第五章金属的疲劳文档格式.docx
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⏹由于疲劳破坏是从局部开始的，所以它对缺陷具有高度的选择性。
⏹缺口和裂纹因应力集中增大对材料的损伤作用，组织缺陷（夹杂、疏松、白点、脱碳等）降低材料的局部强度，三者都加快了疲劳破坏的开始和发展。
三、疲劳宏观断口特征
（1）疲劳源:
在断口上，疲劳源一般在机件表面，常与缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相连，由于应力不集中会引发疲劳裂纹。
材料内部存在严重冶金缺陷时，因局部强度降低也会在机件内部产生疲劳源。
⏹从断口形貌看，疲劳源区的光亮度最大，因为这里是整个裂纹亚稳扩展过程中断面不断摩擦挤压，所以显示光亮平滑。
⏹当断口中同时存在几个疲劳源时，可根据源区的光亮度、相邻疲劳区的大小、贝纹线的密度去确定疲劳源的产生顺序。
⏹源区的光亮度越大、相邻疲劳区越大、贝纹线越多，疲劳源越先产生，反之，疲劳源越往后产生。
（2）疲劳区是疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域，该区是判断疲劳断裂的重要特征依据。
宏观特征：
断口比较光滑并分布有贝纹线（或海滩花样）。
断口光滑是疲劳源区域的延续，但其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱。
贝纹线是疲劳区的最大特征，一般是由载荷变动引起的，如机器运转时的开动和停歇。
（3）瞬断区是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域
在疲劳裂纹亚稳扩展阶段，随着应力不断循环，裂纹尺寸不断长大，
当裂纹长大到临界尺寸ac时，因裂纹尖端的应力场强度KI达到材料的断裂韧度KIC（KC），则裂纹失稳快速扩展，导致机件最后瞬时断裂。
断口比疲劳区粗糙，同静载的裂纹件的断口一样，随材料的性质而变：
脆性材料为结晶状断口;
韧性材料在中间平面应变区为放射状或人字纹断口，在边缘平面应力区为剪切唇。
瞬断区位置一般应在疲劳源的对侧，但对于旋转弯曲来说，低名义应力光滑机件，其瞬断区位置逆旋转方向偏转一定角度，这是国为疲劳裂纹旋转方向扩展快的结果。
⏹名义应力定义：
是一种等效应力，它等于作用于结构上的力与等效作用面积的比值，等效作用面积是人为定义的，不一定是力的实际作用面积。
⏹名义应力较高时，因疲劳源有多个，裂纹从表面同时向内扩展，其瞬断区就移向中心位置。
⏹瞬断区的大小和机件名义应力及材料性质有关，若名义应力较高或材料韧性较差，则瞬断区就较大，反之瞬断区则较小。
第二节疲劳曲线及基本疲劳力学性能
一、疲劳曲线和对称循环疲劳曲线
⏹
（一）疲劳曲线和疲劳极限
⏹疲劳曲线：
是疲劳应力与疲劳寿命的关系曲线，即S-N曲线，是确定疲劳极限、建立疲劳应力判据的基础。
⏹1860年，维勒（Wö
hler）在解决火车轴断裂时，首先提出了疲劳曲线和疲劳极限的概念，所以后人也称该曲线为维勒曲线。
⏹对于一般具有应变时效的金属材料，如碳钢、球铁等，当循环应力水平降到某一临界值时，低应力段变为水平线段，表明试样可以经无限次应力循环也不发生疲劳断裂，故将对应的应力称为疲劳极限，记为σ-1（对称循环，r=-1）。
这类材料如果应力循环107周次不断裂，则可认定承受无限次应力循环也不会断裂，所以常将107周次作为测定疲劳极限的基数。
⏹另一类金属材料，如铝合金、不锈钢等，其S-N曲线没有水平部分，只是随应力降低，循环周次不断增大，此时只能根据材料的使用要求规定某一循环周次下不发生断裂的应力作为条件疲劳极限，或称有限寿命疲劳极限。
（二）疲劳曲线的测定
通常疲劳曲线用旋转弯曲疲劳试验测定，其四点弯曲试验机原理见下图。
S-N曲线的高应力（有限寿命）部分用成组试验法测定，即取3-4级较高应力水平，在每级应力水平下，测定5根左右试样的数据，然后进行数据处理，计算中值（存活率50%）的疲劳寿命。
用升降法测得的σ-1作为S-N曲线的最低应力水平点，与成组试验法的测定结果拟合成直线或曲线，就可得到存活率为50%的中值S-N曲线。
（三）不同应力状态下的疲劳极限
⏹同一材料，不同应力状态下的疲劳极限不同，但它们之间存在一定联系。
⏹实验确定：
对称弯曲疲劳极限与对称拉压、扭转疲劳极限之间存在一定关系。
（四）疲劳极限与静强度的关系
⏹试验表明，金属材料的抗拉强度越大，其疲劳极限也越大。
⏹对于中、低强度钢，疲劳极限与抗拉强度间大体呈线性关系。
⏹σb较低时，可近似写成σ-1=σb。
⏹σb较高时，这种近线性关系就会发生偏离，这是由于强度较高时，材料的塑性和断裂韧性下降，裂纹易于形成和扩展所致。
二、疲劳图和不对称循环疲劳极限
⏹很多机件是在不对称循环载荷下工作的，因此还需要测定材料的不对称循环疲劳极限，以满足这类机件的设计和选材的需要。
⏹通常用工程作图法，由疲劳图求得各种不对称循环的疲劳极限。
⏹根据不同的作图方法有两种疲劳图：
1.σa-σm疲劳图
⏹在不同应力比r条件下将σmax表示的疲劳极限σr分解为σa和σm，并在该坐标系中作ABC曲线，则得到σa-σm疲劳图。
2.σmax（σmin）-σm疲劳图
将不同应力比r下的疲劳极限，分别以σmax（σmin）和σm表示于坐标系中，就形成疲劳图。
AHB就是在不同r下的疲劳极限σmax。
疲劳极限随平均应力或应力比的增加而增加，但应力幅度a减小。
三、抗疲劳过载能力
⏹金属机件偶然经受短期过载，材料原来的疲劳极限可能没有变化，也可能有所降低，这要具体视材料所受过载应力及相应的累计过载周次而定。
⏹如果金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后，其疲劳极限和疲劳寿命减小，这就造成了过载损伤。
⏹金属材料抵抗疲劳过载损伤的能力，用过载损伤界或过载损伤区表示。
⏹过载损伤界由实验确定：
测出不同过载应力水平和相应的开始降低疲劳寿命的应力循环周次，得到不同的试验点，连接各点便得到过载损伤界。
⏹过载损伤界与疲劳曲线高应力区直线段（该线段各应力水平下发生疲劳断裂的应力循环周次称为过载持久值）之间的影线区，称为过载损伤区。
⏹机件过载运转到这个区域里，都要不同程度地降低材料疲劳极限，在持久值附近，降低的越多。
⏹材料的过载损伤界（或过载持久值）越陡直，损伤区越窄，则其抵抗疲劳过载的能力越强。
四、疲劳缺口敏感度
⏹机件由于使用的需要，常常带有台阶、拐角、键槽、油孔、螺纹等，这些结构类似于缺口作用，会改变应力状态造成应力集中。
⏹所以了解缺口引起的应力集中对疲劳极限的影响也很重要。
根据疲劳缺口敏感度评定材料时，可能出现两种极端情况：
⏹
（1）Kf=Kt，即缺口试样疲劳过程中应力分布与弹性状态完全一样，没有发生应力重新分布，这时缺口降低疲劳极限最严重，疲劳缺口敏感度qf=1，材料的缺口敏感性最大。
⏹
（2）Kf=1，σ-1=σ-1N，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分布，应力集中效应完全被消除，qf=0，材料的缺口敏感性最小。
⏹所以qf值能反映在疲劳过程中材料发生应力重新分布，降低应力集中的能力。
⏹高周疲劳时：
大多数金属都对缺口十分敏感；
⏹低周疲劳时：
大多数金属都对缺口不太敏感，这是因为后者缺口根部区域已处于塑性区内，发生应力松弛，使应力集中降低所致。
第三节疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值
⏹疲劳过程由裂纹萌生、亚稳扩展及最后失稳扩展组成。
⏹其中裂纹亚稳扩展是决定机件整个疲劳寿命的重要组成部分。
⏹研究疲劳裂纹的扩展规律、扩展速率及其影响因素，对延长疲劳寿命和预测实际机件疲劳剩余寿命均具有重要意义。
一、疲劳裂纹扩展曲线
⏹在高频疲劳试验机上测定疲劳裂纹扩展曲线。
⏹疲劳裂纹曲线测定过程：
二、疲劳裂纹扩展速率
（一）疲劳裂纹扩展速率曲线
⏹材料的疲劳裂纹扩展速率不仅与应力水平有关，而且与当时的断裂尺寸有关，则将应力范围△σ与a复合为应力强度因子范围△K。
⏹如果认为疲劳裂纹扩展的每一微小过程类似是裂纹体小区域的断裂过程，则△K就是在裂纹尖端控制裂纹扩展的复合力学参量，从而建立由△K起控制作用的
曲线，也就是疲劳裂纹扩展速率曲线。
图中分I、II、III三个区段。
在I、III区，△K对da/dN
影响很大，在II区，△K与da/dN之间呈幂函数关系。
（二）疲劳裂纹扩展门槛值
⏹△Kth是疲劳裂纹不扩展的△K临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值，表示材料阻止疲劳裂纹开始扩展的性能，也是材料的力学性能指标，其值越大，阻止疲劳裂纹开始扩展的能力就越大，材料越好。
⏹△Kth与疲劳极限σ-1相似，都表示无限寿命的疲劳性能，也受材料成分和组织、载荷条件及环境的影响。
⏹但是σ-1是光滑试样的无限寿命疲劳强度，用于传统的疲劳强度设计和校核，△Kth是裂纹试样的无限寿命疲劳性能，适于裂纹件的设计和校核。
（四）影响疲劳裂纹扩展速率的因素
⏹1.应力比r（或平均应力σm）的影响
⏹由于压应力使裂纹闭合不会使裂纹扩展，所以研究r对da/dN的影响，都是在r>
0的情况下进行的。
⏹从右图可知，随着r的增加，曲线向左上方移动，使da/dN升高，而且在I、III的影响比在II区的大。
⏹残余压应力的影响。
2.过载峰的影响
⏹实际机件在工作时很难一直是恒定载荷，往往会有偶然过载。
⏹偶然过载进入过载损伤区内，将使材料受到损伤并降低疲劳寿命，但是如果过载适当，反而是有益的。
⏹实验表明：
在恒载裂纹疲劳扩展区内，适当的过载峰会使裂纹扩展减慢或停滞一段时间，发生裂纹扩展过载停滞现象，并延长疲劳寿命。
⏹裂纹扩展发生过载停滞的原因，可用裂纹尖端塑性区的残余应力影响来说明。
⏹在应力循环正半周时，过载拉应力产生较大的塑性区，当这个较大的塑性区在循环负半周时，因阻止周围弹性变形恢复而产生残余压应力，
⏹这个压应力迭加于裂纹上，使裂纹提前闭合，减少裂纹尖端的△K，从而降低da/dN，这种影响一般称为裂纹闭合效应。
3.材料组织的影响
⏹在材料裂纹扩展过程中，材料组织对I、III区的da/dN影响比较明显，而对II区的da/dN影响不明显。
⏹一般晶粒越粗大，其△Kth值越高，da/dN越低。
⏹如当钢的淬火组织中存在一定量的残余奥氏体和贝氏体等韧性组织时，可以提高钢的△Kth，降低da/dN。
⏹M:
B:
A=1:
4:
7
⏹喷丸强化（高强钢、高r）
⏹高温回火
第四节疲劳过程及机理
⏹疲劳过程包括疲劳裂纹萌生、裂纹亚稳扩展及最后失稳扩展三个阶段，其疲劳寿命Nf由疲劳裂纹萌生期N0和裂纹亚稳扩展期Np所组成。
⏹了解疲劳各阶段的物理过程，对认识疲劳本质、分析疲劳原因，采取强韧化措施，延长疲劳寿命都是很有意义的。
一、疲劳裂纹萌生过程及机理
⏹宏观疲劳裂纹是由微观裂纹的形成、长大及连接而成的，常将0.05~0.1mm的裂纹定为疲劳裂纹核，并由此确定疲劳裂纹萌生期。
⏹疲劳微观裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起的，主要方式有表面滑移带开裂，第二相、夹杂物或其界面开裂，晶界或亚晶界开裂等。
⏹用电解抛光方法很难将已产生的表面循环滑移带去除，即使能去除，当对试样重新循环加载时，则循环滑移带又在原处出现，这种永留或再现的循环滑移带称为驻留滑移带。
⏹随着加载循环周次的增加，循环滑移带不断加宽，当加宽到一定程度时，由于位错的塞积和交割作用，便在驻留滑移带形成微裂纹。
⏹驻留滑移带在加宽过程中，还会出现挤出脊和侵入沟，于是产生应力集中和空洞，经过一定循环后也会产生微裂纹。
⏹只要提高材料的滑移抗力，如采用固溶强化、细晶强化等手段，均可以阻止疲劳裂纹的萌生，提高疲劳强度。
（二）相界面开裂产生裂纹
⏹在疲劳失效分析中，常常发现很多疲劳源都是由材料中的第二相或夹杂物引起的，因此提出了第二相、夹杂物本身开裂的疲劳裂纹萌生机理。
⏹只要能降低第二相或夹杂物的脆性，提高相界面强度，控制第二相或夹杂物的数量、形态、大小和分布，使之“少、圆、小、匀”，均可抵制或延缓裂纹在第二相或夹杂物附近萌生，提高疲劳强度。
（三）晶界开裂产生裂纹
⏹多晶材料由于晶界的存在和相邻晶粒的不同取向性，位错在某一晶粒内部运动时会受到晶界的阻碍作用，在晶界处发生位错塞积和应力集中现象，
⏹在应力不断循环，晶界处的应力集中得不到松弛时，则应力峰越来越高，当超过晶界强度时就会在晶界上产生裂纹。
⏹凡是使晶界弱化和晶粒粗化的因素，如晶界有低熔点夹杂物等有害元素和成分偏析、晶界析氢及晶粒粗化等，均易产生晶界裂纹，降低疲劳强度。
二、疲劳裂纹扩展过程及机理
⏹根据裂纹扩展方向，裂纹扩展可分为两个阶段：
⏹第一阶段：
从表面个别侵入沟（或挤出脊）先形成微裂纹，然后裂纹主要沿主滑移系方向，以纯剪切方式向内扩展。
⏹此阶段，裂纹扩展速率很低，每个应力循环约有0.1微米数量级的扩展率，
⏹许多铁合金、铝合金中可观察到此阶段裂纹扩展，但缺口试样中可能观察不到。
⏹第一阶段裂纹扩展时，由于晶界的不断阻碍作用，裂纹扩展逐渐转向垂直拉应力方向，进入第二阶段扩展。
⏹在室温和无腐蚀的条件下疲劳裂纹扩展为穿晶状态，此阶段的大部分循环周期内，裂纹扩展速率约为10-5~10-2mm/次，正与
曲线的II区相对应，所以第二阶段是疲劳裂纹亚稳扩展的主要部分。
⏹SEM分析表明：
第二阶段的断口特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样，称为疲劳条带（条纹）。
⏹它是裂纹扩展时留下的微观痕迹，每条带可以视为应力循环的扩展痕迹，裂纹的扩展方向与条带垂直。
⏹一般来讲，材料强度越低，裂纹扩展越快，疲劳条带越宽。
第五节影响疲劳强度的主要因素
一、表面状态的影响
⏹
（一）应力集中
⏹机件表面的缺口应力集中，往往是引起疲劳破坏的主要原因。
⏹
（二）表面粗糙度
⏹表面的微观几何形状，如刀痕、擦伤和磨裂等，都能像微小而锋利的缺口一样，引起应力集中，降低疲劳极限。
⏹表面粗糙度越低，材料的疲劳极限越高；
⏹表面粗糙度越高，材料的疲劳极限越低；
⏹材料强度越高，表面粗糙度对疲劳极限的影响越显著。
⏹表面脱碳、氧化等缺陷也会降低疲劳强度。
二、残余应力及表面强化的影响
⏹残余应力可以与外加工作应力叠加，构成合成总应力：
⏹叠加残余压应力，总应力减小，叠加残余拉应力，总应力增大。
⏹因此，机件表面残余应力状态对疲劳强度（主要低应力高周疲劳强度）有显著影响。
⏹残余压应力提高疲劳强度；
⏹残余拉应力降低疲劳强度。
表面强化处理可在机件表面产生有利的残余压应力，同时
还能提高机件表面的强度和硬度，从而提高疲劳强度。
表面强化方法包括：
⏹
（1）表面喷丸及滚压
⏹喷丸是用压缩空气将坚硬的弹丸高速喷打向机件表面，使机件表面产生局部形变强化，同时因塑变层周围的弹性约束，又在塑变层内产生残余压应力。
⏹喷丸强化的效果与被喷的材料强度有关，材料强度越高，喷丸效果越好，所以一般机件的喷丸总是在热处理强化后进行。
⏹表面滚压和喷丸的作用相似，但是其压应力层深度较大，很适用于大工件，而且表面粗糙度低时，强化效果更好。
（2）表面热处理及化学热处理
⏹表面淬火包括火焰加热淬火、感应加热淬火和低淬透性钢的整体加热薄壳淬火等。
⏹表面化学热处理：
渗碳、渗氮、碳氮共渗等。
它们都是利用组织相变获得表面强化的工艺方法，也是常用的表面强化方法。
⏹在有效提高疲劳强度和疲劳寿命的同时，可提高表面耐磨性和耐蚀性。
⏹Hardness：
Nitriding>
Carburization>
InductionHardening
⏹Depthofstrengtheninglayer:
InductionHardening>
Nitriding
⏹表面淬火后要减少磨削。
三、材料成分及组织的影响
⏹
（一）合金成分
⏹在各种结构工程材料中，结构钢的疲劳强度最高，这类钢中碳是影响疲劳强度的重要元素。
⏹碳既可间隙固溶形成基体，又可形成弥散碳化物进行弥散强化，提高材料的形变抗力，阻止循环滑移带的形成和开裂，从而阻止疲劳裂纹的萌生和提高疲劳强度。
⏹合金元素：
1、提高钢的淬透性；
2、改善钢的强韧性。
⏹
（二）显微组织
⏹细化晶粒可以提高材料的疲劳强度。
⏹结构钢的热处理组织也影响疲劳强度。
正火组织因碳化物为片状，其疲劳强度最低，淬火回火组织因碳化物为粒状，其疲劳强度比正火的高。
⏹（三）非金属夹杂物及冶金缺陷
⏹非金属夹杂物是钢在冶炼时形成的，它对疲劳强度有明显的影响，减少夹杂物的数量及尺寸都能有效提高疲劳强度；
⏹气孔、缩孔、偏析、折叠等冶金缺陷，会降低机件的疲劳强度。
第六节低周疲劳
⏹一、低周疲劳
⏹研究飞机、舰船、桥梁、原子反应堆装置及建筑设备的断裂时发现：
在较高应力和较少循环次数下也会发生疲劳断裂。
⏹材料在循环载荷作用下，疲劳寿命为102~105次的疲劳断裂称为低周疲劳。
⏹机件受循环应力作用，缺口根部则受循环塑性应变作用，疲劳裂纹总在缺口根部形成，所以这种疲劳也称塑性疲劳或应变疲劳。
（一）低周疲劳的特点
⏹
（1）低周疲劳时，因局部区域产生宏观塑性变形，故循环应力与应变之间不再呈直线关系，形成滞后回线。
⏹开始加载时，曲线沿OAB进行，卸载时沿BC进行；
⏹反向加载时沿CD进行，从D点卸载时沿DE进行，再次拉伸时沿EB进行；
⏹如此循环经过一定周次（通常不超过100周次）后，就达到了图中所示的稳定状态滞后回线。
⏹
（2）低周疲劳试验时，控制总应变范围或者塑性应变范围，在给定的或下测定疲劳寿命。
⏹（3）低周疲劳破坏有几个裂纹源，这是由于应力比较大，裂纹容易形核，形核期较短，只占总寿命的10%。
⏹微观断口的疲劳条带较粗，间距也宽一些，常常不连续。
⏹（4）低周疲劳寿命取决于塑性应变幅，而高周疲劳寿命则决定于应力幅或应力场强度因子范围，但两者都是循环塑性变形累积损伤的结果。
（二）低周疲劳的金属循环硬化与循环软化
⏹定义：
如果金属材料在恒定应变范围循环作用下，随着循环周次
的增加，其应力（形变抗力）不断增加，称为循环硬化;
⏹如果在循环过程中，应力逐渐减小，则为循环软化。
⏹不论是产生循环硬化还是循环软化的材料，它们的应力-应变滞后
回线只有在应力循环周次达到一定周次才闭合，此时即达到循环
稳定状态。
（三）低周疲劳的应变-寿命曲线
⏹曼森（S.S.Manson）和柯芬（L.F.Coffin）分析了低周疲劳的实验结果和规律，提出了低周疲劳寿命的公式：
⏹两条直线斜率不同，故存在一个交点，交点对应的寿命称为过渡寿命（2Nf）t；
⏹在交点左侧的低周疲劳范围内，塑性应变幅起主导作用，材料的疲劳寿命由塑性控制；
⏹在交点右侧的高周疲劳范围内，弹性应变幅起主导作用，材料的疲劳寿命由强度决定。
⏹所以选择机件材料和决定工艺时，要区分机件的服役条件是哪一类疲劳，如属高周疲劳，应主要考虑材料强度，如属低周疲劳，则应在保持一定强度基础上尽量选用塑性好的材料。
为了应用更方便，曼森研究发现总应变幅与疲劳断裂寿命2Nf间存在下列关系：
⏹因此，只要知道材料的静拉伸性能σb、E、断裂真应变ef（或断面收缩率），就可求出材料光滑试样完全对称循环下的低周疲劳寿命曲线。
⏹这种预测低周疲劳寿命的方法，称为斜率法。
三、冲击疲劳
⏹冲击疲劳是机件在重复冲击载荷作用下的疲劳断裂。
⏹试验表明：
当试样于破坏前承受的冲击次数较少时，500-1000次，试样断裂的原因与一次冲击相同，当冲击次数N>
105次时，破坏后具有典型的疲劳断口，属于疲劳断裂，为冲击疲劳。
⏹试验表明冲击疲劳曲线与一般疲劳曲线相似，可以由冲击疲劳曲线确定冲击疲劳极限。
⏹材料的冲击疲劳抗力除可用冲击疲劳极限表示外，也可用一定冲击能量下的冲断周次N或用要求的冲断次数时的冲断能量来表示。
⏹直接用冲击能量表示材料的冲击疲劳抗力简便易行，故应用较广。
金属的冲击疲劳是一个取决于强度和塑性的综合力学性能指标，具有如下特点：
⏹
（1）与低周疲劳相似，在冲击能量高时，材料的冲击疲劳抗力主要取决于塑性，冲击能量低时，冲击疲劳强度主要取决于强度。
⏹
（2）淬火回火钢的冲击疲劳抗力随着回火温度的不同不是单调变化的，而是在某一温度下有一个峰值，该峰值随着冲击能量增加向高温方向移动。
⏹（3）高强度钢、超高强度钢的塑性和冲击韧度对提高冲击疲劳抗力有较大的影响；
⏹中、低强度钢的塑性和冲击韧度对提高冲击疲劳抗力作用不大。
二、热疲劳
机件在由温度循环变化时产生的循环热应力及热应变作用下发生的疲劳，称为热疲劳。
⏹若温度循环和机械应力循环叠加所引起的疲劳，称为热机械疲劳。
⏹产生热应力必须有两个条件：
温度变化和机械约束。
⏹约束可以来自于外部，也可以来自于材料内部。
⏹内部约束：
是指机件截面内存在温度差，一部分材料约束另一部分材料，使之不能自由膨胀，于是也产生热应力。
⏹温度差△t引起的膨胀热应变为，如果该应变完全被约束，则产生热应力
⏹热疲劳和热机械疲劳破坏也是塑性应变累积损伤的结果，基本上服从低周应变疲劳规律。
⏹脆性材料的热疲劳危险性较大。
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