材料的疲劳与断裂ppt课件.pptx

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1、Fatigue & Fracture4.4.1 1 疲劳概疲劳概述述 (introduction)(introduction)什么是疲劳？什么是疲劳？4.1.1 扰动（变动）应力扰动（变动）应力疲劳断裂破坏的严重性疲劳断裂破坏的严重性4.1.2 疲劳破坏的特点疲劳破坏的特点4.1.3 疲劳宏观断口疲劳宏观断口2012-4-19wzhuoyt14 4 材料的疲劳与断裂材料的疲劳与断裂何谓疲劳？何谓疲劳？2012-4-19wzhuoyt2 疲疲劳劳:特指材料或构件在应力或应变反复特指材料或构件在应力或应变反复 作用下发生损伤和断裂的现象。作用下发生损伤和断裂的现象。 疲劳断裂是疲劳断裂是最常见的破

2、坏形式。最常见的破坏形式。各类机各类机 件破坏件破坏中中80%90%属于疲劳断裂。属于疲劳断裂。 疲劳断裂通常发生在疲劳断裂通常发生在远低于材料静强度远低于材料静强度 的变动应力条件下的变动应力条件下出现，而且破坏前不出现，而且破坏前不 发生明显塑性变形，发生明显塑性变形，难以检测和预防。难以检测和预防。 造成的危害大。造成的危害大。什么是材料的疲劳？什么是材料的疲劳？2012-4-19wzhuoyt3 1939年法国工程年法国工程师师poncelet J.V 在巴黎大学讲课时首先使在巴黎大学讲课时首先使用用“疲疲劳劳”这一这一 术语，用来描述材料在循环载荷作用下术语，用来描述材料在循环载荷作

3、用下承载能力逐渐耗尽以致最后突然断裂的承载能力逐渐耗尽以致最后突然断裂的 现象。现象。什么是材料的疲劳？什么是材料的疲劳？2012-4-19wzhuoyt4在某点或某些点承受在某点或某些点承受扰动应力，扰动应力，且在且在 足足够多的循环扰动作用之后形成够多的循环扰动作用之后形成裂纹裂纹 (损损伤伤)或完全断裂或完全断裂的材料中所发生的的材料中所发生的 局部局部的的永久性结构变化永久性结构变化的的发展过程，发展过程， 称为疲称为疲劳。劳。（P.143，第一，第一段段)疲劳断裂的表现形式疲劳断裂的表现形式2012-4-19wzhuoyt5 机械疲劳机械疲劳：外加应力：外加应力/ /应变波动造成的。

4、应变波动造成的。 蠕变疲劳蠕变疲劳：循环载荷与高温联合作用下的疲：循环载荷与高温联合作用下的疲 劳。劳。 热机械疲劳热机械疲劳：循环受载部件的温度变动时材：循环受载部件的温度变动时材 料的疲劳。料的疲劳。 腐蚀疲劳：腐蚀疲劳：在侵蚀性化学介质或致脆介质环在侵蚀性化学介质或致脆介质环 境中施加变动载荷引起的疲劳。境中施加变动载荷引起的疲劳。 磨损疲劳磨损疲劳：接触疲劳、微动疲劳、：接触疲劳、微动疲劳、 电致疲劳电致疲劳2012-4-19wzhuoyt 6疲劳的分疲劳的分类类（细化）（细化）2012-4-19wzhuoyt7 1 按试样破断时按试样破断时应力（应变）循环周次高低应力（应变）循环周次

5、高低分：分： 低周疲劳试验、高周疲劳试验。失效循环周次低周疲劳试验、高周疲劳试验。失效循环周次 大大于于5X104的称为高周疲劳试验，小于的称为高周疲劳试验，小于5X104的的 称称为低周疲劳试验。为低周疲劳试验。 2 按按试验环境试验环境分：室温疲劳试验、低温疲劳试分：室温疲劳试验、低温疲劳试 验、高温疲劳试验、热疲劳试验、腐蚀疲劳试验、高温疲劳试验、热疲劳试验、腐蚀疲劳试 验、验、接触疲劳试验、微动磨损疲劳试验等。接触疲劳试验、微动磨损疲劳试验等。 3 按按应力的加载方式应力的加载方式分：分：拉拉-压疲劳试验、弯压疲劳试验、弯曲疲劳试验、扭转疲劳试验、复合应力疲劳试曲疲劳试验、扭转疲劳试验

6、、复合应力疲劳试 验。验。疲劳的分类疲劳的分类裂纹扩展试验。裂纹扩展试验。2012-4-19wzhuoyt8 4 按按应力循环的类型应力循环的类型分：等幅疲劳试验、变频疲分：等幅疲劳试验、变频疲 劳试验、程序疲劳试验、随机疲劳试验等。劳试验、程序疲劳试验、随机疲劳试验等。 5 按按应力比应力比分：对称疲劳试验，非对称疲劳试验。分：对称疲劳试验，非对称疲劳试验。 非对称疲劳试验又可以分为单向、双向加载疲劳试非对称疲劳试验又可以分为单向、双向加载疲劳试 验。单向加载疲劳试验又可以分为脉动疲劳试验、验。单向加载疲劳试验又可以分为脉动疲劳试验、 波动疲劳试验。波动疲劳试验。 6 按按试验目的试验目的分

7、：性能测试疲劳试验、影响系数分：性能测试疲劳试验、影响系数 疲劳试验、对比疲劳试验、筛选疲劳试验、验证疲疲劳试验、对比疲劳试验、筛选疲劳试验、验证疲 劳试验等。劳试验等。 7 按试样按试样有无预制裂纹有无预制裂纹分：常规疲劳试验、疲劳分：常规疲劳试验、疲劳0St 0三角波三角波St正弦波正弦波0St矩形波矩形波频频率率 (f=N/t)f=100Hz, t=100h,波形波形N=ft=3.6107 (次循次循环环)0St梯形波梯形波4.1.1 扰动（变动）应力扰动（变动）应力（P.144）2012-4-19wzhuoyt9 1、变动载荷、变动载荷 大小、方向或者大小和方向均随时间而变化。大小、方

8、向或者大小和方向均随时间而变化。 变化分为周期性，无规则性，变化分为周期性，无规则性， 相对应的应力，称为变动应力相对应的应力，称为变动应力 2、循环应力、循环应力 循环应力的波形一般近似为循环应力的波形一般近似为 正弦波、矩形波和三角形波正弦波、矩形波和三角形波等。等。 （1）循环应力的描叙）循环应力的描叙max，min； 平均应力平均应力m=1/2（max+min）应力幅应力幅a=1/2（max-min）应力比应力比=min/max （2）循环应力的种类）循环应力的种类 对称交变应力；脉动应力；波动应力；不对称交变应力。对称交变应力；脉动应力；波动应力；不对称交变应力。2012-4-19w

9、zhuoyt10变动载荷和循环应变动载荷和循环应力力主要控制参量主要控制参量a，重要影响参量重要影响参量R 平均应力平均应力2012-4-19wzhuoyt11m=(max+min)/2 a=(max-min)/2=max-min 应力半幅应力半幅 应力变程应力变程 应力比应力比(循环特性参数循环特性参数)R=min/max0t对称循环对称循环Smax=-SmintSmax=Smin静载静载SSSR= -1R=0R=100t脉冲循环脉冲循环Smin=0主要控制参主要控制参量量： a，重要影响参量：，重要影响参量：R频率频率 (f=N/t) 和和 波形的影响是较次要的。波形的影响是较次要的。应力

10、比应力比R反映了载荷的循环特性。如反映了载荷的循环特性。如2012-4-19wzhuoyt12断断裂裂( (包括疲劳、腐蚀引起的断裂包括疲劳、腐蚀引起的断裂) ) 使美国一年损失使美国一年损失11901190亿美元亿美元, , 为为其其19821982年国家总产值的年国家总产值的4 4% %。 损失最严损失最严重的是：重的是：车辆车辆业业(125亿亿/年年)， 建筑建筑业业(100亿亿/年年)， 航空航空业业(67亿亿/年年)，金属结构及制品业金属结构及制品业(55亿亿/年年)。疲劳断裂破坏的严重性疲劳断裂破坏的严重性2012-4-19wzhuoyt13国际民航组国际民航组织织 (ICAO)发

11、表的发表的 “涉及金属疲劳断涉及金属疲劳断裂的重大飞机失事调裂的重大飞机失事调查查”指出：指出：80年代以来，由金属疲劳断裂引起的机毁人亡年代以来，由金属疲劳断裂引起的机毁人亡 重大事故，重大事故，平均每平均每年年100次。次。(不包括中、不包括中、苏苏)Int. J. Fatigue, Vol.6, No.1, 1984工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破 坏的坏的50-90%，是机械、结构失效的最常见形式。，是机械、结构失效的最常见形式。因此，工程技术人员必须认真考虑可能的疲劳断因此，工程技术人员必须认真考虑可能的疲劳断 裂问题。裂问题。疲劳

12、断裂引起的空难达每年疲劳断裂引起的空难达每年100次以上次以上2012-4-19wzhuoyt14按静强度设计，满按静强度设计，满足足 b b ，为什么还发生破坏？，为什么还发生破坏？19世世纪纪30-40年代，英国铁路车辆轮轴在轴肩处年代，英国铁路车辆轮轴在轴肩处（应力仅为（应力仅为0.4 y ys s ）多次发生破坏；）多次发生破坏；19541954年年1 1月月, , 英国慧星英国慧星(Comet)(Comet)号喷气客机坠入地中号喷气客机坠入地中 海（机身在舱门拐角处开裂）；海（机身在舱门拐角处开裂）；2012-4-19wzhuoyt15大型汽轮大型汽轮机机 转子转子2012-4-19

13、wzhuoyt16轴轴疲劳断裂破坏疲劳断裂破坏wzhuoyt2012-4-1917叶轮叶轮转子轴转子轴疲劳断裂破坏疲劳断裂破坏wzhuoyt2012-4-1918疲劳开裂疲劳开裂叶片击穿厂房房顶叶片击穿厂房房顶wzhuoyt2012-4-1919飞飞 机机 整整 机机 结结 构构 强强 度度 实实 验验机翼破坏实验机翼破坏实验wzhuoyt2012-4-1920飞飞 机机 整整 机机 结结 构构 强强 度度 实实 验验机身破坏实验机身破坏实验wzhuoyt2012-4-1921上上海海东方电视塔东方电视塔高高300m球球径径4 5 m2012-4-19wzhuoyt22抗震模型试验抗震模型试验

14、（破坏部位、破坏形式、抗震能力）（破坏部位、破坏形式、抗震能力）静强度失效、断裂失效和疲劳失效，是工程静强度失效、断裂失效和疲劳失效，是工程 中最为关注的中最为关注的基本失效模式基本失效模式。控制疲劳强度、断裂强度的是什么？控制疲劳强度、断裂强度的是什么？2012-4-19wzhuoyt231998 德国高德国高铁铁 884出轨出轨 車輪乃雙殼夾層式車輪車輪乃雙殼夾層式車輪 因因金屬疲勞導致損壞金屬疲勞導致損壞2012-4-19wzhuoyt244.1.2 疲劳破坏特点疲劳破坏特点2012-4-19wzhuoyt25 书上书上P.144，（），（）-（）（）1. 疲劳断裂是低应力脆断疲劳断裂是

15、低应力脆断。应力远低于弹性极应力远低于弹性极 限。限。2. 疲劳断裂是延时断裂。疲劳断裂是延时断裂。循环应力作用循环应力作用下产生。下产生。3. 疲劳过程是疲劳过程是损伤累积损伤累积的过程。内部组织变化的过程。内部组织变化 引起引起-损伤损伤-累积累积-疲劳断裂。疲劳断裂。4. 微观：微观：裂纹萌生、稳态扩展、加速扩展。裂纹萌生、稳态扩展、加速扩展。疲劳断口特征，有三个典型的形貌区域：疲劳断口特征，有三个典型的形貌区域：1 疲劳源：疲劳源：裂纹裂纹萌生的地方。萌生的地方。表面，表面，缺缺 口、裂纹、刀痕、蚀坑。口、裂纹、刀痕、蚀坑。2 疲劳扩展区：疲劳扩展区：裂纹裂纹稳态扩展形成的。稳态扩展形

16、成的。3 瞬时断裂区：瞬时断裂区：裂纹裂纹失稳快速扩展形成失稳快速扩展形成 的。的。详解：详解：2012-4-19wzhuoyt264.1.3 疲劳宏观断口疲劳宏观断口（p.145）疲劳断口的三个典型形貌区疲劳断口的三个典型形貌区2012-4-19wzhuoyt271 疲劳源特点疲劳源特点2012-4-19wzhuoyt281）多在机件表面缺陷处，也可在内部）多在机件表面缺陷处，也可在内部 缺陷严重处缺陷严重处 2）疲劳源区比较光滑（因）疲劳源区比较光滑（因摩擦引起）摩擦引起）3）因加工硬化，表面硬度提高；）因加工硬化，表面硬度提高；4）可以有多个疲劳源。）可以有多个疲劳源。疲劳疲劳源源实物及

17、示意图实物及示意图左图为实物断口，其中左图为实物断口，其中 ，为为疲劳源，为为疲劳源2012-4-19wzhuoyt29实物案例实物案例 曲轴的弯曲曲轴的弯曲疲劳，疲劳源在圆根处疲劳，疲劳源在圆根处2012-4-19wzhuoyt302：疲劳扩展区特征：疲劳扩展区特征1）断口光滑断口光滑并有并有贝纹线贝纹线（海滩条带海滩条带、海、海 滩花样），有时还有裂纹扩展台阶；滩花样），有时还有裂纹扩展台阶； 2）贝纹线凹面指向疲劳源，凸面指向裂贝纹线凹面指向疲劳源，凸面指向裂 纹纹扩展方向；扩展方向； 3）贝纹线刚开始较细密，）贝纹线刚开始较细密，表明裂纹扩展表明裂纹扩展 较慢，而后变稀疏，粗糙，较慢，

18、而后变稀疏，粗糙，表明裂纹扩表明裂纹扩 展较快；展较快；2012-4-19wzhuoyt31疲劳断口观察工具与观察内容的关疲劳断口观察工具与观察内容的关系系:1-1-1 10 01 10-10000-100010001000以上以上裂纹源，滑移裂纹源，滑移， 条纹，微解理条纹，微解理 夹杂，缺陷夹杂，缺陷；微孔聚合微孔聚合放大放大 倍数倍数观察观察 工具工具肉眼，放大肉眼，放大镜镜金相显微金相显微镜镜电子显微镜电子显微镜观察观察 对象对象宏观断口，宏观断口， 海滩条带；海滩条带；2012-4-19wzhuoyt32疲劳断口的三个典型形貌区疲劳断口的三个典型形貌区2012-4-19wzhuoyt

19、333：疲劳瞬断区特征：疲劳瞬断区特征2012-4-19wzhuoyt341）是裂纹失稳扩展形成的区域；）是裂纹失稳扩展形成的区域；2）断口比疲劳区粗糙，宏观特征如同静载）断口比疲劳区粗糙，宏观特征如同静载3）脆性材料断口呈结晶状；）脆性材料断口呈结晶状；4）韧性材料断口，在心部平面应变区呈放）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射状或人字纹状，边缘平面应力区则有剪 切唇存在。切唇存在。 5）高名义应力或低韧性材料，）高名义应力或低韧性材料，瞬断区大瞬断区大2012-4-19wzhuoyt 354.2 疲劳的宏观表征疲劳的宏观表征-疲劳强度疲劳强度（书（书P.

20、146）2012-4-19wzhuoyt36疲劳强度疲劳强度（材料性能学（材料性能学-王从曾王从曾-书书P.97）1.对称循环对称循环疲劳强度疲劳强度2.不对称循环不对称循环疲劳强度疲劳强度3.不同应力状态下的不同应力状态下的疲劳强度疲劳强度4.疲劳曲线疲劳曲线2012-4-19wzhuoyt37变应力的种类变应力的种类变应力的特征参数变应力的特征参数平均应力平均应力应力半幅应力半幅循环特征（应力比）循环特征（应力比）2 min maxm2 min maxa maxr min稳定循环稳定循环 变应力变应力非稳定循非稳定循 环变应力环变应力随机性非稳随机性非稳 定变应力定变应力规律性非稳规律性非

21、稳 定变应力定变应力变应力的种变应力的种类类对称循环变应力对称循环变应力脉动循环变应力脉动循环变应力非对称循环变应力非对称循环变应力2012-4-19wzhuoyt38稳定循环变应力的分稳定循环变应力的分类类max=mina=0 m=maxr= +1maxmax min 0 1 2mar = 0max= -min=amina max minm 0r= -1aamaxminm22 max min min max m ama-1 r1静应力静应力脉动循环脉动循环 变应力变应力对称循环对称循环 变应力变应力任意不对称任意不对称 循环变应力循环变应力min=0t0am=aam=0疲劳实验疲劳实验到底多

22、大的载荷到底多大的载荷（10KN100KN）循环多少次）循环多少次（）（）才能使一根火车车轴出现疲劳现象呢？才能使一根火车车轴出现疲劳现象呢？2012-4-19wzhuoyt394.2.1 疲劳曲线疲劳曲线（书（书P.146）2012-4-19wzhuoyt40德国铁路工程师沃勒德国铁路工程师沃勒Wohler开始作疲劳实验开始作疲劳实验疲劳曲线疲劳曲线：S-N曲线（扭转疲劳、曲线（扭转疲劳、拉拉-压压 疲劳）实际是疲劳）实际是T-N（寿命）（寿命）曲线曲线分两种：分两种：1. 逐点描绘法逐点描绘法2. 直线拟合法直线拟合法1. 逐点描绘法逐点描绘法2012-4-19wzhuoyt412. 直线

23、拟合法直线拟合法2012-4-19wzhuoyt42直线拟合法直线拟合法S-N 曲线曲线2012-4-19wzhuoyt43直线拟合法，在有限寿命区直线拟合法，在有限寿命区2012-4-19wzhuoyt444.2.2 疲劳极疲劳极限限-疲劳疲劳抗力指标抗力指标（P.148） 定义：材料能定义：材料能经受经受无限次应力循环而不发生无限次应力循环而不发生 断裂的断裂的最大应力。最大应力。即即下图中下图中疲劳曲线的疲劳曲线的水平水平 部分部分对应的应力。对应的应力。 低于这个应力材料不会发生疲劳断裂。这个低于这个应力材料不会发生疲劳断裂。这个 应力强度值表征材料对疲劳断裂的抗力。应力强度值表征材料

24、对疲劳断裂的抗力。2012-4-19wzhuoyt45条件疲劳极限条件疲劳极限 条件疲劳极限：条件疲劳极限：某些疲劳曲线没有水平部某些疲劳曲线没有水平部 分，分，此时规定能达到此时规定能达到某一循环周次某一循环周次(N=107)而而 不不断裂的最大应力断裂的最大应力为为条件疲劳极限。（如下条件疲劳极限。（如下 图图的铝合金材料）的铝合金材料）2012-4-19wzhuoyt46疲劳极限的测定疲劳极限的测定2012-4-19wzhuoyt47 疲劳极限必须由实验来测定。疲劳极限必须由实验来测定。 旋转弯曲旋转弯曲方法疲劳极限：方法疲劳极限：-1-1、 扭转扭转方法测的疲劳极限：方法测的疲劳极限：

25、-1-1、 单轴拉单轴拉- -压压方法疲劳极限：方法疲劳极限：-1p-1p 同一种材料在同一种材料在不同应力状态下不同应力状态下测定的疲劳极限是不测定的疲劳极限是不 同的，但同的，但它们之间有如下经验关系它们之间有如下经验关系： （书书P.149）-1-1p p=0.8=0.85 5- -1 1（钢）（钢）-1-1p p=0.6=0.65 5- -1 1（铸铁）（铸铁）- -1 1 =0.5=0.55 5- -1 1（钢及轻合金）（钢及轻合金） - -1 1 =0.8=0.8-1-1（铸铁）（铸铁） 旋转弯曲方法疲劳极限：旋转弯曲方法疲劳极限：- -1 1、 扭转扭转-1-1、拉压、拉压-1p

26、-1p 对于对于同种材料同种材料有：有：-1-1 -1-1p p -1-12012-4-19wzhuoyt48材料材料抗拉强度抗拉强度越高越高-其其疲劳极限疲劳极限越高越高2012-4-19wzhuoyt49 疲劳极限是十分重要的力学性能，但实疲劳极限是十分重要的力学性能，但实 验测定费时、费力，在要求不高的情况验测定费时、费力，在要求不高的情况 下，下，可以根据材料的静强度来估算。可以根据材料的静强度来估算。 材料材料抗拉强度抗拉强度越越高高-其其疲劳极限疲劳极限越高越高 抗拉强度：抗拉强度：b疲劳极限与静强度疲劳极限与静强度（P.150）2012-4-19wzhuoyt50结构钢结构钢：

27、-1p=0.23（s+ b) -1=0.27（s+ b)铸铁：铸铁：-1p=0.4b-1=0.45 b铝合金：铝合金：-1p=0.17b+7.5-1=0.17b-7.5 青铜：青铜：-1=0.21b大量研究表明大量研究表明，材料的强度越高，疲劳极限也材料的强度越高，疲劳极限也 越高越高。因此可以通过合金化、适度的冷变形、细化因此可以通过合金化、适度的冷变形、细化 晶粒和组织等强化方法提高材料的疲劳极限。但应晶粒和组织等强化方法提高材料的疲劳极限。但应 注意，若强度过高、硬度过大，使材料脆性过大，注意，若强度过高、硬度过大，使材料脆性过大， 则适得其反。则适得其反。-1p单轴拉单轴拉- -压压；

28、-1旋转弯曲；旋转弯曲；b抗拉强度抗拉强度4.2.3疲劳过载疲劳过载（P.154）2012-4-19wzhuoyt51 定义：材料在高于疲劳极限的应力状态定义：材料在高于疲劳极限的应力状态 下工作。下工作。 两种情况：两种情况：哗短时偶然过载：短时偶然过载：汽车急刹车，短时、汽车急刹车，短时、 偶然行为。偶然行为。哗持久（有限寿命）过载：飞机起落持久（有限寿命）过载：飞机起落 架，架，有限寿命服役行为。有限寿命服役行为。4.2.3.2 过载损伤界过载损伤界（偶然过载）（偶然过载）2012-4-19wzhuoyt52 短时偶然过载时，短时偶然过载时，材料的疲劳寿命可能材料的疲劳寿命可能降低降低-

29、 -可可 能不降低。（能不降低。（书书 P.152P.152） 实验证明，材料在过载应力水平下只有运转一定实验证明，材料在过载应力水平下只有运转一定 周次后，疲劳强度或周次后，疲劳强度或疲劳寿命疲劳寿命才会才会降低，降低，造成造成过过 载损伤。载损伤。 疲劳寿命降低时，疲劳寿命降低时，记录记录过载应力过载应力及及引起损伤的引起损伤的最最 少循环周次少循环周次，得到该材料的，得到该材料的过载损伤界过载损伤界。 运转只有超过运转只有超过过载损伤界的过载损伤界的循环周次，循环周次，才会引起才会引起 材料、机件损伤。材料、机件损伤。4.2.3.3 疲劳损伤累积疲劳损伤累积2012-4-19wzhuoy

30、t53持久持久（有限寿命）过载（有限寿命）过载 疲劳损伤累积理论的基本假设疲劳损伤累积理论的基本假设（P.153） ： 在高于疲劳极限的应力下，每循环一次在高于疲劳极限的应力下，每循环一次就使材料产生一定量的损伤，随循环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，当损伤累积到数增加，损伤逐步累积，当损伤累积到 某一临界值某一临界值D时，材料便发生疲劳断裂。时，材料便发生疲劳断裂。4.2.4 疲劳缺口敏感度疲劳缺口敏感度 缺口区域的应力集中会降低机件的疲劳寿命和疲劳缺口区域的应力集中会降低机件的疲劳寿命和疲劳 强度。强度。 材料在材料在交变载荷交变载荷作用下的作用下的缺口缺口敏感

31、性，常用敏感性，常用疲劳缺疲劳缺口敏感度口敏感度q qf f评定评定K 1Kt 1ffq Kt：理论应力集中系数：理论应力集中系数，1；Kf：疲劳缺口系数：疲劳缺口系数 12012-4-19wzhuoyt54 1NK f - -1 1：光滑试样的疲劳极限：光滑试样的疲劳极限； -1-1N N：缺口试样的疲劳极限：缺口试样的疲劳极限疲劳缺口敏感度疲劳缺口敏感度q qf f2012-4-19wzhuoyt55 通常通常qf值值在在01范围内。范围内。 且且qf值越大，缺口敏感性越高。值越大，缺口敏感性越高。结构钢：结构钢：qf=0.60.8球墨铸铁：球墨铸铁：qf=0.110.25灰铸铁：灰铸铁：

32、qf=00.05 低周疲劳低周疲劳的缺口敏感性（度的缺口敏感性（度）qf小于小于高周疲劳高周疲劳的的 缺口敏感性。缺口敏感性。低周疲劳？高周疲劳？低周疲劳？高周疲劳？4.2.5 疲劳寿命疲劳寿命2012-4-19wzhuoyt56疲劳寿命疲劳寿命Nf ：从加载开始到试样断裂从加载开始到试样断裂所经所经 历的历的应力循环次数，应力循环次数，定义为该试样的定义为该试样的疲劳疲劳 寿命，寿命，符号符号Nf 。1.低周疲劳：低周疲劳：应力大，应力大，疲劳寿命短，疲劳寿命短，f 102105，低周疲劳。低周疲劳。2.高周疲劳：高周疲劳：应力小，工作应力应力小，工作应力低于材料的低于材料的 屈服极限，屈服

33、极限，甚至低于弹性极限甚至低于弹性极限。 疲劳寿疲劳寿命长，命长，f 105，高周疲劳；高周疲劳；疲劳寿命疲劳寿命Nf循环应力低循环应力低 于弹性极限，于弹性极限， Nf105周次周次安全区安全区疲劳极限疲劳极限与与疲劳寿命疲劳寿命 的图示区别的图示区别循环应力超循环应力超 出弹性极限，出弹性极限， Nf105周次周次疲劳极限疲劳极限2012-4-19wzhuoyt572012-4-19wzhuoyt 58ABC数值，裂纹停止扩展。数值，裂纹停止扩展。DmaxN疲劳强度的基本理论疲劳强度的基本理论次疲劳区次疲劳区低周疲劳区（应变疲应变疲劳劳）低周疲劳区N=104高周疲劳区（应力疲劳）（应力疲劳

34、）高周疲劳区N=106疲劳破坏疲劳破坏 的类型的类型应变疲劳（低应变疲劳（低 周周周周循循循循环环环环）应力疲劳（高应力疲劳（高 周循环）周循环）特点：应力水平高，循环次数少。材料特点：应力水平高，循环次数少。材料因因 应变疲劳而破坏，应变疲劳而破坏，用许用应变值来用许用应变值来控制控制特点：应力水平低，循环次数多。材料特点：应力水平低，循环次数多。材料因因 应力疲劳而破坏，应力疲劳而破坏，用许用应力值来用许用应力值来控制控制特点：应力水平低于某一特点：应力水平低于某一4.2.5.1 低周疲劳低周疲劳2012-4-19wzhuoyt59(P.155) 低周疲劳（低循环疲劳）低周疲劳（低循环疲劳

35、） 交变应力幅度大，许用应力比较交变应力幅度大，许用应力比较高高 ，工，工 作应力作应力高于高于材料的材料的弹性极限弹性极限或或高于屈服高于屈服 极限。极限。 破坏破坏循环次数一般低循环次数一般低于于104-105的疲劳。的疲劳。 如气缸、压力容器、飞机起落架、燃气如气缸、压力容器、飞机起落架、燃气 轮机零件、炮筒、桥梁、建筑物等的疲轮机零件、炮筒、桥梁、建筑物等的疲 劳。劳。-N曲线，应变曲线，应变-寿命曲线寿命曲线2012-4-19wzhuoyt60 描述描述低周疲劳低周疲劳，用，用-N曲线，应变曲线，应变-寿命曲线寿命曲线 因为零件缺口处的实际应力不容易计算因为零件缺口处的实际应力不容易

36、计算， 测测-N不准确，不准确，而而缺口处的真实应变是可以测缺口处的真实应变是可以测量的量的， -N 容易测准确。容易测准确。 低周疲劳低周疲劳也就叫做也就叫做应变疲劳应变疲劳了。了。 而在高周疲劳范围内，由于试样主要产生的而在高周疲劳范围内，由于试样主要产生的 只是弹性变形，塑性变形很小，用应变也很只是弹性变形，塑性变形很小，用应变也很 难测量，这时仍采用难测量，这时仍采用S-N即即 T-N曲线。曲线。塑性塑性应变幅应变幅p pN描述描述低周疲劳低周疲劳 应变幅：应变幅：交变应变中，最大应变与平均应变的差值。交变应变中，最大应变与平均应变的差值。 p塑塑性性+ e弹性弹性= 总总（总应变幅）

37、（总应变幅） 低周疲劳范围内，低周疲劳范围内，塑性应变幅塑性应变幅p塑性塑性 起主要作用；起主要作用；(压力容器、飞机起落压力容器、飞机起落架架) 高周疲劳范围内，弹性高周疲劳范围内，弹性应变幅应变幅p弹性弹性 起主要作用。起主要作用。(弹簧、传动轴等的疲弹簧、传动轴等的疲劳劳)2012-4-19wzhuoyt614.5.2.2高周疲劳高周疲劳2012-4-19wzhuoyt62 高周疲劳（高循环疲劳）高周疲劳（高循环疲劳） 作用于零件、构件的作用于零件、构件的应力水平较应力水平较低低 ，工作应工作应 力低于材料的屈服极限，力低于材料的屈服极限，甚至低于弹性极限甚至低于弹性极限。破坏破坏 循环

38、次数一般高循环次数一般高于于104-105的疲的疲劳劳 。 描述描述高周疲劳，用高周疲劳，用S-N，即，即T-N曲线。曲线。 弹簧、传动轴等的疲劳弹簧、传动轴等的疲劳属此类。属此类。弹簧、传动轴弹簧、传动轴-备选材料备选材料2012-4-19wzhuoyt634.2.6 疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率2012-4-19wzhuoyt641）疲劳裂纹扩展速率：（）疲劳裂纹扩展速率：（P.158） 疲劳裂纹在亚临界扩展范围内，疲劳裂纹在亚临界扩展范围内，每一每一 个个应力循环下应力循环下（沿垂直于拉应力方向）（沿垂直于拉应力方向） 裂裂纹扩展的距离纹扩展的距离，称为疲劳裂纹扩展，称为疲劳裂纹扩展

39、 速率，速率，以以da/dN表示表示。a为裂纹长度，为裂纹长度，N为循环周次。为循环周次。疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率2）疲劳裂纹扩展速率曲线）疲劳裂纹扩展速率曲线 分为分为、三个区。三个区。2012-4-19wzhuoyt65lg da/dN微解理为主微解理为主12 Kth310 -5 -610 -9lg(K)微孔聚合为主微孔聚合为主条纹为主条纹为主对应三种破坏形式对应三种破坏形式:微解理型微解理型低速率低速率条纹型条纹型稳定扩展稳定扩展微孔聚合型微孔聚合型高速率高速率2012-4-19wzhuoyt663）裂纹扩展速率公式）裂纹扩展速率公式 P.160，（4-2-27）式）式 裂纹长裂

40、纹长度度a,循环周次循环周次N， 描述描述区裂纹扩展速率，可以直区裂纹扩展速率，可以直接接用于构件用于构件 的设计与选择。的设计与选择。其中其中、n为为实验测定的材实验测定的材 料料常数常数，可以通过，可以通过查表获得。查表获得。表表4-2-1 为部为部 分材料的分材料的、n常数。常数。n2012-4-19wzhuoyt67dadN C K4.2.6.3 剩余疲劳寿命估算剩余疲劳寿命估算（P.160）1.采用声发射、超声无损探伤法可以测得初采用声发射、超声无损探伤法可以测得初 始裂纹长始裂纹长度度a0;2.裂纹尖端裂纹尖端应力场强度因子应力场强度因子即即强度因子范围：强度因子范围：3.积分得到

41、剩余疲劳寿命积分得到剩余疲劳寿命：Nc0c( KI )nacdaNCadN K Ya K Y a2012-4-19wzhuoyt684.3 疲劳的微观过程疲劳的微观过程疲劳断裂机理疲劳断裂机理（P.161）4.3.2 疲劳裂纹的萌生疲劳裂纹的萌生包括三个阶段：微裂纹的包括三个阶段：微裂纹的形成形成-萌生萌生、长大、联结。、长大、联结。 形成方式：形成方式：1. 表面滑移带开裂，表面滑移带开裂，2. 夹杂物与基体相夹杂物与基体相界界 面分离或夹杂物断裂，面分离或夹杂物断裂，3. 晶界或亚晶界开裂。晶界或亚晶界开裂。2012-4-19wzhuoyt69疲劳裂纹的萌生疲劳裂纹的萌生2012-4-19

42、wzhuoyt70 疲劳裂纹多起源于试件表面缺陷，如划痕、疲劳裂纹多起源于试件表面缺陷，如划痕、 应力集中的尖角处等。应力集中的尖角处等。 光滑试样在交变应力反复作用下，塑性变光滑试样在交变应力反复作用下，塑性变 形滑移带在局部表面产生的形滑移带在局部表面产生的挤出和挤进部挤出和挤进部 分破坏了表面的连续性，成为疲劳裂纹萌分破坏了表面的连续性，成为疲劳裂纹萌生处。生处。疲劳裂纹的萌生疲劳裂纹的萌生2012-4-19wzhuoyt71 开始时可能萌生几条裂纹，但往往是与外部开始时可能萌生几条裂纹，但往往是与外部2012-4-19wzhuoyt72载荷载荷呈呈45的晶面上的裂纹发展为疲劳的晶面上的

43、裂纹发展为疲劳裂纹裂纹 源源-最大剪应力作用处。最大剪应力作用处。 当然，也会由于当然，也会由于内部缺陷萌生裂纹。内部缺陷萌生裂纹。 定义：定义：裂纹长度裂纹长度为为0.050.10mm的初始裂的初始裂纹纹疲劳核疲劳核 下图是轴的疲劳断口，两处标有下图是轴的疲劳断口，两处标有A的部位即的部位即 第一阶段萌生的裂纹第一阶段萌生的裂纹，右侧为它的放大图。，右侧为它的放大图。2012-4-19wzhuoyt73疲劳断口观察工具与观察内容的关疲劳断口观察工具与观察内容的关系系:1-1-1 10 01 10-10000-100010001000以上以上裂纹源，滑移裂纹源，滑移， 条纹，微解理条纹，微解理

44、 夹杂，缺陷夹杂，缺陷；微孔聚合微孔聚合放大放大 倍数倍数观察观察 工具工具肉眼，放大肉眼，放大镜镜金相显微金相显微镜镜电子显微镜电子显微镜观察观察 对象对象宏观断口，宏观断口， 海滩条带；海滩条带；2012-4-19wzhuoyt744.3.3 疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹的扩展（书（书P.164） 4.3.3.1 疲劳裂纹扩展的第一阶段疲劳裂纹扩展的第一阶段 第一阶段第一阶段时的断口，类似于解理时的断口，类似于解理 的形貌。没有塑性行为的痕迹，的形貌。没有塑性行为的痕迹， 也也没有疲劳辉文，没有疲劳辉文，扩展深度极浅扩展深度极浅 晶粒范围。所以晶粒范围。所以第一阶段第一阶段 常常难以分辨。常常难

45、以分辨。2012-4-19wzhuoyt75lg da/dN微解理为主微解理为主12 Kth310 -5 -610 -9lg(K)微孔聚合为主微孔聚合为主条纹为主条纹为主对应三种破坏形式对应三种破坏形式:微解理型微解理型低速率低速率条纹型条纹型稳定扩展稳定扩展微孔聚合型微孔聚合型高速率高速率2012-4-19wzhuoyt76 4.3.3.2 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展 的第二阶段的第二阶段 第二阶段特征：第二阶段特征： 平行疲劳条带，平行疲劳条带， 扫描电子显微镜下为：扫描电子显微镜下为： 疲劳辉文。疲劳辉文。 右图为，第二阶段形右图为，第二阶段形成的成的疲劳辉纹疲劳辉纹（扫描（扫描 电镜像）

46、电镜像）出处出处：L. Engel 和和 H Klingele 著著An Atlas of Metal Damage2012-4-19wzhuoyt77 第二阶段，第二阶段，裂纹扩展方向与拉应力垂直，裂纹扩展方向与拉应力垂直，形形 成主裂纹，扩展途径是成主裂纹，扩展途径是穿晶扩展，穿晶扩展，扩展速率扩展速率 较快。较快。33lg(K)lg da/dN微孔聚合为主微孔聚合为主10 -5 -6微解理为主微解理为主12 Kth10 -9条纹为主条纹为主2012-4-19wzhuoyt78疲劳裂纹扩展的微观机疲劳裂纹扩展的微观机理理 1976 Crooker微孔聚合型微孔聚合型 microvoid c

47、oalescence 高高应力、韧材料应力、韧材料微解理型微解理型microcleavage低应力、脆性材料低应力、脆性材料条纹型条纹型striationCr1 12 2Ni2 2WMoV钢疲劳断口微观照钢疲劳断口微观照片片:(金属学报金属学报,85)三种破坏形三种破坏形式式:条纹间距条纹间距=da/dN?2012-4-19wzhuoyt79在第二阶段，穿晶扩在第二阶段，穿晶扩展。对韧性材料有展。对韧性材料有韧韧 性疲劳条带；性疲劳条带；对脆性对脆性 材料有材料有脆性条带。脆性条带。 疲疲劳条劳条带带-疲劳辉纹：疲劳辉纹： 是略呈弯曲并相互平是略呈弯曲并相互平 行的沟槽状花样，行的沟槽状花样，

48、与与裂纹方向垂直。裂纹方向垂直。Fatigue striations in aluminum2012-4-19wzhuoyt80疲劳条带疲劳条带(a) 延性疲劳条带延性疲劳条带(b) 脆性疲劳条带脆性疲劳条带2012-4-19wzhuoyt81疲劳的特征疲劳的特征2012-4-19wzhuoyt82疲劳条带疲劳条带是疲劳断口的是疲劳断口的微观特征微观特征贝纹线贝纹线（海滩条带海滩条带、海滩花样、海滩花样）是疲劳是疲劳 断口的断口的宏观特征宏观特征微观、宏观疲劳特征微观、宏观疲劳特征2012-4-19wzhuoyt83疲劳实际案例疲劳实际案例2012-4-19wzhuoyt842012-4-19

49、wzhuoyt 85疲劳实际案例疲劳实际案例4.4 影响疲劳的因素影响疲劳的因素（自学）（自学）2012-4-19wzhuoyt861. 影响疲劳极限的因素影响疲劳极限的因素（1）频率）频率 频率高于频率高于170周次周次/s时，随频率增加，疲劳极限时，随频率增加，疲劳极限 提高提高； 频率在频率在50-170周次周次/s时，对疲劳极限时，对疲劳极限影响不大影响不大； 频率低于频率低于1周次周次/s时，疲劳极限时，疲劳极限降低降低。（2）次载锻炼次载锻炼提高提高疲劳极限疲劳极限 接近但低于疲劳极限的应力下循环一定的次数。接近但低于疲劳极限的应力下循环一定的次数。实验发现，金属低于或近于实验发现

50、，金属低于或近于-1-1（旋转弯曲旋转弯曲方法疲劳极方法疲劳极限限 ）下运转一定次数后，其疲劳极限会提高，这种现象称下运转一定次数后，其疲劳极限会提高，这种现象称 为次负荷锻炼（次载锻炼）。为次负荷锻炼（次载锻炼）。影响疲劳极限的因素影响疲劳极限的因素2012-4-19wzhuoyt87 （3）表面特征）表面特征 表面存在缺口，疲劳极表面存在缺口，疲劳极限限降低降低； 表面粗糙度高，疲劳极表面粗糙度高，疲劳极限限降低；降低； 表面的微观几何形状、擦痕、记号等使疲表面的微观几何形状、擦痕、记号等使疲 劳极限劳极限降低降低。 （4）表面强化处理）表面强化处理提高提高疲劳极限疲劳极限2. 影响疲劳寿