第五章材料力学性能.ppt

第五章第五章 金属的疲劳金属的疲劳1第五章第五章 金属的疲劳金属的疲劳 很多零件、部件在变动载荷下工很多零件、部件在变动载荷下工作，其主要失效形式是疲劳断裂。作，其主要失效形式是疲劳断裂。零件零件80以上的失效属于疲劳破坏以上的失效属于疲劳破坏案例案例1：1998年年6月月3日，德国一列高日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成速列车在行驶中突然出轨，造成100多人遇难身亡，多人遇难身亡，造成事故的原因是造成事故的原因是一节车箱的车轮内部疲劳断裂。一节车箱的车轮内部疲劳断裂。从从而导致了近而导致了近50年来德国最惨重的铁年来德国最惨重的铁路事故的发生。路事故的发生。案例案例2：中华航空公司编号中华航空公司编号B-18255，波音，波音747-200型客机，型客机，2002年年5月月25日下午日下午3时时28分，从台北中正机场分，从台北中正机场起飞，在起飞后起飞，在起飞后20分钟，坠海失事。分钟，坠海失事。机上乘客人数机上乘客人数203人人。这架飞机总飞行时间：这架飞机总飞行时间：64,810小时。小时。案例案例3：导致哥伦比亚航天飞导致哥伦比亚航天飞机机2003年年2月月1日返回途中爆炸日返回途中爆炸解体的解体的5个原因：个原因：2第五章第五章 金属的疲劳金属的疲劳阻热片脱落阻热片脱落升降翼失去控制升降翼失去控制机体金属疲劳导致解体机体金属疲劳导致解体电缆短路发生火灾电缆短路发生火灾被陨石击中被陨石击中3金属疲劳现象及特点疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值疲劳过程及机理影响疲劳强度的主要因素低周疲劳第五章第五章 金属的疲劳金属的疲劳41金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点一、变动载荷和循环应力二、疲劳现象及特点三、疲劳宏观断口特征第五章第五章 金属的疲劳金属的疲劳51金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点工程结构在服役过程中，由于工程结构在服役过程中，由于承受变动载荷而导致裂纹萌生和承受变动载荷而导致裂纹萌生和扩展以至断裂失效的全过程称为扩展以至断裂失效的全过程称为疲劳。疲劳。疲劳断裂可以在很低的应力下疲劳断裂可以在很低的应力下发生，一般不发生明显的塑性变发生，一般不发生明显的塑性变形，难以检测和预防，因而机件形，难以检测和预防，因而机件的疲劳断裂会造成很大的经济以的疲劳断裂会造成很大的经济以至生至生 命的损失。命的损失。研究疲劳主要是研究材料在变研究疲劳主要是研究材料在变动载荷作用下的力学响应、裂纹动载荷作用下的力学响应、裂纹萌生和扩展特性。萌生和扩展特性。对于评定工程材料的疲劳抗力，对于评定工程材料的疲劳抗力，进而为工程结构部件的抗疲劳设进而为工程结构部件的抗疲劳设计、评估构件的疲劳寿命以及寻计、评估构件的疲劳寿命以及寻求改善工程材料的疲劳抗力的途求改善工程材料的疲劳抗力的途径等都是非常重要的。径等都是非常重要的。一、变动载荷和循环应力一、变动载荷和循环应力1.变动载荷（应力）变动载荷（应力）指大小或大小和方向随时间按指大小或大小和方向随时间按一定规律呈周期性变化或无规一定规律呈周期性变化或无规则随机变化的载荷（应力）。则随机变化的载荷（应力）。变动载荷变动载荷(应力应力)的种类的种类:61金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点规则周期变动应力（循环应力）规则周期变动应力（循环应力）无规则变化的随机变动应力无规则变化的随机变动应力71金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点2.循环应力循环应力1）基本参量）基本参量2)常见的循环应力常见的循环应力a.对称交变应力对称交变应力轴类轴类b.脉动应力脉动应力齿根弯曲齿根弯曲c.波动应力波动应力轴承轴承发动机盖螺栓发动机盖螺栓d.不对称交变应力不对称交变应力连杆连杆81金属疲劳现象及特点金属疲劳现象及特点二、疲劳现象及特点二、疲劳现象及特点疲劳机件在变动载荷和应变长疲劳机件在变动载荷和应变长期作用下，由于积累损伤而引起期作用下，由于积累损伤而引起的断裂现象。的断裂现象。1.分类分类按载荷类型分：按载荷类型分：弯曲、扭转、拉压、复合疲劳等。弯曲、扭转、拉压、复合疲劳等。按环境和接触情况分按环境和接触情况分:大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳、冲击疲劳等。热疲劳、接触疲劳、冲击疲劳等。按应力大小和寿命分按应力大小和寿命分:高周疲劳高周疲劳低周疲劳低周疲劳n高周疲劳特点：高周疲劳特点：断裂寿命较长，断裂寿命较长，Nf105周次，断裂应力水平较低，周次，断裂应力水平较低，r2r1(=-1)随随平均应力的增高，循环不对称程平均应力的增高，循环不对称程度加大，交变应力幅占循环度加大，交变应力幅占循环 应力的应力的分数越来越小，造成的损伤也越来分数越来越小，造成的损伤也越来越小，越小，使曲线向上移动，使曲线向上移动，疲劳抗力疲劳抗力增加。增加。在极限情况下，在极限情况下，m=max，r=0相当于偏位伸。相当于偏位伸。b）a相同相同r3r2(=0)r1(=-1)27循环应力特性对循环应力特性对S-N曲线的影响曲线的影响随着平均应力升高，不对称程度越随着平均应力升高，不对称程度越来越严重，作用在等体积材料中的来越严重，作用在等体积材料中的应力水应力水 平越来越高，疲劳损伤加剧，平越来越高，疲劳损伤加剧，S-N曲线向下移动。曲线向下移动。疲劳抗力降低。疲劳抗力降低。2）应力状态的影响）应力状态的影响不同应力状态下的疲劳应力不同应力状态下的疲劳应力-寿命寿命曲线不同，相应的疲劳极限也不曲线不同，相应的疲劳极限也不相等。相等。通常剪切应力幅度的疲劳曲线通常剪切应力幅度的疲劳曲线 低于拉压应力幅的疲劳曲线。低于拉压应力幅的疲劳曲线。不同应力状态的疲劳极限间的不同应力状态的疲劳极限间的经验关系：经验关系：钢材的拉压疲劳与弯扭疲劳钢材的拉压疲劳与弯扭疲劳铸铁的拉压疲劳与弯扭疲劳铸铁的拉压疲劳与弯扭疲劳铸铁的扭转疲劳与弯扭疲劳铸铁的扭转疲劳与弯扭疲劳钢及轻金属的扭转疲劳与弯扭钢及轻金属的扭转疲劳与弯扭疲劳疲劳285.疲劳极限的估算疲劳极限的估算2 高周疲劳高周疲劳1)与与s、b的关系的关系金属材料的抗拉强度越大，其疲金属材料的抗拉强度越大，其疲劳极限也越大。劳极限也越大。对于中、低强度钢，疲劳极限与对于中、低强度钢，疲劳极限与抗拉强度间大体呈线性关系。抗拉强度间大体呈线性关系。b较低时，可近似写成较低时，可近似写成-1=0.5bb较高时，这种近线性关系较高时，这种近线性关系就会发生偏离，这是由于强度就会发生偏离，这是由于强度较高时，材料的塑性和断裂韧较高时，材料的塑性和断裂韧性下降，裂纹易于形成和扩展性下降，裂纹易于形成和扩展所致。所致。结构钢结构钢:铸铁：铸铁：铝合金：铝合金：292 高周疲劳高周疲劳青青 铜铜:-1=0.21b2)与与m、a、s、b的关系的关系6.表面几何因素对高周疲劳特性表面几何因素对高周疲劳特性的影响的影响缺口越尖锐，疲劳极限下降越多。缺口越尖锐，疲劳极限下降越多。为了在不同材料和不同工艺状态为了在不同材料和不同工艺状态下度量和比较缺口对材料疲劳强下度量和比较缺口对材料疲劳强度的影度的影 响，通常引用疲劳应力集响，通常引用疲劳应力集中系数（疲劳缺口系数）中系数（疲劳缺口系数）与与Kt不同，不同，Kf不仅与缺口尖锐度不仅与缺口尖锐度有关，而且与材料的疲劳特性有有关，而且与材料的疲劳特性有关。关。疲劳缺口敏感因子（度）：疲劳缺口敏感因子（度）：试图试图消除缺口几何因素的影响消除缺口几何因素的影响q f=0，Kf=1，疲劳极限不因缺，疲劳极限不因缺口存在而降低，即对缺口不敏感口存在而降低，即对缺口不敏感302 高周疲劳高周疲劳qf=1，Kf=Kt，即表示对缺口，即表示对缺口敏感。敏感。q f=01，即，即Kf 一般小于一般小于Kt 实验表明，实验表明，qf 值随材料强度的升值随材料强度的升高而增大高而增大qf值能反映在疲劳过程中材料值能反映在疲劳过程中材料发生应力重新分布，降低应力集发生应力重新分布，降低应力集中的能力。中的能力。312 高周疲劳高周疲劳二、过载持久值及过载损伤界二、过载持久值及过载损伤界1.应力变动和累积损伤应力变动和累积损伤由于实际的构件多是承受在一定范由于实际的构件多是承受在一定范围内变动的载荷，随着循环周次的围内变动的载荷，随着循环周次的增加，材质劣化，材料内部发生损增加，材质劣化，材料内部发生损伤；当损伤积累到某伤；当损伤积累到某 一数值时，材一数值时，材料固有的寿命或塑性耗尽，便导致料固有的寿命或塑性耗尽，便导致材料的破坏。材料的破坏。设试件在循环应力设试件在循环应力1下的疲劳下的疲劳寿命为寿命为Nf1，若在该应力幅下循，若在该应力幅下循环环1次，则劳寿命缩减的分数次，则劳寿命缩减的分数为为1Nf1，即造成的损伤度为，即造成的损伤度为D1，D1=1/Nf1;若循环若循环n1 次次,则造成的损伤度为则造成的损伤度为n1 D1=n1/Nf1当总损伤度达到临界值时，发当总损伤度达到临界值时，发生疲劳失效。显然，在恒幅载生疲劳失效。显然，在恒幅载荷下，损伤度的临界值为荷下，损伤度的临界值为1.0。在理论疲劳极限以下，由于在理论疲劳极限以下，由于Nf，所以损伤度为零，即，所以损伤度为零，即不造成损伤。不造成损伤。322 高周疲劳高周疲劳2.过载持久值及过载损伤界过载持久值及过载损伤界金属机件偶然经受短期过载，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视材料所受过载应力及相应的累计过载周次而定。计过载周次而定。1）过载持久值：过载持久值：材料在高于疲劳极限应力下运行材料在高于疲劳极限应力下运行时时,发生疲劳断裂的应力循环周发生疲劳断裂的应力循环周次。次。表征材料抵抗过载的能力。表征材料抵抗过载的能力。2）耐久极限：疲劳曲线倾斜部位）耐久极限：疲劳曲线倾斜部位任一点对应的应力任一点对应的应力3）过载损伤界过载损伤界金属在高于其疲劳极限的任一金属在高于其疲劳极限的任一应力作用下运转，使疲劳极限应力作用下运转，使疲劳极限开始降低的运行周次开始降低的运行周次4）过载损伤区）过载损伤区332 高周疲劳高周疲劳机件过载运转到这个区域里，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。限，在持久值附近，降低的越多。材料的过载损伤界（或过载持材料的过载损伤界（或过载持久值）越陡直，损伤区越窄，则久值）越陡直，损伤区越窄，则其抵抗疲劳过载的能力越强。其抵抗疲劳过载的能力越强。过载损伤的机理过载损伤的机理材料内部存在裂纹，材料内部存在裂纹，Kth 时，时，da/dN 0，裂纹开始扩展。裂纹开始扩展。Kth 约为约为KIC的的5%10%。实验中裂纹扩展门槛值常定义实验中裂纹扩展门槛值常定义为：为：da/dN2.510-10 m/cycle 时的时的K值。值。断口：解理花样，由断裂小面组断口：解理花样，由断裂小面组成。成。2）II区为中部区或稳态扩展区，区为中部区或稳态扩展区，是裂纹扩展的主要阶段，决定了是裂纹扩展的主要阶段，决定了疲劳寿命的主要部分。疲劳寿命的主要部分。裂纹扩展速率在裂纹扩展速率在lgda/dN lgK 双对数坐标上呈一直线关系。双对数坐标上呈一直线关系。Paris经验方程经验方程C、n为与材料和环境有关的常数为与材料和环境有关的常数II区的裂纹扩展速率区的裂纹扩展速率10-810-6 m/cycle断口：断口：疲劳条纹疲劳条纹。373疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值3)III区为裂纹快速扩展区，区为裂纹快速扩展区，da/dN 10-6 10-5 m/cycle,并并随着随着K的增大而迅速升高。的增大而迅速升高。断口断口:静载断裂机制。静载断裂机制。Kth与与-1 的关系的关系两者相似，都表示无限寿命两者相似，都表示无限寿命-1为光滑试样，为光滑试样，Kth 有缺口、有缺口、裂纹试样裂纹试样 Kth的应用的应用无限寿命承载能力无限寿命承载能力允许裂纹尺寸允许裂纹尺寸三、疲劳裂纹扩展的影响因素三、疲劳裂纹扩展的影响因素1)平均应力平均应力压缩载荷下，裂纹是闭合的，对压缩载荷下，裂纹是闭合的，对裂纹扩展无贡献。裂纹扩展无贡献。平均拉应力（应力比平均拉应力（应力比r）升高，扩）升高，扩展曲线向左上方移动，展曲线向左上方移动，Kth 降降低，疲劳抗力降低低，疲劳抗力降低为为 时的疲劳门槛值时的疲劳门槛值383疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值引入残余压应力降低平均应引入残余压应力降低平均应力如表面喷丸、滚压、淬火处力如表面喷丸、滚压、淬火处理等，可以提高材料的疲劳抗理等，可以提高材料的疲劳抗力。力。2）过载峰及裂纹塑性区的影响过载峰及裂纹塑性区的影响实际机件在工作时很难一直是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。恒定载荷，往往会有偶然过载。偶然过载进入过载损伤区内，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，反而是命，但是如果过载适当，反而是有益的。有益的。实验表明：在恒载裂纹疲劳扩实验表明：在恒载裂纹疲劳扩展中间，适当的过载峰会使裂纹展中间，适当的过载峰会使裂纹扩展减慢或停滞一段时间，发生扩展减慢或停滞一段时间，发生裂纹扩展过载停滞现象，并延长裂纹扩展过载停滞现象，并延长疲劳寿命。疲劳寿命。393疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值机理：机理：在应力循环正半周时，过载拉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，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因阻止周围弹性变形恢复而产生残余压应力；残余压应力；压应力迭加于裂纹上，降低拉压应力迭加于裂纹上，降低拉应力峰，使裂纹提前闭合，减应力峰，使裂纹提前闭合，减少裂纹尖端的少裂纹尖端的K，从而降低，从而降低da/dN，这种影响一般称为，这种影响一般称为裂纹裂纹闭合效应闭合效应。当裂纹超过塑性区后，压应力当裂纹超过塑性区后，压应力消失，裂纹正常扩展。消失，裂纹正常扩展。3）材料的组织和性能）材料的组织和性能在材料裂纹扩展过程中，材料在材料裂纹扩展过程中，材料组织对组织对I、III区的区的da/dN影响比影响比较明显，而对较明显，而对II区的区的da/dN影响影响不明显不明显403疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值a.晶粒尺寸晶粒尺寸晶粒越大，晶粒越大，Kth 越大、裂纹开越大、裂纹开始扩展困难，但会使裂纹扩展速始扩展困难，但会使裂纹扩展速度增大。度增大。b.亚共析钢：亚共析钢：c.淬火组织：淬火组织：Kth：M/B/A=1/4/7。d.回火组织：回火组织：Kth：STMe.性能：性能：41第五章第五章 金属的疲劳金属的疲劳4疲劳过程及机理疲劳过程及机理疲劳过程包括疲劳裂纹萌生、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裂纹亚稳扩展及最后失稳扩展三个阶段，其疲劳寿命三个阶段，其疲劳寿命Nf由疲由疲劳裂纹萌生期劳裂纹萌生期N0和裂纹亚稳扩和裂纹亚稳扩展期展期Np所组成。所组成。了解疲劳各阶段的物理过程，了解疲劳各阶段的物理过程，对认识疲劳本质、分析疲劳原对认识疲劳本质、分析疲劳原因，采取强韧化措施，延长疲因，采取强韧化措施，延长疲劳寿命都是很有意义的。劳寿命都是很有意义的。一、疲劳裂纹萌生过程及机理一、疲劳裂纹萌生过程及机理宏观疲劳裂纹是由微观裂纹的宏观疲劳裂纹是由微观裂纹的形成、长大及连接而形成的。形成、长大及连接而形成的。常将常将0.050.10mm的裂纹定义为疲的裂纹定义为疲劳裂纹核，由此来确定疲劳裂纹劳裂纹核，由此来确定疲劳裂纹的萌生期。的萌生期。1)滑移带开裂产生裂纹滑移带开裂产生裂纹试验表明：金属在循环应力试验表明：金属在循环应力（-1）长期作用下，即使其应）长期作用下，即使其应力低于屈服应力，也会发生循环力低于屈服应力，也会发生循环位移并形成位移并形成循环滑移带循环滑移带。与静载荷时均匀滑移带相比，与静载荷时均匀滑移带相比，循环滑移循环滑移不均匀，总是集中分布不均匀，总是集中分布于某些局部薄弱区域于某些局部薄弱区域。424疲劳过程及机理疲劳过程及机理用电解抛光方法很难将已产生用电解抛光方法很难将已产生的表面循环滑移带去除，即使能的表面循环滑移带去除，即使能去除，去除，当对试样重新循环加载时，当对试样重新循环加载时，则循环滑移带又在原处出现，这则循环滑移带又在原处出现，这种种永留或再现的循环滑移带称为永留或再现的循环滑移带称为驻留滑移带驻留滑移带。阿姆柯铁在旋转弯曲疲劳时产生的滑移带随着加载循环周次的增加，循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定程度时，由于位错的塞积和交割作用，便在割作用，便在驻留滑移带形成微驻留滑移带形成微裂纹裂纹。2024-T4铝合金滑移带裂纹奥氏体不锈钢滑移带开裂形成的裂纹434疲劳过程及机理疲劳过程及机理驻留滑移带在加宽过程中，还驻留滑移带在加宽过程中，还会出现会出现挤出脊和侵入沟挤出脊和侵入沟，于是产，于是产生应力集中和空洞，经过一定循生应力集中和空洞，经过一定循环后也会产生微裂纹。环后也会产生微裂纹。当两个滑移系交替动作时，在当两个滑移系交替动作时，在一个循环周次之后，便可分别一个循环周次之后，便可分别形成一个挤出带和一个侵入沟。形成一个挤出带和一个侵入沟。随着循环周次增加，挤出带更随着循环周次增加，挤出带更凸起，侵入沟更凹进。通常认凸起，侵入沟更凹进。通常认为其中的浸入沟将发展成为疲为其中的浸入沟将发展成为疲劳裂纹的核心。劳裂纹的核心。Al-Cu4-Mg1.2-Mn0.3合金表面挤出脊纯铝疲劳试样横截面444疲劳过程及机理疲劳过程及机理一般驻留滑移带只在表面形成，一般驻留滑移带只在表面形成，其其机理机理：表面晶粒受周围介质作用表面晶粒受周围介质作用表面晶粒易受损伤表面晶粒易受损伤表面晶粒不完全被其它晶粒包表面晶粒不完全被其它晶粒包围，塑性变形约束小围，塑性变形约束小弯曲、扭转载荷作用在表面应弯曲、扭转载荷作用在表面应力最大力最大驻留滑移带只在局部出现，而不驻留滑移带只在局部出现，而不象拉伸屈服后在表面均匀分布，象拉伸屈服后在表面均匀分布，其其原因原因：第一阶段在金属表面均布的细第一阶段在金属表面均布的细滑移线，滑移线，F-R开动，位错密度增开动，位错密度增长受阻，产生位错塞积，使位错长受阻，产生位错塞积，使位错源停止，从而滑移线不再发展，源停止，从而滑移线不再发展，表面硬化；表面硬化；在交变载荷作用下，两条滑移在交变载荷作用下，两条滑移线上螺旋位错产生交滑移，异号线上螺旋位错产生交滑移，异号螺旋位错在滑移面相遇消失，则螺旋位错在滑移面相遇消失，则这些面上的位错源开动，滑移线这些面上的位错源开动，滑移线增长，滑移带变宽，该区域较其增长，滑移带变宽，该区域较其它区域不发生交滑移的位错源更它区域不发生交滑移的位错源更易于开动，滑移集中于滑移带内，易于开动，滑移集中于滑移带内，而滑移带比基体弱，宏观上而滑移带比基体弱，宏观上不显示加工硬化不显示加工硬化454疲劳过程及机理疲劳过程及机理实验证实，实验证实，疲劳裂纹的形成和疲劳裂纹的形成和位错交滑移的难易程度有关位错交滑移的难易程度有关。容。容易交滑移的单相合金，容易形成易交滑移的单相合金，容易形成疲劳裂纹。疲劳裂纹。因此因此提高材料的滑移提高材料的滑移抗力，可阻止裂纹的萌生，增强抗力，可阻止裂纹的萌生，增强 材料的疲劳抗力。材料的疲劳抗力。2）相界面开裂产生裂纹）相界面开裂产生裂纹第二相阻碍位错运动，使位错塞第二相阻碍位错运动，使位错塞 积积,从而产生应力集中，进而第从而产生应力集中，进而第二相与基体脱离或破碎，产生裂二相与基体脱离或破碎，产生裂纹。纹。464疲劳过程及机理疲劳过程及机理第二相、夹杂物应第二相、夹杂物应“少、圆、少、圆、小、匀小、匀”，以提高疲劳抗力，以提高疲劳抗力3）晶界、亚晶界开裂产生裂纹）晶界、亚晶界开裂产生裂纹多晶材料由于晶多晶材料由于晶界的存在和相邻界的存在和相邻晶粒的不同取向晶粒的不同取向位错在某一晶粒内部运动时会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处发生位错塞积和应力集中现象。象。应力不断循环，晶界处的应力集应力不断循环，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越高，当超过晶界强度时就会在晶界上产生裂纹。晶界上产生裂纹。晶界弱化、粗化等也会使晶界晶界弱化、粗化等也会使晶界开裂。强化、净化、细化晶界，开裂。强化、净化、细化晶界，可提高材料的疲劳抗力。可提高材料的疲劳抗力。4）材料内部的缺陷如气孔、夹杂、）材料内部的缺陷如气孔、夹杂、分层、各向异性、相变或晶粒不分层、各向异性、相变或晶粒不均匀等，都会因局部的应力集中均匀等，都会因局部的应力集中而引而引 发裂纹。发裂纹。474疲劳过程及机理疲劳过程及机理二、疲劳裂纹扩展及断口微观特征二、疲劳裂纹扩展及断口微观特征1.疲劳裂纹扩展，按扩展方向可分疲劳裂纹扩展，按扩展方向可分为两个阶段：为两个阶段：第一阶段：从表面个别侵入沟（或第一阶段：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，以纯剪切方主要沿主滑移系方向，以纯剪切方式式沿沿45向内扩展。向内扩展。由于晶界的不断阻碍作用，裂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纹扩展逐渐转向垂直拉应力方向。向。第第I阶段裂纹扩展速率较小阶段裂纹扩展速率较小(0.1m数量级），扩展的距离数量级），扩展的距离一般都很小，约为一般都很小，约为25个晶粒。个晶粒。断口上无明显的特征，只有一断口上无明显的特征，只有一些擦伤的痕迹。在一些强化材些擦伤的痕迹。在一些强化材料中料中,有时存在周期性解理或者有时存在周期性解理或者准解理花样准解理花样第二阶段：第二阶段：裂纹裂纹拉应力拉应力在室温和无腐蚀的条件下疲劳在室温和无腐蚀的条件下疲劳裂纹扩展为穿晶状态。裂纹扩展为穿晶状态。48二、疲劳裂纹扩展及断口微观特征二、疲劳裂纹扩展及断口微观特征此阶段的大部分循环周期内，裂此阶段的大部分循环周期内，裂纹扩展速率约为纹扩展速率约为10-510-2mm/次次在电子显微镜下可显示出：在电子显微镜下可显示出：第二第二阶段的断口特征是具有略呈弯曲阶段的断口特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样，称为疲并相互平行的沟槽花样，称为疲劳条带（条纹、辉纹）劳条带（条纹、辉纹）扩展最后，进入平面应力状态，扩展最后，进入平面应力状态，裂纹沿裂纹沿45扩展。扩展。瞬断区的特征与材料的性质有关瞬断区的特征与材料的性质有关塑性材料塑性材料脆性材料脆性材料49二、疲劳裂纹扩展及断口微观特征二、疲劳裂纹扩展及断口微观特征2.疲劳条纹的形成过程疲劳条纹的形成过程a.塑性疲劳条带塑性疲劳条带a)应力应力=0，裂纹闭合，裂纹闭合b)拉应力增加到图示值时，裂纹张开，拉应力增加到图示值时，裂纹张开，且顶端沿最大切应力方向产生滑移且顶端沿最大切应力方向产生滑移c)当应力继续增至最大值时，裂纹张开当应力继续增至最大值时，裂纹张开最大，相应的塑性变形范围也随之扩大。最大，相应的塑性变形范围也随之扩大。由于塑性变形，裂纹顶端钝化，由于塑性变形，裂纹顶端钝化，应力集应力集中减少。中减少。d)压应力，反向滑移，裂纹压近，尖端耳压应力，反向滑移，裂纹压近，尖端耳状切口。状切口。e)到压应力为最大值时，裂纹便完全闭到压应力为最大值时，裂纹便完全闭合，尖端尖角。裂纹却扩展了一个相当裂纹扩展速率数值的增量合，尖端尖角。裂纹却扩展了一个相当裂纹扩展速率数值的增量（主要是拉应力半周）。（主要是拉应力半周）。50二、疲劳裂纹扩展及断口微观特征二、疲劳裂纹扩展及断口微观特征51二、疲劳裂纹扩展及断口微观特征二、疲劳裂纹扩展及断口微观特征SEM下疲劳过程中裂纹的下疲劳过程中裂纹的生长生长52二、疲劳裂纹扩展及断口微观特征二、疲劳裂纹扩展及断口微观特征光镜下疲劳过程中裂纹的生长光镜下疲劳过程中裂纹的生长bcdeaa 96000循环 60m；b 96300循环 235m；c 96400循环 240m d 96800循环 380m；e 97400循环 570m；53二、疲劳裂纹扩展及断口微观特征二、疲劳裂纹扩展及断口微观特征疲劳条带是裂纹扩展时留下的疲劳条带是裂纹扩展时留下的微观痕迹，每条带可以视为微观痕迹，每条带可以视为应力应力循环循环的扩展痕迹，裂纹的扩展方的扩展痕迹，裂纹的扩展方向与条带垂直。向与条带垂直。b.脆性条带脆性条带a)a)初始状态初始状态b)b)前端解理扩展前端解理扩展c)c)切应力作用下切应力作用下4545方向很宽范围内方向很宽范围内局部塑性变形局部塑性变形d)d)钝化，停止钝化，停止e)闭合闭合54所以解理台阶和疲劳条带结合在一起，断口上有细小所以解理台阶和疲劳条带结合在一起，断口上有细小解理平面，其与扩展方向一致，与裂纹垂直，有河流解理平面，其与扩展方向一致，与裂纹垂直，有河流状花样。状花样。二、疲劳裂纹扩展及断口微观特征二、疲劳裂纹扩展及断口微观特征55第五章第五章 金属的疲劳金属的疲劳5 低周疲劳低周疲劳一、低周疲的现象和特点一、低周疲的现象和特点飞机起落架、燃气涡轮发动机、飞机起落架、燃气涡轮发动机、高压容器、核反应堆外壳等，高压容器、核反应堆外壳等，所受应力水平较高，疲劳寿命所受应力水平较高，疲劳寿命较短。较短。低周疲劳是在较高应力（往往低周疲劳是在较高应力（往往超过材料的屈服强度超过材料的屈服强度s）和较少）和较少循环次数（循环次数（102105 次）的疲劳次）的疲劳断裂。断裂。1.现象现象对储罐，若按每天充对储罐，若按每天充 放料一放料一次，在次，在50年内才经受年内才经受18000多次多次载荷循环。载荷循环。如带缺口，圆孔、拐角等的构件，如带缺口，圆孔、拐角等的构件，当其受到周期载荷时，当其受到周期载荷时，虽然整体虽然整体上尚处在弹性变形范围，但在应上尚处在弹性变形范围，但在应力集中部位的材料已力集中部位的材料已 进入塑性变进入塑性变形状态，此时也是由循环塑性应形状态，此时也是由循环塑性应变控制的低周疲劳。变控制的低周疲劳。2.低周疲劳破坏的特点低周疲劳破坏的特点1）应力高，有宏观塑性变形，反）应力高，有宏观塑性变形，反复加载，经若干次复加载，经若干次(通常不超过通常不超过100周次周次)应力循环后，会形成应力应力循环后，会形成应力应变滞后环（滞后回线）。应变滞后环（滞后回线）。其应变幅分为两部分：其应变幅分为两部分：565 低周疲劳低周疲劳在加载初期，类似于包申格在加载初期，类似于包申格效应，材料因载荷循环而出现效应，材料因载荷循环而出现循环硬化或循环软化，所以初循环硬化或循环软化，所以初期的滞后环并不封闭。期的滞后环并不封闭。滞后环内的面积代表材料所滞后环内的面积代表材料所吸收的变形功，其中一部分以吸收的变形功，其中一部分以塑性变形能的形式储存在材料塑性变形能的形式储存在材料中，或用以改变材料中结构中，或用以改变材料中结构 的的排列；排列；剩下的部分则以热的形式向周围剩下的部分则以热的形式向周围环境散逸。环境散逸。2）由于塑性变形量大，疲劳寿）由于塑性变形量大，疲劳寿命命N由应变幅度控制，不能利用由应变幅度控制，不能利用-N描述疲劳抗力，故常用描述疲劳抗力，故常用P-Nf的关系曲线描述。的关系曲线描述。3）扩展过程中有几个裂纹源，）扩展过程中有几个裂纹源，应力高，形核时间短；疲劳条带应力高，形核时间短；疲劳条带粗、宽且不连续。粗、宽且不连续。575 低周疲劳低周疲劳3.循环硬化与循环软化循环硬化与循环软化1)现象现象材料在恒定应变（应力）范围循材料在恒定应变（应力）范围循环作用下，随着循环周次的增加，环作用下，随着循环周次的增加，其应力（应变）不断增加，称为其应力（应变）不断增加，称为循环硬化循环硬化；如果在循环过程中，应力（应变）如果在循环过程中，应力（应变）逐渐减小，则为逐渐减小，则为循环软化循环软化。发生循环硬化或软化的判据：发生循环硬化或软化的判据：1）b/s 1.4时，发生硬化；时，发生硬化；2）b/s 1.2时，发生软化；时，发生软化；3）1.2 b/s 1.4时，则难以时，则难以判断。判断。n0.1,硬化、稳定硬化、稳定即初始硬而强的材料发生软化，即初始硬而强的材料发生软化，如晶态或非晶态高聚物等。反如晶态或非晶态高聚物等。反之，则发生硬化。之，则发生硬化。恒应力下的循环软化与恒应恒应力下的循环软化与恒应变下的循环硬化，特别危险！变下的循环硬化，特别危险！585 低周疲劳低周疲劳二、低周疲劳的应变二、低周疲劳的应变-寿命曲线寿命曲线低周疲劳的应变低周疲劳的应变-寿命曲线寿命曲线(Nf)，通常用总应变半幅（，通常用总应变半幅（/2）和）和循环变向次数循环变向次数(2Nf)表示；表示；应变半幅应变半幅(/2)可分解为弹性应可分解为弹性应变半幅变半幅(e/2)和塑性应变半幅和塑性应变半幅(p/2)。e/22Nf的关系的关系 为为2Nf=1时，直线的截距，称时，直线的截距，称为为疲劳强度系数疲劳强度系数，由于，由于2Nf=1相相当于一次加载，所以可粗略地取当于一次加载，所以可粗略地取 （静拉伸的断裂应力）；（静拉伸的断裂应力）；b为直线的斜率，称为为直线的斜率，称为疲劳强度疲劳强度指数指数,b-0.07-0.15p/22Nf的关系的关系 为为2Nf=1时直线的截距，称时直线的截距，称为为疲劳塑性系数疲劳塑性系数，同理，也可，同理，也可取取 (静拉伸的断裂应变静拉伸的断裂应变)；595 低周疲劳低周疲劳于是于是/22Nf关系成为关系成为:不同金属材料的不同金属材料的/2 2Nf曲线曲线有一个共同的交点，对应的应变有一个共同的交点，对应的应变值约为值约为0.01。在交点右侧，即低。在交点右侧，即低幅循环时，强度高的材料寿命长。幅循环时，强度高的材料寿命长。上式右边两项是两条直线，分别上式右边两项是两条直线，分别代表弹性应变幅代表弹性应变幅-寿命线和塑性应寿命线和塑性应变幅变幅-寿命线。寿命线。曲线曲线e/22Nf与与p/22Nf相相交，交点所对应的寿命称为交，交点所对应的寿命称为过渡过渡疲劳寿命疲劳寿命(2Nf)t在交点左侧的低周疲劳范围内，在交点左侧的低周疲劳范围内，塑性应变幅起主导作用，材料的塑性应变幅起主导作用，材料的疲劳寿命由塑性控制；疲劳寿命由塑性控制；在交点右侧的高周疲劳范围内，在交点右侧的高周疲劳范围内，弹性应变幅起主导作用，材料的弹性应变幅起主导作用，材料的疲劳寿命由强度决定。疲劳寿命由强度决定。605 低周疲劳低周疲劳于是于是/22Nf关系成为关系成为:所以选择机件材料和决定工艺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时，要区分机件的服役条件是哪一类疲劳，一类疲劳，如属高周疲劳，应主如属高周疲劳，应主要考虑材料强度，如属低周疲劳，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则应在保持一定强度基础上尽量选用塑性好的材料。选用塑性好的材料。过渡疲劳寿命是评定材料疲劳行过渡疲劳寿命是评定材料疲劳行为的一项重要性能指标。与材料为的一项重要性能指标。与材料强度密切相关强度密切相关在硬度很高时，过渡疲劳寿命在硬度很高时，过渡疲劳寿命很低，可达几十至几百周次，很低，可达几十至几百周次，这这意味着对于高强度状态的材料，意味着对于高强度状态的材料，即使寿命并不很长，即使寿命并不很长，也已具有高也已具有高周疲劳的性质。周疲劳的性质。对低硬度高塑性材料，过渡疲对低硬度高塑性材料，过渡疲劳寿命可达劳寿命可达104105周次，对于周次，对于多数调质状态的钢材就是这种情多数调质状态的钢材就是这种情况，则只有寿命足够长，况，则只有寿命足够长，高于高于相应的过渡疲劳寿命时，才属于相应的过渡疲劳寿命时，才属于高周疲劳。高周疲劳。区分高周或低周疲劳的意义区分高周或低周疲劳的意义,在在于寻找合理的提高疲劳抗力的于寻找合理的提高疲劳抗力的途径途径616影响疲劳强度的主要因素影响疲劳强度的主要因素第五章第五章 金属的疲劳金属的疲劳一、加载规范及环境的影响一、加载规范及环境的影响1.载荷频率载荷频率1001000Hz50170Hz基本不变基本不变 f40：HRC银纹引发银纹引发银纹银纹裂纹裂纹扩展扩展断裂断裂疲疲劳寿命短，断面呈镜面劳寿命短，断面呈镜面区：中应力区区：中应力区a1/2-1/4 s 或或b 呈线性下降。呈线性下降。引发银纹引发银纹裂纹裂纹扩展扩展速度速度区区:低应力区低应力区a难以引发银难以引发银纹，在交变应力下，聚合物损纹，在交变应力下，聚合物损伤积累及微观结构变化产生了伤积累及微观结构变化产生了微孔洞和微裂纹。微孔洞和微裂纹。S-N曲线接曲线接近于水平状态。近于水平状态。聚合物的疲劳强度聚合物的疲劳强度-1随分子量随分子量的增大而提高，但随结晶度的的增大而提高，但随结晶度的增大而降低。增大而降低。697 聚合物的疲劳聚合物的疲劳对低应力下易产生银纹的结晶态对低应力下易产生银纹的结晶态聚合物的疲劳过程，会出现以下现聚合物的疲劳过程，会出现以下现象：象：1)常发生疲劳应变软化，而不出现常发生疲劳应变软化，而不出现应变硬化。应变硬化。2)分子链间剪切滑移，分子链断裂，分子链间剪切滑移，分子链断裂，晶体精细结构发生变化。晶体精细结构发生变化。3)产生显微孔洞产生显微孔洞4)微孔洞复合成微裂纹，微裂纹扩微孔洞复合成微裂纹，微裂纹扩展成宏观裂纹。展成宏观裂纹。一般刚性聚合物的一般刚性聚合物的S-N曲线并不出曲线并不出现三个阶段现三个阶段二、聚合物的疲劳裂纹扩展二、聚合物的疲劳裂纹扩展1.疲劳过程：疲劳过程：疲劳应力引发银纹疲劳应力引发银纹裂纹裂纹扩展扩展断裂断裂特点：虽符合特点：虽符合Paris方程，但方程，但只出现只出现 一个阶段（第二阶段）一个阶段（第二阶段）707 聚合物的疲劳聚合物的疲劳2.断口：断口：1）疲劳辉纹；）疲劳辉纹；2）斑纹；疲劳裂纹不是连续的，）斑纹；疲劳裂纹不是连续的，而是呈跳跃式发展。而是呈跳跃式发展。71第五章第五章 金属的疲劳金属的疲劳8 陶瓷材料的疲劳陶瓷材料的疲劳与金属材料疲劳（在长期交变与金属材料疲劳（在长期交变应力下，耐用应力下降及破坏应力下，耐用应力下降及破坏行为行为）相比）相比,陶瓷疲劳含义更广陶瓷疲劳含义更广:静态疲劳：静态疲劳：一定载荷作用下，一定载荷作用下，耐用应力下降；耐用应力下降；动态疲劳：动态疲劳：恒定载荷速率加载，恒定载荷速率加载，研究材料失效断裂对加载速率的研究材料失效断裂对加载速率的敏感。敏感。循环疲劳：循环疲劳：同金属疲劳；同金属疲劳；一、静疲劳一、静疲劳通常用裂纹顶端的应力强度因子通常用裂纹顶端的应力强度因子KI 和裂纹扩展速率和裂纹扩展速率V 的关系曲线的关系曲线表示。表示。1）在区域）在区域I，裂纹开始扩展，在，裂纹开始扩展，在此领域裂纹尖端的水蒸汽引起此领域裂纹尖端的水蒸汽引起Si-O结合，这种应力腐蚀速度控制结合，这种应力腐蚀速度控制了裂纹扩展速度了裂纹扩展速度V。裂纹扩展速度和应力强度因子裂纹扩展速度和应力强度因子KI的关系可用下式表示：的关系可用下式表示：728 陶瓷材料的疲劳陶瓷材料的疲劳2）在区域）在区域，裂纹尖端水分的扩，裂纹尖端水分的扩散速度跟上了应力腐蚀速度，扩散速度跟上了应力腐蚀速度，扩散速度控制了裂纹扩展速度，所散速度控制了裂纹扩展速度，所以裂纹扩展速度变成了与以裂纹扩展速度变成了与KI无关无关的恒定值。的恒定值。3）在区域）在区域，腐蚀反应时由于，腐蚀反应时由于材料内部缺陷等原因，使裂纹快材料内部缺陷等原因，使裂纹快速扩展，最后当裂纹尖端应力强速扩展，最后当裂纹尖端应力强度因子度因子 KI达到材料断裂韧性达到材料断裂韧性KIC时，材料发生突然断裂。时，材料