1、材料的疲勞性能一、疲勞破壞的變動應力材料在變動載荷和應變的長期作用下， 因累積損傷而引起的斷裂現象，稱為疲勞。 變動載荷指大小或方向隨著時間變化的載荷。變動載荷在單位面積上的平均值稱為變動應力，分為規則周期變動應力（或稱循環應力）和無規則隨機變動應力兩種。1、表征應力循環特征的參量有：最大循環應力： max；最小循環應力： min；平均應力：m=（ max+min ）/2；應力幅 a 或應力范圍：=max-min， a= /2=（max-min）/2；應力比（或稱循環應力特征系數）：r=min/ max。2、按平均應力和應力幅的相對大小，循環應力分為：對稱循環： m=（ max+min）/2=

2、0，r=-1，大多數旋轉軸類零件承受此類應力；不對稱循環： m0，-1<r<1。發動機連桿或結構中某些支撐桿、螺栓承受此類應力，a>m>0，-1<r<0；脈動循環：m=a>0，r=0，齒輪的齒根及某些壓力容器承受此類應力。 m=a<0，r=，軸承承受脈動循環壓應力；波動循環： m>a，0<r<1，發動機氣缸蓋、 螺栓承受此種應力；隨機變動應力：循環應力呈隨機變化，無規律性，如運行時因道路或者云層的變化，汽車、 拖拉機及飛機等的零件，工作應力隨時間隨機變化。二、疲勞破壞的概念和特點1、疲勞破壞概念在變動應力作用下， 材料內部薄弱區

3、域的組織逐漸發生變化和損傷累積、開裂， 當裂紋擴展達到一定程度后發生突然斷裂的過程，是一個從局部區域開始的損傷積累，最終引起整體破壞的過程。疲勞破壞是循環應力引起的延時斷裂， 其斷裂應力水平往往低于材料抗拉強度， 甚至低于其屈服強度。 機件疲勞失效前的工作時間稱為疲勞壽命，疲勞斷裂壽命隨循環應力不同而改變。 應力高，壽命短；應力低，壽命長。當應力低于材料的疲勞強度時，壽命可無限長。疲勞斷裂也經歷了裂紋萌生和擴展過程。 由于應力水平較低， 因此具有較明顯的裂紋萌生和穩態擴展階段， 相應的斷口上也顯示出疲勞源、疲勞裂紋擴展區與瞬時斷裂區的特征。2、疲勞破壞的特點（1）疲勞破壞與靜載或一次性沖擊加載

4、破壞比較具有以下特點：該破壞為一種潛藏的突發性破壞， 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發生明顯的塑性變形，呈脆性斷裂，易引起事故造成經濟損失；疲勞破壞屬于低應力循環延時斷裂， 對于疲勞壽命的預測顯得十分重要和必要；疲勞對缺陷（缺口、裂紋及組織）十分敏感，即對缺陷具有高度的選擇性。因為缺口或裂紋會引起應力集中， 加大對材料的損傷作用；組織缺陷（夾雜、疏松、白點、脫碳等）將降低材料的局部強度。二者綜合更加速疲勞破壞的起始與發展?？梢园床煌椒▽ζ谛问椒诸悺０磻顟B分有彎曲疲勞、扭轉疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞及復合疲勞；按應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

5、宏觀特征1、典型疲勞斷口具有3 個特征區：疲勞源、疲勞裂紋擴展區和瞬斷區。（1）疲勞源疲勞裂紋萌生區， 多出現在零件表面， 與加工刀痕、缺口、裂紋、蝕坑等相連。特征是光亮， 因為疲勞源區裂紋表面受反復擠壓、摩擦次數多。疲勞源可以是一個，也可以有多個。如：單向彎曲，只有一個疲勞源；雙向彎曲，可出現兩個疲勞源。（2）疲勞裂紋擴展區（亞臨界擴展區）疲勞裂紋擴展區特征為斷口較光滑并分布有貝紋線或裂紋擴展臺階。貝紋線是疲勞區最典型的特征，是一簇以疲勞源為圓心的平行弧線，凹側指向疲勞源，凸側指向裂紋擴展方向。近疲勞源區貝紋線較細密（裂紋擴展較慢），遠疲勞源區貝紋線較稀疏、粗糙（裂紋擴展較快）。貝紋線區的大

6、小取決于過載程度及材料的韌性，高名義應力或材料韌性較差時，貝紋線區不明顯；反之，低名義應力或高韌性材料，貝紋線粗且明顯，范圍大。（3）瞬斷區瞬斷區是裂紋失穩擴展形成的區域。該區斷口粗糙， 脆性材料斷口呈結晶狀；韌性材料斷口在心部平面應變區呈放射狀或人字紋狀；表面平面應力區則有剪切唇區存在。瞬斷區一般在疲勞源對側，大小與名義應力、材料性質有關。高名義應力或脆性材料，瞬斷區大；反之，瞬斷區小。四、金屬材料疲勞破壞的機理1、疲勞裂紋的萌生（形核）裂紋萌生常在材料薄弱區或高應力區， 通過不均勻滑移、 微裂紋形成及長大而完成。 通常將長的裂紋定為疲勞裂紋核， 對應的循環周期 N 為裂紋萌生期。疲勞微裂紋

7、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。在循環載荷作用下， 即使循環載荷未超過材料屈服強度，也會在材料表面形成循環滑移帶不均勻滑移，其與靜拉伸形成的均勻滑移不同，循環滑移帶集中于某些局部區域，用電解拋光法也難以去除，即使去除了，再重新循環加載，還會在原處再現。稱這種永留或再現的循環滑移帶為駐留滑移帶。駐留滑移帶在表面加寬過程中，會形成擠出脊和侵入溝，從而引起應力集中，形成疲勞微裂紋。（1）表面易產生疲勞裂紋的原因：在許多載荷方式下，如扭轉疲勞，彎曲和旋轉彎曲疲勞等，表面應力最大。實際構件表面多存在類裂紋缺陷，如缺

8、口，臺階，鍵槽，加工劃痕等，這些部位極易由應力集中而成為疲勞裂紋萌生地。相比于晶粒內部， 自由表面晶粒受約束較小， 更易發生循環塑性變形。自由表面與大氣直接接觸， 因此，如果環境是破壞過程中的一個因素，則表面晶粒受影響較大。2、疲勞裂紋的擴展疲勞裂紋萌生后開始擴展， 第階段沿著最大切應力方向向內擴展。大多數微裂紋不繼續擴展，成為不擴展裂紋，個別微裂紋可延伸幾十 m 長。隨即疲勞裂紋進入第階段， 沿垂直拉應力方向向前擴展形成主裂紋，直至最后形成剪切唇為止。在室溫及無腐蝕條件下，第階段呈穿晶擴展，擴展速率da/dN隨 N 的增加而增大。在多數韌性材料的第階段， 斷口用電子顯微鏡可看到韌性條帶而脆性

9、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，使裂紋向前延續擴展疲勞裂紋的形成與擴展模型。五、非金屬材料疲勞破壞機理1、陶瓷材料的疲勞破壞機理靜態疲勞相當于金屬中的延遲斷裂， 即在一定載荷作用下， 材料耐用應力隨時間下降的現象。 動態疲勞在恒定加載條件下， 研究材料斷裂失效對加載速率的敏感性。 循環疲勞在長期變動應力作用下， 材料的破壞行為。陶瓷材料斷口呈現脆性斷口的特征。2、高分子聚合物的疲勞破壞機理（1）非晶態聚合物高循環應力時， 應力很快達到

10、或超過材料銀紋的引發應力， 產生銀紋，隨后轉變成裂紋，擴展后導致材料疲勞破壞。中循環應力也會引發銀紋， 形成裂紋，但裂紋擴展速率較低（機理相同）。低循環應力， 難以引發銀紋， 由材料微損傷累積及微觀結構變化產生微孔及微裂紋，最終裂紋擴展導致宏觀破壞。（2）結晶態高聚合物或低應力循環的非晶態高聚合物，疲勞過程有以下現象：整個過程，疲勞應變軟化而不出現硬化。分子鏈間剪切滑移，分子鏈斷裂，結晶損傷，晶體結構變化。產生顯微孔洞，微孔洞合并成微裂紋，并擴展成宏觀裂紋。斷口呈裂紋擴展形成的肋狀形態，斷口呈叢生簇狀結構（拉拔）。（3）高聚物的熱疲勞由于聚合物為粘彈性材料， 具有較大面積的應力滯后環，所以在應

11、力循環過程中， 外力所做的功有相當一部分轉化為熱能；而聚合物導熱性能差，因此溫度急劇升高，甚至高于熔點或玻璃化轉變溫度，從而產生熱疲勞。 熱疲勞常是聚合物疲勞失效的主要原因。因此疲勞循環產生的熱量，使聚合物升溫，可以修補高分子、的微結構損傷，使機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：每周期的裂紋擴展值為 10m（間距）。聚合物相對分子量較高時，在所有應力強度因子條件下，皆可形成疲勞輝紋。疲勞斑紋： 對應著不連續、跳躍式的裂紋擴展， 間距有 50m。相對分子量較低時，在較低應力強度因子條件下，易形成疲勞斑紋。3、復合材料的疲勞破壞機理（1）復合材料疲勞破壞的特點：多種疲勞損傷形式： 界面脫粘、分層、纖維斷裂、空隙增長等。不發生瞬斷， 其疲勞破壞的標準與金屬不同， 常以彈性模量下降的百分數 1%-2%），共振頻率變化（ 1-2HZ）作為破壞依據。聚合物基復合材