第五章 金屬的疲勞

1、1第五章第五章 金屬的疲勞金屬的疲勞 1、實際工作中的許多機件均是在變動載荷下、實際工作中的許多機件均是在變動載荷下工作的。工作的。 2、失效形式：主要為疲勞斷裂，占、失效形式：主要為疲勞斷裂，占80以上。以上。 3、表現(xiàn)為突然斷裂，危害極大。無論材料為、表現(xiàn)為突然斷裂，危害極大。無論材料為韌材還是脆材均表現(xiàn)為突然斷裂。韌材還是脆材均表現(xiàn)為突然斷裂。 4、本章從材料學(xué)的角度研究金屬疲勞的一般、本章從材料學(xué)的角度研究金屬疲勞的一般規(guī)律、疲勞破壞過程及機理、疲勞力學(xué)性能及其影規(guī)律、疲勞破壞過程及機理、疲勞力學(xué)性能及其影響因素，以便為疲勞強度設(shè)計、選用材料、改進(jìn)工響因素，以便為疲勞強度設(shè)計、選用材料

2、、改進(jìn)工藝、提高壽命，估計壽命提供基礎(chǔ)知識。藝、提高壽命，估計壽命提供基礎(chǔ)知識。25-1 5-1 金屬疲勞現(xiàn)象及特點金屬疲勞現(xiàn)象及特點 一、變動載荷和循環(huán)應(yīng)力一、變動載荷和循環(huán)應(yīng)力 變動載荷是引起疲勞破壞的外力，所以有必變動載荷是引起疲勞破壞的外力，所以有必要在研究疲勞時首先研究變動載荷的特點和表示要在研究疲勞時首先研究變動載荷的特點和表示方法。方法。 1、定義定義：變動載荷是指載荷大小，甚至方：變動載荷是指載荷大小，甚至方向均隨時間變化的載荷。向均隨時間變化的載荷。見圖見圖5-1所示所示3 2 2、分類、分類： 循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力：大小或大小和方向隨時間變化：大小或大小和方向隨時間變化 按一定

3、規(guī)律呈周期性變化。按一定規(guī)律呈周期性變化。如圖所示如圖所示 交變應(yīng)力交變應(yīng)力：載荷大小、方向均隨時間作：載荷大小、方向均隨時間作 周期性變化。周期性變化。 重復(fù)載荷重復(fù)載荷：載荷大小呈周期性變化，但：載荷大小呈周期性變化，但 方向不變化。方向不變化。 隨機變動應(yīng)力隨機變動應(yīng)力：載荷大小、方向呈無規(guī)則隨機：載荷大小、方向呈無規(guī)則隨機變化。變化。見圖見圖5-1所示所示分分43、循環(huán)應(yīng)力表示的表示方法：、循環(huán)應(yīng)力表示的表示方法：最大應(yīng)力：最大應(yīng)力：maxmax最小應(yīng)力：最小應(yīng)力：minmin平均應(yīng)力：平均應(yīng)力： m m應(yīng)力半幅：應(yīng)力半幅：a a應(yīng)力循環(huán)對稱系數(shù)（應(yīng)力比）應(yīng)力循環(huán)對稱系數(shù)（應(yīng)力比）:m

4、inmax21mmaxmin)(Rrminmax21a5 4 4、常見的幾種循環(huán)應(yīng)力有：、常見的幾種循環(huán)應(yīng)力有： 對稱循環(huán)應(yīng)力（對稱循環(huán)應(yīng)力（r=-1）：）：如圖所示如圖所示大多數(shù)旋轉(zhuǎn)軸類零件的循環(huán)應(yīng)力屬于此種情況。大多數(shù)旋轉(zhuǎn)軸類零件的循環(huán)應(yīng)力屬于此種情況。 脈動應(yīng)力（脈動應(yīng)力（r0；r）：）：如圖所示如圖所示如齒輪根部、滾動軸承的循環(huán)應(yīng)力屬于此種情況。如齒輪根部、滾動軸承的循環(huán)應(yīng)力屬于此種情況。 波動應(yīng)力（波動應(yīng)力（0r1）：如圖所示）：如圖所示如發(fā)動機缸蓋螺栓的循環(huán)應(yīng)力屬于此種情況。如發(fā)動機缸蓋螺栓的循環(huán)應(yīng)力屬于此種情況。 不對稱交變應(yīng)力不對稱交變應(yīng)力r105，因斷裂應(yīng)力，因斷裂應(yīng)力低（低

5、（ -1 -1p， 分析原因分析原因 ？23 （四）疲勞極限與靜強度之間的關(guān)系（四）疲勞極限與靜強度之間的關(guān)系 試驗表明，試驗表明，金屬材料的抗拉強度越大，其疲勞金屬材料的抗拉強度越大，其疲勞極限也越大。極限也越大。 對于中、低強度鋼，疲勞極限與抗拉強度間大對于中、低強度鋼，疲勞極限與抗拉強度間大體呈線性關(guān)系。體呈線性關(guān)系。如圖所示如圖所示 b較低時，可近似寫成較低時，可近似寫成-1= 0.5 b 。 b較高時，這種近線性關(guān)系就會發(fā)生偏離，這較高時，這種近線性關(guān)系就會發(fā)生偏離，這是由于強度較高時，材料的塑性和斷裂韌性下降，是由于強度較高時，材料的塑性和斷裂韌性下降，裂紋易于形成和擴展所致。裂紋

6、易于形成和擴展所致。24 疲勞極限與抗拉強度間有以下幾種疲勞極限與抗拉強度間有以下幾種經(jīng)驗公經(jīng)驗公式式： 鋼：鋼：-1p=0.23（ s + b ） -1=0.27（ s + b ） 鑄鐵：鑄鐵：-1p=0.4 b -1=0.45b 鋁合金：鋁合金：-1p= b /6 +7.5 (MPa) -1 = b /6 -7.5 (MPa) 青銅：青銅：-1=0.21 b25二、疲勞圖和不對稱循環(huán)疲勞極限二、疲勞圖和不對稱循環(huán)疲勞極限 很多機件是在不對稱循環(huán)載荷下工作的（如很多機件是在不對稱循環(huán)載荷下工作的（如齒輪，滾珠軸承，內(nèi)燃機連桿，汽缸蓋螺栓齒輪，滾珠軸承，內(nèi)燃機連桿，汽缸蓋螺栓 ），），因此還需

7、要測定材料的因此還需要測定材料的不對稱循環(huán)疲勞極限不對稱循環(huán)疲勞極限，以以滿足這類機件的設(shè)計和選材的需要。滿足這類機件的設(shè)計和選材的需要。 通常用工程作圖法，由通常用工程作圖法，由疲勞圖疲勞圖求得各種不對求得各種不對稱循環(huán)的疲勞極限。稱循環(huán)的疲勞極限。 根據(jù)不同的作圖方法有根據(jù)不同的作圖方法有兩種疲勞圖兩種疲勞圖：26 1 1、a a-m m疲勞圖疲勞圖 在不同應(yīng)力比在不同應(yīng)力比r條件下將條件下將max表示的疲勞極限表示的疲勞極限r(nóng)分解為分解為a和和m，并在該坐標(biāo)系中作，并在該坐標(biāo)系中作ABC曲線，曲線，則得到則得到a-m疲勞圖（見圖）。疲勞圖（見圖）。 OB: r與與r的幾何關(guān)系：的幾何關(guān)系

8、： 所以只要知道應(yīng)力比所以只要知道應(yīng)力比r，代入上式就可求出，代入上式就可求出，在圖上作角度在圖上作角度的直線，與的直線，與AC交于點交于點B，即可求出，即可求出相應(yīng)相應(yīng)r的疲勞極限。已知的疲勞極限。已知 r=a+m。27 在保證一定壽命的前提下在保證一定壽命的前提下，當(dāng)，當(dāng)m m越大，允許的越大，允許的應(yīng)力半幅應(yīng)力半幅a a就要減少；反之，當(dāng)就要減少；反之，當(dāng)m m變小時，變小時， a a就就可以增大些。為獲得恒定的疲勞壽命，可以增大些。為獲得恒定的疲勞壽命，a a和和m m可可以有不同的配合。以有不同的配合。 ABC曲線也可用曲線也可用數(shù)學(xué)解析式數(shù)學(xué)解析式表示，常用的數(shù)學(xué)表示，常用的數(shù)學(xué)公

9、式有：公式有： Goodman 關(guān)系關(guān)系(脆性材料脆性材料) ： Gerber關(guān)系關(guān)系(塑性材料塑性材料) ： Soderberg 關(guān)系關(guān)系(工程合金工程合金) ：28 根據(jù)經(jīng)驗，可對表示平均應(yīng)力對疲勞壽命影根據(jù)經(jīng)驗，可對表示平均應(yīng)力對疲勞壽命影響的這幾個關(guān)系式作如下評論：響的這幾個關(guān)系式作如下評論： (1)對大多數(shù)工程合金，對大多數(shù)工程合金，Soderberg關(guān)系對疲勞關(guān)系對疲勞壽命的估計比較保守；壽命的估計比較保守； (2)對脆性金屬，包括高強度鋼，其抗拉強度接對脆性金屬，包括高強度鋼，其抗拉強度接近真實斷裂應(yīng)力，用近真實斷裂應(yīng)力，用 Goodman關(guān)系來描述或估關(guān)系來描述或估計疲勞壽命與

10、實驗結(jié)果吻合得很好；計疲勞壽命與實驗結(jié)果吻合得很好； (3)對塑性材料，用對塑性材料，用Gerber關(guān)系較好。關(guān)系較好。 29 2 2、maxmax(minmin)-)-m m疲勞圖疲勞圖 將不同應(yīng)力比將不同應(yīng)力比r下的疲勞極限，分別以下的疲勞極限，分別以max(min)和和m表示于坐標(biāo)系中，就形成疲勞圖（見圖）。表示于坐標(biāo)系中，就形成疲勞圖（見圖）。 AHB就是在不同就是在不同r下的疲勞極限下的疲勞極限max。 疲勞極限隨平均應(yīng)力或應(yīng)力比的增加而增加，但疲勞極限隨平均應(yīng)力或應(yīng)力比的增加而增加，但應(yīng)力幅度應(yīng)力幅度a減小。減小。 對于塑性材料，應(yīng)該用屈服強度對于塑性材料，應(yīng)該用屈服強度0.2進(jìn)行

11、修正。進(jìn)行修正。如圖所示如圖所示rm122tanminmaxmaxmax30 三、抗疲勞過載能力三、抗疲勞過載能力 實際機件在服役過程中不可避免地要受到短實際機件在服役過程中不可避免地要受到短時偶然過載荷的作用，如汽車、拖拉機的緊急剎時偶然過載荷的作用，如汽車、拖拉機的緊急剎車、突然啟動等。車、突然啟動等。 金屬機件偶然經(jīng)受金屬機件偶然經(jīng)受短期過載短期過載，材料原來的疲，材料原來的疲勞極限可能沒有變化，也可能有所降低，這要具勞極限可能沒有變化，也可能有所降低，這要具體視材料所受過載應(yīng)力及相應(yīng)的累計過載周次而體視材料所受過載應(yīng)力及相應(yīng)的累計過載周次而定。定。31 如果金屬在高于疲勞極限的應(yīng)力水平

12、下運轉(zhuǎn)如果金屬在高于疲勞極限的應(yīng)力水平下運轉(zhuǎn)一定周次后，其疲勞極限和疲勞壽命減小，這就一定周次后，其疲勞極限和疲勞壽命減小，這就造成了造成了過載損傷過載損傷。 金屬材料抵抗疲勞過載損傷的能力，金屬材料抵抗疲勞過載損傷的能力，用用過載過載損傷界損傷界或或過載損傷區(qū)過載損傷區(qū)表示。表示。 過載損傷界由實驗確定過載損傷界由實驗確定：測出不同過載應(yīng)力測出不同過載應(yīng)力水平和相應(yīng)的開始降低疲勞壽命的應(yīng)力循環(huán)周次，水平和相應(yīng)的開始降低疲勞壽命的應(yīng)力循環(huán)周次，得到不同的試驗點，連接各點便得到過載損傷界。得到不同的試驗點，連接各點便得到過載損傷界。如圖所示如圖所示32 過載持久值過載持久值：材料在高于疲勞極限的

13、應(yīng)力下運：材料在高于疲勞極限的應(yīng)力下運行，發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán)周次，又稱行，發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán)周次，又稱有限疲勞有限疲勞壽命壽命。 過載損傷區(qū)過載損傷區(qū)：過載損傷界與過載持久值之間的：過載損傷界與過載持久值之間的影線區(qū)。影線區(qū)。 材料的過載損傷界（或過載持久值）材料的過載損傷界（或過載持久值）越陡直越陡直，損傷區(qū)越窄，損傷區(qū)越窄，表示在相同的過載荷下能經(jīng)受的應(yīng)力表示在相同的過載荷下能經(jīng)受的應(yīng)力循環(huán)周次多，循環(huán)周次多， 則其則其抵抗疲勞過載的能力越強。抵抗疲勞過載的能力越強。如如圖所示圖所示33 四、疲勞缺口敏感度四、疲勞缺口敏感度 機件在使用時，常常帶有臺肩、拐角、鍵槽、機件在使用時，常

14、常帶有臺肩、拐角、鍵槽、油孔、螺紋等。這些結(jié)構(gòu)類似于缺口作用，會改油孔、螺紋等。這些結(jié)構(gòu)類似于缺口作用，會改變應(yīng)力狀態(tài)和造成應(yīng)力集中。所以必須考慮缺口變應(yīng)力狀態(tài)和造成應(yīng)力集中。所以必須考慮缺口引起的應(yīng)力集中對疲勞強度的影響。引起的應(yīng)力集中對疲勞強度的影響。 最早引入的是疲勞缺口敏感度：最早引入的是疲勞缺口敏感度： 34 1、表示表示：金屬材料在交變載荷作用下的缺口金屬材料在交變載荷作用下的缺口敏感性，常用疲勞缺口敏感度敏感性，常用疲勞缺口敏感度qf來評定來評定：11tffKKq Kt理論應(yīng)力集中系數(shù)理論應(yīng)力集中系數(shù)，為缺口凈截面上的，為缺口凈截面上的最大應(yīng)力最大應(yīng)力max與平均應(yīng)力與平均應(yīng)力之

15、比，可從有關(guān)手冊之比，可從有關(guān)手冊中查到，中查到，Kt1； Kf疲勞缺口系數(shù)疲勞缺口系數(shù)，為光滑試樣和缺口試樣，為光滑試樣和缺口試樣疲勞極限之比，即疲勞極限之比，即 。Kf值大于值大于1，具體的，具體的數(shù)值和缺口幾何形狀及材料等因素有關(guān)。數(shù)值和缺口幾何形狀及材料等因素有關(guān)。NfK1135討論：討論： 根據(jù)疲勞缺口敏感度評定材料時，可能出現(xiàn)根據(jù)疲勞缺口敏感度評定材料時，可能出現(xiàn)兩種極端情況：兩種極端情況： Kt Kf，即缺口試樣疲勞過程中應(yīng)力分布，即缺口試樣疲勞過程中應(yīng)力分布與彈性狀態(tài)完全一樣，沒有發(fā)生應(yīng)力重新分布，與彈性狀態(tài)完全一樣，沒有發(fā)生應(yīng)力重新分布，這時缺口降低疲勞極限最嚴(yán)重，這時缺口降

16、低疲勞極限最嚴(yán)重，qf1，材料的疲，材料的疲勞缺口敏感性最大。勞缺口敏感性最大。 Kf1，即，即-1-1N，缺口不降低疲勞極限，缺口不降低疲勞極限，說明疲勞過程中應(yīng)力產(chǎn)生了很大的重新分布，應(yīng)說明疲勞過程中應(yīng)力產(chǎn)生了很大的重新分布，應(yīng)力集中效應(yīng)完全被消除，力集中效應(yīng)完全被消除，qf0，材料的疲勞缺口，材料的疲勞缺口敏感性最小。敏感性最小。 36 由此可見，由此可見，qf值能反映疲勞過程中，材料發(fā)生值能反映疲勞過程中，材料發(fā)生應(yīng)力重新分布，降低應(yīng)力集中的能力。應(yīng)力重新分布，降低應(yīng)力集中的能力。一般材料一般材料的的-1N低于低于-1，即，即Kf1。通常。通常qf值在值在01范圍內(nèi)范圍內(nèi)變化，變化，

17、q qf f=0=0，表示對缺口完全不敏感；，表示對缺口完全不敏感；q qf f=1=1則表示則表示對缺口十分敏感。對缺口十分敏感。 實際金屬材料的實際金屬材料的qf值一般為：值一般為： 結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼 ：0.60.8； 粗晶粒鋼粗晶粒鋼： 0.10.2； 球鐵球鐵： 0.110.25；灰鑄鐵灰鑄鐵： 00.05。37 2、影響影響 在在高周疲勞時高周疲勞時，大多數(shù)金屬都對缺口十分敏，大多數(shù)金屬都對缺口十分敏感；感；在低周疲勞時在低周疲勞時，它們對缺口不太敏感，這是，它們對缺口不太敏感，這是因為缺口根部一部分地區(qū)已處于塑性區(qū)內(nèi)，發(fā)生因為缺口根部一部分地區(qū)已處于塑性區(qū)內(nèi)，發(fā)生應(yīng)力松弛，使應(yīng)力集中降

18、低所致。應(yīng)力松弛，使應(yīng)力集中降低所致。 缺口形狀缺口形狀的影響：缺口根部曲率半徑越小，的影響：缺口根部曲率半徑越小，缺口越尖銳，缺口越尖銳，qf值越低。因此，測定值越低。因此，測定qf時，缺口時，缺口曲率半徑應(yīng)選用比較大的數(shù)值。曲率半徑應(yīng)選用比較大的數(shù)值。 強度、硬度升高，強度、硬度升高，qf增大，即越敏感。增大，即越敏感。385-3 5-3 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 疲勞過程疲勞過程由由裂紋萌生裂紋萌生、亞穩(wěn)擴展亞穩(wěn)擴展及及最后失穩(wěn)最后失穩(wěn)擴展擴展組成。組成。 其中其中裂紋亞穩(wěn)擴展裂紋亞穩(wěn)擴展是決定機件整個疲勞壽命是決定機件整個疲勞壽命的重要組成部分的重要組成

19、部分。 研究疲勞裂紋的擴展規(guī)律、擴展速率及其影研究疲勞裂紋的擴展規(guī)律、擴展速率及其影響因素，對延長疲勞壽命和預(yù)測實際機件疲勞剩響因素，對延長疲勞壽命和預(yù)測實際機件疲勞剩余壽命均具有重要意義。余壽命均具有重要意義。39 由于實驗方法的限制，致使由于實驗方法的限制，致使S-N曲線曲線以及用它以及用它來作為疲勞抗力的指標(biāo)，來作為疲勞抗力的指標(biāo)，具有某些局限性具有某些局限性： (1)沒有把疲勞裂紋的沒有把疲勞裂紋的發(fā)生與擴展發(fā)生與擴展區(qū)別開來；區(qū)別開來； (2)沒能揭示出沒能揭示出疲勞裂紋擴展的各個階段疲勞裂紋擴展的各個階段； (3)沒有考慮原材料中有一定長度的沒有考慮原材料中有一定長度的初始裂紋初始

20、裂紋，而不同長度的初始裂紋將對疲勞壽命有很大影響；而不同長度的初始裂紋將對疲勞壽命有很大影響； (4)由于由于沒有引入斷裂力學(xué)的計算方法沒有引入斷裂力學(xué)的計算方法，致使對，致使對零件的疲勞壽命難以作定量的預(yù)測。零件的疲勞壽命難以作定量的預(yù)測。 40 一、疲勞裂紋擴展曲線一、疲勞裂紋擴展曲線 在高頻疲勞試驗機（圖）上測定疲勞裂紋擴在高頻疲勞試驗機（圖）上測定疲勞裂紋擴展曲線。展曲線。 1、aN曲線曲線 疲勞裂紋曲線測定過程：如圖所示疲勞裂紋曲線測定過程：如圖所示 2、da/dN疲勞裂紋擴展速率疲勞裂紋擴展速率41 二、疲勞裂紋擴展速率二、疲勞裂紋擴展速率 1、引入斷裂韌度的概念、引入斷裂韌度的概

21、念 材料的疲勞裂紋擴展速率不僅與應(yīng)力水平有材料的疲勞裂紋擴展速率不僅與應(yīng)力水平有關(guān)，而且與當(dāng)時的斷裂尺寸有關(guān)，則將應(yīng)力范圍關(guān)，而且與當(dāng)時的斷裂尺寸有關(guān)，則將應(yīng)力范圍與與a復(fù)合為應(yīng)力強度因子范圍復(fù)合為應(yīng)力強度因子范圍K 。aYKKKminmax 如果認(rèn)為疲勞裂紋擴展的每一微小過程類似是如果認(rèn)為疲勞裂紋擴展的每一微小過程類似是裂紋體小區(qū)域的斷裂過程，則裂紋體小區(qū)域的斷裂過程，則K就是在裂紋尖端控就是在裂紋尖端控制裂紋擴展的復(fù)合力學(xué)參量，從而建立由制裂紋擴展的復(fù)合力學(xué)參量，從而建立由K起控制起控制作用的作用的 曲線，也就是疲勞裂紋擴展速率曲線。曲線，也就是疲勞裂紋擴展速率曲線。42 2 2、疲勞裂紋

22、擴展速率曲線、疲勞裂紋擴展速率曲線（如圖所示）（如圖所示） 區(qū)（初始段）區(qū)（初始段） KKth：da/dN，裂紋不擴展。，裂紋不擴展。 KKth：K，da/dN，裂紋擴展但不快。，裂紋擴展但不快。 區(qū)（主要段）區(qū)（主要段）K，da/dN，裂紋亞穩(wěn)擴展，裂紋亞穩(wěn)擴展，是決定疲勞裂紋擴展壽命的主要階段。是決定疲勞裂紋擴展壽命的主要階段。 區(qū)（最后段）區(qū)（最后段）K，da/dN，裂紋失穩(wěn)擴展。，裂紋失穩(wěn)擴展。43 3 3、疲勞裂紋擴展門檻值、疲勞裂紋擴展門檻值 定定Kth為門檻值，單位為門檻值，單位MNm-3/2或或MPam1/2。表示材料阻止疲勞裂紋開始擴展的性能，也是材料表示材料阻止疲勞裂紋開始

23、擴展的性能，也是材料的力學(xué)性能指標(biāo)。的力學(xué)性能指標(biāo)。 KKth, 裂紋不擴展。裂紋不擴展。 其值越大，阻止疲勞裂紋開始擴展的能力就越其值越大，阻止疲勞裂紋開始擴展的能力就越大，材料越好。大，材料越好。 Kth與疲勞極限與疲勞極限-1相似，都是表示無限壽命相似，都是表示無限壽命的疲勞性能，也都受材料成分和組織、載荷條件及的疲勞性能，也都受材料成分和組織、載荷條件及環(huán)境因素的影響。環(huán)境因素的影響。 44 -1是光滑試樣的無限壽命疲勞強度是光滑試樣的無限壽命疲勞強度，用于傳統(tǒng)，用于傳統(tǒng)的疲勞強度設(shè)計和校核，的疲勞強度設(shè)計和校核，Kth是裂紋試樣的無限壽是裂紋試樣的無限壽命疲勞性能，命疲勞性能，適于裂

24、紋件的設(shè)計和校核。適于裂紋件的設(shè)計和校核。 根據(jù)的定義可建立裂紋件不疲勞斷裂的校核公根據(jù)的定義可建立裂紋件不疲勞斷裂的校核公式：式： 測定測定Kth時，很難做到時，很難做到da/dN=0。規(guī)定：平面。規(guī)定：平面應(yīng)變條件下，應(yīng)變條件下，da/dN=10-610-7mm/周次對應(yīng)的周次對應(yīng)的K來代替來代替Kth，稱為工程疲勞門檻值。，稱為工程疲勞門檻值。 thKaYK45 研究疲勞裂紋門檻值在理論上和實際工程應(yīng)研究疲勞裂紋門檻值在理論上和實際工程應(yīng)用上都是有意義的。十分明顯，用上都是有意義的。十分明顯，一般的機械零件一般的機械零件和工程構(gòu)件是不會以和工程構(gòu)件是不會以 來作為設(shè)計指標(biāo)的來作為設(shè)計指標(biāo)

25、的。因。因為為 數(shù)值很低，如以數(shù)值很低，如以 來作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，來作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，這無疑是要求工作應(yīng)力很低或者容許的裂紋尺寸這無疑是要求工作應(yīng)力很低或者容許的裂紋尺寸很小。很小。 照此設(shè)計的機件很笨重，僅適于地面結(jié)構(gòu)照此設(shè)計的機件很笨重，僅適于地面結(jié)構(gòu)。 46 4、Paris公式公式 疲勞裂紋擴展速率曲線疲勞裂紋擴展速率曲線區(qū)，區(qū)， da/dN 與與K之間關(guān)系的經(jīng)驗公式為：之間關(guān)系的經(jīng)驗公式為：nKcdNda式中式中 c、n 為材料試驗常數(shù)，與材料、應(yīng)為材料試驗常數(shù)，與材料、應(yīng)力比、環(huán)境等因素有關(guān)，但顯微組織對力比、環(huán)境等因素有關(guān)，但顯微組織對n的影響的影響不明顯。不明顯。 Paris公式適于高周

26、疲勞的場合。公式適于高周疲勞的場合。47 5、影響疲勞裂紋擴展速率的因素、影響疲勞裂紋擴展速率的因素 （1）應(yīng)力比）應(yīng)力比r，曲線向左上方移動。如圖所示。，曲線向左上方移動。如圖所示。殘余壓應(yīng)力會減小殘余壓應(yīng)力會減小r，使，使da/dN降低和降低和Kth升高，升高，對疲勞壽命有利。對疲勞壽命有利。 噴丸、滾壓噴丸、滾壓 （2）過載峰）過載峰 適當(dāng)過載反而有益。如圖所示適當(dāng)過載反而有益。如圖所示 （3）顯微組織）顯微組織 對對I、III區(qū)的區(qū)的da/dN影響比較明影響比較明顯。顯。 晶粒粗大，晶粒粗大，Kth值越高；韌性相可使值越高；韌性相可使Kth。48 亞共析鋼中鐵素體量越多，其值越高。亞共

27、析鋼中鐵素體量越多，其值越高。 淬火組織中，存在一定量的殘余奧氏體和貝淬火組織中，存在一定量的殘余奧氏體和貝氏體等韌性組織時，可以提高氏體等韌性組織時，可以提高Kth，降低，降低da/dN。 噴丸強化，可提高噴丸強化，可提高Kth 。 鋼的高溫回火組織韌性好，鋼的高溫回火組織韌性好，Kth較高；低溫較高；低溫回火相反；中溫回火居中。回火相反；中溫回火居中。49 三、疲勞裂紋擴展壽命的估算（略）三、疲勞裂紋擴展壽命的估算（略） 步驟：用無損探傷的方法確定機件初始裂紋步驟：用無損探傷的方法確定機件初始裂紋尺寸尺寸a0、形狀位置和取向，確定裂紋形狀系數(shù)、形狀位置和取向，確定裂紋形狀系數(shù)Y，確，確定的

28、表達(dá)式定的表達(dá)式 。 根據(jù)材料的斷裂韌度根據(jù)材料的斷裂韌度 及工作名義應(yīng)力及工作名義應(yīng)力，確定臨界裂紋尺寸確定臨界裂紋尺寸 。 根據(jù)由試驗確定的疲勞裂紋擴展速率表達(dá)式。根據(jù)由試驗確定的疲勞裂紋擴展速率表達(dá)式。 用積分方法計算從用積分方法計算從 到到 所需要的循環(huán)周次所需要的循環(huán)周次（即疲勞剩余壽命（即疲勞剩余壽命Nc）。）。aYKcKcaca0a505-4 5-4 疲勞過程及機理疲勞過程及機理 疲勞破壞經(jīng)常出現(xiàn)在金屬中的各類缺陷處疲勞破壞經(jīng)常出現(xiàn)在金屬中的各類缺陷處(冶冶金缺陷、晶粒尺寸、第二相等金缺陷、晶粒尺寸、第二相等)和組織的不均勻，和組織的不均勻，使得在遠(yuǎn)低于彈性極限的交變應(yīng)力反復(fù)作用

29、下產(chǎn)使得在遠(yuǎn)低于彈性極限的交變應(yīng)力反復(fù)作用下產(chǎn)生一個緩慢的延滯破壞過程。生一個緩慢的延滯破壞過程。 疲勞過程疲勞過程包括疲勞裂紋萌生、裂紋亞穩(wěn)擴展包括疲勞裂紋萌生、裂紋亞穩(wěn)擴展及最后失穩(wěn)擴展三個階段，其疲勞壽命及最后失穩(wěn)擴展三個階段，其疲勞壽命Nf由疲勞由疲勞裂紋萌生期裂紋萌生期N0和裂紋亞穩(wěn)擴展期和裂紋亞穩(wěn)擴展期Np所組成。所組成。 了解疲勞各階段的物理過程，對認(rèn)識疲勞本了解疲勞各階段的物理過程，對認(rèn)識疲勞本質(zhì)、分析疲勞原因，采取強韌化措施，延長疲勞質(zhì)、分析疲勞原因，采取強韌化措施，延長疲勞壽命都是很有意義的。壽命都是很有意義的。51 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

30、觀疲勞裂紋是由宏觀疲勞裂紋是由微觀裂紋的形成、長大及微觀裂紋的形成、長大及連接而成的連接而成的，常將，常將0.050.1mm的裂紋定為疲勞的裂紋定為疲勞裂紋核，并由此確定疲勞裂紋萌生期。裂紋核，并由此確定疲勞裂紋萌生期。 疲勞微觀裂紋都是疲勞微觀裂紋都是由不均勻的局部滑移和顯由不均勻的局部滑移和顯微開裂引起的微開裂引起的，主要方式有，主要方式有表面滑移帶開裂，第表面滑移帶開裂，第二相、夾雜物或其界面開裂，晶界或亞晶界開裂二相、夾雜物或其界面開裂，晶界或亞晶界開裂等。等。52 （一）疲勞源區(qū)一般位于金屬的表面，即（一）疲勞源區(qū)一般位于金屬的表面，即疲勞疲勞斷裂一般從表面開始。其原因主要是斷裂一般

31、從表面開始。其原因主要是： 1、在變形時，表面一側(cè)不受約束，呈平面應(yīng)、在變形時，表面一側(cè)不受約束，呈平面應(yīng)力狀態(tài)，力狀態(tài)，易于屈服易于屈服，造成疲勞損傷。，造成疲勞損傷。 2、許多加載條件下，金屬、許多加載條件下，金屬表面所受應(yīng)力最大表面所受應(yīng)力最大。如彎曲、扭轉(zhuǎn)，拉拉、拉壓加載的偏斜。如彎曲、扭轉(zhuǎn)，拉拉、拉壓加載的偏斜。 3、加工刀痕及各種因素引起的應(yīng)力集中也使、加工刀痕及各種因素引起的應(yīng)力集中也使最大應(yīng)力集中在表面最大應(yīng)力集中在表面。 4、表面直接與大氣或腐蝕性介質(zhì)接觸表面直接與大氣或腐蝕性介質(zhì)接觸也促使也促使裂紋萌生。裂紋萌生。53 （二）疲勞裂紋的萌生，其基本過程均是位錯（二）疲勞裂紋

32、的萌生，其基本過程均是位錯在交變應(yīng)力作用下的往復(fù)滑移。交變應(yīng)力作用下的在交變應(yīng)力作用下的往復(fù)滑移。交變應(yīng)力作用下的滑移與單調(diào)加載時的滑移相比有以下特點：滑移與單調(diào)加載時的滑移相比有以下特點： 1、形成駐留滑移帶形成駐留滑移帶：在交變載荷作用下，永：在交變載荷作用下，永留或能再現(xiàn)的循環(huán)滑移帶。只產(chǎn)生在表面，而不在留或能再現(xiàn)的循環(huán)滑移帶。只產(chǎn)生在表面，而不在試樣內(nèi)部?？赡馨l(fā)展為裂紋。知識拓展試樣內(nèi)部。可能發(fā)展為裂紋。知識拓展 2、擠出脊和擠入溝擠出脊和擠入溝：是在交變應(yīng)力的作用下：是在交變應(yīng)力的作用下位錯反復(fù)滑移的結(jié)果?？赡馨l(fā)展為裂紋。其形貌和位錯反復(fù)滑移的結(jié)果?？赡馨l(fā)展為裂紋。其形貌和形成過程見

33、圖形成過程見圖5-22、5-23。54 3、疲勞裂紋萌生疲勞裂紋萌生：滑移帶開裂萌生裂紋，相：滑移帶開裂萌生裂紋，相界面開裂萌生裂紋，晶界開裂萌生裂紋。界面開裂萌生裂紋，晶界開裂萌生裂紋。 晶界處開裂：晶界就是面缺陷；位錯運動易晶界處開裂：晶界就是面缺陷；位錯運動易發(fā)生塞積，出現(xiàn)應(yīng)力集中，晶界開裂。發(fā)生塞積，出現(xiàn)應(yīng)力集中，晶界開裂。 相界面開裂：兩相（包括第二相、夾雜）間相界面開裂：兩相（包括第二相、夾雜）間的結(jié)合力差，各相的形變速率不同，易在相結(jié)合的結(jié)合力差，各相的形變速率不同，易在相結(jié)合處或弱相內(nèi)出現(xiàn)開裂。處或弱相內(nèi)出現(xiàn)開裂。 如圖所示如圖所示 只有首先達(dá)到臨界尺寸的裂紋核，才能繼續(xù)長只有

34、首先達(dá)到臨界尺寸的裂紋核，才能繼續(xù)長大。大。55 二、疲勞裂紋擴展過程及機理二、疲勞裂紋擴展過程及機理 1、疲勞裂紋的擴展疲勞裂紋的擴展：可分為兩個階段，如圖：可分為兩個階段，如圖所示。所示。 第一階段第一階段： 從表面?zhèn)€別侵入溝（或擠出脊）先形成微裂從表面?zhèn)€別侵入溝（或擠出脊）先形成微裂紋，然后裂紋主要沿主滑移系方向，沿最大切應(yīng)紋，然后裂紋主要沿主滑移系方向，沿最大切應(yīng)力的晶面以純剪切方式向內(nèi)擴展。力的晶面以純剪切方式向內(nèi)擴展。 裂紋擴展速率很低，每個應(yīng)力循環(huán)約有裂紋擴展速率很低，每個應(yīng)力循環(huán)約有0.1微微米數(shù)量級的擴展率，深度約有米數(shù)量級的擴展率，深度約有23個晶粒。個晶粒。56 因各晶粒

35、的位向不同和晶界的阻礙作用，因各晶粒的位向不同和晶界的阻礙作用，裂紋的方向逐漸轉(zhuǎn)向和主應(yīng)力垂直。裂紋的方向逐漸轉(zhuǎn)向和主應(yīng)力垂直。 有應(yīng)力集中時不出現(xiàn)第一階段，直接進(jìn)入有應(yīng)力集中時不出現(xiàn)第一階段，直接進(jìn)入第二階段。第二階段。 許多鐵合金、鋁合金中可觀察到此階段裂許多鐵合金、鋁合金中可觀察到此階段裂紋擴展，但缺口試樣中可能觀察不到。紋擴展，但缺口試樣中可能觀察不到。57 第二階段第二階段： 裂紋的擴展方向和主應(yīng)力垂直。裂紋的擴展方向和主應(yīng)力垂直。 此階段裂紋擴展較快，此階段裂紋擴展較快，da/dN在微米數(shù)量級。在微米數(shù)量級。 可以穿晶擴展。可以穿晶擴展。 顯微斷口上看到的顯微斷口上看到的疲勞輝紋疲

36、勞輝紋（圖）（圖）（疲勞條疲勞條帶帶、疲勞條紋疲勞條紋）就是在這一階段形成的；）就是在這一階段形成的；一條輝一條輝紋就是一次循環(huán)的結(jié)果紋就是一次循環(huán)的結(jié)果；這種輝紋經(jīng)常作為判斷這種輝紋經(jīng)常作為判斷零件是否為疲勞斷裂的有利證據(jù)零件是否為疲勞斷裂的有利證據(jù)。 58 2 2、疲勞輝紋、疲勞輝紋 疲勞輝紋主要有：疲勞輝紋主要有：塑性輝紋塑性輝紋和和脆性輝紋脆性輝紋（解理輝紋）兩種。（解理輝紋）兩種。 疲勞輝紋的疲勞輝紋的形成機理形成機理：見圖：見圖5-26。 兩種輝紋的兩種輝紋的區(qū)別區(qū)別：脆性輝紋出現(xiàn)在解理平：脆性輝紋出現(xiàn)在解理平面上，河流花樣的放射線和輝紋相交并近似垂直。面上，河流花樣的放射線和輝紋

37、相交并近似垂直。 有些疲勞斷口上看不到疲勞輝紋有些疲勞斷口上看不到疲勞輝紋。59 貝紋線和疲勞輝紋的區(qū)別：貝紋線和疲勞輝紋的區(qū)別： 形成原因不同形成原因不同。 貝紋線貝紋線是交變應(yīng)力的頻率、幅度變化或載是交變應(yīng)力的頻率、幅度變化或載荷停歇等原因造成的。荷停歇等原因造成的。 疲勞輝紋疲勞輝紋是一次交變應(yīng)力循環(huán)使裂紋尖端是一次交變應(yīng)力循環(huán)使裂紋尖端塑性鈍化形成的。塑性鈍化形成的。 二者可以同時出現(xiàn)，也可以不同時出現(xiàn)二者可以同時出現(xiàn)，也可以不同時出現(xiàn)。 有時在宏觀斷口上看不到貝紋線；有時在宏觀斷口上看不到貝紋線； 在電子顯微鏡下也不一定看到疲勞輝紋。在電子顯微鏡下也不一定看到疲勞輝紋。605 55

38、5影響疲勞強度的主要因素影響疲勞強度的主要因素 外因有：外因有： 應(yīng)力交變頻率、使用溫度（含熱疲勞）、環(huán)境應(yīng)力交變頻率、使用溫度（含熱疲勞）、環(huán)境介質(zhì)、表面因素和尺寸因素、殘余應(yīng)力及表面強化。介質(zhì)、表面因素和尺寸因素、殘余應(yīng)力及表面強化。 內(nèi)因有：內(nèi)因有： 合金成分（主要是含碳量，合金元素是通過提合金成分（主要是含碳量，合金元素是通過提高淬透性來提高疲勞極限的）、金相組織（晶粒大高淬透性來提高疲勞極限的）、金相組織（晶粒大小、不同組織）、夾雜物、纖維方向等。小、不同組織）、夾雜物、纖維方向等。61 一、表面狀態(tài)的影響一、表面狀態(tài)的影響 1、應(yīng)力集中、應(yīng)力集中 機件表面的缺口應(yīng)力集中，往往是引起

39、疲勞機件表面的缺口應(yīng)力集中，往往是引起疲勞破壞的主要原因。破壞的主要原因。 表面的微觀幾何形狀，如刀痕、擦傷和磨裂表面的微觀幾何形狀，如刀痕、擦傷和磨裂等，都能像微小而鋒利的缺口一樣，引起應(yīng)力集等，都能像微小而鋒利的缺口一樣，引起應(yīng)力集中，降低疲勞極限。中，降低疲勞極限。62 2、表面粗糙度表面粗糙度 表面粗糙度越低，材料的疲勞極限越高；表面粗糙度越低，材料的疲勞極限越高； 表面粗糙度越高，材料的疲勞極限越低；表面粗糙度越高，材料的疲勞極限越低； 材料強度越高，表面粗糙度對疲勞極限的材料強度越高，表面粗糙度對疲勞極限的影響越顯著。影響越顯著。 表面脫碳、氧化等缺陷也會降低疲勞強度。表面脫碳、氧

40、化等缺陷也會降低疲勞強度。63 二、殘余應(yīng)力及表面強化的影響二、殘余應(yīng)力及表面強化的影響 殘余應(yīng)力可以與外加工作應(yīng)力疊加，構(gòu)成合殘余應(yīng)力可以與外加工作應(yīng)力疊加，構(gòu)成合成總應(yīng)力：如圖所示成總應(yīng)力：如圖所示 疊加殘余壓應(yīng)力，總應(yīng)力減小，疊加殘余拉疊加殘余壓應(yīng)力，總應(yīng)力減小，疊加殘余拉應(yīng)力，總應(yīng)力增大。應(yīng)力，總應(yīng)力增大。 因此，機件表面殘余應(yīng)力狀態(tài)對疲勞強度因此，機件表面殘余應(yīng)力狀態(tài)對疲勞強度（主要低應(yīng)力高周疲勞強度）有顯著影響。（主要低應(yīng)力高周疲勞強度）有顯著影響。 殘余壓應(yīng)力殘余壓應(yīng)力提高疲勞強度提高疲勞強度； 殘余拉應(yīng)力殘余拉應(yīng)力降低疲勞強度降低疲勞強度。64 表面強化處理表面強化處理可在機件

41、表面產(chǎn)生有利的殘余壓應(yīng)力，同可在機件表面產(chǎn)生有利的殘余壓應(yīng)力，同時還能提高機件表面的強度和硬度，從而提高疲勞強度。時還能提高機件表面的強度和硬度，從而提高疲勞強度。 表面強化方法包括：表面強化方法包括： (1)(1)表面噴丸及滾壓表面噴丸及滾壓 噴丸噴丸是用壓縮空氣將堅硬的彈丸高速噴打向機件表面，是用壓縮空氣將堅硬的彈丸高速噴打向機件表面，使機件表面產(chǎn)生局部形變強化，同時因塑變層周圍的彈性約使機件表面產(chǎn)生局部形變強化，同時因塑變層周圍的彈性約束，又在塑變層內(nèi)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。束，又在塑變層內(nèi)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。 噴丸強化的效果與被噴的材料強度有關(guān)，噴丸強化的效果與被噴的材料強度有關(guān)，材料強度越高材料

42、強度越高，噴丸效果越好，噴丸效果越好，所以一般機件的噴丸總是在熱處理強化后進(jìn)所以一般機件的噴丸總是在熱處理強化后進(jìn)行行。 表面滾壓表面滾壓和噴丸的作用相似，但是其壓應(yīng)力層深度較大，和噴丸的作用相似，但是其壓應(yīng)力層深度較大，很適用于大工件，而且表面粗糙度低時，強化效果更好。很適用于大工件，而且表面粗糙度低時，強化效果更好。65 (2) (2) 表面熱處理及化學(xué)熱處理表面熱處理及化學(xué)熱處理 表面淬火表面淬火包括火焰加熱淬火、感應(yīng)加熱淬火包括火焰加熱淬火、感應(yīng)加熱淬火和低淬透性鋼的整體加熱薄殼淬火等。和低淬透性鋼的整體加熱薄殼淬火等。 表面化學(xué)熱處理表面化學(xué)熱處理：滲碳、滲氮、碳氮共滲等。滲碳、滲氮

43、、碳氮共滲等。它們都是利用組織相變獲得表面強化的工藝方法，它們都是利用組織相變獲得表面強化的工藝方法，也是常用的表面強化方法。也是常用的表面強化方法。 在有效提高疲勞強度和疲勞壽命的同時，可在有效提高疲勞強度和疲勞壽命的同時，可提高提高表面耐磨性和耐蝕性表面耐磨性和耐蝕性。66 三、材料成分及組織的影響三、材料成分及組織的影響 1 1、合金成分、合金成分 合金成分是決定材料組織結(jié)構(gòu)的基本要素。合金成分是決定材料組織結(jié)構(gòu)的基本要素。在各種結(jié)構(gòu)工程材料中，結(jié)構(gòu)鋼的疲勞強度最高，在各種結(jié)構(gòu)工程材料中，結(jié)構(gòu)鋼的疲勞強度最高，所以應(yīng)用十分廣泛，這類鋼中碳是影響疲勞強度所以應(yīng)用十分廣泛，這類鋼中碳是影響疲

44、勞強度的重要元素。的重要元素。 碳既可間隙固溶形成基體，又可形成彌散碳碳既可間隙固溶形成基體，又可形成彌散碳化物進(jìn)行彌散強化，提高材料的形變抗力，阻止化物進(jìn)行彌散強化，提高材料的形變抗力，阻止循環(huán)滑移帶的形成和開裂，從而阻止疲勞裂紋的循環(huán)滑移帶的形成和開裂，從而阻止疲勞裂紋的萌生和提高疲勞強度。萌生和提高疲勞強度。67 2 2、顯微組織、顯微組織 細(xì)化晶?？梢蕴岣卟牧系钠趶姸燃?xì)化晶?？梢蕴岣卟牧系钠趶姸?。 結(jié)構(gòu)鋼的熱處理組織也影響疲勞強度。結(jié)構(gòu)鋼的熱處理組織也影響疲勞強度。正火正火組織組織因碳化物為片狀，其疲勞強度最低，因碳化物為片狀，其疲勞強度最低，淬火回淬火回火組織火組織因碳化物為粒狀

45、，其疲勞強度比正火的高。因碳化物為粒狀，其疲勞強度比正火的高。 3 3、非金屬夾雜物及冶金缺陷、非金屬夾雜物及冶金缺陷 非金屬夾雜物是鋼在冶煉時形成的，它對疲非金屬夾雜物是鋼在冶煉時形成的，它對疲勞強度有明顯的影響，減少夾雜物的數(shù)量及尺寸勞強度有明顯的影響，減少夾雜物的數(shù)量及尺寸都能有效提高疲勞強度；都能有效提高疲勞強度； 氣孔、縮孔、偏析、折疊等冶金缺陷，會降氣孔、縮孔、偏析、折疊等冶金缺陷，會降低機件的疲勞強度。低機件的疲勞強度。685 56 6 低周疲勞低周疲勞 一、低周疲勞一、低周疲勞 研究飛機、艦船、橋梁、原子反應(yīng)堆裝置及建研究飛機、艦船、橋梁、原子反應(yīng)堆裝置及建筑設(shè)備的斷裂時發(fā)現(xiàn)：

46、在較高應(yīng)力和較少循環(huán)次數(shù)筑設(shè)備的斷裂時發(fā)現(xiàn)：在較高應(yīng)力和較少循環(huán)次數(shù)下也會發(fā)生疲勞斷裂。下也會發(fā)生疲勞斷裂。 材料在循環(huán)載荷作用下，疲勞壽命為材料在循環(huán)載荷作用下，疲勞壽命為102105次的疲勞斷裂稱為次的疲勞斷裂稱為低周疲勞低周疲勞。 機件受循環(huán)應(yīng)力作用，缺口根部則受循環(huán)塑性機件受循環(huán)應(yīng)力作用，缺口根部則受循環(huán)塑性應(yīng)變作用，疲勞裂紋總在缺口根部形成，所以這種應(yīng)變作用，疲勞裂紋總在缺口根部形成，所以這種疲勞也稱疲勞也稱塑性疲勞或應(yīng)變疲勞塑性疲勞或應(yīng)變疲勞。69 1 1、低周疲勞的特點、低周疲勞的特點 局部產(chǎn)生宏觀變形，應(yīng)力與應(yīng)變之間呈非局部產(chǎn)生宏觀變形，應(yīng)力與應(yīng)變之間呈非線性線性。如圖所示。如

47、圖所示 總應(yīng)變總應(yīng)變t=e+p 用用t/2N或或p /2N描敘疲勞規(guī)律描敘疲勞規(guī)律。 裂紋成核期短，裂紋成核期短，有多個裂紋源。有多個裂紋源。因應(yīng)力大，因應(yīng)力大，裂紋容易形核，形核期只占總壽命的裂紋容易形核，形核期只占總壽命的10%。疲勞。疲勞條帶較粗，間距寬，常常不連續(xù)。條帶較粗，間距寬，常常不連續(xù)。 斷口斷口呈韌窩狀、輪胎花樣狀。呈韌窩狀、輪胎花樣狀。 疲勞壽命取決于塑性應(yīng)變幅疲勞壽命取決于塑性應(yīng)變幅。70 2、金屬的循環(huán)硬化與循環(huán)軟化、金屬的循環(huán)硬化與循環(huán)軟化 定義與特點定義與特點 如果金屬材料在如果金屬材料在恒定應(yīng)變范圍循環(huán)作用恒定應(yīng)變范圍循環(huán)作用下，隨下，隨著循環(huán)周次的增加，其應(yīng)力（

48、形變抗力）不斷增加，著循環(huán)周次的增加，其應(yīng)力（形變抗力）不斷增加，稱為稱為循環(huán)硬化循環(huán)硬化，如果在循環(huán)過程中，應(yīng)力逐漸減小，如果在循環(huán)過程中，應(yīng)力逐漸減小，則為則為循環(huán)軟化循環(huán)軟化。 應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變滯后回線應(yīng)變滯后回線，只有在應(yīng)力循環(huán)達(dá)到一，只有在應(yīng)力循環(huán)達(dá)到一定周期后，才是閉合的，即：達(dá)到循環(huán)穩(wěn)定態(tài)。定周期后，才是閉合的，即：達(dá)到循環(huán)穩(wěn)定態(tài)。 循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線高于單次應(yīng)力高于單次應(yīng)力應(yīng)變曲線，應(yīng)變曲線，則是循環(huán)硬化，反之為循環(huán)軟化。如圖所示則是循環(huán)硬化，反之為循環(huán)軟化。如圖所示71 循環(huán)軟化的循環(huán)軟化的危害危害 使材料的形變抗力下降，導(dǎo)致工件產(chǎn)生過量使材料的形變抗力下降，導(dǎo)致工

49、件產(chǎn)生過量的塑性變形而失效。的塑性變形而失效。 原因原因 決定于材料的初始狀態(tài)，工件結(jié)構(gòu)特性；應(yīng)決定于材料的初始狀態(tài)，工件結(jié)構(gòu)特性；應(yīng)變幅，溫度等。變幅，溫度等。 Rm /Rel (b/s )1.4：循環(huán)硬化：循環(huán)硬化 Rm /Rel (b/s ) 1.2：循環(huán)軟化：循環(huán)軟化 微觀原因：位錯的循環(huán)運動；相變強化；應(yīng)微觀原因：位錯的循環(huán)運動；相變強化；應(yīng)力松馳。力松馳。72 3、低周疲勞的應(yīng)變、低周疲勞的應(yīng)變-壽命曲線壽命曲線 曼森（曼森（S. S. Manson）和柯芬（）和柯芬（L. F. Coffin）分析了低周疲勞的實驗結(jié)果和規(guī)律，提出了低周分析了低周疲勞的實驗結(jié)果和規(guī)律，提出了低周疲勞

50、壽命的公式：疲勞壽命的公式： 上式右邊兩項是兩條直線，分別代表彈性應(yīng)變上式右邊兩項是兩條直線，分別代表彈性應(yīng)變幅幅-壽命線和塑性應(yīng)變幅壽命線和塑性應(yīng)變幅-壽命線。壽命線。 其 中 表 示 塑 性 應(yīng) 變 幅其 中 表 示 塑 性 應(yīng) 變 幅 - 壽 命 關(guān) 系 的 公壽 命 關(guān) 系 的 公式式 ，通常稱為，通常稱為曼森曼森-柯芬公式柯芬公式。 兩條直線迭加，就得到總應(yīng)變幅兩條直線迭加，就得到總應(yīng)變幅-壽命曲線。圖壽命曲線。圖73 兩條直線斜率不同，故存在一個交點，交點兩條直線斜率不同，故存在一個交點，交點對應(yīng)的壽命稱為對應(yīng)的壽命稱為過渡壽命過渡壽命(2Nf)t； 在交點左側(cè)的低周疲勞范圍內(nèi)，塑

51、性應(yīng)變幅在交點左側(cè)的低周疲勞范圍內(nèi)，塑性應(yīng)變幅起主導(dǎo)作用，材料的疲勞壽命由起主導(dǎo)作用，材料的疲勞壽命由塑性塑性控制；控制； 在交點右側(cè)的高周疲勞范圍內(nèi)，彈性應(yīng)變幅在交點右側(cè)的高周疲勞范圍內(nèi)，彈性應(yīng)變幅起主導(dǎo)作用，材料的疲勞壽命由起主導(dǎo)作用，材料的疲勞壽命由強度強度決定。決定。 所以選擇機件材料和決定工藝時，要區(qū)分機所以選擇機件材料和決定工藝時，要區(qū)分機件的服役條件是哪一類疲勞，如屬高周疲勞，應(yīng)件的服役條件是哪一類疲勞，如屬高周疲勞，應(yīng)主要考慮材料強度，如屬低周疲勞，則應(yīng)在保持主要考慮材料強度，如屬低周疲勞，則應(yīng)在保持一定強度基礎(chǔ)上盡量選用塑性好的材料。一定強度基礎(chǔ)上盡量選用塑性好的材料。74

52、為了應(yīng)用更方便，曼森研究發(fā)現(xiàn)總應(yīng)變?yōu)榱藨?yīng)用更方便，曼森研究發(fā)現(xiàn)總應(yīng)變幅幅 與疲勞斷裂壽命與疲勞斷裂壽命2Nf間存在下列關(guān)系：間存在下列關(guān)系： 因此，只要知道材料的靜拉伸性能因此，只要知道材料的靜拉伸性能b、E、斷裂真應(yīng)變斷裂真應(yīng)變ef（或斷面收縮率（或斷面收縮率），就可求出材），就可求出材料光滑試樣完全對稱循環(huán)下的低周疲勞壽命曲料光滑試樣完全對稱循環(huán)下的低周疲勞壽命曲線。線。 這種預(yù)測低周疲勞壽命的方法，稱為這種預(yù)測低周疲勞壽命的方法，稱為斜率斜率法法。75 二、熱疲勞二、熱疲勞 1、定義定義：溫度循環(huán)變化時產(chǎn)生的循環(huán)熱應(yīng)力及熱應(yīng)：溫度循環(huán)變化時產(chǎn)生的循環(huán)熱應(yīng)力及熱應(yīng)變作用下發(fā)生的疲勞，稱為變

53、作用下發(fā)生的疲勞，稱為熱疲勞熱疲勞。若溫度循環(huán)和機械。若溫度循環(huán)和機械應(yīng)力循環(huán)疊加所引起的疲勞，稱為應(yīng)力循環(huán)疊加所引起的疲勞，稱為熱機械疲勞熱機械疲勞。 2、產(chǎn)生熱應(yīng)力的、產(chǎn)生熱應(yīng)力的條件條件： 溫度變化溫度變化：溫度變化使材料產(chǎn)生膨脹收縮。：溫度變化使材料產(chǎn)生膨脹收縮。 機械約束機械約束： 內(nèi)部約束：機件截面存在溫度差，一部分約束另一內(nèi)部約束：機件截面存在溫度差，一部分約束另一部分，產(chǎn)生熱應(yīng)力。部分，產(chǎn)生熱應(yīng)力。 外部約束：不讓材料自由膨脹如管道溫度升高時，外部約束：不讓材料自由膨脹如管道溫度升高時，剛性支撐約束管道膨脹。剛性支撐約束管道膨脹。 熱應(yīng)變熱應(yīng)變：導(dǎo)致裂紋的萌生，擴展：導(dǎo)致裂紋的

54、萌生，擴展76 3、原因：熱疲勞和熱機械疲勞破壞也是塑性、原因：熱疲勞和熱機械疲勞破壞也是塑性應(yīng)變累積損傷的結(jié)果。應(yīng)變累積損傷的結(jié)果。 4、裂紋的形成與擴展：熱疲勞裂紋在表面應(yīng)、裂紋的形成與擴展：熱疲勞裂紋在表面應(yīng)力最大處形成，裂紋源有幾個，裂紋的擴展方向力最大處形成，裂紋源有幾個，裂紋的擴展方向垂直于表面，并向縱深方向擴展導(dǎo)致斷裂。垂直于表面，并向縱深方向擴展導(dǎo)致斷裂。 5 、衡量標(biāo)準(zhǔn)、衡量標(biāo)準(zhǔn) 一定溫度幅，產(chǎn)生一定尺寸疲勞裂紋的循環(huán)一定溫度幅，產(chǎn)生一定尺寸疲勞裂紋的循環(huán)次數(shù)。次數(shù)。77 6、熱疲勞的特點是：龜裂，如圖所示。、熱疲勞的特點是：龜裂，如圖所示。 7、影響因素：、影響因素： 材料

55、的熱性能（熱傳導(dǎo)、比熱容等）、力學(xué)材料的熱性能（熱傳導(dǎo)、比熱容等）、力學(xué)性能（彈性模量、屈服強度等）、密度、幾何因性能（彈性模量、屈服強度等）、密度、幾何因素素簡介熱鍛模具鋼的化學(xué)成分要求。簡介熱鍛模具鋼的化學(xué)成分要求。 8、提高熱疲勞抗力的主要途徑：、提高熱疲勞抗力的主要途徑： 盡可能地減少，甚至消除應(yīng)力集中和應(yīng)變盡可能地減少，甚至消除應(yīng)力集中和應(yīng)變集中。提高高溫強度。減小線膨脹系數(shù)，增集中。提高高溫強度。減小線膨脹系數(shù)，增加導(dǎo)熱系數(shù)。提高局部塑性，以迅速消除應(yīng)力加導(dǎo)熱系數(shù)。提高局部塑性，以迅速消除應(yīng)力集中。集中。 使用時要減小熱沖擊。使用時要減小熱沖擊。78 三、沖擊疲勞三、沖擊疲勞 1、

56、沖擊疲勞沖擊疲勞是機件在重復(fù)沖擊載荷作用下的是機件在重復(fù)沖擊載荷作用下的疲勞斷裂。疲勞斷裂。 試驗表明：試驗表明： 當(dāng)試樣于破壞前承受的沖擊次數(shù)較少時，當(dāng)試樣于破壞前承受的沖擊次數(shù)較少時，5001000次次，試樣斷裂的原因與一次沖擊相同；，試樣斷裂的原因與一次沖擊相同； 當(dāng)當(dāng)沖擊次數(shù)沖擊次數(shù)N105次次時，破壞后具有典型的疲時，破壞后具有典型的疲勞斷口，屬于疲勞斷裂，為勞斷口，屬于疲勞斷裂，為沖擊疲勞沖擊疲勞。79 2、沖擊疲勞曲線沖擊疲勞曲線 沖擊疲勞試驗是在多次沖擊試驗機上進(jìn)行的。沖擊疲勞試驗是在多次沖擊試驗機上進(jìn)行的。根據(jù)試驗結(jié)果繪制根據(jù)試驗結(jié)果繪制沖擊吸收功沖擊吸收功A沖斷次數(shù)沖斷次數(shù)

57、N之間之間的關(guān)系曲線。試驗表明：該曲線與一般疲勞曲線的關(guān)系曲線。試驗表明：該曲線與一般疲勞曲線相似，可以確定沖擊疲勞極限。相似，可以確定沖擊疲勞極限。 材料的沖擊疲勞抗力也可用材料的沖擊疲勞抗力也可用一定沖擊能量下一定沖擊能量下的沖斷周次的沖斷周次N或用或用要求的沖斷次數(shù)時的沖斷能量要求的沖斷次數(shù)時的沖斷能量來表示（簡便易行，故應(yīng)用較廣）。來表示（簡便易行，故應(yīng)用較廣）。80 3、沖擊疲勞的、沖擊疲勞的特點特點 試驗表明，沖擊疲勞抗力是一個取決于強度試驗表明，沖擊疲勞抗力是一個取決于強度和塑性的綜合性能，具有以下特點：和塑性的綜合性能，具有以下特點： 沖擊能量沖擊能量高高時，材料的沖擊疲勞抗力

58、主要時，材料的沖擊疲勞抗力主要取決于塑性取決于塑性；沖擊能量沖擊能量低低時，材料的沖擊疲勞抗時，材料的沖擊疲勞抗力主要取決于強度力主要取決于強度。從此可以看出，不能僅根據(jù)。從此可以看出，不能僅根據(jù)工件承受沖擊就要求高的沖擊吸收功。工件承受沖擊就要求高的沖擊吸收功。 不同的沖擊能量要求不同的沖擊能量要求不同的強度與塑性配不同的強度與塑性配合合。淬火回火鋼的沖擊疲勞抗力隨回火溫度的變。淬火回火鋼的沖擊疲勞抗力隨回火溫度的變化有一峰值，該峰值隨沖擊能量的增加向高溫方化有一峰值，該峰值隨沖擊能量的增加向高溫方向移動。向移動。81 沖擊韌度對沖擊疲勞抗力的影響沖擊韌度對沖擊疲勞抗力的影響因材料的強因材料

59、的強度水平不同而異度水平不同而異。 高強度鋼和超高強度鋼高強度鋼和超高強度鋼的塑性和沖擊韌度對沖的塑性和沖擊韌度對沖擊疲勞抗力有較大影響。（因其強度高、沖擊韌度擊疲勞抗力有較大影響。（因其強度高、沖擊韌度低，適當(dāng)提高韌度對提高沖擊疲勞抗力的影響較突低，適當(dāng)提高韌度對提高沖擊疲勞抗力的影響較突出）。出）。 中、低強度鋼中、低強度鋼的塑性和沖擊韌度對沖擊疲勞抗的塑性和沖擊韌度對沖擊疲勞抗力的影響較小。（因其沖擊韌度已經(jīng)比較高，在增力的影響較小。（因其沖擊韌度已經(jīng)比較高，在增加加Ak值對提高沖擊疲勞抗力已影響較不大）值對提高沖擊疲勞抗力已影響較不大）82作業(yè)作業(yè)P P126 126 1. 1. 4；

60、 9；128384轉(zhuǎn)軸類對稱交變應(yīng)力轉(zhuǎn)軸類對稱交變應(yīng)力85應(yīng)力幅值為應(yīng)力幅值為0 0的靜力作用的靜力作用868788海灘海灘1海灘海灘28990 對第二、第三種情形，都對第二、第三種情形，都是沿著最大切應(yīng)力平面斷裂。是沿著最大切應(yīng)力平面斷裂。從理論上看，從理論上看，一般材料的剪切一般材料的剪切強度都低于材料自身的拉斷強強度都低于材料自身的拉斷強度度。而對扭轉(zhuǎn)軸，在表面上的。而對扭轉(zhuǎn)軸，在表面上的拉應(yīng)力和剪切力在數(shù)值上相等。拉應(yīng)力和剪切力在數(shù)值上相等。之所以之所以出現(xiàn)第一種斷裂型式，出現(xiàn)第一種斷裂型式，是由于零件表面存在刀痕或損是由于零件表面存在刀痕或損傷以及材料內(nèi)部有缺陷而造成傷以及材料內(nèi)部有