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1、2.4 疲疲劳现象及其一般象及其一般规律律2.4.1 2.4.1 疲劳问题的工程意义疲劳问题的工程意义2.4.2 2.4.2 变动载荷和疲劳失效变动载荷和疲劳失效2.4.2.1 2.4.2.1 变动载荷变动载荷变应力的种类变应力的种类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变变应应力力的的种种类类 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稳定变应力定变应力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材料疲劳的两种类别材料疲劳的两种类别一一、变应力的特征参数力的特征参数s sm平均平均应力；力；s sa应力幅力幅值s
2、smax最大最大应力；力；s smin最小最小应力力r 应力比（循力比（循环特性）特性）描述描述规律性的交律性的交变应力可有力可有5个参数，但其中只有两个参数，但其中只有两个参数是独立的。个参数是独立的。平均平均应力力应力幅力幅循循环特征（特征（应力比）力比）稳定循环变应力的分类稳定循环变应力的分类max=mina=0m=maxr=+1maxr=0max=-min=aminr=-1aamaxminm-1 r1静静应力力脉脉动循循环变应力力对称循称循环变应力力任意不任意不对称称循循环变应力力min=0t0am=aam=02.4.2 2.4.2 疲劳曲线及疲劳抗力疲劳曲线及疲劳抗力 疲疲劳曲曲线是
3、是疲疲劳应力和疲力和疲劳寿命寿命之之问关系的曲关系的曲线，而疲，而疲劳应力是疲力是疲劳设计的基木理的基木理论依据。表示疲依据。表示疲劳抗力的力学性能指抗力的力学性能指标有有疲疲劳极限极限、过载持久持久值和和疲疲劳缺口敏感度缺口敏感度等，它等，它们在在选材、材、制定工制定工艺和安全和安全设计中都是十分重要的力学性能数据。中都是十分重要的力学性能数据。2.4.2.1 疲疲劳曲曲线 1860年年维勒勒(Vohler)最早提出疲最早提出疲劳曲曲线及疲及疲劳极限极限的概念，所以后人也称疲的概念，所以后人也称疲劳曲曲线为维勒曲勒曲线。疲。疲劳曲曲线通常通常用旋用旋转弯曲疲弯曲疲劳试验测定。定。弯曲疲弯曲疲
4、劳加加载示意示意图循循环应力力 测定疲定疲劳曲曲线时，预先准先准备若干个相同若干个相同试样，一般，一般从从0.4bb之之间选择几个不同的几个不同的最大循最大循环应力力1，2，3（Smax）分分别对每个每个试样进行循行循环加加载试验，测出它出它们的疲的疲劳寿命寿命N1、N2、N3，然后在直角坐，然后在直角坐标图中将中将这些数据些数据绘制成制成max 或或 max lg疲疲劳曲曲线，如，如图2.19所示。同所示。同样，用其他的不，用其他的不对称循称循环应力也可作出相力也可作出相应的疲的疲劳曲曲线，如拉，如拉压疲疲劳、脉、脉动疲疲劳及及扭扭转疲疲劳曲曲线等。等。这些疲些疲劳曲曲线统称称为疲疲劳应力与
5、疲力与疲劳寿命曲寿命曲线，即，即S-N曲曲线。其中。其中S为应力，可以是最大力，可以是最大应力或力或应力幅。力幅。l循循环应力越高，疲力越高，疲劳寿命越短寿命越短;而循而循环应力越低，疲力越低，疲劳寿命就越寿命就越长；l循循环应力力-1（临界界值），），曲曲线成成为水平水平线段，表明此段，表明此时试样经无眼次循无眼次循环也不也不发生疲生疲劳。疲疲劳曲曲线有水平有水平线段段可可标定无限寿命的疲定无限寿命的疲劳极限极限无水平无水平线段段不可不可标定无限寿命的疲定无限寿命的疲劳极限，可极限，可测定有限寿命定有限寿命(如如107、108所所对应的的条件疲条件疲劳极限极限）SN材料不同，疲材料不同，疲劳
6、曲曲线不同：不同：同同样的材料，循的材料，循环特性不同，特性不同，疲疲劳曲曲线不同：不同：可靠度不同，疲可靠度不同，疲劳曲曲线不同：不同：通常，未加说明的疲劳通常，未加说明的疲劳曲线，均指循环特性曲线，均指循环特性 r=-1-1、可靠度、可靠度R=50%=50%的的疲劳曲线。疲劳曲线。通常所通常所说的的S-N曲曲线是指将不同是指将不同应力力(或或应力水平力水平)下下疲疲劳寿命的平均寿命的平均值用曲用曲线进行行拟合得到的中合得到的中值S-N曲曲线。根据概率理。根据概率理论，疲，疲劳寿命平均寿命平均值所所对应的的失效概率失效概率为50，显然然这对于工程于工程应用来用来说是不安全的。是不安全的。由于
7、疲由于疲劳试验时试验数据分散性数据分散性较大，因此从破坏大，因此从破坏几率和可靠性考几率和可靠性考虑，需要在每一个，需要在每一个应力水平下力水平下选用一用一组试样.测定每个定每个试样的疲的疲劳寿命，然后用概率寿命，然后用概率统计方法方法（正正态分布、威布分布、威布尔分布分布）将）将这些数据些数据进行行处理，理，绘制制不同破坏几率率的一簇疲不同破坏几率率的一簇疲劳曲曲线，称，称为P-S-N,其中其中P表表示破坏几率示破坏几率。如如P=90%的疲的疲劳曲曲线，表示破坏几率，表示破坏几率为90%，即安全可靠性即安全可靠性为10%；显然然P值越小，越小，P-S-N曲曲线越越向下，安全性就越好向下，安全
8、性就越好;反之，曲反之，曲线越靠上，安全可靠性越越靠上，安全可靠性越差。一般在差。一般在测定定P-S-N曲曲线时，常作，常作P=50%的中的中值疲疲劳曲曲线，由它，由它标定的疲定的疲劳极限称中极限称中值疲疲劳极限极限.SlgN2.4.2.2 疲疲劳极限极限 疲疲劳极限极限是材料抵抗是材料抵抗无限次无限次应力循力循环也不也不产生疲生疲劳断裂的断裂的强度指度指标，条件疲条件疲劳极限极限是材料抵抗是材料抵抗规定循定循环次次数数而不而不产生疲生疲劳断裂的断裂的强度指度指标，二者，二者统称称为疲疲劳强度度。疲疲劳强度是保度是保证机件疲机件疲劳寿命的重要性能指寿命的重要性能指标。由于由于应力比力比对疲疲劳
9、极限有极限有较大影响大影响.故在故在测定和定和应用疲用疲劳极限极限时，应从从实际循循环应力出力出发去去测定疲定疲劳极限极限。(1)对称循称循环疲疲劳极限极限 通常与通常与测定定S-N曲曲线同同时进行。具体力方法行。具体力方法为:准准备7 10个相同个相同试样;根据材料抗拉根据材料抗拉强度度值，在，在0.4bb之之间从高到从高到低低选择几个几个应力水平力水平1，2，3分分别对每个每个试样进行行循循环加加载试验，其中，其中低低应力的数力的数值间距小一些距小一些，高高应力的数力的数值问距大一些距大一些;测出它出它们的疲的疲劳寿命寿命N1、N2、N3，最后以，最后以N=107周次作周次作为无限寿命的循
10、无限寿命的循环基数去基数去标定。当施加定。当施加应力力为n-1的的试样其疲其疲劳寿命寿命Nn-1107周次，而施加周次，而施加应力力为n的的试样其疲其疲劳寿命寿命Nn107周次，且周次，且n-1n 10MPa时，即可即可认为-1在在n-1、n之之间，可近似用二者的平均，可近似用二者的平均值表示。表示。OA Aam不对称循环疲劳极限不对称循环疲劳极限 BE E45 曲线曲线AC上方区域上方区域内坐标点所对应的最大内坐标点所对应的最大应力值，都超过材料的应力值，都超过材料的疲劳极限。疲劳极限。曲线曲线AC下方区下方区域内坐标点所对域内坐标点所对应的最大应力值，应的最大应力值，均低于材料的疲均低于材
11、料的疲劳极限。劳极限。C C 1.1.疲劳极限应力图疲劳极限应力图疲劳寿命一定时，应力比疲劳寿命一定时，应力比r不同，材料的疲劳极限不同，材料的疲劳极限rN亦不亦不同，它们之间的关系可用平均应力同，它们之间的关系可用平均应力（rm ）和应力幅和应力幅（ra ）绘成的曲线图表示。绘成的曲线图表示。0/2 0/2对称循称循环应力点力点静静应力点（脆力点（脆性材料）性材料）脉脉动循循环应力点力点 1曲线曲线AC上任一坐标上任一坐标点的变应力值代表材点的变应力值代表材料在某一循环特性下料在某一循环特性下的疲劳极限。的疲劳极限。B B 因此，只要知道因此，只要知道应力比力比r，代人上式即可求得，代人上式
12、即可求得tan和和，然后从坐，然后从坐标原点引直原点引直线，令其与横坐，令其与横坐标的的夹角等角等于于，该直直线和曲和曲线ABC的交点的交点B即即为所求点，其所求点，其纵横坐横坐标之和即之和即为相相应的疲的疲劳极限极限。为了在疲了在疲劳图A BC曲曲线上建立疲上建立疲劳极限和极限和应力比力比r间的的关系，可在关系，可在ABC曲曲线上任取一点上任取一点B与原点与原点O连线，其几，其几何关系何关系为:(2)不同不同应力状力状态的疲的疲劳极限极限 同一材料在不同同一材料在不同应力状力状态下下测得的疲得的疲劳极限是不同极限是不同的，但是它的，但是它们之之问存在一定存在一定联系。根据系。根据试验测定，弯
13、曲定，弯曲疲疲劳极限与拉极限与拉压、扭、扭转疲疲劳极限之极限之间存在以下关系存在以下关系:以上关系表明，以上关系表明，对于同种材料有于同种材料有 。这是因是因为弯曲疲弯曲疲劳时，试样截面上截面上应力分布不均匀，表而力分布不均匀，表而应力最大，只有力最大，只有表面表面层易于易于产生疲生疲劳损伤;拉拉压疲疲劳时，试样截面截面应力分布均匀，力分布均匀，整个整个试样产生疲生疲劳损伤的几率的几率较大大，易于疲，易于疲劳损伤。因而。因而-1-1p。扭。扭转疲疲劳时切切应力力较大，大，交交变切切应力比拉力比拉应力更易于使材料力更易于使材料发生滑移生滑移，即更易引起疲即更易引起疲劳损伤，所以，所以-1最小。最
14、小。(3)疲疲劳极限与静极限与静强度度间的关系的关系 材料的疲材料的疲劳极限是通极限是通过疲疲劳试验获得的。另外，可得的。另外，可以根据材料的静以根据材料的静强度来近似估算。度来近似估算。试验表明，表明，材料的材料的抗拉抗拉强度越大，其疲度越大，其疲劳极限也越大极限也越大（定性定性规律性律性）。）。对于中、低于中、低强度度钢，疲，疲劳极限与抗拉极限与抗拉强度之度之间大致大致呈呈线性关系，可近似性关系，可近似认为，-1b。当。当b较高高时，这种种关系偏离关系偏离较大。大。2.4.3 过载持久持久值 材料在高于材料在高于疲疲劳极限极限的的应力下运行力下运行时，发生疲生疲劳断断裂的裂的应力循力循环周
15、次称周次称为材料的材料的过载持久持久值，也称，也称有限有限疲疲劳寿命寿命。过载持久持久值表征材料表征材料对过载负荷的抵抗能荷的抵抗能力。根据力。根据疲疲劳曲曲线倾斜斜部分可以确定部分可以确定过载持久持久值。疲疲劳曲曲线倾斜部分斜部分愈陡，愈陡，则持久持久值愈高愈高，说明材料明材料在相同在相同过载负荷下能荷下能经受的受的应力循力循环周次愈多，即材周次愈多，即材料料对过载负荷抗力愈高。荷抗力愈高。疲疲劳曲曲线倾斜部分上任一点斜部分上任一点所所对应的的应力，称力，称为材料的持久极限材料的持久极限。2.5 疲疲劳裂裂纹的形成和的形成和扩展展2.5.1 疲疲劳裂裂纹的形成的形成 疲疲劳裂裂纹的形成是由的
16、形成是由微微观裂裂纹开始开始的。微的。微观裂裂纹的的形形成、成、长大及大及连接接将将导致宏致宏观疲疲劳裂裂纹的的产生生.而微而微观裂裂纹是由是由不均匀的局部滑移和不均匀的局部滑移和显微开裂微开裂所引起的，其主要方式所引起的，其主要方式有表面有表面滑移滑移带开裂、相界面开裂和晶界开裂开裂、相界面开裂和晶界开裂等。等。1.滑移滑移带开裂开裂产生裂生裂纹 材料在循材料在循环应力力长期作用下，即使期作用下，即使应力小于屈服力小于屈服应力，力，也会也会产生循生循环滑移并形成循滑移并形成循环滑移滑移带，与静，与静载荷荷时均匀滑移均匀滑移带不同，循不同，循环滑移是不均匀的，滑移是不均匀的，总是集中分布于某些
17、薄弱区是集中分布于某些薄弱区域。域。这种循种循环滑移滑移带具有持久具有持久驻留性，很留性，很难去除。去除。驻留滑移留滑移带一般只在材料表面形成，深度一般只在材料表面形成，深度较浅。随着加浅。随着加载循循环次数的次数的增加，循增加，循环滑移滑移带会不断加会不断加宽，当达到一定程度，当达到一定程度时，将在，将在驻留滑移留滑移带处形成微裂形成微裂纹。驻留滑移留滑移带在表面的加在表面的加宽过程中，程中，还会出会出现挤出脊和侵出脊和侵入沟，于是此入沟，于是此处出出现应力集中和空洞，力集中和空洞，经过一定循一定循环后就后就会会产生微裂生微裂纹2.5.2 疲疲劳裂裂纹的的扩展展疲疲劳裂裂纹的的扩展展过程可以
18、用程可以用Laird模型模型说明明2.5.3 影响疲影响疲劳强度的因素度的因素 疲疲劳断裂一般是从机件表面断裂一般是从机件表面应力集中力集中处或材料缺陷或材料缺陷处发生的，或者是从二者生的，或者是从二者结合合处发生的。因此材料和机件的生的。因此材料和机件的疲疲劳强度不度不仅和材料成分、和材料成分、组织结构及构及夹杂物有关，而且物有关，而且还受受载荷条件、工作荷条件、工作环境及加工境及加工处理条件的影响。理条件的影响。一、加一、加载条件条件二、表面状二、表面状态的影响的影响三、残余三、残余应力及表面力及表面强化的影响化的影响四、材料成分及四、材料成分及组织的影响的影响l加加载频率率:机器的开停机
19、、机器的开停机、转速速变化等；通常化等；通常载荷交荷交变频率率高于高于104次次/分（分（约170Hz），），随随频率增加，疲率增加，疲劳强度提高度提高；低于低于60次次/分，分，疲疲劳强度有所降低（蠕度有所降低（蠕变）；在；在3000 10000次次/分（分（50170Hz）时，无明，无明显影响。影响。l次次载锻炼：金属在金属在低于或接近于疲低于或接近于疲劳极限的极限的应力力下运下运转一定一定循循环次数后，会使其次数后，会使其疲疲劳极限提高极限提高的的现象。通常越接近疲象。通常越接近疲劳强度，度，对提高疲提高疲劳寿命越好。寿命越好。如新机器在空如新机器在空载或不或不满载条件下跑合一段条件下跑
20、合一段时间，一方面可，一方面可使运使运动配合部分配合部分啮合合的更好，另一方面利用次的更好，另一方面利用次载锻炼提高机件提高机件的疲的疲劳极限极限，延，延长使用寿命。使用寿命。一、一、加加载条件条件l间歇：歇：对具有具有强烈烈应变时效的效的钢如如20、4540Cr等在等在零零载下下间歇的疲歇的疲劳寿命表明，每隔寿命表明，每隔25000周次不加周次不加载间歇歇5分分钟后的疲后的疲劳曲曲线与与连续实验相比，向右下方移相比，向右下方移动，即疲，即疲劳寿命提高。寿命提高。适当的适当的间歇歇时间和和间隔周次可相隔周次可相应得到最高的疲得到最高的疲劳寿命寿命。l温度温度：温度由：温度由+20下降到下降到-
21、180，结构构钢的疲的疲劳强度增加一倍；温度升高到度增加一倍；温度升高到300 以上以上时，每升高，每升高100，钢的疲的疲劳强度降低度降低1520%。温度升高，疲温度升高，疲劳强度下降。度下降。n缺口（缺口（应力集中）力集中）机件表面的缺口机件表面的缺口应力集中，往往是引起疲力集中，往往是引起疲劳破坏的主要原破坏的主要原因。因。当材料的当材料的qf越大和疲越大和疲劳缺口系数缺口系数Kf越大越大时，越易在缺口，越易在缺口处产生疲生疲劳裂裂纹，疲，疲劳强度越低。度越低。n表面粗糙度表面粗糙度 表面的微表面的微观几何形状如刀痕、擦几何形状如刀痕、擦伤和磨裂等，都像微小而和磨裂等，都像微小而锋利的缺
22、口利的缺口样，引起，引起应力集中。力集中。表面粗糙度愈低，材料的疲表面粗糙度愈低，材料的疲劳极限愈高；表面粗糙度愈高，极限愈高；表面粗糙度愈高，疲疲劳极限愈低。材料极限愈低。材料强度愈高，表面粗糙度度愈高，表面粗糙度对疲疲劳极限的影极限的影响愈响愈显著。著。二、二、表面状表面状态的影响的影响 弯曲疲弯曲疲劳和扭和扭转疲疲劳试验时，随，随试样尺寸因素增加，尺寸因素增加，疲疲劳极限下降，极限下降，强度越高，疲度越高，疲劳极限下降得愈多极限下降得愈多尺尺寸效寸效应。原因：原因：试样表面拉表面拉应力相等情况下，力相等情况下，尺寸大的尺寸大的试样，从表面到心部的从表面到心部的应力梯度小，力梯度小，处于高
23、于高应力区的体力区的体积大，大，在交在交变载荷下荷下受受损伤区域大区域大，存在缺陷的几率也高存在缺陷的几率也高，因，因而疲而疲劳极限下降。极限下降。尺寸因素尺寸因素三、残余三、残余应力及表面力及表面强化的影响化的影响 机件表面残余机件表面残余压应力状力状态对疲疲劳强度有度有显著影响，残著影响，残余余压应力提高疲力提高疲劳强度，残余拉度，残余拉应力力则降低疲降低疲劳强度。度。表面表面强化的方法通常有表面化的方法通常有表面喷丸和丸和滚压，表面淬火，表面淬火及表面化学及表面化学热处理等。理等。表面表面强化化处理可在机件表面理可在机件表面产生有利的残余生有利的残余压应力，力，降低机件表面所承受的有效拉
24、降低机件表面所承受的有效拉应力，同力，同时还能提高机件能提高机件表面的表面的强度和硬度（即提高表面抗塑性度和硬度（即提高表面抗塑性变形能力）形能力）表面表面强化化处理的双重作用。理的双重作用。表面表面强化提高疲化提高疲劳极限示意极限示意图 应力高于材料的疲力高于材料的疲劳强度，故度，故该区域内区域内会会过早早产生疲生疲劳裂裂纹表面表面强化化处理能有效消除缺口所理能有效消除缺口所产生的生的应力集巾，提高疲力集巾，提高疲劳强度。度。四、材料成分及四、材料成分及组织的影响的影响疲疲劳强度也是度也是对材料材料组织结构敏感的力学性能。构敏感的力学性能。1.合金成分合金成分在各在各类结构工程材料中，构工程
25、材料中，结构构钢的疲的疲劳强度最高，故度最高，故应用广泛。碳是影响疲用广泛。碳是影响疲劳强度的重要元素，既可度的重要元素，既可间隙固溶隙固溶强化基体，又可形成弥散碳化物化基体，又可形成弥散碳化物进行弥散行弥散强化，提高材料化，提高材料形形变抗力，阻止塑性滑移抗力，阻止塑性滑移带的形成和开裂，即阻止疲的形成和开裂，即阻止疲劳裂裂纹的萌生和提高疲的萌生和提高疲劳强度。度。2.显微微组织细化晶粒能使材料的化晶粒能使材料的韧性增加，性增加，韧脆脆转变温度降低。温度降低。也可提高材料的疲也可提高材料的疲劳强度。度。3.非金属非金属夹杂物及冶金缺陷物及冶金缺陷非金属非金属夹杂物是萌生疲物是萌生疲劳裂裂纹的的发源地之一源地之一，减少，减少夹杂物的数量，减小物的数量，减小夹杂的尺寸的尺寸,改改变夹杂物与基体之物与基体之间的的结合面性合面性质等都能有效地提高疲等都能有效地提高疲劳强度。度。钢在冶在冶炼和和轧制生制生产中出中出现的气孔、偏析、白点、的气孔、偏析、白点、折叠等冶金缺陷，零件在折叠等冶金缺陷，零件在铸造、造、焊接、接、锻造和造和热处理中也理中也会会产生生缩孔、裂孔、裂纹、过烧及及过热等缺陷，往往都是疲等缺陷，往往都是疲劳裂裂纹的的发源地，源地，严重降低机件的疲重降低机件的疲劳寿命。寿命。