1、)、匕一、疲勞破壞的變動(dòng)應(yīng)力材料在變動(dòng)載荷和應(yīng)變的長(zhǎng)期作用下，因累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象，稱為疲勞。變動(dòng)載荷指大小或方向隨著時(shí)間變化的載荷。變動(dòng)載荷在單位面積上的平均值 稱為變動(dòng)應(yīng)力，分為規(guī)則周期變動(dòng)應(yīng)力(或稱循環(huán)應(yīng)力)和無規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力兩 種。1、表征應(yīng)力循環(huán)特征的參量有：最大循環(huán)應(yīng)力：C max最小循環(huán)應(yīng)力：C min ；平均應(yīng)力：C m= (C max+ c min) /2 ；應(yīng)力幅C a或應(yīng)力范圍 C：Ac = C max- C min , c a= c /2= ( c max- c min ) /2 ;應(yīng)力比(或稱循環(huán)應(yīng)力特征系數(shù))：r= c min/ c max。2、按平均應(yīng)力和

2、應(yīng)力幅的相對(duì)大小，循環(huán)應(yīng)力分為：對(duì)稱循環(huán)不對(duì)稱循環(huán)：m=(C max+C min) /2=0 , r=-1 ,大多數(shù)旋轉(zhuǎn)軸類零件承受此類應(yīng)力；(T mM0, -1vrv1。發(fā)動(dòng)機(jī)連桿或結(jié)構(gòu)中某些支撐桿、螺栓承受此類應(yīng)力，C a> C m>0,-1<r<0 ；脈動(dòng)循環(huán)m= a>0, r=0，齒輪的齒根及某些壓力容器承受此類應(yīng)力。cm=a<0 , r= X,軸承承受脈動(dòng)循環(huán)壓應(yīng)力;波動(dòng)循環(huán)m>C a, 0<r<1，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋、螺栓承受此種應(yīng)力;隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力：循環(huán)應(yīng)力呈隨機(jī)變化，無規(guī)律性，如運(yùn)行時(shí)因道路或者云層的變化，汽車、拖拉機(jī)及飛機(jī)等的零件

3、，工作應(yīng)力隨時(shí)間隨機(jī)變化。二、疲勞破壞的概念和特點(diǎn)1、疲勞破壞概念在變動(dòng)應(yīng)力作用下，材料內(nèi)部薄弱區(qū)域的組織逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開裂, 當(dāng)裂紋擴(kuò)展達(dá)到一定程度后發(fā)生突然斷裂的過程，是一個(gè)從局部區(qū)域開始的損傷積 累，最終引起整體破壞的過程。疲勞破壞是循環(huán)應(yīng)力引起的延時(shí)斷裂，其斷裂應(yīng)力水平往往低于材料抗拉強(qiáng)度, 甚至低于其屈服強(qiáng)度。機(jī)件疲勞失效前的工作時(shí)間稱為疲勞壽命，疲勞斷裂壽命隨 循環(huán)應(yīng)力不同而改變。應(yīng)力高，壽命短；應(yīng)力低，壽命長(zhǎng)。當(dāng)應(yīng)力低于材料的疲勞 強(qiáng)度時(shí)，壽命可無限長(zhǎng)。疲勞斷裂也經(jīng)歷了裂紋萌生和擴(kuò)展過程。由于應(yīng)力水平較低，因此具有較明顯 的裂紋萌生和穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段，相應(yīng)的斷口上也顯示出疲

4、勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)與瞬 時(shí)斷裂區(qū)的特征。2、疲勞破壞的特點(diǎn)(1) 疲勞破壞與靜載或一次性沖擊加載破壞比較具有以下特點(diǎn): 該破壞為一種潛藏的突發(fā)性破壞，在靜載下顯示韌性或脆性破壞的材料，在 疲勞破壞前均不會(huì)發(fā)生明顯的塑性變形，呈脆性斷裂，易引起事故造成經(jīng)濟(jì)損失; 疲勞破壞屬于低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂，對(duì)于疲勞壽命的預(yù)測(cè)顯得十分重要和必 要; 疲勞對(duì)缺陷(缺口、裂紋及組織)十分敏感，即對(duì)缺陷具有高度的選擇性。因?yàn)槿笨诨蛄鸭y會(huì)引起應(yīng)力集中，加大對(duì)材料的損傷作用；組織缺陷(夾雜、疏松、 白點(diǎn)、脫碳等)將降低材料的局部強(qiáng)度。二者綜合更加速疲勞破壞的起始與發(fā)展。 可以按不同方法對(duì)疲勞形式分類。按應(yīng)力狀態(tài)分有彎

5、曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉 壓疲勞、接觸疲勞及復(fù)合疲勞；按應(yīng)力高低和斷裂壽命分有高周疲勞和低周疲勞。三、疲勞斷口的宏觀特征1、典型疲勞斷口具有3個(gè)特征區(qū)：疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。(1) 疲勞源疲勞裂紋萌生區(qū)，多出現(xiàn)在零件表面，與加工刀痕、缺口、裂紋、蝕坑等相連。特征是光亮，因?yàn)槠谠磪^(qū)裂紋表面受反復(fù)擠壓、摩擦次數(shù)多。疲勞源可以是一個(gè), 也可以有多個(gè)。如：?jiǎn)蜗驈澢挥幸粋€(gè)疲勞源；雙向彎曲，可出現(xiàn)兩個(gè)疲勞源。（2）疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)（亞臨界擴(kuò)展區(qū)）疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)特征為斷口較光滑并分布有貝紋線或裂紋擴(kuò)展臺(tái)階。貝紋線是 疲勞區(qū)最典型的特征，是一簇以疲勞源為圓心的平行弧線，凹側(cè)指向疲勞源，凸側(cè) 指向裂紋

6、擴(kuò)展方向。近疲勞源區(qū)貝紋線較細(xì)密（裂紋擴(kuò)展較慢），遠(yuǎn)疲勞源區(qū)貝紋 線較稀疏、粗糙（裂紋擴(kuò)展較快）。貝紋線區(qū)的大小取決于過載程度及材料的韌性, 高名義應(yīng)力或材料韌性較差時(shí)，貝紋線區(qū)不明顯；反之，低名義應(yīng)力或高韌性材料, 貝紋線粗且明顯，范圍大。（3）瞬斷區(qū)瞬斷區(qū)是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域。該區(qū)斷口粗糙，脆性材料斷口呈結(jié)晶狀;韌性材料斷口在心部平面應(yīng)變區(qū)呈放射狀或人字紋狀；表面平面應(yīng)力區(qū)則有剪切唇 區(qū)存在。瞬斷區(qū)一般在疲勞源對(duì)側(cè)，大小與名義應(yīng)力、材料性質(zhì)有關(guān)。高名義應(yīng)力 或脆性材料，瞬斷區(qū)大；反之，瞬斷區(qū)小。四、金屬材料疲勞破壞的機(jī)理1、疲勞裂紋的萌生（形核）裂紋萌生常在材料薄弱區(qū)或高應(yīng)力區(qū)，通過不

7、均勻滑移、微裂紋形成及長(zhǎng)大而完成。通常將長(zhǎng)0.05-0.10mm的裂紋定為疲勞裂紋核，對(duì)應(yīng)的循環(huán)周期N為裂紋萌 生期。疲勞微裂紋由不均勻滑移和顯微開裂引起，主要方式有：表面滑移帶開裂, 第二相、夾雜物與基體界面或夾雜物本身開裂，晶界或亞晶界處開裂。在循環(huán)載荷作用下，即使循環(huán)載荷未超過材料屈服強(qiáng)度，也會(huì)在材料表面形成 循環(huán)滑移帶一不均勻滑移，其與靜拉伸形成的均勻滑移不同，循環(huán)滑移帶集中于某 些局部區(qū)域，用電解拋光法也難以去除，即使去除了，再重新循環(huán)加載，還會(huì)在原處再現(xiàn)。稱這種永留或再現(xiàn)的循環(huán)滑移帶為駐留滑移帶。駐留滑移帶在表面加寬過 程中，會(huì)形成擠出脊和侵入溝，從而引起應(yīng)力集中，形成疲勞微裂紋。

8、(1)表面易產(chǎn)生疲勞裂紋的原因: 在許多載荷方式下，如扭轉(zhuǎn)疲勞，彎曲和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞等，表面應(yīng)力最大。 實(shí)際構(gòu)件表面多存在類裂紋缺陷，如缺口，臺(tái)階，鍵槽，加工劃痕等，這些 部位極易由應(yīng)力集中而成為疲勞裂紋萌生地。 相比于晶粒內(nèi)部，自由表面晶粒受約束較小，更易發(fā)生循環(huán)塑性變形。 自由表面與大氣直接接觸，因此，如果環(huán)境是破壞過程中的一個(gè)因素，則表 面晶粒受影響較大。2、疲勞裂紋的擴(kuò)展疲勞裂紋萌生后開始擴(kuò)展，第I階段沿著最大切應(yīng)力方向向內(nèi)擴(kuò)展。大多數(shù)微裂紋不繼續(xù)擴(kuò)展，成為不擴(kuò)展裂紋，個(gè)別微裂紋可延伸幾十卩m長(zhǎng)。隨即疲勞裂紋進(jìn)da/dN隨N的增加而入第n階段，沿垂直拉應(yīng)力方向向前擴(kuò)展形成主裂紋，直至最后

9、形成剪切唇為止。在室溫及無腐蝕條件下，第n階段呈穿晶擴(kuò)展，擴(kuò)展速率 增大。在多數(shù)韌性材料的第n階段，斷口用電子顯微鏡可看到韌性條帶而脆性材料 中可看到脆性條帶。疲勞條帶(輝紋)呈略彎曲并相互平行的溝槽狀花樣，與裂紋 擴(kuò)展方向垂直。與貝紋線不同，疲勞條帶是疲勞斷口的微觀特征。疲勞條帶形成的原因：裂紋尖端的塑性張開，鈍化和閉合鈍化，使裂紋向前延 續(xù)擴(kuò)展疲勞裂紋的形成與擴(kuò)展模型。五、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理1、陶瓷材料的疲勞破壞機(jī)理靜態(tài)疲勞相當(dāng)于金屬中的延遲斷裂，即在一定載荷作用下，材料耐用應(yīng)力隨時(shí) 間下降的現(xiàn)象。動(dòng)態(tài)疲勞在恒定加載條件下，研究材料斷裂失效對(duì)加載速率的敏感性。循環(huán)疲勞在長(zhǎng)期變動(dòng)應(yīng)力作用

10、下，材料的破壞行為。陶瓷材料斷口呈現(xiàn)脆性斷 口的特征。2、高分子聚合物的疲勞破壞機(jī)理(1)非晶態(tài)聚合物 高循環(huán)應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力很快達(dá)到或超過材料銀紋的引發(fā)應(yīng)力，產(chǎn)生銀紋，隨后 轉(zhuǎn)變成裂紋，擴(kuò)展后導(dǎo)致材料疲勞破壞。 中循環(huán)應(yīng)力也會(huì)引發(fā)銀紋，形成裂紋，但裂紋擴(kuò)展速率較低(機(jī)理相同)。低循環(huán)應(yīng)力，難以引發(fā)銀紋，由材料微損傷累積及微觀結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生微孔及 微裂紋，最終裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致宏觀破壞。(2) 結(jié)晶態(tài)高聚合物或低應(yīng)力循環(huán)的非晶態(tài)高聚合物，疲勞過程有以下現(xiàn)象:整個(gè)過程，疲勞應(yīng)變軟化而不出現(xiàn)硬化。 分子鏈間剪切滑移，分子鏈斷裂，結(jié)晶損傷，晶體結(jié)構(gòu)變化。 產(chǎn)生顯微孔洞，微孔洞合并成微裂紋，并擴(kuò)展成宏觀裂紋。 斷

11、口呈裂紋擴(kuò)展形成的肋狀形態(tài)，斷口呈叢生簇狀結(jié)構(gòu)(拉拔)。(3) 高聚物的熱疲勞由于聚合物為粘彈性材料，具有較大面積的應(yīng)力滯后環(huán)，所以在應(yīng)力循環(huán)過程 中，外力所做的功有相當(dāng)一部分轉(zhuǎn)化為熱能；而聚合物導(dǎo)熱性能差，因此溫度急劇 升高，甚至高于熔點(diǎn)或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，從而產(chǎn)生熱疲勞。熱疲勞常是聚合物疲勞 失效的主要原因。因此疲勞循環(huán)產(chǎn)生的熱量，使聚合物升溫，可以修補(bǔ)高分子、的 微結(jié)構(gòu)損傷，使機(jī)械疲勞裂紋形核困難。(4) 聚合物疲勞斷口可觀察到兩種特征的條紋: 疲勞輝紋：每周期的裂紋擴(kuò)展值為10卩m(間距)。聚合物相對(duì)分子量較高時(shí), 在所有應(yīng)力強(qiáng)度因子條件下，皆可形成疲勞輝紋。疲勞斑紋：對(duì)應(yīng)著不連續(xù)、跳躍式的裂紋擴(kuò)展，間距有50卩相對(duì)分子量較低時(shí)，在較低應(yīng)力強(qiáng)度因子條件下，易形成疲勞斑紋。3、復(fù)合材料的疲勞破壞機(jī)理（1）復(fù)合材料疲勞破壞的特點(diǎn):多種疲勞損傷形式：界面脫粘、分層、纖維斷裂、空隙增長(zhǎng)等。不發(fā)生瞬斷，其疲勞破壞的標(biāo)準(zhǔn)與金屬不同，常以彈性模量下降的百分?jǐn)?shù) 1%-2%，共振頻率變化（1-2HZ）作為破壞依據(jù)。 聚合物基