材料的力學(xué)性能材料的疲勞

1、2 2 疲勞與斷裂疲勞與斷裂 2007年11月2日，一架美軍 F-15C鷹式戰(zhàn)斗機(jī)在做空中纏斗飛行訓(xùn)練時(shí)，飛機(jī)突然凌空解體，一份調(diào)查結(jié)果表明，飛機(jī)的關(guān)鍵支撐構(gòu)件桁梁出現(xiàn)了金屬疲勞問題。 2002年5月25日，臺(tái)灣華航的一架波音747客機(jī)在執(zhí)行臺(tái)北到香港的CI611航班途中，墜毀于澎湖外海，機(jī)上225名乘客與機(jī)組人員全部遇難。經(jīng)調(diào)查證實(shí)，失事原因是金屬疲勞斷裂，金屬疲勞裂紋竟源自1980年2月7日飛機(jī)起飛時(shí)擦地產(chǎn)生的刮痕。后來飛機(jī)進(jìn)行維修時(shí)，刮痕并未刨光即補(bǔ)上補(bǔ)釘，金屬疲勞裂紋就沿著刮痕產(chǎn)生。 疲勞通常指材料在受到變動(dòng)（載荷）應(yīng)力（一般低于疲勞通常指材料在受到變動(dòng)（載荷）應(yīng)力（一般低于屈服應(yīng)力）

2、作用下的行為。屈服應(yīng)力）作用下的行為。在變動(dòng)載荷下工作的機(jī)件，如在變動(dòng)載荷下工作的機(jī)件，如軸、齒輪和彈簧等，其主要的破壞形式是疲勞斷裂。疲勞軸、齒輪和彈簧等，其主要的破壞形式是疲勞斷裂。疲勞斷裂是指機(jī)件在變動(dòng)載荷作用下經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間工作發(fā)生的斷斷裂是指機(jī)件在變動(dòng)載荷作用下經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間工作發(fā)生的斷裂現(xiàn)象。裂現(xiàn)象。 在各類機(jī)件破壞中有在各類機(jī)件破壞中有80-90%80-90%是疲勞斷裂，而且疲勞斷是疲勞斷裂，而且疲勞斷裂多是在沒有征兆的情況下突然發(fā)生的，所以危害性很大。裂多是在沒有征兆的情況下突然發(fā)生的，所以危害性很大。金屬的疲勞斷裂是材料科學(xué)的重要領(lǐng)域之一，一直受到材金屬的疲勞斷裂是材料科學(xué)的重要領(lǐng)域

3、之一，一直受到材料科學(xué)工作者的極大關(guān)注料科學(xué)工作者的極大關(guān)注。 2.1 2.1 疲勞疲勞 變動(dòng)載荷變動(dòng)載荷 機(jī)件承受的變動(dòng)載荷（應(yīng)力）是指載荷大小或大小和方向機(jī)件承受的變動(dòng)載荷（應(yīng)力）是指載荷大小或大小和方向隨時(shí)間按一定規(guī)律變化或呈無規(guī)則隨機(jī)變化的載荷，前者稱隨時(shí)間按一定規(guī)律變化或呈無規(guī)則隨機(jī)變化的載荷，前者稱為周期變動(dòng)載荷，后者稱為隨即變動(dòng)載荷。為周期變動(dòng)載荷，后者稱為隨即變動(dòng)載荷。 周期變動(dòng)載荷又分交變載荷和重復(fù)載荷兩類。交變載荷是周期變動(dòng)載荷又分交變載荷和重復(fù)載荷兩類。交變載荷是大小、方向均隨時(shí)間作周期變化的變動(dòng)載荷；重復(fù)載荷是載大小、方向均隨時(shí)間作周期變化的變動(dòng)載荷；重復(fù)載荷是載荷大小

4、作周期變化，但載荷方向不變的變動(dòng)載荷。荷大小作周期變化，但載荷方向不變的變動(dòng)載荷。 變動(dòng)載荷變動(dòng)載荷 周期變動(dòng)載荷又稱為循環(huán)應(yīng)力。它可以看成是由恒定的平均應(yīng)力sm和變動(dòng)的應(yīng)力半幅sa疊加而成，即在應(yīng)力變化過程中，應(yīng)力s與時(shí)間t存在如下關(guān)系： s= sm+saf(t) 最大應(yīng)力最大應(yīng)力s smax 循環(huán)應(yīng)力中數(shù)值最大的應(yīng)力；最小應(yīng)力最小應(yīng)力s smin 循環(huán)應(yīng)力中數(shù)值最小的應(yīng)力；平均應(yīng)力平均應(yīng)力s sm 循環(huán)應(yīng)力中的應(yīng)力不變部分：sm =（smax +smin）/2 應(yīng)力半幅應(yīng)力半幅s sa 循環(huán)應(yīng)力中的應(yīng)力變動(dòng)部分的幅值:sa =（smaxsmin）/2 應(yīng)力循環(huán)對(duì)稱系數(shù)（應(yīng)力比）應(yīng)力循環(huán)對(duì)稱

5、系數(shù)（應(yīng)力比）r 應(yīng)力循環(huán)的部對(duì)稱程度: r = smin /smax 2.1 2.1 疲勞疲勞 2.1.1 疲勞斷裂的特點(diǎn)疲勞斷裂的特點(diǎn) 1、疲勞斷裂是低應(yīng)力脆性斷裂，一般是在低于屈服應(yīng)力之下發(fā)生的，斷裂是突然的，沒有預(yù)先征兆，看不到宏觀塑性變形，危害性比較大。2、疲勞破壞是長(zhǎng)期的過程，在交變應(yīng)力作用下，金屬材料往往要經(jīng)過幾百次，甚至幾百萬次循環(huán)才能產(chǎn)生破壞。在疲勞斷裂過程中，金屬材料的內(nèi)部組織在局部區(qū)域內(nèi)逐漸發(fā)生變化。這種變化使材料受到損傷，并逐漸積累起來，當(dāng)其達(dá)到一定程度后便發(fā)生疲勞斷裂。因此疲勞斷裂是一個(gè)損傷積累過程，并且損傷是從局部區(qū)域開始的。3、當(dāng)應(yīng)力循環(huán)對(duì)稱系數(shù)一定時(shí)，金屬材料所

6、受的最大交變應(yīng)力(或交變應(yīng)力半幅)愈大，則斷裂前所能承受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)愈少。當(dāng)應(yīng)力循環(huán)中的最大應(yīng)力(或交變應(yīng)力半幅)降到某一數(shù)值時(shí)，金屬材料可以經(jīng)受無限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂2.1 2.1 疲勞疲勞 2.1.1 疲勞斷裂的特點(diǎn)疲勞斷裂的特點(diǎn) 4、疲勞斷裂也包括裂紋形成和擴(kuò)展兩個(gè)階段，但是由于承受的應(yīng)力小，并且是循環(huán)應(yīng)力，故疲勞裂紋的裂紋在未達(dá)到臨界尺寸之前擴(kuò)展很慢，這就是我們熟知的裂紋亞臨界擴(kuò)展階段。疲勞裂紋的亞臨界擴(kuò)展期很長(zhǎng)。當(dāng)疲勞裂紋尺寸達(dá)到臨界值后，便迅速失穩(wěn)擴(kuò)展而斷裂。可見，疲勞裂紋擴(kuò)展包括亞臨界擴(kuò)展期和失穩(wěn)擴(kuò)展期。5、金屬的疲勞按照機(jī)件所受應(yīng)力的大小可分為高周疲勞和低周疲勞。所受

7、應(yīng)力較低、斷裂時(shí)應(yīng)力循環(huán)周次很多的情況下產(chǎn)生的疲勞斷裂稱為高周疲勞。所受應(yīng)力較高、斷裂時(shí)應(yīng)力循環(huán)周次較少的情況下產(chǎn)生的疲勞斷裂稱為低周疲勞。2.1 2.1 疲勞疲勞 2.1.2 疲勞宏觀斷口疲勞宏觀斷口 疲勞斷口的宏觀結(jié)構(gòu)取決于材料的性質(zhì)、加載方式、載荷大小等因素。 高周疲勞斷口從宏觀來看，一般可以分為三個(gè)區(qū)，即疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)（疲勞斷裂區(qū)）和瞬時(shí)斷裂區(qū)（靜斷區(qū)）。2.1 2.1 疲勞疲勞當(dāng)材料內(nèi)部存在嚴(yán)重冶金缺陷（夾雜、縮孔、偏析、白點(diǎn)）時(shí)，因局部強(qiáng)度的降低，也會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生疲勞源。形貌特點(diǎn)：斷面不斷摩擦擠壓，光亮度大，裂紋擴(kuò)展速率小，并有加工硬化發(fā)生。（1）疲勞源：裂紋萌生的地方

8、，常處于機(jī)件的表面或缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺陷處，或機(jī)件截面尺寸不連續(xù)的區(qū)域（有應(yīng)力集中）。特征：光滑并分布有貝紋線（海灘花樣）。貝紋線：平行弧線，間距不同；裂紋源附近， 線條細(xì)密、裂紋擴(kuò)展較慢；在遠(yuǎn)離裂紋處，線條稀疏、裂紋擴(kuò)展較快。材料韌性好，疲勞區(qū)大，貝紋線細(xì)、明顯。（2）疲勞擴(kuò)展區(qū)：裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展形成的。貝紋線是疲勞區(qū)的最大特征，一般認(rèn)為它是由載荷變動(dòng)引起的，如機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的開動(dòng)和停歇，偶然過載引起的載荷變動(dòng)，使裂紋前沿線留下了弧狀臺(tái)階痕跡。在實(shí)際機(jī)件的疲勞斷口中易見實(shí)驗(yàn)室的試樣疲勞斷口中不易見特征：表面粗糙；脆性材料為結(jié)晶狀，塑性材料則在中間平面應(yīng)變區(qū)為放射狀或人字紋斷口，在邊緣平面應(yīng)力

9、區(qū)為剪切唇。（3）瞬時(shí)斷裂區(qū)：裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的。特征：表面粗糙；脆性材料為結(jié)晶狀，塑性材料則在中間平面應(yīng)變區(qū)為放射狀或人字紋斷口，在邊緣平面應(yīng)力區(qū)為剪切唇。（3）瞬時(shí)斷裂區(qū)：裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的。2.2.1裂紋裂紋的萌生疲勞微觀裂紋都是由不均勻的局部滑移和顯微開裂引起。主要方式有表面滑移帶開裂，第二相、夾雜物或其界面開裂，晶界或亞晶界開裂等。2.2 2.2 疲勞斷裂過程及其機(jī)理疲勞斷裂過程及其機(jī)理 2.2.2 疲勞裂紋的擴(kuò)展疲勞裂紋的擴(kuò)展 第一階段第一階段：裂紋沿最大切應(yīng)力：裂紋沿最大切應(yīng)力方向方向(與主應(yīng)力成與主應(yīng)力成45o角角)的晶面的晶面擴(kuò)展，每一循環(huán)只前進(jìn)擴(kuò)展，每一循環(huán)只前進(jìn)0.1um

10、數(shù)數(shù)量級(jí)，速度很慢，擴(kuò)展的距離量級(jí)，速度很慢，擴(kuò)展的距離約為約為2-5個(gè)晶粒個(gè)晶粒(晶界的阻礙可促晶界的阻礙可促進(jìn)裂紋轉(zhuǎn)向進(jìn)裂紋轉(zhuǎn)向)，斷口常難以分辨，斷口常難以分辨特征，僅有一些擦傷痕跡。特征，僅有一些擦傷痕跡。第二階段：晶界的阻礙作用，裂紋擴(kuò)展由滑開型變?yōu)閺堥_型，沿與拉應(yīng)力垂直方向擴(kuò)展，擴(kuò)展速率較高。此階段在電子顯微鏡下可顯示出疲勞輝紋。按擴(kuò)展方向分兩個(gè)階段：沿晶斷裂穿晶斷裂，出現(xiàn)疲勞輝紋微孔聚集型斷裂2.2 2.2 疲勞斷裂過程及其機(jī)理疲勞斷裂過程及其機(jī)理 疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制與斷口微觀特征疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制與斷口微觀特征 疲勞斷口上疲勞裂紋擴(kuò)展第二階段最顯著的微觀特征是在電子顯微鏡下可以觀察

11、到疲勞輝紋。2.2 2.2 疲勞斷裂過程及其機(jī)理疲勞斷裂過程及其機(jī)理 疲勞輝紋是略呈彎曲的并相互平行的溝槽狀花樣，與裂紋擴(kuò)展方向垂直，是裂紋擴(kuò)展時(shí)留下的微觀痕跡。 SN曲線與疲勞極限曲線與疲勞極限2.3 2.3 疲勞強(qiáng)度指標(biāo)疲勞強(qiáng)度指標(biāo) 當(dāng)應(yīng)力循環(huán)對(duì)稱系數(shù)一定時(shí)，金屬材料斷裂前所能承受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)與所受的最大交變應(yīng)力max(或交變應(yīng)力半幅a)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種max(或a)以對(duì)疲勞斷裂周次N作圖繪成的曲線，稱為疲勞曲線，經(jīng)常簡(jiǎn)寫為SN曲線，因?yàn)樗堑聡?guó)人維勒(Wholer)在1860年首先發(fā)現(xiàn)的，故又稱為維勒曲線。 SN曲線與疲勞極限曲線與疲勞極限2.3 2.3 疲勞強(qiáng)度指標(biāo)疲勞強(qiáng)度指標(biāo) 疲

12、勞曲線（SN曲線）：應(yīng)力循環(huán)對(duì)稱系數(shù)r一定時(shí)，最大交變應(yīng)力max與疲勞壽命（循環(huán)周次）的關(guān)系曲線，是確定疲勞極限、建立疲勞應(yīng)力判據(jù)的基礎(chǔ)。疲勞極限 疲勞極限疲勞極限是材料能經(jīng)受無限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最大應(yīng)力，通常用r表示，注角r表示應(yīng)力循環(huán)對(duì)稱系數(shù)。對(duì)稱循環(huán)旋轉(zhuǎn)彎曲的疲勞極限用-1表示。 疲勞極限1) 疲勞曲線有明顯水平部分： 當(dāng)maxr時(shí)，N，表明試樣可以經(jīng)無限次應(yīng)力循環(huán)也不發(fā)生疲勞斷裂，稱r為疲勞極限(或絕對(duì)疲勞極限、無限疲勞極限)： r =-1時(shí)，稱之為對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)疲勞極限，記為-1；疲勞曲線一般有兩種情況：2) 某些材料（有色金屬、不銹鋼等）的SN曲線無明顯水平部分： 規(guī)定一

13、個(gè)疲勞極限循環(huán)基數(shù)，并以循環(huán)基數(shù)值對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為條件疲勞極限（或規(guī)定疲勞極限），以r（N0）表示。不同材料，循環(huán)基數(shù)取值不同，如對(duì)鑄鐵，規(guī)定N0 107次。N0條件疲勞極限 過載持久值與過載損傷界過載持久值與過載損傷界2.4 2.4 疲勞強(qiáng)度指標(biāo)疲勞強(qiáng)度指標(biāo) 過載持久值金屬材料在高于疲勞極限的應(yīng)力下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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，也稱有限疲勞壽命。過載持久值表征材料對(duì)過載荷的抗力。材料1抗過載能力好于材料2 過載持久值表現(xiàn)為SN曲線的傾斜部分：傾斜度越高、越陡，則持久值越高，表示材料的抗過載能力越強(qiáng)。 金屬機(jī)件經(jīng)受金屬機(jī)件經(jīng)受短期過載，短期過載，而后再在正常的工作應(yīng)力下

14、運(yùn)行而后再在正常的工作應(yīng)力下運(yùn)行。這種短期的過載對(duì)材料的性能（。這種短期的過載對(duì)材料的性能（-1-1或過載壽命）是否產(chǎn)或過載壽命）是否產(chǎn)生影響，取決于過載應(yīng)力及過載周次。生影響，取決于過載應(yīng)力及過載周次。 實(shí)驗(yàn)證明，材料在過載應(yīng)力水平下只有運(yùn)轉(zhuǎn)一定周次后，實(shí)驗(yàn)證明，材料在過載應(yīng)力水平下只有運(yùn)轉(zhuǎn)一定周次后，疲勞強(qiáng)度或疲勞壽命才會(huì)降低，造成過載損傷。疲勞強(qiáng)度或疲勞壽命才會(huì)降低，造成過載損傷。 金屬金屬材料抵抗疲勞過載損傷的能力，材料抵抗疲勞過載損傷的能力，用用過載損傷界過載損傷界或或過載過載損傷區(qū)損傷區(qū)表示。表示。過載損傷界2.4 2.4 疲勞強(qiáng)度指標(biāo)疲勞強(qiáng)度指標(biāo) 過載損傷界機(jī)件過載運(yùn)轉(zhuǎn)到過載損傷區(qū)里，都要不同程度地降低材料