1、第五章第五章 金屬的疲勞金屬的疲勞第五章第五章 金屬的疲勞金屬的疲勞 很多零件、部件在變動載荷下工很多零件、部件在變動載荷下工作，其主要失效形式是疲勞斷裂。作，其主要失效形式是疲勞斷裂。零件零件80以上的失效屬于疲勞破壞以上的失效屬于疲勞破壞案例案例1：1998年年6月月3日，德國一列高日，德國一列高速列車在行駛中突然出軌，造成速列車在行駛中突然出軌，造成100多人遇難身亡，多人遇難身亡，造成事故的原因是造成事故的原因是一節車箱的車輪內部疲勞斷裂。一節車箱的車輪內部疲勞斷裂。從從而導致了近而導致了近50年來德國最慘重的鐵年來德國最慘重的鐵路事故的發生。路事故的發生。案例案例2：中華航空公司編號

2、中華航空公司編號B-18255，波音波音747-200型客機，型客機，2002年年5月月25日下午日下午3時時28分，從臺北中正機場起分，從臺北中正機場起飛，在起飛后飛，在起飛后20分鐘，墜海失事。分鐘，墜海失事。機上乘客人數機上乘客人數203人人。這架飛機總飛行時間：這架飛機總飛行時間：64,810小時。小時。案例案例3：導致哥倫比亞航天飛導致哥倫比亞航天飛機機2003年年2月月1日返回途中爆炸日返回途中爆炸解體的解體的5個原因：個原因：第五章第五章 金屬的疲勞金屬的疲勞阻熱片脫落阻熱片脫落升降翼失去控制升降翼失去控制機體金屬疲勞導致解體機體金屬疲勞導致解體電纜短路發生火災電纜短路發生火災被

3、隕石擊中被隕石擊中金屬疲勞現象及特點疲勞曲線及基本疲勞力學性能疲勞裂紋擴展速率及疲勞門檻值疲勞過程及機理影響疲勞強度的主要因素低周疲勞第五章第五章 金屬的疲勞金屬的疲勞1金屬疲勞現象及特點金屬疲勞現象及特點一、變動載荷和循環應力二、疲勞現象及特點三、疲勞宏觀斷口特征第五章第五章 金屬的疲勞金屬的疲勞1金屬疲勞現象及特點金屬疲勞現象及特點工程結構在服役過程中，由于工程結構在服役過程中，由于承受變動載荷而導致裂紋萌生和承受變動載荷而導致裂紋萌生和擴展以至斷裂失效的全過程稱為擴展以至斷裂失效的全過程稱為疲勞。疲勞。疲勞斷裂可以在很低的應力下疲勞斷裂可以在很低的應力下發生，一般不發生明顯的塑性變發生，

4、一般不發生明顯的塑性變形，難以檢測和預防，因而機件形，難以檢測和預防，因而機件的疲勞斷裂會造成很大的經濟以的疲勞斷裂會造成很大的經濟以至生至生 命的損失。命的損失。研究疲勞主要是研究材料在變研究疲勞主要是研究材料在變動載荷作用下的力學響應、裂紋動載荷作用下的力學響應、裂紋萌生和擴展特性。萌生和擴展特性。對于評定工程材料的疲勞抗力，對于評定工程材料的疲勞抗力，進而為工程結構部件的抗疲勞設進而為工程結構部件的抗疲勞設計、評估構件的疲勞壽命以及尋計、評估構件的疲勞壽命以及尋求改善工程材料的疲勞抗力的途求改善工程材料的疲勞抗力的途徑等都是非常重要的。徑等都是非常重要的。一、變動載荷和循環應力一、變動載

5、荷和循環應力1.變動載荷（應力）變動載荷（應力）指大小或大小和方向隨時間按指大小或大小和方向隨時間按一定規律呈周期性變化或無規一定規律呈周期性變化或無規則隨機變化的載荷（應力）。則隨機變化的載荷（應力）。變動載荷變動載荷(應力應力)的種類的種類:1金屬疲勞現象及特點金屬疲勞現象及特點規則周期變動應力（循環應力）規則周期變動應力（循環應力）無規則變化的隨機變動應力無規則變化的隨機變動應力1金屬疲勞現象及特點金屬疲勞現象及特點2. 循環應力循環應力1）基本參量）基本參量maxminminmax21m平均應力minmax21a應力幅maxminr應力比2) 常見的循環應力常見的循環應力a.對稱交變應

6、力對稱交變應力0 1mr 軸類軸類b.脈動應力脈動應力0 0ram齒根彎曲齒根彎曲c.波動應力波動應力ram 0軸承軸承10 ram發動機蓋螺栓發動機蓋螺栓d.不對稱交變應力不對稱交變應力01r連桿連桿1金屬疲勞現象及特點金屬疲勞現象及特點二、疲勞現象及特點二、疲勞現象及特點疲勞機件在變動載荷和應變長疲勞機件在變動載荷和應變長期作用下，由于積累損傷而引起期作用下，由于積累損傷而引起的斷裂現象。的斷裂現象。1. 分類分類按載荷類型分：按載荷類型分：彎曲、扭轉、拉壓、復合疲勞等。彎曲、扭轉、拉壓、復合疲勞等。按環境和接觸情況分按環境和接觸情況分:大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、大氣疲勞、腐蝕疲勞、高

7、溫疲勞、熱疲勞、接觸疲勞、沖擊疲勞等。熱疲勞、接觸疲勞、沖擊疲勞等。按應力大小和壽命分按應力大小和壽命分:510fN高周疲勞高周疲勞521010fN低周疲勞低周疲勞n高周疲勞特點：高周疲勞特點：斷裂壽命較長，斷裂壽命較長，Nf105周次，斷裂應力水平較低，周次，斷裂應力水平較低，r2r1(=-1)隨隨平均應力的增高，循環不對稱程平均應力的增高，循環不對稱程度加大，交變應力幅占循環度加大，交變應力幅占循環 應力的應力的分數越來越小，造成的損傷也越來分數越來越小，造成的損傷也越來越小，越小，使曲線向上移動，使曲線向上移動，疲勞抗力疲勞抗力增加。增加。在極限情況下，在極限情況下， m =max，r=

8、0相當于偏位伸。相當于偏位伸。b）a相同相同r3r2(=0)r1(=-1)循環應力特性對循環應力特性對S-N曲線的影響曲線的影響隨著平均應力升高，不對稱程度越隨著平均應力升高，不對稱程度越來越嚴重，作用在等體積材料中的來越嚴重，作用在等體積材料中的應力水應力水 平越來越高，疲勞損傷加劇，平越來越高，疲勞損傷加劇，S-N曲線向下移動。曲線向下移動。疲勞抗力降低。疲勞抗力降低。2）應力狀態的影響）應力狀態的影響不同應力狀態下的疲勞應力不同應力狀態下的疲勞應力-壽命壽命曲線不同，相應的疲勞極限也不曲線不同，相應的疲勞極限也不相等。相等。通常剪切應力幅度的疲勞曲線通常剪切應力幅度的疲勞曲線 低于拉壓應

9、力幅的疲勞曲線。低于拉壓應力幅的疲勞曲線。不同應力狀態的疲勞極限間的不同應力狀態的疲勞極限間的經驗關系：經驗關系：鋼材的拉壓疲勞與彎扭疲勞鋼材的拉壓疲勞與彎扭疲勞1185. 0p鑄鐵的拉壓疲勞與彎扭疲勞鑄鐵的拉壓疲勞與彎扭疲勞1165. 0p鑄鐵的扭轉疲勞與彎扭疲勞鑄鐵的扭轉疲勞與彎扭疲勞118 . 0鋼及輕金屬的扭轉疲勞與彎扭鋼及輕金屬的扭轉疲勞與彎扭疲勞疲勞1155. 05.疲勞極限的估算疲勞極限的估算2 高周疲勞高周疲勞1) 與與s、b的關系的關系金屬材料的抗拉強度越大，其疲金屬材料的抗拉強度越大，其疲勞極限也越大。勞極限也越大。對于中、低強度鋼，疲勞極限與對于中、低強度鋼，疲勞極限與抗

10、拉強度間大體呈線性關系。抗拉強度間大體呈線性關系。b較低時，可近似寫成較低時，可近似寫成-1=0.5bb較高時，這種近線性關系較高時，這種近線性關系就會發生偏離，這是由于強度就會發生偏離，這是由于強度較高時，材料的塑性和斷裂韌較高時，材料的塑性和斷裂韌性下降，裂紋易于形成和擴展性下降，裂紋易于形成和擴展所致。所致。結構鋼結構鋼: bsp23. 01bs27. 01鑄鐵：鑄鐵：bp4 . 01b45. 01鋁合金：鋁合金：5 . 7611bp5.761bp2 高周疲勞高周疲勞青青 銅銅 : -1=0.21b2) 與與m、a、s、b的關系的關系6.表面幾何因素對高周疲勞特性表面幾何因素對高周疲勞特

11、性的影響的影響缺口越尖銳，疲勞極限下降越多。缺口越尖銳，疲勞極限下降越多。為了在不同材料和不同工藝狀態為了在不同材料和不同工藝狀態下度量和比較缺口對材料疲勞強下度量和比較缺口對材料疲勞強度的影度的影 響，通常引用疲勞應力集響，通常引用疲勞應力集中系數（疲勞缺口系數）中系數（疲勞缺口系數）11fNK與與Kt不同，不同， Kf不僅與缺口尖銳度不僅與缺口尖銳度有關，而且與材料的疲勞特性有有關，而且與材料的疲勞特性有關。關。疲勞缺口敏感因子（度）：疲勞缺口敏感因子（度）：試圖試圖消除缺口幾何因素的影響消除缺口幾何因素的影響11tffKKqq f=0，Kf =1，疲勞極限不因缺，疲勞極限不因缺口存在而降

12、低，即對缺口不敏感口存在而降低，即對缺口不敏感2 高周疲勞高周疲勞qf =1，Kf = Kt ，即表示對缺口，即表示對缺口敏感。敏感。q f=01，即，即Kf 一般小于一般小于Kt 實驗表明，實驗表明， qf 值隨材料強度的升值隨材料強度的升高而增大高而增大qf值能反映在疲勞過程中材料值能反映在疲勞過程中材料發生應力重新分布，降低應力集發生應力重新分布，降低應力集中的能力。中的能力。2 高周疲勞高周疲勞二、過載持久值及過載損傷界二、過載持久值及過載損傷界1.應力變動和累積損傷應力變動和累積損傷由于實際的構件多是承受在一定范由于實際的構件多是承受在一定范圍內變動的載荷，隨著循環周次的圍內變動的載

13、荷，隨著循環周次的增加，材質劣化，材料內部發生損增加，材質劣化，材料內部發生損傷；當損傷積累到某傷；當損傷積累到某 一數值時，材一數值時，材料固有的壽命或塑性耗盡，便導致料固有的壽命或塑性耗盡，便導致材料的破壞。材料的破壞。設試件在循環應力設試件在循環應力1下的疲勞下的疲勞壽命為壽命為Nf1，若在該應力幅下循，若在該應力幅下循環環1次，則勞壽命縮減的分數次，則勞壽命縮減的分數為為1Nf1 ，即造成的損傷度為，即造成的損傷度為D1，D1 =1/Nf1 ;若循環若循環n1 次次, 則造成的損傷度則造成的損傷度為為n1 D1 = n1 /Nf1當總損傷度達到臨界值時，發當總損傷度達到臨界值時，發生疲

14、勞失效。顯然，在恒幅載生疲勞失效。顯然，在恒幅載荷下，損傷度的臨界值為荷下，損傷度的臨界值為1.0。在理論疲勞極限以下，由于在理論疲勞極限以下，由于Nf ，所以損傷度為零，即，所以損傷度為零，即不造成損傷。不造成損傷。2 高周疲勞高周疲勞2.過載持久值及過載損傷界過載持久值及過載損傷界金屬機件偶然經受短期過載，金屬機件偶然經受短期過載，材料原來的疲勞極限可能沒有變材料原來的疲勞極限可能沒有變化，也可能有所降低，這要具體化，也可能有所降低，這要具體視材料所受過載應力及相應的累視材料所受過載應力及相應的累計過載周次而定。計過載周次而定。1） 過載持久值：過載持久值：材料在高于疲勞極限應力下運行材料

15、在高于疲勞極限應力下運行時時, 發生疲勞斷裂的應力循環周發生疲勞斷裂的應力循環周次。次。表征材料抵抗過載的能力。表征材料抵抗過載的能力。2）耐久極限：疲勞曲線傾斜部位）耐久極限：疲勞曲線傾斜部位任一點對應的應力任一點對應的應力3） 過載損傷界過載損傷界金屬在高于其疲勞極限的任一金屬在高于其疲勞極限的任一應力作用下運轉，使疲勞極限應力作用下運轉，使疲勞極限開始降低的運行周次開始降低的運行周次4）過載損傷區）過載損傷區2 高周疲勞高周疲勞機件過載運轉到這個區域里，機件過載運轉到這個區域里，都要不同程度地降低材料疲勞極都要不同程度地降低材料疲勞極限，在持久值附近，降低的越多。限，在持久值附近，降低的

16、越多。材料的過載損傷界（或過載持材料的過載損傷界（或過載持久值）越陡直，損傷區越窄，則久值）越陡直，損傷區越窄，則其抵抗疲勞過載的能力越強。其抵抗疲勞過載的能力越強。過載損傷的機理過載損傷的機理材料內部存在裂紋，材料內部存在裂紋，Kth 時，時，da/dN 0，裂紋開始擴展。裂紋開始擴展。Kth 約為約為KIC的的5%10%。實驗中裂紋擴展門檻值常定義實驗中裂紋擴展門檻值常定義為：為：da/dN2.510-10 m/cycle 時的時的K值。值。斷口：解理花樣，由斷裂小面組斷口：解理花樣，由斷裂小面組成。成。2）II區為中部區或穩態擴展區，區為中部區或穩態擴展區，是裂紋擴展的主要階段，決定了是

17、裂紋擴展的主要階段，決定了疲勞壽命的主要部分。疲勞壽命的主要部分。裂紋擴展速率在裂紋擴展速率在lgda/dN lgK 雙對數坐標上呈一直線關系。雙對數坐標上呈一直線關系。Paris經驗方程經驗方程nKCdNdaC、n為與材料和環境有關的常數為與材料和環境有關的常數II區的裂紋擴展速率區的裂紋擴展速率10-810-6 m/cycle斷口：斷口：疲勞條紋疲勞條紋。3疲勞裂紋擴展速率及疲勞門檻值疲勞裂紋擴展速率及疲勞門檻值3) III區為裂紋快速擴展區，區為裂紋快速擴展區，da/dN 10-6 10-5 m/cycle, 并并隨著隨著K的增大而迅速升高。的增大而迅速升高。斷口斷口: 靜載斷裂機制。靜

18、載斷裂機制。 Kth與與-1 的關系的關系兩者相似，都表示無限壽命兩者相似，都表示無限壽命-1為光滑試樣，為光滑試樣， Kth 有缺口、有缺口、裂紋試樣裂紋試樣 Kth的應用的應用無限壽命承載能力無限壽命承載能力aYKth允許裂紋尺寸允許裂紋尺寸221thKYa三、疲勞裂紋擴展的影響因素三、疲勞裂紋擴展的影響因素1) 平均應力平均應力壓縮載荷下，裂紋是閉合的，對壓縮載荷下，裂紋是閉合的，對裂紋擴展無貢獻。裂紋擴展無貢獻。平均拉應力（應力比平均拉應力（應力比r）升高，）升高，擴展曲線向左上方移動，擴展曲線向左上方移動， Kth 降低，疲勞抗力降低降低，疲勞抗力降低0121 (0)1ththrKK

19、rr 為為 時的疲勞門檻值時的疲勞門檻值0thK0r3疲勞裂紋擴展速率及疲勞門檻值疲勞裂紋擴展速率及疲勞門檻值引入殘余壓應力降低平均應引入殘余壓應力降低平均應力如表面噴丸、滾壓、淬火處力如表面噴丸、滾壓、淬火處理等，可以提高材料的疲勞抗理等，可以提高材料的疲勞抗力。力。2） 過載峰及裂紋塑性區的影響過載峰及裂紋塑性區的影響實際機件在工作時很難一直是實際機件在工作時很難一直是恒定載荷，往往會有偶然過載。恒定載荷，往往會有偶然過載。偶然過載進入過載損傷區內，偶然過載進入過載損傷區內，將使材料受到損傷并降低疲勞壽將使材料受到損傷并降低疲勞壽命，但是如果過載適當，反而是命，但是如果過載適當，反而是有益

20、的。有益的。實驗表明：在恒載裂紋疲勞擴實驗表明：在恒載裂紋疲勞擴展中間，適當的過載峰會使裂紋展中間，適當的過載峰會使裂紋擴展減慢或停滯一段時間，發生擴展減慢或停滯一段時間，發生裂紋擴展過載停滯現象，并延長裂紋擴展過載停滯現象，并延長疲勞壽命。疲勞壽命。3疲勞裂紋擴展速率及疲勞門檻值疲勞裂紋擴展速率及疲勞門檻值機理：機理：在應力循環正半周時，過載拉在應力循環正半周時，過載拉應力產生較大的塑性區，當這個應力產生較大的塑性區，當這個較大的塑性區在循環負半周時，較大的塑性區在循環負半周時，因阻止周圍彈性變形恢復而產生因阻止周圍彈性變形恢復而產生殘余壓應力；殘余壓應力；壓應力迭加于裂紋上，降低拉壓應力迭

21、加于裂紋上，降低拉應力峰，使裂紋提前閉合，減應力峰，使裂紋提前閉合，減少裂紋尖端的少裂紋尖端的K，從而降低，從而降低da/dN，這種影響一般稱為，這種影響一般稱為裂紋裂紋閉合效應閉合效應。當裂紋超過塑性區后，壓應力當裂紋超過塑性區后，壓應力消失，裂紋正常擴展。消失，裂紋正常擴展。3）材料的組織和性能）材料的組織和性能在材料裂紋擴展過程中，材在材料裂紋擴展過程中，材料組織對料組織對I、III區的區的da/dN影響影響比較明顯，而對比較明顯，而對II區的區的da/dN影影響不明顯響不明顯3疲勞裂紋擴展速率及疲勞門檻值疲勞裂紋擴展速率及疲勞門檻值a. 晶粒尺寸晶粒尺寸晶粒越大，晶粒越大，Kth 越大

22、、裂紋開越大、裂紋開始擴展困難，但會使裂紋擴展速始擴展困難，但會使裂紋擴展速度增大。度增大。b. 亞共析鋼：亞共析鋼：ththKFCKF% %c.淬火組織：淬火組織： thABKda dN 下和Kth ：M/B/A=1/4/7。d.回火組織：回火組織：Kth ：STMe.性能：性能：thICsKdNdaK 區thICsKdNdaK 區第五章第五章 金屬的疲勞金屬的疲勞4疲勞過程及機理疲勞過程及機理疲勞過程包括疲勞裂紋萌生、疲勞過程包括疲勞裂紋萌生、裂紋亞穩擴展及最后失穩擴展裂紋亞穩擴展及最后失穩擴展三個階段，其疲勞壽命三個階段，其疲勞壽命Nf由疲由疲勞裂紋萌生期勞裂紋萌生期N0和裂紋亞穩擴和裂

23、紋亞穩擴展期展期Np所組成。所組成。了解疲勞各階段的物理過程，了解疲勞各階段的物理過程，對認識疲勞本質、分析疲勞原對認識疲勞本質、分析疲勞原因，采取強韌化措施，延長疲因，采取強韌化措施，延長疲勞壽命都是很有意義的。勞壽命都是很有意義的。一、疲勞裂紋萌生過程及機理一、疲勞裂紋萌生過程及機理宏觀疲勞裂紋是由微觀裂紋的宏觀疲勞裂紋是由微觀裂紋的形成、長大及連接而形成的。形成、長大及連接而形成的。常將常將0.050.10mm的裂紋定義為疲的裂紋定義為疲勞裂紋核，由此來確定疲勞裂紋勞裂紋核，由此來確定疲勞裂紋的萌生期。的萌生期。1) 滑移帶開裂產生裂紋滑移帶開裂產生裂紋試驗表明：金屬在循環應力試驗表明：

24、金屬在循環應力（-1）長期作用下，即使其應）長期作用下，即使其應力低于屈服應力，也會發生循環力低于屈服應力，也會發生循環位移并形成位移并形成循環滑移帶循環滑移帶。與靜載荷時均勻滑移帶相比，與靜載荷時均勻滑移帶相比，循環滑移循環滑移不均勻，總是集中分布不均勻，總是集中分布于某些局部薄弱區域于某些局部薄弱區域。4疲勞過程及機理疲勞過程及機理用電解拋光方法很難將已產生用電解拋光方法很難將已產生的表面循環滑移帶去除，即使能的表面循環滑移帶去除，即使能去除，去除， 當對試樣重新循環加載時，當對試樣重新循環加載時，則循環滑移帶又在原處出現，這則循環滑移帶又在原處出現，這種種永留或再現的循環滑移帶稱為永留或

25、再現的循環滑移帶稱為駐留滑移帶駐留滑移帶。阿姆柯鐵在旋轉彎曲疲勞時產生的滑移帶隨著加載循環周次的增加，循隨著加載循環周次的增加，循環滑移帶不斷加寬，當加寬到一環滑移帶不斷加寬，當加寬到一定程度時，由于位錯的塞積和交定程度時，由于位錯的塞積和交割作用，便在割作用，便在駐留滑移帶形成微駐留滑移帶形成微裂紋裂紋。2024-T4鋁合金滑移帶裂紋奧氏體不銹鋼滑移帶開裂形成的裂紋4疲勞過程及機理疲勞過程及機理駐留滑移帶在加寬過程中，還駐留滑移帶在加寬過程中，還會出現會出現擠出脊和侵入溝擠出脊和侵入溝，于是產，于是產生應力集中和空洞，經過一定循生應力集中和空洞，經過一定循環后也會產生微裂紋。環后也會產生微裂

26、紋。當兩個滑移系交替動作時，在當兩個滑移系交替動作時，在一個循環周次之后，便可分別一個循環周次之后，便可分別形成一個擠出帶和一個侵入溝。形成一個擠出帶和一個侵入溝。隨著循環周次增加，擠出帶更隨著循環周次增加，擠出帶更凸起，侵入溝更凹進。通常認凸起，侵入溝更凹進。通常認為其中的浸入溝將發展成為疲為其中的浸入溝將發展成為疲勞裂紋的核心。勞裂紋的核心。Al-Cu4-Mg1.2-Mn0.3合金表面擠出脊純鋁疲勞試樣橫截面4疲勞過程及機理疲勞過程及機理一般駐留滑移帶只在表面形成，一般駐留滑移帶只在表面形成，其其機理機理：表面晶粒受周圍介質作用表面晶粒受周圍介質作用表面晶粒易受損傷表面晶粒易受損傷表面晶粒

27、不完全被其它晶粒包表面晶粒不完全被其它晶粒包圍，塑性變形約束小圍，塑性變形約束小彎曲、扭轉載荷作用在表面應彎曲、扭轉載荷作用在表面應力最大力最大駐留滑移帶只在局部出現，而不駐留滑移帶只在局部出現，而不象拉伸屈服后在表面均勻分布，象拉伸屈服后在表面均勻分布，其其原因原因：第一階段在金屬表面均布的細第一階段在金屬表面均布的細滑移線，滑移線，F-R開動，位錯密度增開動，位錯密度增長受阻，產生位錯塞積，使位錯長受阻，產生位錯塞積，使位錯源停止，從而滑移線不再發展，源停止，從而滑移線不再發展，表面硬化；表面硬化；在交變載荷作用下，兩條滑移在交變載荷作用下，兩條滑移線上螺旋位錯產生交滑移，異號線上螺旋位錯

28、產生交滑移，異號螺旋位錯在滑移面相遇消失，則螺旋位錯在滑移面相遇消失，則這些面上的位錯源開動，滑移線這些面上的位錯源開動，滑移線增長，滑移帶變寬，該區域較其增長，滑移帶變寬，該區域較其它區域不發生交滑移的位錯源更它區域不發生交滑移的位錯源更易于開動，滑移集中于滑移帶內，易于開動，滑移集中于滑移帶內，而滑移帶比基體弱，宏觀上而滑移帶比基體弱，宏觀上不顯示加工硬化不顯示加工硬化4疲勞過程及機理疲勞過程及機理實驗證實，實驗證實，疲勞裂紋的形成和疲勞裂紋的形成和位錯交滑移的難易程度有關位錯交滑移的難易程度有關。容。容易交滑移的單相合金，容易形成易交滑移的單相合金，容易形成疲勞裂紋。疲勞裂紋。 因此因此

29、提高材料的滑移提高材料的滑移抗力，可阻止裂紋的萌生，增強抗力，可阻止裂紋的萌生，增強 材料的疲勞抗力。材料的疲勞抗力。2）相界面開裂產生裂紋）相界面開裂產生裂紋第二相阻礙位錯運動，使位錯塞第二相阻礙位錯運動，使位錯塞 積積, 從而產生應力集中，進而第從而產生應力集中，進而第二相與基體脫離或破碎，產生裂二相與基體脫離或破碎，產生裂紋。紋。4疲勞過程及機理疲勞過程及機理第二相、夾雜物應第二相、夾雜物應“少、圓、少、圓、小、勻小、勻”，以提高疲勞抗力，以提高疲勞抗力3）晶界、亞晶界開裂產生裂紋）晶界、亞晶界開裂產生裂紋多晶材料由于晶多晶材料由于晶界的存在和相鄰界的存在和相鄰晶粒的不同取向晶粒的不同取

30、向位錯在某一晶粒內部運動時會位錯在某一晶粒內部運動時會受到晶界的阻礙作用，在晶界受到晶界的阻礙作用，在晶界處發生位錯塞積和應力集中現處發生位錯塞積和應力集中現象。象。應力不斷循環，晶界處的應力集應力不斷循環，晶界處的應力集中得不到松弛時，則應力峰越來中得不到松弛時，則應力峰越來越高，當超過晶界強度時就會在越高，當超過晶界強度時就會在晶界上產生裂紋。晶界上產生裂紋。晶界弱化、粗化等也會使晶界晶界弱化、粗化等也會使晶界開裂。強化、凈化、細化晶界，開裂。強化、凈化、細化晶界，可提高材料的疲勞抗力。可提高材料的疲勞抗力。4）材料內部的缺陷如氣孔、夾雜、）材料內部的缺陷如氣孔、夾雜、分層、各向異性、相變

31、或晶粒不分層、各向異性、相變或晶粒不均勻等，都會因局部的應力集中均勻等，都會因局部的應力集中而引而引 發裂紋。發裂紋。4疲勞過程及機理疲勞過程及機理二、疲勞裂紋擴展及斷口微觀特征二、疲勞裂紋擴展及斷口微觀特征1.疲勞裂紋擴展，按擴展方向可分疲勞裂紋擴展，按擴展方向可分為兩個階段：為兩個階段：第一階段：從表面個別侵入溝（或第一階段：從表面個別侵入溝（或擠出脊）先形成微裂紋，然后裂紋擠出脊）先形成微裂紋，然后裂紋主要沿主滑移系方向，以純剪切方主要沿主滑移系方向，以純剪切方式式沿沿45向內擴展。向內擴展。由于晶界的不斷阻礙作用，裂由于晶界的不斷阻礙作用，裂紋擴展逐漸轉向垂直拉應力方紋擴展逐漸轉向垂直

32、拉應力方向。向。第第I階段裂紋擴展速率較小階段裂紋擴展速率較小(0.1m數量級），擴展的距離數量級），擴展的距離一般都很小，約為一般都很小，約為25個晶粒。個晶粒。斷口上無明顯的特征，只有一斷口上無明顯的特征，只有一些擦傷的痕跡。在一些強化材些擦傷的痕跡。在一些強化材料中料中,有時存在周期性解理或者有時存在周期性解理或者準解理花樣準解理花樣第二階段：第二階段：裂紋裂紋拉應力拉應力在室溫和無腐蝕的條件下疲勞在室溫和無腐蝕的條件下疲勞裂紋擴展為穿晶狀態。裂紋擴展為穿晶狀態。二、疲勞裂紋擴展及斷口微觀特征二、疲勞裂紋擴展及斷口微觀特征此階段的大部分循環周期內，裂此階段的大部分循環周期內，裂紋擴展速率

33、約為紋擴展速率約為10-510-2mm/次次在電子顯微鏡下可顯示出：在電子顯微鏡下可顯示出：第二第二階段的斷口特征是具有略呈彎曲階段的斷口特征是具有略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣，稱為疲并相互平行的溝槽花樣，稱為疲勞條帶（條紋、輝紋）勞條帶（條紋、輝紋）擴展最后，進入平面應力狀態，擴展最后，進入平面應力狀態，裂紋沿裂紋沿45擴展。擴展。瞬斷區的特征與材料的性質有關瞬斷區的特征與材料的性質有關塑性材料塑性材料脆性材料脆性材料二、疲勞裂紋擴展及斷口微觀特征二、疲勞裂紋擴展及斷口微觀特征2.疲勞條紋的形成過程疲勞條紋的形成過程a.塑性疲勞條帶塑性疲勞條帶a)應力應力=0，裂紋閉合，裂紋閉合b)拉應力增

34、加到圖示值時，裂紋張開，拉應力增加到圖示值時，裂紋張開，且頂端沿最大切應力方向產生滑移且頂端沿最大切應力方向產生滑移c)當應力繼續增至最大值時，裂紋張開當應力繼續增至最大值時，裂紋張開最大，相應的塑性變形范圍也隨之擴大。最大，相應的塑性變形范圍也隨之擴大。由于塑性變形，裂紋頂端鈍化，由于塑性變形，裂紋頂端鈍化， 應力集應力集中減少。中減少。d) 壓應力，反向滑移，裂紋壓近，尖端耳壓應力，反向滑移，裂紋壓近，尖端耳狀切口。狀切口。e)到壓應力為最大值時，裂紋便完全閉到壓應力為最大值時，裂紋便完全閉合，尖端尖角。裂紋卻擴展了一個相當裂紋擴展速率數值的增量合，尖端尖角。裂紋卻擴展了一個相當裂紋擴展速

35、率數值的增量（主要是拉應力半周）。（主要是拉應力半周）。二、疲勞裂紋擴展及斷口微觀特征二、疲勞裂紋擴展及斷口微觀特征二、疲勞裂紋擴展及斷口微觀特征二、疲勞裂紋擴展及斷口微觀特征SEM下疲勞過程中裂紋的下疲勞過程中裂紋的生長生長二、疲勞裂紋擴展及斷口微觀特征二、疲勞裂紋擴展及斷口微觀特征光鏡下疲勞過程中裂紋的生長光鏡下疲勞過程中裂紋的生長bcdeaa 96000循環 60m；b 96300循環 235m；c 96400循環 240m d 96800循環 380m；e 97400循環 570m；二、疲勞裂紋擴展及斷口微觀特征二、疲勞裂紋擴展及斷口微觀特征疲勞條帶是裂紋擴展時留下的疲勞條帶是裂紋擴展

36、時留下的微觀痕跡，每條帶可以視為微觀痕跡，每條帶可以視為應力應力循環循環的擴展痕跡，裂紋的擴展方的擴展痕跡，裂紋的擴展方向與條帶垂直。向與條帶垂直。b. 脆性條帶脆性條帶a) a) 初始狀態初始狀態0b) b) 前端解理擴展前端解理擴展c) c)切應力作用下切應力作用下4545方向很寬范圍內方向很寬范圍內局部塑性變形局部塑性變形maxd) d) 鈍化，停止鈍化，停止mine)閉合閉合所以解理臺階和疲勞條帶結合在一起，斷口上有細小所以解理臺階和疲勞條帶結合在一起，斷口上有細小解理平面，其與擴展方向一致，與裂紋垂直，有河流解理平面，其與擴展方向一致，與裂紋垂直，有河流狀花樣。狀花樣。二、疲勞裂紋擴

37、展及斷口微觀特征二、疲勞裂紋擴展及斷口微觀特征第五章第五章 金屬的疲勞金屬的疲勞5 低周疲勞低周疲勞一、低周疲的現象和特點一、低周疲的現象和特點飛機起落架、燃氣渦輪發動機、飛機起落架、燃氣渦輪發動機、高壓容器、核反應堆外殼等，高壓容器、核反應堆外殼等，所受應力水平較高，疲勞壽命所受應力水平較高，疲勞壽命較短。較短。低周疲勞是在較高應力（往往低周疲勞是在較高應力（往往超過材料的屈服強度超過材料的屈服強度s）和較少）和較少循環次數（循環次數（102105 次）的疲勞次）的疲勞斷裂。斷裂。1. 現象現象對儲罐，若按每天充對儲罐，若按每天充 放料一放料一次，在次，在50年內才經受年內才經受18000多

38、次多次載荷循環。載荷循環。如帶缺口，圓孔、拐角等的構件，如帶缺口，圓孔、拐角等的構件，當其受到周期載荷時，當其受到周期載荷時， 雖然整體雖然整體上尚處在彈性變形范圍，但在應上尚處在彈性變形范圍，但在應力集中部位的材料已力集中部位的材料已 進入塑性變進入塑性變形狀態，此時也是由循環塑性應形狀態，此時也是由循環塑性應變控制的低周疲勞。變控制的低周疲勞。2.低周疲勞破壞的特點低周疲勞破壞的特點1）應力高，有宏觀塑性變形，反）應力高，有宏觀塑性變形，反復加載，經若干次復加載，經若干次(通常不超過通常不超過100周次周次)應力循環后，會形成應力應力循環后，會形成應力應變滯后環（滯后回線）。應變滯后環（滯

39、后回線）。epf其應變幅分為兩部分：其應變幅分為兩部分：5 低周疲勞低周疲勞在加載初期，類似于包申格在加載初期，類似于包申格效應，材料因載荷循環而出現效應，材料因載荷循環而出現循環硬化或循環軟化，所以初循環硬化或循環軟化，所以初期的滯后環并不封閉。期的滯后環并不封閉。滯后環內的面積代表材料所滯后環內的面積代表材料所吸收的變形功，其中一部分以吸收的變形功，其中一部分以塑性變形能的形式儲存在材料塑性變形能的形式儲存在材料中，或用以改變材料中結構中，或用以改變材料中結構 的的排列；排列；剩下的部分則以熱的形式向周圍剩下的部分則以熱的形式向周圍環境散逸。環境散逸。2）由于塑性變形量大，疲勞壽）由于塑性

40、變形量大，疲勞壽命命N由應變幅度控制，不能利用由應變幅度控制，不能利用-N描述疲勞抗力，故常用描述疲勞抗力，故常用P -Nf的關系曲線描述。的關系曲線描述。3）擴展過程中有幾個裂紋源，）擴展過程中有幾個裂紋源，應力高，形核時間短；疲勞條帶應力高，形核時間短；疲勞條帶粗、寬且不連續。粗、寬且不連續。5 低周疲勞低周疲勞3. 循環硬化與循環軟化循環硬化與循環軟化1) 現象現象材料在恒定應變（應力）范圍循材料在恒定應變（應力）范圍循環作用下，隨著循環周次的增加，環作用下，隨著循環周次的增加，其應力（應變）不斷增加，稱為其應力（應變）不斷增加，稱為循環硬化循環硬化；如果在循環過程中，應力（應變）如果在

41、循環過程中，應力（應變）逐漸減小，則為逐漸減小，則為循環軟化循環軟化。發生循環硬化或軟化的判據：發生循環硬化或軟化的判據：1）b /s 1.4時，發生硬化；時，發生硬化；2）b /s 1.2時，發生軟化；時，發生軟化；3）1.2 b /s 1.4時，則難以時，則難以判斷。判斷。n0.1,硬化、穩定硬化、穩定即初始硬而強的材料發生軟化，即初始硬而強的材料發生軟化，如晶態或非晶態高聚物等。反如晶態或非晶態高聚物等。反之，則發生硬化。之，則發生硬化。恒應力下的循環軟化與恒應恒應力下的循環軟化與恒應變下的循環硬化，特別危險！變下的循環硬化，特別危險！5 低周疲勞低周疲勞二、低周疲勞的應變二、低周疲勞的

42、應變-壽命曲線壽命曲線低周疲勞的應變低周疲勞的應變-壽命曲線壽命曲線(Nf )，通常用總應變半幅（，通常用總應變半幅（/2 ）和循環變向次數和循環變向次數(2Nf )表示；表示；應變半幅應變半幅(/2)可分解為彈性應可分解為彈性應變半幅變半幅(e /2)和塑性應變半幅和塑性應變半幅(p /2)。e /22Nf的關系的關系22bfefNE 為為2Nf=1時，直線的截距，稱時，直線的截距，稱為為疲勞強度系數疲勞強度系數，由于，由于2Nf =1相相當于一次加載，所以可粗略地取當于一次加載，所以可粗略地取 （靜拉伸的斷裂應力）；（靜拉伸的斷裂應力）；fEffb為直線的斜率，稱為為直線的斜率，稱為疲勞強

43、度疲勞強度指數指數, b-0.07-0.15p /22Nf的關系的關系22cpffN 為為2Nf =1時直線的截距，稱時直線的截距，稱為為疲勞塑性系數疲勞塑性系數，同理，也可，同理，也可取取 (靜拉伸的斷裂應變靜拉伸的斷裂應變)；fff 5 低周疲勞低周疲勞于是于是/22Nf關系成為關系成為:22222bcpfefffNNE不同金屬材料的不同金屬材料的/2 2Nf曲線曲線有一個共同的交點，對應的應變有一個共同的交點，對應的應變值約為值約為0.01。在交點右側，即低。在交點右側，即低幅循環時，強度高的材料壽命長。幅循環時，強度高的材料壽命長。上式右邊兩項是兩條直線，分別上式右邊兩項是兩條直線，分

44、別代表彈性應變幅代表彈性應變幅-壽命線和塑性應壽命線和塑性應變幅變幅-壽命線。壽命線。曲線曲線e /22Nf與與p /22Nf相相交，交點所對應的壽命稱為交，交點所對應的壽命稱為過渡過渡疲勞壽命疲勞壽命(2Nf)t在交點左側的低周疲勞范圍內，在交點左側的低周疲勞范圍內，塑性應變幅起主導作用，材料的塑性應變幅起主導作用，材料的疲勞壽命由塑性控制；疲勞壽命由塑性控制；在交點右側的高周疲勞范圍內，在交點右側的高周疲勞范圍內，彈性應變幅起主導作用，材料的彈性應變幅起主導作用，材料的疲勞壽命由強度決定。疲勞壽命由強度決定。5 低周疲勞低周疲勞于是于是/22Nf關系成為關系成為:22222bcpfefff

45、NNE所以選擇機件材料和決定工藝所以選擇機件材料和決定工藝時，要區分機件的服役條件是哪時，要區分機件的服役條件是哪一類疲勞，一類疲勞，如屬高周疲勞，應主如屬高周疲勞，應主要考慮材料強度，如屬低周疲勞，要考慮材料強度，如屬低周疲勞，則應在保持一定強度基礎上盡量則應在保持一定強度基礎上盡量選用塑性好的材料。選用塑性好的材料。過渡疲勞壽命是評定材料疲勞行過渡疲勞壽命是評定材料疲勞行為的一項重要性能指標。與材料為的一項重要性能指標。與材料強度密切相關強度密切相關在硬度很高時，過渡疲勞壽命在硬度很高時，過渡疲勞壽命很低，可達幾十至幾百周次，很低，可達幾十至幾百周次， 這這意味著對于高強度狀態的材料，意味

46、著對于高強度狀態的材料，即使壽命并不很長，即使壽命并不很長， 也已具有高也已具有高周疲勞的性質。周疲勞的性質。對低硬度高塑性材料，過渡疲對低硬度高塑性材料，過渡疲勞壽命可達勞壽命可達104105周次，對于周次，對于多數調質狀態的鋼材就是這種情多數調質狀態的鋼材就是這種情況，則只有壽命足夠長，況，則只有壽命足夠長， 高于高于相應的過渡疲勞壽命時，才屬于相應的過渡疲勞壽命時，才屬于高周疲勞。高周疲勞。區分高周或低周疲勞的意義區分高周或低周疲勞的意義,在在于尋找合理的提高疲勞抗力的于尋找合理的提高疲勞抗力的途徑途徑6影響疲勞強度的主要因素影響疲勞強度的主要因素第五章第五章 金屬的疲勞金屬的疲勞一、加

47、載規范及環境的影響一、加載規范及環境的影響1. 載荷頻率載荷頻率1001000Hz 1f150170Hz基本不變基本不變1 f40： 1%CHRC銀紋引發銀紋引發銀紋銀紋裂紋裂紋擴展擴展斷裂斷裂疲疲勞壽命短，斷面呈鏡面勞壽命短，斷面呈鏡面區：中應力區區：中應力區a1/2-1/4 s 或或b 呈線性下降。呈線性下降。引發銀紋引發銀紋裂紋裂紋擴展擴展速度速度區區: 低應力區低應力區a難以引發銀紋，難以引發銀紋，在交變應力下，聚合物損傷積在交變應力下，聚合物損傷積累及微觀結構變化產生了微孔累及微觀結構變化產生了微孔洞和微裂紋。洞和微裂紋。S-N曲線接近于曲線接近于水平狀態。水平狀態。聚合物的疲勞強度

48、聚合物的疲勞強度-1隨分子量隨分子量的增大而提高，但隨結晶度的的增大而提高，但隨結晶度的增大而降低。增大而降低。11123b7 聚合物的疲勞聚合物的疲勞對低應力下易產生銀紋的結晶態對低應力下易產生銀紋的結晶態聚合物的疲勞過程，會出現以下現聚合物的疲勞過程，會出現以下現象：象：1) 常發生疲勞應變軟化，而不出現常發生疲勞應變軟化，而不出現應變硬化。應變硬化。2) 分子鏈間剪切滑移，分子鏈斷裂，分子鏈間剪切滑移，分子鏈斷裂，晶體精細結構發生變化。晶體精細結構發生變化。3) 產生顯微孔洞產生顯微孔洞4) 微孔洞復合成微裂紋，微裂紋擴微孔洞復合成微裂紋，微裂紋擴展成宏觀裂紋。展成宏觀裂紋。一般剛性聚合

49、物的一般剛性聚合物的S-N曲線并不出曲線并不出現三個階段現三個階段二、聚合物的疲勞裂紋擴展二、聚合物的疲勞裂紋擴展1.疲勞過程：疲勞過程：疲勞應力引發銀紋疲勞應力引發銀紋裂紋裂紋擴展擴展斷裂斷裂特點：雖符合特點：雖符合Paris方程，但方程，但只出現只出現 一個階段（第二階段）一個階段（第二階段）nKCdNda7 聚合物的疲勞聚合物的疲勞2.斷口：斷口：1）疲勞輝紋；）疲勞輝紋；2）斑紋；疲勞裂紋不是連續的，）斑紋；疲勞裂紋不是連續的，而是呈跳躍式發展。而是呈跳躍式發展。第五章第五章 金屬的疲勞金屬的疲勞8 陶瓷材料的疲勞陶瓷材料的疲勞與金屬材料疲勞（在長期交變與金屬材料疲勞（在長期交變應力下

50、，耐用應力下降及破壞應力下，耐用應力下降及破壞行為行為 ）相比）相比,陶瓷疲勞含義更廣陶瓷疲勞含義更廣: 靜態疲勞：靜態疲勞： 一定載荷作用下，一定載荷作用下，耐用應力下降；耐用應力下降； 動態疲勞：動態疲勞：恒定載荷速率加載，恒定載荷速率加載，研究材料失效斷裂對加載速率的研究材料失效斷裂對加載速率的敏感。敏感。循環疲勞：循環疲勞： 同金屬疲勞；同金屬疲勞；一、靜疲勞一、靜疲勞通常用裂紋頂端的應力強度因子通常用裂紋頂端的應力強度因子KI 和裂紋擴展速率和裂紋擴展速率V 的關系曲線的關系曲線表示。表示。1）在區域）在區域I，裂紋開始擴展，在，裂紋開始擴展，在此領域裂紋尖端的水蒸汽引起此領域裂紋尖

51、端的水蒸汽引起Si-O結合，這種應力腐蝕速度控制結合，這種應力腐蝕速度控制了裂紋擴展速度了裂紋擴展速度V。裂紋擴展速度和應力強度因子裂紋擴展速度和應力強度因子KI的關系可用下式表示：的關系可用下式表示：nVAK8 陶瓷材料的疲勞陶瓷材料的疲勞2）在區域）在區域，裂紋尖端水分的，裂紋尖端水分的擴散速度跟上了應力腐蝕速度，擴散速度跟上了應力腐蝕速度，擴散速度控制了裂紋擴展速度，擴散速度控制了裂紋擴展速度，所以裂紋擴展速度變成了與所以裂紋擴展速度變成了與KI無無關的恒定值。關的恒定值。3）在區域）在區域，腐蝕反應時由于，腐蝕反應時由于材料內部缺陷等原因，使裂紋快材料內部缺陷等原因，使裂紋快速擴展，最后當裂紋尖端應力強速擴展，最后當裂紋尖端應力強度因子度因子 KI達到