第五章__材料的疲勞性能(1)

1、第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能 問題的提出：問題的提出： 1 1）許多工程結(jié)構(gòu)在服役時承受變動載荷）許多工程結(jié)構(gòu)在服役時承受變動載荷 （如曲軸、連桿、齒輪、橋梁等）（如曲軸、連桿、齒輪、橋梁等） 2 2）在機(jī)械零件斷裂失效中有）在機(jī)械零件斷裂失效中有8080以上屬于疲勞破壞以上屬于疲勞破壞 因此：研究材料的疲勞性能有重要意義因此：研究材料的疲勞性能有重要意義 5.1 5.1 疲勞破壞的一般規(guī)律疲勞破壞的一般規(guī)律 一：疲勞破壞的變動應(yīng)力一：疲勞破壞的變動應(yīng)力 變動應(yīng)力示意圖變動應(yīng)力示意圖 n名詞解釋名詞解釋 疲勞：疲勞： 工件在工件在變動載荷變動載荷和和應(yīng)變應(yīng)變長期作用下，因累積損長

2、期作用下，因累積損 傷而引起的斷裂現(xiàn)象傷而引起的斷裂現(xiàn)象 變動載荷（應(yīng)力）：變動載荷（應(yīng)力）： 載荷（應(yīng)力）大小，甚至方向隨時間變化的載載荷（應(yīng)力）大小，甚至方向隨時間變化的載 荷（應(yīng)力）荷（應(yīng)力） 可分為：可分為： 周期變動；隨機(jī)變動周期變動；隨機(jī)變動 波形：正弦波、三角波、梯形波波形：正弦波、三角波、梯形波 n描述參量描述參量 最大循環(huán)應(yīng)力（最?。┳畲笱h(huán)應(yīng)力（最小） max；min 平均應(yīng)力平均應(yīng)力 m= (max+min)/2 應(yīng)力幅應(yīng)力幅 a=/2 = (max-min)/2 應(yīng)力比應(yīng)力比 r =min/max （表征變動的不對稱程度） （表征變動的不對稱程度） 循環(huán)應(yīng)力類型循環(huán)應(yīng)力

3、類型 (a)(e(a)(e) ) 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (b)(c)(d(b)(c)(d) ) 重復(fù)循環(huán)應(yīng)力重復(fù)循環(huán)應(yīng)力 n循環(huán)應(yīng)力的類型循環(huán)應(yīng)力的類型 對稱循環(huán)對稱循環(huán) m= 0, r = -1 不對稱循環(huán)不對稱循環(huán) m 0, -1 r 1 脈動循環(huán)脈動循環(huán) m=a0, r = 0 m=a0, r =- 波動循環(huán)波動循環(huán) ma， 0 r 1 隨機(jī)變動應(yīng)力隨機(jī)變動應(yīng)力 二：疲勞破壞的概念二：疲勞破壞的概念 疲勞破壞的過程是材料內(nèi)部薄弱區(qū)域組織在變動應(yīng)力的疲勞破壞的過程是材料內(nèi)部薄弱區(qū)域組織在變動應(yīng)力的 作作 用下，逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開裂，當(dāng)裂紋擴(kuò)展達(dá)到一用下，逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開裂，當(dāng)

4、裂紋擴(kuò)展達(dá)到一 定程度后發(fā)生突然斷裂的過程，是一個從局部區(qū)域開始的損定程度后發(fā)生突然斷裂的過程，是一個從局部區(qū)域開始的損 傷累積，最終引起整體破壞的過程傷累積，最終引起整體破壞的過程 n延時斷裂，應(yīng)力斷裂水平較低（甚至低于疲勞強(qiáng)度）延時斷裂，應(yīng)力斷裂水平較低（甚至低于疲勞強(qiáng)度） n應(yīng)力高，壽命短；應(yīng)力低，壽命長應(yīng)力高，壽命短；應(yīng)力低，壽命長 n經(jīng)歷裂紋的萌生和擴(kuò)展過程經(jīng)歷裂紋的萌生和擴(kuò)展過程 三：疲勞破壞的特點(diǎn)三：疲勞破壞的特點(diǎn) 盡管疲勞載荷有各種類型，但它們都有一些共同的特點(diǎn)盡管疲勞載荷有各種類型，但它們都有一些共同的特點(diǎn) n 斷裂時并無明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有明顯的預(yù)斷裂時并無明顯的

5、宏觀塑性變形，斷裂前沒有明顯的預(yù) 兆，而是突然地破壞，呈脆性斷裂兆，而是突然地破壞，呈脆性斷裂 n疲勞對缺陷（缺口、裂紋、組織缺陷）十分敏感疲勞對缺陷（缺口、裂紋、組織缺陷）十分敏感 n引起疲勞斷裂的應(yīng)力很低，常常低于靜載時的屈服強(qiáng)度，引起疲勞斷裂的應(yīng)力很低，常常低于靜載時的屈服強(qiáng)度， 屬于低應(yīng)力延時斷裂屬于低應(yīng)力延時斷裂 n疲勞破壞能清楚地顯示出裂紋的萌生、擴(kuò)展和最后斷裂三疲勞破壞能清楚地顯示出裂紋的萌生、擴(kuò)展和最后斷裂三 個組成部份個組成部份 n分類：高周疲勞（分類：高周疲勞（N105），斷裂應(yīng)力水平較低，壽），斷裂應(yīng)力水平較低，壽 命長；低周疲勞（命長；低周疲勞（N=102-105），斷

6、裂水平較高，伴），斷裂水平較高，伴 有塑性應(yīng)變發(fā)生（高應(yīng)力疲勞或應(yīng)變疲勞）有塑性應(yīng)變發(fā)生（高應(yīng)力疲勞或應(yīng)變疲勞） 四：疲勞斷口的宏觀特征四：疲勞斷口的宏觀特征 疲勞斷口可分為疲勞斷口可分為 疲勞源；疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)；瞬斷區(qū)疲勞源；疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)；瞬斷區(qū) 帶鍵槽的旋轉(zhuǎn)軸的帶鍵槽的旋轉(zhuǎn)軸的 彎曲疲勞斷口（彎曲疲勞斷口（4040鋼）鋼） n疲勞源疲勞源 疲勞裂紋萌生的位置，多出現(xiàn)在機(jī)件表面（缺口、裂疲勞裂紋萌生的位置，多出現(xiàn)在機(jī)件表面（缺口、裂 紋、刀痕、蝕坑），也可出現(xiàn)在機(jī)件內(nèi)部（冶金缺陷）紋、刀痕、蝕坑），也可出現(xiàn)在機(jī)件內(nèi)部（冶金缺陷） 特征特征 1）疲勞源區(qū)比較光滑（受反復(fù)擠壓，摩擦次數(shù)多）疲勞

7、源區(qū)比較光滑（受反復(fù)擠壓，摩擦次數(shù)多） 2）表面硬度因加工硬化有所提高）表面硬度因加工硬化有所提高 3）可以是一個，也可能有多個疲勞源（和應(yīng)力狀態(tài)及）可以是一個，也可能有多個疲勞源（和應(yīng)力狀態(tài)及 過載程度有關(guān)）過載程度有關(guān)） n疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū) 是疲勞裂紋亞臨界擴(kuò)展的區(qū)域是疲勞裂紋亞臨界擴(kuò)展的區(qū)域 特征特征 1）斷口較光滑，分布有貝紋線（或海灘花樣），有時還有）斷口較光滑，分布有貝紋線（或海灘花樣），有時還有 裂紋擴(kuò)展臺階裂紋擴(kuò)展臺階 2）貝紋線是疲勞區(qū)的最典型特征，貝紋線是以疲勞源為圓）貝紋線是疲勞區(qū)的最典型特征，貝紋線是以疲勞源為圓 心的平行弧線，凹側(cè)指向疲勞源，凸側(cè)指向裂紋擴(kuò)

8、展方向心的平行弧線，凹側(cè)指向疲勞源，凸側(cè)指向裂紋擴(kuò)展方向 3）近疲勞源區(qū)貝紋線較密，遠(yuǎn)離疲勞源區(qū)貝紋線較疏）近疲勞源區(qū)貝紋線較密，遠(yuǎn)離疲勞源區(qū)貝紋線較疏 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的斷口形貌旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的斷口形貌 n瞬斷區(qū)瞬斷區(qū) 是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域，在疲勞亞臨界擴(kuò)展階段，是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域，在疲勞亞臨界擴(kuò)展階段， 隨應(yīng)力循環(huán)增加，裂紋不斷增長，當(dāng)隨應(yīng)力循環(huán)增加，裂紋不斷增長，當(dāng)a=ac時，時，KI=KIC， 裂紋失穩(wěn)快速擴(kuò)展，機(jī)件瞬時斷裂裂紋失穩(wěn)快速擴(kuò)展，機(jī)件瞬時斷裂 特征特征 1）斷口比疲勞區(qū)粗糙，宏觀特征如同靜載）斷口比疲勞區(qū)粗糙，宏觀特征如同靜載 2）脆性材料斷口呈結(jié)晶狀）脆性材料斷口呈結(jié)

9、晶狀 3）韌性材料斷口在心部呈放射狀或人字紋狀，邊緣區(qū)有剪）韌性材料斷口在心部呈放射狀或人字紋狀，邊緣區(qū)有剪 切唇存在切唇存在 5.2 疲勞破壞機(jī)理疲勞破壞機(jī)理 一：金屬材料疲勞破壞機(jī)理一：金屬材料疲勞破壞機(jī)理 n疲勞裂紋的萌生疲勞裂紋的萌生 1）在材料簿弱區(qū)或高應(yīng)力區(qū)，通過不均勻滑移，）在材料簿弱區(qū)或高應(yīng)力區(qū)，通過不均勻滑移， 微裂紋形成及長大而完成微裂紋形成及長大而完成 2）定義裂紋長度為）定義裂紋長度為0.050.10mm時為裂紋疲勞時為裂紋疲勞 核，對應(yīng)的循環(huán)周期為裂紋萌生期核，對應(yīng)的循環(huán)周期為裂紋萌生期 疲勞裂紋形核方式疲勞裂紋形核方式 1）表面滑移帶開裂）表面滑移帶開裂 2）第二相

10、，夾雜物與基體界面或夾雜物本身開裂）第二相，夾雜物與基體界面或夾雜物本身開裂 3）晶界和亞晶界開裂）晶界和亞晶界開裂 疲勞微裂紋形成的三種形式疲勞微裂紋形成的三種形式 表面滑移帶開裂解釋表面滑移帶開裂解釋 1）在循環(huán)載荷作用下，即使循環(huán)應(yīng)力未超過材料屈服強(qiáng)）在循環(huán)載荷作用下，即使循環(huán)應(yīng)力未超過材料屈服強(qiáng) 度，也會在試樣表面形成循環(huán)滑移帶度，也會在試樣表面形成循環(huán)滑移帶 2）循環(huán)滑移帶集中于某些局部區(qū)域（高應(yīng)力或簿弱區(qū)）循環(huán)滑移帶集中于某些局部區(qū)域（高應(yīng)力或簿弱區(qū)） 3）循環(huán)滑移帶很難去除，即使去除，再次循環(huán)加載時，）循環(huán)滑移帶很難去除，即使去除，再次循環(huán)加載時， 還會在原處再現(xiàn)還會在原處再現(xiàn)

11、（駐留滑移帶）（駐留滑移帶） 特征：特征： 1）駐留滑移帶一般只在表面形成，深度較淺，隨循環(huán)次數(shù)）駐留滑移帶一般只在表面形成，深度較淺，隨循環(huán)次數(shù) 的增加，會不斷地加寬的增加，會不斷地加寬 2）駐留滑移帶在表面加寬過程中，會出現(xiàn)擠出脊和侵入）駐留滑移帶在表面加寬過程中，會出現(xiàn)擠出脊和侵入 溝，在這些地方引起應(yīng)力集中，引發(fā)微裂紋溝，在這些地方引起應(yīng)力集中，引發(fā)微裂紋 金屬表面金屬表面“擠出擠出”與與“侵入侵入”并形成裂紋并形成裂紋 擠出和侵入的形成過程（交叉滑移模型）擠出和侵入的形成過程（交叉滑移模型） 交叉滑移模型交叉滑移模型 n疲勞裂紋的擴(kuò)展疲勞裂紋的擴(kuò)展 疲勞裂紋擴(kuò)展的兩個階段疲勞裂紋擴(kuò)展

12、的兩個階段 第一階段：第一階段： 疲勞裂紋沿最大切應(yīng)力方向向內(nèi)擴(kuò)展（幾十疲勞裂紋沿最大切應(yīng)力方向向內(nèi)擴(kuò)展（幾十m, 25個晶個晶 粒）粒） 第二階段：第二階段： 沿垂直拉應(yīng)力方向向前擴(kuò)展形成主裂紋，直至最后形成沿垂直拉應(yīng)力方向向前擴(kuò)展形成主裂紋，直至最后形成 剪切唇剪切唇 在第二階段，穿晶擴(kuò)展，對韌性材料：韌性疲勞條帶；對在第二階段，穿晶擴(kuò)展，對韌性材料：韌性疲勞條帶；對 脆性材料：脆性條帶脆性材料：脆性條帶 疲勞條帶（疲勞輝紋）：是略呈彎曲并相互平行的溝槽狀疲勞條帶（疲勞輝紋）：是略呈彎曲并相互平行的溝槽狀 花樣，與裂紋擴(kuò)展方向垂直花樣，與裂紋擴(kuò)展方向垂直 （疲勞斷口最典型的微觀特征）（疲勞

13、斷口最典型的微觀特征） 疲勞條帶疲勞條帶 （a a）韌性條帶）韌性條帶1000 1000 （b b）脆性條帶）脆性條帶600600 疲勞條帶形成解釋疲勞條帶形成解釋 1）塑性鈍化模型）塑性鈍化模型 （LS模型模型） 韌性疲勞條帶韌性疲勞條帶 形成過程示意圖形成過程示意圖 塑性鈍化模型（塑性鈍化模型（LS模型模型） 高塑性材料（如高塑性材料（如Al、Ni等）在變動循環(huán)應(yīng)力作用等）在變動循環(huán)應(yīng)力作用 下，裂紋尖端的塑性張開鈍化和閉合銳化，會使下，裂紋尖端的塑性張開鈍化和閉合銳化，會使 裂紋向前延續(xù)擴(kuò)展裂紋向前延續(xù)擴(kuò)展 特點(diǎn)：特點(diǎn)： n 循環(huán)拉應(yīng)力時，張開鈍化循環(huán)拉應(yīng)力時，張開鈍化 n 循環(huán)壓應(yīng)力時

14、，閉合銳化循環(huán)壓應(yīng)力時，閉合銳化 n 一個循環(huán)，形成一條疲勞條帶一個循環(huán)，形成一條疲勞條帶 2）再生核模型（）再生核模型（FR模型）模型） F-RF-R再生核模型再生核模型 (a) (a) 拉應(yīng)力時裂紋尖端形成空洞拉應(yīng)力時裂紋尖端形成空洞 (b) (b) 再生核與主裂紋橋接再生核與主裂紋橋接 解釋：解釋： 疲勞裂紋的擴(kuò)展是斷續(xù)的，通過主裂紋前方萌生新裂紋疲勞裂紋的擴(kuò)展是斷續(xù)的，通過主裂紋前方萌生新裂紋 核、長大并與主裂紋連接來實現(xiàn)的核、長大并與主裂紋連接來實現(xiàn)的 n 在拉應(yīng)力半周期，裂紋尖端發(fā)生塑性變形在拉應(yīng)力半周期，裂紋尖端發(fā)生塑性變形 n 在其前方彈塑性交界三向拉應(yīng)力區(qū)在其前方彈塑性交界三

15、向拉應(yīng)力區(qū) n 若存在第二相或夾雜物，界面開裂若存在第二相或夾雜物，界面開裂 n 第二相脆斷形成空洞（疲勞裂紋再生核）第二相脆斷形成空洞（疲勞裂紋再生核） n 主裂紋和裂紋核之間因內(nèi)頸縮而發(fā)生長大、橋接主裂紋和裂紋核之間因內(nèi)頸縮而發(fā)生長大、橋接 n 主裂紋向前擴(kuò)展一段距離，形成疲勞條帶主裂紋向前擴(kuò)展一段距離，形成疲勞條帶 5.3 疲勞抗力指標(biāo)疲勞抗力指標(biāo) 一：一：S-N曲線和疲勞強(qiáng)度（極限）曲線和疲勞強(qiáng)度（極限） n疲勞曲線測定方法疲勞曲線測定方法 1）選擇幾個不同的最大循環(huán)應(yīng)力）選擇幾個不同的最大循環(huán)應(yīng)力1 1，2 2n n 2 2）測定從加載到試樣斷裂所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)）測定從加載到試樣斷裂

16、所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)N N1 1，N N2 2NNn n 3 3）得）得N 曲線曲線 （或（或S-N曲線）曲線） 通常：通常：S S可表示最大應(yīng)力（可表示最大應(yīng)力（max max ）、應(yīng)力幅（ ）、應(yīng)力幅（a a）及其它載荷形式）及其它載荷形式 幾種材料的幾種材料的S-NS-N曲線曲線 從上圖可知從上圖可知 n金屬材料的疲勞曲線有兩類金屬材料的疲勞曲線有兩類 n一類有水平線（結(jié)構(gòu)鋼、鑄鐵），水平線表示在此循環(huán)應(yīng)一類有水平線（結(jié)構(gòu)鋼、鑄鐵），水平線表示在此循環(huán)應(yīng) 力作用下，試樣可經(jīng)歷無限次循環(huán)而不發(fā)生斷裂（力作用下，試樣可經(jīng)歷無限次循環(huán)而不發(fā)生斷裂（ 1 1， ，N N） n另一類無水平線（有色金屬

17、、高強(qiáng)鋼），根據(jù)材料的使用另一類無水平線（有色金屬、高強(qiáng)鋼），根據(jù)材料的使用 要求，測定給定循環(huán)周次的疲勞極限（條件疲勞極限）要求，測定給定循環(huán)周次的疲勞極限（條件疲勞極限） n疲勞曲線上的水平線代表無限壽命區(qū)邊界，斜線段代表有疲勞曲線上的水平線代表無限壽命區(qū)邊界，斜線段代表有 限壽命區(qū)邊界限壽命區(qū)邊界 總結(jié)：總結(jié)：縱坐標(biāo)表示疲勞極限，橫坐標(biāo)表示疲勞壽命縱坐標(biāo)表示疲勞極限，橫坐標(biāo)表示疲勞壽命 n應(yīng)力比（應(yīng)力比（r）對疲勞強(qiáng)度的影響）對疲勞強(qiáng)度的影響 對于對稱循環(huán)載荷（對于對稱循環(huán)載荷（ r = -1 ) ) 1）對稱彎曲：）對稱彎曲：-1 2）對稱扭轉(zhuǎn)：）對稱扭轉(zhuǎn)：-1 3）對稱拉壓：）對稱拉

18、壓：-1P 當(dāng)循環(huán)應(yīng)力為非對稱循環(huán)應(yīng)力時，計為當(dāng)循環(huán)應(yīng)力為非對稱循環(huán)應(yīng)力時，計為 r r n求不對稱循環(huán)載荷的疲勞求不對稱循環(huán)載荷的疲勞 強(qiáng)度（作圖法）強(qiáng)度（作圖法） 1）已知：應(yīng)力比）已知：應(yīng)力比 r，疲勞強(qiáng)度，疲勞強(qiáng)度 S 2）根據(jù)）根據(jù) r =min/max ， m= (max+min)/2， 可求出可求出min，max ，m 3）以）以min，max為縱坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)，m為為 橫坐標(biāo)作疲勞圖橫坐標(biāo)作疲勞圖 max max（ （min min） ） m m疲勞圖疲勞圖 從圖可知：從圖可知： B點(diǎn)：點(diǎn)：m= 0，r = -1, a=-1=max ，屬對稱循環(huán)，屬對稱循環(huán) A點(diǎn)：點(diǎn)：m=b

19、, r=1, a=0, 屬靜力拉伸狀態(tài)屬靜力拉伸狀態(tài) AHB曲線上各點(diǎn)曲線上各點(diǎn)max值即表示由值即表示由r=-11各狀態(tài)下的疲勞強(qiáng)度各狀態(tài)下的疲勞強(qiáng)度 角和角和r的關(guān)系：的關(guān)系： 已知已知r, 可求出可求出，在，在AHB上對應(yīng)點(diǎn)的縱坐標(biāo)即為此上對應(yīng)點(diǎn)的縱坐標(biāo)即為此r相對應(yīng)的疲勞強(qiáng)度相對應(yīng)的疲勞強(qiáng)度 r m 1 22 tan minmax maxmax 二：過載持久值及過載損傷界過載持久值及過載損傷界 n過載持久值過載持久值 材料在高于疲勞強(qiáng)度的一定應(yīng)力下工作，發(fā)生疲勞斷裂的材料在高于疲勞強(qiáng)度的一定應(yīng)力下工作，發(fā)生疲勞斷裂的 應(yīng)力循環(huán)周次稱為材料的過載持久值（有限疲勞壽命）應(yīng)力循環(huán)周次稱為材料

20、的過載持久值（有限疲勞壽命） 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 1）表征材料對過載疲勞的抗力）表征材料對過載疲勞的抗力 2）由疲勞曲線傾斜部分確定，曲線傾斜得越陡直，持久值）由疲勞曲線傾斜部分確定，曲線傾斜得越陡直，持久值 越高越高 n過載損傷界過載損傷界 材料在過載應(yīng)力水平下，只有材料在過載應(yīng)力水平下，只有 運(yùn)行一定周次后，疲勞強(qiáng)度或運(yùn)行一定周次后，疲勞強(qiáng)度或 疲勞壽命才會降低，造成過載疲勞壽命才會降低，造成過載 損傷損傷 把在每個過載應(yīng)力下運(yùn)行能引把在每個過載應(yīng)力下運(yùn)行能引 起損傷的起損傷的最少循環(huán)周次最少循環(huán)周次連接起連接起 來就得到該材料的過載損傷界來就得到該材料的過載損傷界 過載損傷界到疲勞曲線間的影過

21、載損傷界到疲勞曲線間的影 線區(qū)稱為材料的過載損傷區(qū)線區(qū)稱為材料的過載損傷區(qū) 過載損傷界示意圖過載損傷界示意圖 三：疲勞缺口敏感度三：疲勞缺口敏感度 材料在變動應(yīng)力作用下的缺口敏感性材料在變動應(yīng)力作用下的缺口敏感性 表征：表征： Kf: 疲勞缺口系數(shù)；為光滑試樣和缺口試樣疲勞強(qiáng)度之比疲勞缺口系數(shù)；為光滑試樣和缺口試樣疲勞強(qiáng)度之比 Kf 1 Kt: 理論應(yīng)力集中系數(shù)；可查手冊，理論應(yīng)力集中系數(shù)；可查手冊，Kt1， 按定義：按定義：1qf0, 當(dāng)當(dāng)Kf =1時，時，qf 趨近于零，材料對缺口完全不敏感趨近于零，材料對缺口完全不敏感 Kf = Kt；qf =1；材料對缺口十分敏感材料對缺口十分敏感 q

22、f 隨材料強(qiáng)度增高而增大隨材料強(qiáng)度增高而增大 1 1 t f f K K q N f K 1 1 四：疲勞裂紋擴(kuò)展速率四：疲勞裂紋擴(kuò)展速率 試驗表明：測量疲勞裂紋長度和循環(huán)周數(shù)的關(guān)系如圖試驗表明：測量疲勞裂紋長度和循環(huán)周數(shù)的關(guān)系如圖 疲勞裂紋擴(kuò)展曲線疲勞裂紋擴(kuò)展曲線 2 21 1 從圖可知：從圖可知： 1）曲線的斜率）曲線的斜率da/dN（疲勞裂紋擴(kuò)展速率）在整個過程中（疲勞裂紋擴(kuò)展速率）在整個過程中 是不斷增長的是不斷增長的 2）當(dāng)）當(dāng)da/dN無限增大，裂紋將失穩(wěn)擴(kuò)展，試樣斷裂無限增大，裂紋將失穩(wěn)擴(kuò)展，試樣斷裂 3）應(yīng)力增加，裂紋擴(kuò)展加快，）應(yīng)力增加，裂紋擴(kuò)展加快，a-N曲線向左上方移動，

23、曲線向左上方移動，ac相相 應(yīng)減小應(yīng)減小 結(jié)論：結(jié)論：裂紋擴(kuò)展速率裂紋擴(kuò)展速率da/dNda/dN 和應(yīng)力水平及裂紋長度有關(guān)和應(yīng)力水平及裂紋長度有關(guān) 根據(jù)斷裂力學(xué)：根據(jù)斷裂力學(xué)： 可定義應(yīng)力強(qiáng)度因子幅為可定義應(yīng)力強(qiáng)度因子幅為 aYaYaYKKKI minmaxminmax 1）K就是裂紋尖端控制疲就是裂紋尖端控制疲 勞裂紋擴(kuò)展的復(fù)合力學(xué)參量勞裂紋擴(kuò)展的復(fù)合力學(xué)參量 2）通過裂紋長度（）通過裂紋長度（a）及應(yīng)力）及應(yīng)力 幅（幅（），計算出），計算出da/dN； K 3）建立）建立da/dNK關(guān)系曲線關(guān)系曲線 （如右圖）（如右圖） 該圖可分為三個該圖可分為三個 區(qū)區(qū) Lg(da/dN)-lg Lg

24、(da/dN)-lgK K 關(guān)系曲線 關(guān)系曲線 I區(qū)：區(qū)： 毗鄰裂紋的初始擴(kuò)展階段，毗鄰裂紋的初始擴(kuò)展階段，da/dN值很小，約值很小，約10-810-6 mm/周次周次 從從KKth th開始，隨著 開始，隨著KKI I值增加，值增加，da/dNda/dN快速增長快速增長 II區(qū)：區(qū)： 疲勞裂紋擴(kuò)展的主要階段，是決定壽命的主要階段，疲勞裂紋擴(kuò)展的主要階段，是決定壽命的主要階段， da/dN 約為約為10-5-10-2mm/周次周次 可用可用Paris公式表示：公式表示： C、n：為材料常數(shù)，實驗確定為材料常數(shù)，實驗確定 n I KCdNda)(/ III區(qū)：區(qū)： 疲勞裂紋擴(kuò)展的最后階段，該區(qū)

25、的疲勞裂紋擴(kuò)展的最后階段，該區(qū)的da/dN值很高，值很高， 隨隨KI增加急劇增大，導(dǎo)致材料失穩(wěn)斷裂，占裂增加急劇增大，導(dǎo)致材料失穩(wěn)斷裂，占裂 紋擴(kuò)展壽命的比例不長紋擴(kuò)展壽命的比例不長 當(dāng)當(dāng)KI=Kth時，時，da/dN=0，意味裂紋不擴(kuò)展，意味裂紋不擴(kuò)展 當(dāng)當(dāng)KIKth時，時，da/dN0，裂紋擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展 n疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值（疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值（Kth） 表征材料阻止疲勞裂紋開始擴(kuò)展的能力表征材料阻止疲勞裂紋開始擴(kuò)展的能力。該值越大，材。該值越大，材 料的疲勞裂紋開始擴(kuò)展所受的阻力越大，材料抗疲勞裂紋料的疲勞裂紋開始擴(kuò)展所受的阻力越大，材料抗疲勞裂紋 擴(kuò)展的能力越強(qiáng)擴(kuò)展的能力越強(qiáng) 含裂紋

26、件不發(fā)生疲勞斷裂（無限壽命）的校核公式：含裂紋件不發(fā)生疲勞斷裂（無限壽命）的校核公式： Paris公式適用范圍：公式適用范圍： 低應(yīng)力，低擴(kuò)展速率（低應(yīng)力，低擴(kuò)展速率（da/dN10-2mm/周次）周次） 較長壽命（較長壽命（Nf104）的情況）的情況 thI KaYK 例：對零件的疲勞剩余壽命的計算例：對零件的疲勞剩余壽命的計算 1）無損探傷確定零件的初始裂紋長）無損探傷確定零件的初始裂紋長a0 2）確定裂紋形狀，位置，取向，以確定裂尖）確定裂紋形狀，位置，取向，以確定裂尖KI值值 3）根據(jù)）根據(jù)KIc和和確定臨界裂紋長度確定臨界裂紋長度ac 4）計算從）計算從a0擴(kuò)展到臨界擴(kuò)展到臨界ac所需的循環(huán)周次所需的循環(huán)周次N，即為疲勞剩余壽命，即為疲勞剩余壽命Nf。 用用Paris公式計算：公式計算： aYK I n I KCdNda)(/ cc a a n a a c aYc da dNN 00 )