作。

l偶尔短时过载：汽车的紧急刹车或猛然起动l无无限寿命要求 ：飞机的起落架 ——需要研究材料过载下的疲劳寿命（（1）过载持久值）过载持久值   材料在高于疲劳强度的一定应力下工作，发生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疲劳断裂的应力循环周次称为材料的过载持久值    ——有限疲劳寿命有限疲劳寿命特点：特点：    由疲劳曲线倾斜部分确定，由疲劳曲线倾斜部分确定，曲线倾斜得越陡直，持久值曲线倾斜得越陡直，持久值越高，表明材料在相同的过越高，表明材料在相同的过载条件下能经受的应力循环载条件下能经受的应力循环周次愈多，材料对周次愈多，材料对过载荷的过载荷的抗力愈高抗力愈高lBasqiin发现应力幅与载荷反向数（循环次数）发现应力幅与载荷反向数（循环次数）的经验关系式的经验关系式σf‘为疲劳强度系数，对于大多数金属，非常接近于经过颈缩修正的单向拉伸真实断裂强度b为疲劳强度指数，对大多数金属，其值在-0.05~-0.12之间循环应力福与寿命的双对数成一直线！循环应力福与寿命的双对数成一直线！（（2 2）过载损伤界）过载损伤界           实际上，机件往往预先受短期过载，而以后再在正常实际上，机件往往预先受短期过载，而以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是否产的工作应力下运行这种短期的过载对材料的性能是否产生影响？生影响？                                 可能可能产生影响产生影响——过载损伤！过载损伤！l材料在某一过载应力水平下，只有运行一定周次后，疲劳强材料在某一过载应力水平下，只有运行一定周次后，疲劳强度或疲劳寿命才会降低，造成过载损伤度或疲劳寿命才会降低，造成过载损伤      把在每个过载应力下运行能引起损伤的把在每个过载应力下运行能引起损伤的最少循环周次最少循环周次连接起来就得到该材料的过载损伤界连接起来就得到该材料的过载损伤界          l选定三级过载应力水平，在每一级应力水平下选取多个试选定三级过载应力水平，在每一级应力水平下选取多个试样，进行不同周次的过载循环，然后再在疲劳极限的应力样，进行不同周次的过载循环，然后再在疲劳极限的应力下运转，考察是否影响了疲劳寿命下运转，考察是否影响了疲劳寿命l若疲劳寿命降低，说明过载周次已超过损伤界反复试验若疲劳寿命降低，说明过载周次已超过损伤界反复试验后可以较为准确的确定该级应力水平下的损伤周次后可以较为准确的确定该级应力水平下的损伤周次。

l再确定另外两级应力水平下的损伤界将三点连接得到了再确定另外两级应力水平下的损伤界将三点连接得到了损伤界过载损伤界到疲劳曲线间的影线区称为材料的过载损伤区过载损伤界完全由试验测得过载损伤界完全由试验测得l过载应力过载应力-周次组合周次组合一旦落入此区，则会一旦落入此区，则会产生过载损伤，造成产生过载损伤，造成材料疲劳极限降低或材料疲劳极限降低或疲劳寿命降低疲劳寿命降低• 过载损伤界越陡直，损伤区越窄，其抵抗疲劳过载损伤界越陡直，损伤区越窄，其抵抗疲劳过载的能力越强过载的能力越强•工业上需要考虑过载损伤区！工业上需要考虑过载损伤区！（（3 3）疲劳损伤累积）疲劳损伤累积l工程上许多构件承受变幅载荷，甚至随机变动载荷，要估算疲劳寿命？ ——疲劳损伤累积理论l疲劳损伤累积理论基本假设：疲劳损伤累积理论基本假设：在高应力下，每循环一次就使材料产生一定量的损伤，随循环次数增加，损伤逐步累积，当累积达到一临界值时，材料便发生疲劳断裂lP-M理论：理论：在同一级应力水平下，每次循环产生的损伤是相同的，在该级应力水平下所产生的损伤与在该级应力水平下循环的次数成反比。

l如：试样损伤达到D则断裂，即每次循环产生的损伤为D/N• 试样先在循环应力±σ1下循环n1次 损伤累积为损伤累积为Dn1/N1• 再在循环应力下±σ2循环n2次断裂 损伤累积为损伤累积为Dn2/N2.l则有则有多级应力多级应力P-M理论理论注：注：P-M理论近似正确但是它不考虑高、低载荷加载次序的影响实际上，理论近似正确但是它不考虑高、低载荷加载次序的影响实际上，疲劳寿命应受到疲劳寿命应受到加载顺序加载顺序的影响试验发现：低试验发现：低-高载荷加载次序下及较光滑无缺陷的试样中，此值一般高载荷加载次序下及较光滑无缺陷的试样中，此值一般>1                  高高-低载荷加载次序下及带缺口试样中，此值一般低载荷加载次序下及带缺口试样中，此值一般<1（（4 4）次载锻炼和间歇效应）次载锻炼和间歇效应l试验发现，金属在低于或接近于疲劳极限的应力下运转一试验发现，金属在低于或接近于疲劳极限的应力下运转一定周次后，会使疲劳极限提高，这种现象称为定周次后，会使疲劳极限提高，这种现象称为次载锻炼次载锻炼例如：例如：45钢经淬火加钢经淬火加200℃℃回火后，在回火后，在0.9σ-1应力下锻炼应力下锻炼2*106次，整次，整个疲劳曲线明显右移和升个疲劳曲线明显右移和升高，表明既延长了疲劳寿高，表明既延长了疲劳寿命又提高了疲劳极限。

命又提高了疲劳极限次载锻炼l这可能是次载锻炼和轻度加工相似，提高这可能是次载锻炼和轻度加工相似，提高了材料的强度的缘故了材料的强度的缘故次载锻炼既能提高疲劳极限，又可延长过载疲劳寿命l一般情况下，次载锻炼的循环周次越长，锻炼效果越好l有些新制成的机器在空载或不满载条件下有些新制成的机器在空载或不满载条件下先运行一段时间，一方面可以使运动配合先运行一段时间，一方面可以使运动配合部分啮合得更好（跑合）；另一方面可以部分啮合得更好（跑合）；另一方面可以利用次载锻炼原理提高机件的使用寿命利用次载锻炼原理提高机件的使用寿命       许多事实表明，机件的实际寿命与实验许多事实表明，机件的实际寿命与实验室数据存在明显的差异这是因为工件机室数据存在明显的差异这是因为工件机件几乎都是非连续、间歇地运作的件几乎都是非连续、间歇地运作的l一方面可能是因为次载锻炼；一方面可能是因为次载锻炼；l另一方面：间歇效应另一方面：间歇效应对疲劳寿命的影响对疲劳寿命的影响l常用的常用的20、、45钢具有较强的应变时效作用，钢具有较强的应变时效作用，如果在循环加载运行中间歇空载一定时间，如果在循环加载运行中间歇空载一定时间，可以提高疲劳强度和疲劳寿命。

可以提高疲劳强度和疲劳寿命间歇效应l需注意，间歇提高疲劳寿命的效果是在次载条件需注意，间歇提高疲劳寿命的效果是在次载条件下体现的此时，疲劳强化起主要作用，间歇产下体现的此时，疲劳强化起主要作用，间歇产生时效强化，因而提高寿命生时效强化，因而提高寿命l若在过载范围内间歇，对寿命无影响，甚至降低若在过载范围内间歇，对寿命无影响，甚至降低寿命因为此时过载产生过载损伤积累，造成疲寿命因为此时过载产生过载损伤积累，造成疲劳弱化，弱化起主要作用劳弱化，弱化起主要作用l在次载下间歇有个最佳间歇时间，其长短与应力在次载下间歇有个最佳间歇时间，其长短与应力大小有关应力高则最佳间歇时间短，应力低则大小有关应力高则最佳间歇时间短，应力低则最佳间歇时间长最佳间歇时间长l采用合适的间歇时间和间歇周次进行间歇加载，采用合适的间歇时间和间歇周次进行间歇加载，能有效提高疲劳强度和疲劳寿命能有效提高疲劳强度和疲劳寿命2.4 2.4 疲劳缺口敏感度疲劳缺口敏感度l实际机件常常带有实际机件常常带有台阶、拐角、键槽、油孔、螺台阶、拐角、键槽、油孔、螺纹纹等结构，其作用类似于缺口，造成该区域的等结构，其作用类似于缺口，造成该区域的应应力集中力集中，因而会缩短机件疲劳寿命，降低材料疲，因而会缩短机件疲劳寿命，降低材料疲劳强度。

劳强度l材料在变动应力作用下的缺口敏感性，常用材料在变动应力作用下的缺口敏感性，常用疲劳疲劳缺口敏感度缺口敏感度qf表征，即表征，即                                    式中：式中：Kt为理论应力集中系数，可查，为理论应力集中系数，可查， Kt >1;                                Kf为疲劳缺口系数为疲劳缺口系数Kf: 疲劳缺口系数；为光滑试样和缺口试样疲劳强度之比疲劳缺口系数；为光滑试样和缺口试样疲劳强度之比                                                                    Kf ＞＞ 1 ,与缺口几何形状和材料有关与缺口几何形状和材料有关Ø当当Kf =1时，时，σ-1=σ-1N，缺口不降低疲劳极限，说明疲劳过，缺口不降低疲劳极限，说明疲劳过程中应力产生了很大的重新分布，应力集中完全消除此程中应力产生了很大的重新分布，应力集中完全消除此时时qf 趋近于零，材料对疲劳缺口完全不敏感趋近于零，材料对疲劳缺口完全不敏感ØKf = Kt时，即缺口试样疲劳过程中的应力分布与非疲劳状时，即缺口试样疲劳过程中的应力分布与非疲劳状态下试样的应力分布完全一样，没有发生应力重新分布，态下试样的应力分布完全一样，没有发生应力重新分布，此时此时qf =1，，材料对缺口十分敏感材料对缺口十分敏感Øqf可以反映疲劳过程中材料发生应力重分布的能力，即降可以反映疲劳过程中材料发生应力重分布的能力，即降低应力集中的能力。

低应力集中的能力l 1 > qf >0 ，越大，缺口敏感度越高越大，缺口敏感度越高lqf 随材料强度增高而增大随材料强度增高而增大Ÿ结构钢：结构钢：=0.6~0.8Ÿ球墨铸铁：球墨铸铁：=0.11~0.25Ÿ灰铸铁：灰铸铁：=0~0.05l低周疲劳的缺口敏感度一般小于高周疲劳，因为低周疲劳的缺口敏感度一般小于高周疲劳，因为低周疲劳应力较高，缺口根部一部分已处于塑性低周疲劳应力较高，缺口根部一部分已处于塑性区，降低了应力集中效应区，降低了应力集中效应2.5 2.5 低周疲劳低周疲劳 2.6 2.6 疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率l低周疲劳的特点l构件的总寿命=裂纹萌生Ni+裂纹扩展寿命Npl不讲3 3、疲劳的微观过程、疲劳的微观过程l疲劳的微观过程主要包括疲劳裂纹的萌生和疲劳裂纹的扩展两个阶段l构件的总寿命构件的总寿命 =裂纹萌生裂纹萌生Ni+裂纹扩展寿命裂纹扩展寿命Npl起初位错密度很低起初位错密度很低l10次循环后，位错密度显著增加，次循环后，位错密度显著增加，分布较均匀分布较均匀l100次以后，位错密度进一步增加，次以后，位错密度进一步增加，分布逐渐不均匀，呈带状分布分布逐渐不均匀，呈带状分布l循环次数进一步增加，位错密度增循环次数进一步增加，位错密度增加缓慢，位错分布更加不均匀加缓慢，位错分布更加不均匀l最终位错密度趋于稳定，位错分布最终位错密度趋于稳定，位错分布稳定稳定。

3.1 3.1 循环变形循环变形        金属在低于弹性极限的交变应力作用下，虽金属在低于弹性极限的交变应力作用下，虽然整体仍处于宏观弹性状态，但在某些部位，如表然整体仍处于宏观弹性状态，但在某些部位，如表面、内部界面、夹杂物、应力集中区等微观结构不面、内部界面、夹杂物、应力集中区等微观结构不均匀处已发生塑性变形均匀处已发生塑性变形l循环变形与单调加载时位错滑移完全不同循环变形与单调加载时位错滑移完全不同Ø单调加载时，随着载荷的不断增加，滑移可以传单调加载时，随着载荷的不断增加，滑移可以传播至整个晶粒和整个金属内部播至整个晶粒和整个金属内部Ø循环应力下，滑移只在一些晶粒的局部区域发生循环应力下，滑移只在一些晶粒的局部区域发生位错稳定结构与循环幅度位错稳定结构与循环幅度相关：相关：Ø循环幅度较小时为带状结构循环幅度较小时为带状结构Ø循环幅度较大时为胞状结构循环幅度较大时为胞状结构将纯铜的疲劳试样表面抛光，而后在疲劳循环过程中观察试将纯铜的疲劳试样表面抛光，而后在疲劳循环过程中观察试样表面ü滑移线逐渐出现、增多，形成滑移带滑移线逐渐出现、增多，形成滑移带ü循环次数增加，已形成的滑移带变宽、滑移带内德滑移线循环次数增加，已形成的滑移带变宽、滑移带内德滑移线变密，而没有出现新的滑移带。

变密，而没有出现新的滑移带这种不均匀的局部滑移只发生在某些晶粒内这种不均匀的局部滑移只发生在某些晶粒内位错排列成高密度的位错墙，墙之位错排列成高密度的位错墙，墙之间为低位错密度的基体间为低位错密度的基体如把试样抛光和疲劳反复进行，如把试样抛光和疲劳反复进行，会发现有些部位的滑移带反复会发现有些部位的滑移带反复出现在原有位置，称为出现在原有位置，称为驻留滑驻留滑移带移带3.2 3.2 疲劳裂纹的萌生疲劳裂纹的萌生1）在材料薄弱区或高应力区，通过不均匀滑移，）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微裂纹形成及长大而完成2）定义裂纹长度为）定义裂纹长度为0.05—0.10mm时为时为裂纹疲裂纹疲劳核劳核，对应的循环周期为裂纹萌生期，对应的循环周期为裂纹萌生期3）低应力时，疲劳裂纹萌生寿命可占总寿命的）低应力时，疲劳裂纹萌生寿命可占总寿命的大半大半疲劳裂纹形核方式疲劳裂纹形核方式由不均匀滑移和显微开裂引起由不均匀滑移和显微开裂引起1）表面滑移带开裂）表面滑移带开裂2）气泡、孔洞本身开裂）气泡、孔洞本身开裂3）晶界开裂）晶界开裂                         疲劳微裂纹形成的三种形式疲劳微裂纹形成的三种形式1、表面疲劳裂纹萌生、表面疲劳裂纹萌生疲劳裂纹一般易产生在自由表面疲劳裂纹一般易产生在自由表面l1）扭转疲劳、弯曲疲劳时都是表面应力最大。

l2）实际表面存在缺陷的几率较大，如划痕、缺口等，易为应力集中区域l3）自由表面晶粒受约束较小，更易发生塑性变形l4）自由表面与大气接触，因此，表面晶粒受环境影响最大l疲劳裂纹一般易产生在自由表面疲劳裂纹一般易产生在自由表面1、表面状态对疲劳极限和寿命有很大影响、表面状态对疲劳极限和寿命有很大影响            表面越光滑，可作为表面缺口而引起应力集中的部位表面越光滑，可作为表面缺口而引起应力集中的部位越少，疲劳性能越好越少，疲劳性能越好——制作高强度循环应力零件，表面制作高强度循环应力零件，表面需要精加工需要精加工2、、可采用表面强化方式提高寿命可采用表面强化方式提高寿命：如喷丸、滚压、表面热：如喷丸、滚压、表面热处理、表面镀层等处理、表面镀层等表面滑移带开裂解释表面滑移带开裂解释      驻留滑移带在表面加宽过程中，会出现挤出脊和侵驻留滑移带在表面加宽过程中，会出现挤出脊和侵入沟，在这些地方引起应力集中，引发微裂纹入沟，在这些地方引起应力集中，引发微裂纹金属表面金属表面“挤出挤出”与与“侵入侵入”并形成裂纹并形成裂纹挤出和侵入的形成过程（交叉滑移模型）挤出和侵入的形成过程（交叉滑移模型）                                  交叉滑移模型交叉滑移模型2、内部疲劳裂纹萌生1）相界面开裂产生裂纹）相界面开裂产生裂纹    孔洞、气泡等宏观缺陷本身孔洞、气泡等宏观缺陷本身就类似裂纹，引发应力集中，萌生裂纹；第二相，夹杂物就类似裂纹，引发应力集中，萌生裂纹；第二相，夹杂物与基体界面开裂或夹杂物本身开裂都会使疲劳裂纹萌生。

与基体界面开裂或夹杂物本身开裂都会使疲劳裂纹萌生只有降低第二相的脆性，提高相界面强度，控制第二相或只有降低第二相的脆性，提高相界面强度，控制第二相或者夹杂物的数量、大小、形态及其分布，才能抑制相界面者夹杂物的数量、大小、形态及其分布，才能抑制相界面开裂产生裂纹，提高疲劳抗力开裂产生裂纹，提高疲劳抗力2）晶界开裂产生裂纹）晶界开裂产生裂纹    晶界的存在和相邻晶界的取晶界的存在和相邻晶界的取向性不同，会阻碍基体位错运动，造成位错塞积，引发应向性不同，会阻碍基体位错运动，造成位错塞积，引发应力集中       在应力不断循环下，晶界处的应力得不到松弛，应力峰在应力不断循环下，晶界处的应力得不到松弛，应力峰越来越高，超过晶体强度时就会产生晶界处裂纹，使得晶越来越高，超过晶体强度时就会产生晶界处裂纹，使得晶界开裂故可以使晶界弱化和晶粒粗化的因素，均易产生界开裂故可以使晶界弱化和晶粒粗化的因素，均易产生晶界裂纹，降低疲劳抗力晶界裂纹，降低疲劳抗力          所以晶界强化、净化和细化晶粒等手段，均能抑制晶所以晶界强化、净化和细化晶粒等手段，均能抑制晶界处裂纹形成，提高疲劳抗力界处裂纹形成，提高疲劳抗力。

3.3 3.3 疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹的扩展l疲劳裂纹扩展大致经历两个阶段疲劳裂纹扩展大致经历两个阶段第一阶段：第一阶段：    疲劳裂纹沿最大切应疲劳裂纹沿最大切应力方向（与主应力呈力方向（与主应力呈45°）向晶内扩展，并）向晶内扩展，并逐渐转向与拉应力垂直逐渐转向与拉应力垂直第二阶段：第二阶段：      沿垂直拉应力方向沿垂直拉应力方向向前扩展形成主裂纹，向前扩展形成主裂纹，直至最后形成剪切唇直至最后形成剪切唇     •第一阶段时第一阶段时萌生的微裂纹数可能很多，并沿最大切应力方向扩展，但是其中多数微裂纹并不继续扩展，成为不扩展裂纹，只有个别微裂纹可延伸几十um(即2—5个晶粒)长总体裂纹扩展速率较低，扩展深度也小l这一阶段在疲劳总寿命中所占比例与循环应力幅有关l应力幅越大，第一阶段所占比例越小l应力幅越小，第一阶段所占比例越大l第一阶段循环裂纹扩展量很小，所以微观断口上无明显特征l一般认为，第一阶段是在交变应力下裂纹沿特定滑移面反复滑移塑性变形产生新表面的过程l第二阶段，由拉应力控制，沿着垂直于拉应力方第二阶段，由拉应力控制，沿着垂直于拉应力方向扩展形成主裂纹，穿晶扩展，速度很快，向扩展形成主裂纹，穿晶扩展，速度很快，            显微特征：显微特征：在断口上可以观察到平行排列的条带在断口上可以观察到平行排列的条带——疲劳条带疲劳条带。

l疲劳条带（疲劳辉纹）：是略呈弯曲并相互平行的沟槽状疲劳条带（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花样，与裂纹扩展方向垂直  （疲劳断口最典型的微观特征）（疲劳断口最典型的微观特征）•对韧性材料：韧性条带对韧性材料：韧性条带•对脆性材料：脆性条带对脆性材料：脆性条带 疲劳条带疲劳条带 （（a a）韧性条带）韧性条带×1000 ×1000 （（b b）脆性条带）脆性条带×600×6004 4、、影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素一：工作条件一：工作条件1：载荷条件：：载荷条件：l应力状态、平均应力、应力比、载荷频率应力状态、平均应力、应力比、载荷频率l过载将降低疲劳强度和寿命过载将降低疲劳强度和寿命l次载锻炼，可提高疲劳强度次载锻炼，可提高疲劳强度l间歇效应，对应变时效材料，可提高疲劳强度间歇效应，对应变时效材料，可提高疲劳强度2：温度：：温度：        温度升高，疲劳强度降低；温度降低，温度升高，疲劳强度降低；温度降低，疲劳强度升高疲劳强度升高3：腐蚀介质：：腐蚀介质：     使材料产生蚀坑，降低疲劳强度使材料产生蚀坑，降低疲劳强度二：表面状态和尺寸因素二：表面状态和尺寸因素1：表面状态：表面状态                  表面缺口导致应力集中，形成疲劳表面缺口导致应力集中，形成疲劳                  源，引起疲劳断裂源，引起疲劳断裂2：尺寸因素：尺寸因素                 尺寸增大，疲劳强度降低（尺寸效尺寸增大，疲劳强度降低（尺寸效应）应）三：表面强化和残余应力三：表面强化和残余应力l提高表面塑变抗力（强度和硬度），降低表面拉应力，提高表面塑变抗力（强度和硬度），降低表面拉应力，提高弯曲、扭转载荷下材料的疲劳强度提高弯曲、扭转载荷下材料的疲劳强度l表面喷丸及滚压表面喷丸及滚压l表面热处理和化学热处理表面热处理和化学热处理l复合强化（渗碳＋表面淬火、渗碳＋喷丸等）复合强化（渗碳＋表面淬火、渗碳＋喷丸等）四：材料成分及组织的影响四：材料成分及组织的影响1：合金成分：合金成分      结构钢中碳的作用（间隙固溶强化，第二相弥散强结构钢中碳的作用（间隙固溶强化，第二相弥散强       化），疲劳强度提高化），疲劳强度提高2：夹杂物和缺陷：夹杂物和缺陷     降低疲劳强度降低疲劳强度3：显微组织：显微组织      细化晶粒，提高疲劳强度细化晶粒，提高疲劳强度      组织不同，疲劳强度不同组织不同，疲劳强度不同课后作业课后作业Homeworkl1、请简述疲劳破坏的特点、请简述疲劳破坏的特点l2、低周疲劳和高周疲劳的定义及特点、低周疲劳和高周疲劳的定义及特点l3、阐述次载锻炼和间歇效应的作用、阐述次载锻炼和间歇效应的作用l4、比较循环变形与单调加载时位错滑移、比较循环变形与单调加载时位错滑移l5、列举、列举4种提高疲劳极限的方法种提高疲劳极限的方法l书书P181-182,   1、、3。