第五章 材料的疲劳性能.doc

第五章材料的疲劳性能第五章材料的疲劳性能一•本章的教学目的与要求本章主耍介绍材料的疲劳性能，耍求学生掌握疲劳破坏的定义和特点, 疲劳断口的宏观特征，金属以及非金属材料疲劳破坏的机理，各种疲劳抗 力指标，例如疲劳强度，过载持久值，疲劳缺口敏感度，疲劳裂纹扩展速 率以及裂纹扩展门槛值，影响材料疲劳强度的因素和热疲劳损伤的特征及 其影响因素，目的是为疲劳强度设计和选用材料建立基本思路1. 教学重点与难点1. 疲劳破坏的一般规律（重点）2. 金属材料疲劳破坏机理（难点）3. 疲劳抗力指标（重点）4. 影响材料及机件疲劳强度的因素（重点）5热疲劳（难点）%1. 主要外语词汇疲劳强度：fatigue strength 断 口： fracture 过载持久值:overload of lasting value疲劳缺口敏感度:fatigue notch sensitivity疲劳裂纹扩展速率： fatigue crack growth rate 裂纹JT展 l ］槛值：threshold of crack propagation 热疲劳：thermal fatigue%1. 参考文献1•张帆，周伟敏•材料性能学•上海：上海交通大学出版社，20092. 束德林.金属力学性能.北京：机械工业出版社，19953. 石德珂，金志浩等•材料力学性能•西安：西安交通大学出版社，19964. 郑修麟.材料的力学性能.西安：西北工业大学出版社，19945. 姜伟之，赵时熙等•工程材料力学性能•北京：北京航空航天大学出版 社，19916. 朱有利等•某型车辆扭力轴疲劳断裂失效分析[J]・装甲兵工程学院学 报，2010,24(5)： 78-81%1. 授课内容第五章材料的疲劳性能第一节疲劳破坏的一般规律1、 疲劳的定义材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象, 称为疲劳。

2、 变动载荷指大小或方向随着吋间变化的载荷变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值分为：规则周期变动应力和无规则随机变动应力3、 循环载荷(应力)的表征%1 最大循环应力：o max%1 最小循环应力：o min%1 平均应力：o m二(o max + o min) /2%1 应力幅o a或应力范围A o : A o = o max- o min o a= A o /2= ( omax- o min) /2⑤应力比(或称循环应力特征系数)：r= o min/ o max5、循环应力分类按平均应力、应力幅、应力比的不同，循环应力分为%1 对称循环 o m二(o max + o min) /2=0 r=-l属于此类的有：大多数旋转轴类零件1 不对称循环o m^O如：发动机连杆、螺栓(a) o a> o m>O,lt;r<O(b) o a> 0, o m<0, r<-l%1 脉动循环o m= o a&呂t;0, r=0 ( o min=0)如I：齿轮的齿根、压力容器o m= o a<0, r= ( o max=0)如：轴承(压应力)%1 波动循环o m> o a 0<r<l o min>0 如：发动机气缸盖、螺栓。

1 随机变动应力应力大小、方向随机变化，无规律性如：汽车、飞机零件、轮船二、疲劳破坏的特点在变动载荷作用下，材料薄弱区域，逐渐发生损伤，损伤累积到一定 程度一产生裂纹，裂纹不断扩展一失稳断裂特点：从局部区域开始的损伤，不断累积，最终引起整体破坏K潜藏的突发性破坏，脆性断裂（即使是塑性材料）2、 属低应力循环延时断裂（滞后断裂）3、 对缺陷十分敏感（可加速疲劳进程）三、 疲劳破坏的分类1、 按应力状态： 弯曲疲劳扭转疲劳拉压疲劳接触疲劳复合疲劳2、 按应力大小和断裂寿命N>105, 6 &It; 6 s 高周疲劳一低应力疲劳N=102〜105, 6^6s 低周疲劳〜高应力疲劳四、 疲劳破坏的表征一疲劳寿命疲劳寿命：材料疲劳失效前的工作时间，即循环次数N疲劳曲线：应力5 t , N I五、 疲劳断口的宏观特征典型疲劳断口具有3个特征区：疲劳源 疲劳裂纹扩展区 瞬断区 疲劳裂纹萌生区，多出现在零件表面，与加工刀痕、缺口、裂纹、 蚀坑等相连疲劳源可以是一个，也可以冇多个如：单向弯曲，只冇一个疲劳源;双向弯曲，可出现两个疲劳源2、 疲劳裂纹扩展区（亚临界扩展区）特征：断口较光滑并分布有贝纹线或裂纹扩展台阶。

贝纹线是疲劳区最典型的特征，是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（裂 纹扩展较慢），远疲劳源区贝纹线较稀疏、粗糙（裂纹扩展较快）・3・贝纹线（海滩花样）贝纹线区的大小取决于过载程度及材料的韧性，高名义应力或材料韧 性较差吋，贝纹线区不明显；反之，低名义应力或高韧性材料，贝纹线粗 且明显，范围大名义载荷根据额定功率用力学公式计算出作用在零件上的载荷即机器平稳工 作条件下作用于零件上的载荷计算载荷二载荷系数*名义载荷3、 瞬断区裂纹失稳扩展形成的区域断口特征：断口粗糙，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；表面平面应力区则有剪切唇区存在瞬断区一般在疲劳源对侧瞬断区大小与名义应力、材料性质冇关 高名义应力或脆性材料，瞬断区大；反之，瞬断区小・4・第二节疲劳破坏的机理一、金属材料疲劳破坏的机理2、疲劳裂纹的萌生（形核）第I阶段在循环应力作用下，裂纹萌生常在材料薄弱区或高应力区 通过不均匀滑移或显微开裂（如第二相、夹杂物、晶界或亚晶界）等方 式完成通常将长0.05-0.10mm的裂纹定为疲劳裂纹核，对应的循环周期N, 为微裂纹萌生期。

驻留滑移带：在循环载荷作用下，即使循环载荷未超过材料屈服强度，也会在材料 表面形成循环滑移带一不均匀滑移，其与静拉伸形成的均匀滑移不同，循 环滑移带集中于某些局部区域，用电解抛光法也难以去除，即使去除了， 再重新循环加载，还会在原处再现不均匀滑移驻留滑移带在表面加宽过程中，会形成挤出脊和侵入沟，从而引起应 力集中，形成疲劳微裂纹一形核（萌生）挤出和侵入模型表面易产生疲劳裂纹的原因（1） 在许多载荷方式下，如扭转疲劳，弯曲和旋转弯曲疲劳等，表 面应力最大2） 实际构件表面多存在类裂纹缺陷，如缺口，台阶，键槽，加工 划痕等，这些部位极易由应力集中而成为疲劳裂纹萌生地3）相比于晶粒内部，自由表面晶粒受约束较小，更易发生循环塑 性变形4）自由表面与大气直接接触，因此，如果环境是破坏过程中的一 个因素，则表面晶粒受影响较大2、疲劳裂纹的扩展一第［【阶段疲劳裂纹形核后，在室温及无腐蚀条件下第I阶段属于微裂纹扩展第II阶段呈穿晶扩展，扩展速率da/dN随N的增加而增大在多数韧性材料的第II阶段，断口用电子显微镜可看到韧性条带而 脆性材料中可看到脆性条带疲劳条带（辉纹）呈略弯曲并相互平行的沟槽状花样，与裂纹扩展方 向垂直。

与贝纹线不同，疲劳条带是疲劳断口的微观特征疲劳条带形成的原因：裂纹尖端的塑性张开，钝化和闭合钝化，使裂纹向前延续扩展疲劳裂 纹的形成与扩展模型韧性疲劳条带与脆性疲劳条带形貌疲劳条带的形成模型（Laird・Smith模型）：疲劳条带的形成模型一再生核模型（F-R） 韧性条带与脆性条带的区别: 二、非金属材料疲劳破坏机理・7・1、 陶瓷材料的疲劳破坏机理静态疲劳相当于金属中的延迟断裂，即在一定载荷作用下，材料耐用 应力随时间下降的现象动态疲劳在恒定加载条件下，研究材料断裂失效对加载速率的敏感性循环疲劳在长期变动应力作用下，材料的破坏行为陶瓷材料断口呈现脆性断口的特征2、 高分子聚合物的疲劳破坏机理（1） 非晶态聚合物a、 高循环应力吋，应力很快达到或超过材料银纹的引发应力，产生 银纹，随后转变成裂纹，扩展后导致材料疲劳破坏b、 中循环应力也会引发银纹，形成裂纹，但裂纹扩展速率较低（机 理相同）c、低循环应力，难以引发银纹，由材料微损伤累积及微观结构 变化产生微孔及微裂纹，最终裂纹扩展导致宏观破坏2） 结晶态高聚合物或低应力循环的非晶态高聚合物，疲劳过程冇以 下现象：①整个过程，疲劳应变软化而不出现硬化。

1 分子链间剪切滑移，分子链断裂，结晶损伤，晶体结构变化1 产生显微孔洞，微孔洞合并成微裂纹，并扩展成宏观裂纹1 断口呈裂纹扩展形成的肋状形态，断口呈丛生簇状结构（拉拔）3） 高聚物的热疲劳 由于聚合物为粘弹性材料，具有较大面积的应力滞后环，所以在应力 循环过程中，外力所做的功冇相当一部分转化为热能；而聚合物导热性能 差，因此温度急剧升高，甚至高于熔点或玻璃化转变温度，从而产生热疲热疲劳常是聚合物疲劳失效的主要原因因此疲劳循环产生的热量, 使聚合物升温，可以修补高分子、的微结构损伤，使机械疲劳裂纹形核困 难⑷聚合物疲劳断口可观察到两种特征的条纹A、 疲劳辉纹每周期的裂纹扩展10 um （间距）聚合物相对分子量较高时，在所有应力强度因子条件下，皆可形成 疲劳辉纹B、 疲劳斑纹不连续、跳跃式的裂纹扩展，50 Pm间距而相对分子量较低吋，在较低应力强度因子吋，易形成疲劳斑纹3、复合材料的疲劳破坏机理（1）复合材料疲劳破坏的特点a、 多种疲劳损伤形式：界面脱粘、分层、纤维断裂、空隙增长等b、 不发生瞬断，其疲劳破坏的标准与金属不同，常以弹性模量下降 的白分数1%-2%）,共振频率变化（-2HZ）作为破坏依据。

c、 聚合物基复合材料，以热疲劳为主，对加载频率感d、 较大的应变引起纤维与基体界面开裂形成疲劳源（纤维、基体的变形量不同）压缩应变使复合材料纵向开裂，故对压缩敏感e、复合材料的疲劳性能与纤维取向冇关纤维是主要承载组分，沿纤 维方向具有很好的疲劳强度；而沿纤维垂直方向，疲劳强度较低对于复合材料，界面结合非常重要，因为：基体与纤维的E不同，变 形量不同，故界面产生很大的剪切应力8 -第三节疲劳抗力指标一、 疲劳试验方法实验设备：旋转弯曲疲劳试验机实验方法用一组光滑试样，测量一N曲线，即疲劳应力一疲劳寿命曲线实验标准GB4337—84旋转弯曲疲劳试验机：临界值o - 1 材料的疲劳强度o >；o - 1 有限循环oWo-1 无限循环金属材料的疲劳曲线有两类：碳钢、低合金钢、球铁等冇水平线而有色合金、不锈钢、高强度的无水平线取N=106, 107或108下的 疲劳强度f条件疲劳强度二、 疲劳强度在指定疲劳寿命下，材料能承受的上限循环应力指定的疲劳寿命： 无限周次 冇限周次1. 对称循环疲劳强度对称弯曲：0 -1对称扭转：T-1对称拉压：o・lp-9 -2、 不对称循环疲劳强度不对称循环疲劳强度难以用实验方法直接测定。

一般用工程作图法, 由疲劳图求出各种不对称循环应力下的疲劳强度r=-l-l个状态下的疲劳强度由此即可根据已知循环应力比r求出Q值作图，在AHB上对应点的纵 坐标值即为相应的疲劳强度注意：上述疲劳图仅适合于脆性材料，对于塑性材料，应该用屈服强 度os进行修正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，相应的疲劳强度也不同，存在如下关系:。