第5章 材料疲勞

1、1主講人主講人: : 張寧張寧2v 一、金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)一、金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)v 二、疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能二、疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能v 三、疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門檻值三、疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門檻值v 四、疲勞過(guò)程及機(jī)理四、疲勞過(guò)程及機(jī)理v 五、影響疲勞強(qiáng)度的主要因素五、影響疲勞強(qiáng)度的主要因素v 六、低周疲勞六、低周疲勞第五章第五章 金屬的疲勞金屬的疲勞3 3v引言 材料構(gòu)件在變動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變的長(zhǎng)期作用下，由于累積損傷而引起的斷裂的現(xiàn)象疲勞。 疲勞屬低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂，其斷裂應(yīng)力水平往往b，甚至105周次，斷裂應(yīng)周次，斷裂應(yīng)力水平較低，力水平較低，-1）長(zhǎng)期作用下，即使其）長(zhǎng)期作用

2、下，即使其應(yīng)力低于屈服應(yīng)力，也會(huì)發(fā)生循環(huán)位移并形成應(yīng)力低于屈服應(yīng)力，也會(huì)發(fā)生循環(huán)位移并形成循環(huán)滑移帶循環(huán)滑移帶。v 與靜載荷時(shí)均勻滑移帶相比，循環(huán)滑移與靜載荷時(shí)均勻滑移帶相比，循環(huán)滑移不均勻，總是集中不均勻，總是集中分布于某些局部薄弱區(qū)域分布于某些局部薄弱區(qū)域。第四節(jié)第四節(jié) 疲勞過(guò)程及機(jī)理疲勞過(guò)程及機(jī)理47v 用電解拋光方法很難將已產(chǎn)生的表面循環(huán)滑移帶去除，即使能去除，用電解拋光方法很難將已產(chǎn)生的表面循環(huán)滑移帶去除，即使能去除，當(dāng)對(duì)試樣重新循環(huán)加載時(shí)，則循環(huán)滑移帶又在原處出現(xiàn)，這種當(dāng)對(duì)試樣重新循環(huán)加載時(shí)，則循環(huán)滑移帶又在原處出現(xiàn)，這種永留永留或再現(xiàn)的循環(huán)滑移帶稱為或再現(xiàn)的循環(huán)滑移帶稱為駐留滑移

3、帶駐留滑移帶。v 隨著加載循環(huán)周次的增加，循環(huán)滑移帶不斷加寬，當(dāng)加寬到一定程隨著加載循環(huán)周次的增加，循環(huán)滑移帶不斷加寬，當(dāng)加寬到一定程度時(shí)，由于位錯(cuò)的塞積和交割作用，便在度時(shí)，由于位錯(cuò)的塞積和交割作用，便在駐留滑移帶形成微裂紋駐留滑移帶形成微裂紋。v 駐留滑移帶在加寬過(guò)程中，還會(huì)出現(xiàn)駐留滑移帶在加寬過(guò)程中，還會(huì)出現(xiàn)擠出脊和侵入溝擠出脊和侵入溝，于是產(chǎn)生應(yīng)，于是產(chǎn)生應(yīng)力集中和空洞，經(jīng)過(guò)一定循環(huán)后也會(huì)產(chǎn)生微裂紋。力集中和空洞，經(jīng)過(guò)一定循環(huán)后也會(huì)產(chǎn)生微裂紋。v 只要提高材料的滑移抗力，如采用固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化等手段，均只要提高材料的滑移抗力，如采用固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化等手段，均可以阻止疲勞裂紋的萌生，

4、提高疲勞強(qiáng)度?？梢宰柚蛊诹鸭y的萌生，提高疲勞強(qiáng)度。第四節(jié)第四節(jié) 疲勞過(guò)程及機(jī)理疲勞過(guò)程及機(jī)理4848PSB處萌生裂紋4949505051（二）相界面開裂產(chǎn)生裂紋（二）相界面開裂產(chǎn)生裂紋v 在疲勞失效分析中，常常發(fā)現(xiàn)很多疲勞源都是由材料在疲勞失效分析中，常常發(fā)現(xiàn)很多疲勞源都是由材料中的中的第二相或夾雜物第二相或夾雜物引起的，因此提出了引起的，因此提出了第二相、夾第二相、夾雜物本身開裂雜物本身開裂的疲勞裂紋萌生機(jī)理。的疲勞裂紋萌生機(jī)理。v 只要能降低第二相或夾雜物的脆性，提高相界面強(qiáng)度，只要能降低第二相或夾雜物的脆性，提高相界面強(qiáng)度，控制第二相或夾雜物的數(shù)量、形態(tài)、大小和分布，使控制第二相或夾雜

5、物的數(shù)量、形態(tài)、大小和分布，使之之“少、圓、小、勻少、圓、小、勻”，均可抵制或延緩裂紋在第二，均可抵制或延緩裂紋在第二相或夾雜物附近萌生，提高疲勞強(qiáng)度。相或夾雜物附近萌生，提高疲勞強(qiáng)度。第四節(jié)第四節(jié) 疲勞過(guò)程及機(jī)理疲勞過(guò)程及機(jī)理52（三）晶界開裂產(chǎn)生裂紋（三）晶界開裂產(chǎn)生裂紋v 多晶材料由于晶界的存在和相鄰晶粒的不同取向性，位多晶材料由于晶界的存在和相鄰晶粒的不同取向性，位錯(cuò)在某一晶粒內(nèi)部運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到晶界的阻礙作用，在晶錯(cuò)在某一晶粒內(nèi)部運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到晶界的阻礙作用，在晶界處發(fā)生位錯(cuò)塞積和應(yīng)力集中現(xiàn)象，界處發(fā)生位錯(cuò)塞積和應(yīng)力集中現(xiàn)象，v 在應(yīng)力不斷循環(huán)，晶界處的應(yīng)力集中得不到松弛時(shí)，則在應(yīng)力不斷循

6、環(huán)，晶界處的應(yīng)力集中得不到松弛時(shí)，則應(yīng)力峰越來(lái)越高，當(dāng)超過(guò)晶界強(qiáng)度時(shí)就會(huì)在晶界上產(chǎn)生應(yīng)力峰越來(lái)越高，當(dāng)超過(guò)晶界強(qiáng)度時(shí)就會(huì)在晶界上產(chǎn)生裂紋。裂紋。v 凡是凡是使晶界弱化和晶粒粗化使晶界弱化和晶粒粗化的因素，如的因素，如晶界有低熔點(diǎn)夾晶界有低熔點(diǎn)夾雜物等有害元素和成分偏析、晶界析氫及晶粒粗化雜物等有害元素和成分偏析、晶界析氫及晶粒粗化等，等，均易產(chǎn)生晶界裂紋，降低疲勞強(qiáng)度。均易產(chǎn)生晶界裂紋，降低疲勞強(qiáng)度。第四節(jié)第四節(jié) 疲勞過(guò)程及機(jī)理疲勞過(guò)程及機(jī)理5353沿晶界的疲勞裂紋沿晶界的疲勞裂紋54545555疲勞裂紋其他萌生方式疲勞裂紋在表面疏松處生成疲勞裂紋在表面疏松處生成5656疲勞裂紋在表面和次表面

7、處生成疲勞裂紋在表面和次表面處生成5757疲勞裂紋在次表面夾雜物處生成疲勞裂紋在次表面夾雜物處生成5858疲勞裂紋在表面腐蝕坑處生成疲勞裂紋在表面腐蝕坑處生成5959第四節(jié)第四節(jié) 疲勞過(guò)程及機(jī)理疲勞過(guò)程及機(jī)理6060第四節(jié)第四節(jié) 疲勞過(guò)程及機(jī)理疲勞過(guò)程及機(jī)理61二、疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及機(jī)理二、疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及機(jī)理v 根據(jù)裂紋擴(kuò)展方向，裂紋擴(kuò)根據(jù)裂紋擴(kuò)展方向，裂紋擴(kuò)展可分為兩個(gè)階段：展可分為兩個(gè)階段：v 第一階段：從表面?zhèn)€別侵入第一階段：從表面?zhèn)€別侵入溝（或擠出脊）先形成微裂溝（或擠出脊）先形成微裂紋，然后裂紋主要沿主滑移紋，然后裂紋主要沿主滑移系方向，以純剪切方式向內(nèi)系方向，以純剪切方式向內(nèi)擴(kuò)

8、展。擴(kuò)展。v 第一階段時(shí)的斷口，類似于第一階段時(shí)的斷口，類似于解理的形貌。沒有塑性行為解理的形貌。沒有塑性行為的痕跡，也沒有疲勞輝文，的痕跡，也沒有疲勞輝文，擴(kuò)展深度極淺晶粒范擴(kuò)展深度極淺晶粒范圍。所以第一階段常常難以圍。所以第一階段常常難以分辨。分辨。第四節(jié)第四節(jié) 疲勞過(guò)程及機(jī)理疲勞過(guò)程及機(jī)理62二、疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及機(jī)理二、疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及機(jī)理v 此階段，裂紋擴(kuò)展速率很低，此階段，裂紋擴(kuò)展速率很低，每個(gè)應(yīng)力循環(huán)約有每個(gè)應(yīng)力循環(huán)約有0.1微米數(shù)微米數(shù)量級(jí)的擴(kuò)展率，量級(jí)的擴(kuò)展率，v 許多鐵合金、鋁合金中可觀許多鐵合金、鋁合金中可觀察到此階段裂紋擴(kuò)展，但缺察到此階段裂紋擴(kuò)展，但缺口試樣中可能觀

9、察不到?？谠嚇又锌赡苡^察不到。v 第一階段裂紋擴(kuò)展時(shí)，由于第一階段裂紋擴(kuò)展時(shí)，由于晶界的不斷阻礙作用，裂紋晶界的不斷阻礙作用，裂紋擴(kuò)展逐漸轉(zhuǎn)向擴(kuò)展逐漸轉(zhuǎn)向垂直拉應(yīng)力垂直拉應(yīng)力方方向，進(jìn)入第二階段擴(kuò)展。向，進(jìn)入第二階段擴(kuò)展。第四節(jié)第四節(jié) 疲勞過(guò)程及機(jī)理疲勞過(guò)程及機(jī)理6363第四節(jié)第四節(jié) 疲勞過(guò)程及機(jī)理疲勞過(guò)程及機(jī)理64v 在室溫和無(wú)腐蝕的條件下疲勞裂紋在室溫和無(wú)腐蝕的條件下疲勞裂紋擴(kuò)展為穿晶狀態(tài)，此階段的大部分?jǐn)U展為穿晶狀態(tài)，此階段的大部分循環(huán)周期內(nèi)，裂紋擴(kuò)展速率約為循環(huán)周期內(nèi)，裂紋擴(kuò)展速率約為10-510-2mm/次，第二階段是疲勞次，第二階段是疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展的主要部分。裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展的主要部

10、分。v 電鏡分析表明：電鏡分析表明：第二階段的斷口特第二階段的斷口特征是具有略呈彎曲并相互平行的溝征是具有略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣，稱為疲勞條帶（條紋）槽花樣，稱為疲勞條帶（條紋）。v 它是裂紋擴(kuò)展時(shí)留下的微觀痕跡，它是裂紋擴(kuò)展時(shí)留下的微觀痕跡，每條帶可以視為每條帶可以視為應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力循環(huán)的擴(kuò)展痕的擴(kuò)展痕跡，裂紋的擴(kuò)展方向與條帶垂直。跡，裂紋的擴(kuò)展方向與條帶垂直。v 一般來(lái)講，材料強(qiáng)度越低，裂紋擴(kuò)一般來(lái)講，材料強(qiáng)度越低，裂紋擴(kuò)展越快，疲勞條帶越寬。展越快，疲勞條帶越寬。第四節(jié)第四節(jié) 疲勞過(guò)程及機(jī)理疲勞過(guò)程及機(jī)理6565第四節(jié)第四節(jié) 疲勞過(guò)程及機(jī)理疲勞過(guò)程及機(jī)理6666第四節(jié)第四節(jié) 疲勞過(guò)程

11、及機(jī)理疲勞過(guò)程及機(jī)理6767第四節(jié)第四節(jié) 疲勞過(guò)程及機(jī)理疲勞過(guò)程及機(jī)理68第五節(jié)第五節(jié) 影響疲勞強(qiáng)度的主要因素影響疲勞強(qiáng)度的主要因素69一、表面狀態(tài)的影響一、表面狀態(tài)的影響v （一）應(yīng)力集中（一）應(yīng)力集中v 機(jī)件表面的缺口應(yīng)力集中，往往是引起疲勞破壞的主機(jī)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。要原因。v （二）表面粗糙度（二）表面粗糙度v 表面的微觀幾何形狀，如刀痕、擦傷和磨裂等，都能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)力集中，降低疲勞像微小而鋒利的缺口一樣，引起應(yīng)力集中，降低疲勞極限。極限。v 表面粗糙度越低，材料的疲勞極限越高；表面粗糙

12、度越低，材料的疲勞極限越高；v 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；v 材料強(qiáng)度越高，表面粗糙度對(duì)疲勞極限的影響越顯著。材料強(qiáng)度越高，表面粗糙度對(duì)疲勞極限的影響越顯著。v 表面脫碳、氧化等缺陷也會(huì)降低疲勞強(qiáng)度。表面脫碳、氧化等缺陷也會(huì)降低疲勞強(qiáng)度。第五節(jié)第五節(jié) 影響疲勞強(qiáng)度的主要因素影響疲勞強(qiáng)度的主要因素70二、殘余應(yīng)力及表面強(qiáng)化的影響二、殘余應(yīng)力及表面強(qiáng)化的影響v 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：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：v 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)疊加殘余壓應(yīng)力，總應(yīng)力減小，疊加殘余拉應(yīng)力，總

13、應(yīng)力增大。力增大。v 因此，機(jī)件表面殘余應(yīng)力狀態(tài)對(duì)疲勞強(qiáng)度（主要低應(yīng)力因此，機(jī)件表面殘余應(yīng)力狀態(tài)對(duì)疲勞強(qiáng)度（主要低應(yīng)力高周疲勞強(qiáng)度）有顯著影響。高周疲勞強(qiáng)度）有顯著影響。v 殘余壓應(yīng)力殘余壓應(yīng)力提高疲勞強(qiáng)度；提高疲勞強(qiáng)度；v 殘余拉應(yīng)力殘余拉應(yīng)力降低疲勞強(qiáng)度。降低疲勞強(qiáng)度。第五節(jié)第五節(jié) 影響疲勞強(qiáng)度的主要因素影響疲勞強(qiáng)度的主要因素71表面強(qiáng)化處理表面強(qiáng)化處理可在機(jī)件表面產(chǎn)生有利的殘余壓應(yīng)力，同可在機(jī)件表面產(chǎn)生有利的殘余壓應(yīng)力，同時(shí)還能提高機(jī)件表面的強(qiáng)度和硬度，從而提高疲勞強(qiáng)度。時(shí)還能提高機(jī)件表面的強(qiáng)度和硬度，從而提高疲勞強(qiáng)度。表面強(qiáng)化方法包括：表面強(qiáng)化方法包括：v （1）表面噴丸及滾壓）表面噴

14、丸及滾壓v 噴丸噴丸是用壓縮空氣將堅(jiān)硬的彈丸高速噴打向機(jī)件表面，使機(jī)是用壓縮空氣將堅(jiān)硬的彈丸高速噴打向機(jī)件表面，使機(jī)件表面產(chǎn)生局部形變強(qiáng)化，同時(shí)因塑變層周圍的彈性約束，件表面產(chǎn)生局部形變強(qiáng)化，同時(shí)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。又在塑變層內(nèi)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。v 噴丸強(qiáng)化的效果與被噴的材料強(qiáng)度有關(guān)，噴丸強(qiáng)化的效果與被噴的材料強(qiáng)度有關(guān)，材料強(qiáng)度越高材料強(qiáng)度越高，噴，噴丸效果越好，所以一般機(jī)件的噴丸總是在熱處理強(qiáng)化后進(jìn)行。丸效果越好，所以一般機(jī)件的噴丸總是在熱處理強(qiáng)化后進(jìn)行。v 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，很和噴丸的作用相似，但是其壓應(yīng)力層深度較大，很

15、適用于大工件，而且表面粗糙度低時(shí)，強(qiáng)化效果更好。適用于大工件，而且表面粗糙度低時(shí)，強(qiáng)化效果更好。第五節(jié)第五節(jié) 影響疲勞強(qiáng)度的主要因素影響疲勞強(qiáng)度的主要因素72（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v 表面淬火表面淬火包括火焰加熱淬火、感應(yīng)加熱淬火和低淬透性鋼的包括火焰加熱淬火、感應(yīng)加熱淬火和低淬透性鋼的整體加熱薄殼淬火等。整體加熱薄殼淬火等。v 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。它們都是利用：滲碳、滲氮、碳氮共滲等。它們都是利用組織相變獲得表面強(qiáng)化的工藝方法，也是常用的表面強(qiáng)化方組織相變獲得表面強(qiáng)化的工藝方法，也是常用的表面強(qiáng)化方法。法。v 在有效提高疲勞強(qiáng)度

16、和疲勞壽命的同時(shí)，可提高在有效提高疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命的同時(shí)，可提高表面耐磨性表面耐磨性和耐蝕性和耐蝕性。第五節(jié)第五節(jié) 影響疲勞強(qiáng)度的主要因素影響疲勞強(qiáng)度的主要因素73三、材料成分及組織的影響三、材料成分及組織的影響v （一）合金成分（一）合金成分v 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，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(qiáng)度最高，所以應(yīng)用十分廣泛，這類鋼中碳是影響疲結(jié)構(gòu)鋼的疲勞強(qiáng)度最高，所以應(yīng)用十分廣泛，這類鋼中碳是影響疲勞強(qiáng)度的重要元素。勞強(qiáng)度的重要元素。v 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(qiáng)化，提碳既可間隙固溶形

17、成基體，又可形成彌散碳化物進(jìn)行彌散強(qiáng)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萌生和提高疲勞強(qiáng)度。裂紋的萌生和提高疲勞強(qiáng)度。v （二）顯微組織（二）顯微組織v 細(xì)化晶?？梢蕴岣卟牧系钠趶?qiáng)度。細(xì)化晶?？梢蕴岣卟牧系钠趶?qiáng)度。v 結(jié)構(gòu)鋼的熱處理組織也影響疲勞強(qiáng)度。正火組織因碳化物為片狀，結(jié)構(gòu)鋼的熱處理組織也影響疲勞強(qiáng)度。正火組織因碳化物為片狀，其疲勞強(qiáng)度最低，淬火回火組織因碳化物為粒狀，其疲勞強(qiáng)度比正其疲勞強(qiáng)度最低，淬火回火組織因碳化物為粒狀，其疲勞強(qiáng)度比正火的高?；鸬母?。v （三）非金屬夾雜物及冶金缺陷（三）

18、非金屬夾雜物及冶金缺陷v 非金屬夾雜物是鋼在冶煉時(shí)形成的，它對(duì)疲勞強(qiáng)度有明顯的影響，非金屬夾雜物是鋼在冶煉時(shí)形成的，它對(duì)疲勞強(qiáng)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(qiáng)度；減少夾雜物的數(shù)量及尺寸都能有效提高疲勞強(qiáng)度；v 氣孔、縮孔、偏析、折疊等冶金缺陷，會(huì)降低機(jī)件的疲勞強(qiáng)度。氣孔、縮孔、偏析、折疊等冶金缺陷，會(huì)降低機(jī)件的疲勞強(qiáng)度。第五節(jié)第五節(jié) 影響疲勞強(qiáng)度的主要因素影響疲勞強(qiáng)度的主要因素74四、材料延壽技術(shù)四、材料延壽技術(shù)v1細(xì)化晶粒隨著晶粒尺寸的減小，合金的裂紋細(xì)化晶粒隨著晶粒尺寸的減小，合金的裂紋形成壽命和疲勞總壽命延長(zhǎng)。形成壽命和疲勞總壽命延長(zhǎng)。v2減少和細(xì)化合金中的夾雜物

19、細(xì)化合金中的夾減少和細(xì)化合金中的夾雜物細(xì)化合金中的夾雜物顆粒，可以延長(zhǎng)疲勞壽命。雜物顆粒，可以延長(zhǎng)疲勞壽命。v3微量合金化向低碳鋼中加鈮，大幅度地提高微量合金化向低碳鋼中加鈮，大幅度地提高鋼的強(qiáng)度和裂紋形成門檻值，大幅度地延長(zhǎng)裂紋鋼的強(qiáng)度和裂紋形成門檻值，大幅度地延長(zhǎng)裂紋形成壽命。形成壽命。第五節(jié)第五節(jié) 影響疲勞強(qiáng)度的主要因素影響疲勞強(qiáng)度的主要因素75四、材料延壽技術(shù)四、材料延壽技術(shù)v4減少高強(qiáng)度鋼中的殘余奧氏體將高強(qiáng)度馬氏減少高強(qiáng)度鋼中的殘余奧氏體將高強(qiáng)度馬氏體綱中的殘余奧氏體由體綱中的殘余奧氏體由12減少到減少到5左右左右. v5改善切口根部的表面狀態(tài)切削加工會(huì)引起零改善切口根部的表面狀態(tài)

20、切削加工會(huì)引起零件表面層的幾何、物理和化學(xué)的變化。件表面層的幾何、物理和化學(xué)的變化。v6表面噴丸強(qiáng)化是既能延長(zhǎng)裂紋形成壽命，又表面噴丸強(qiáng)化是既能延長(zhǎng)裂紋形成壽命，又能延長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展壽命的有效方法。能延長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展壽命的有效方法。第五節(jié)第五節(jié) 影響疲勞強(qiáng)度的主要因素影響疲勞強(qiáng)度的主要因素76v一、低周疲勞一、低周疲勞v 研究飛機(jī)、艦船、橋梁、原子反應(yīng)堆裝置及建筑設(shè)備研究飛機(jī)、艦船、橋梁、原子反應(yīng)堆裝置及建筑設(shè)備的斷裂時(shí)發(fā)現(xiàn)：在較高應(yīng)力和較少循環(huán)次數(shù)下也會(huì)發(fā)的斷裂時(shí)發(fā)現(xiàn)：在較高應(yīng)力和較少循環(huán)次數(shù)下也會(huì)發(fā)生疲勞斷裂。生疲勞斷裂。v 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1021

21、05次的疲勞次的疲勞斷裂稱為斷裂稱為低周疲勞低周疲勞。v 機(jī)件受循環(huán)應(yīng)力作用，缺口根部則受循環(huán)塑性應(yīng)變作機(jī)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，所以這種疲勞也稱用，疲勞裂紋總在缺口根部形成，所以這種疲勞也稱塑性疲勞或應(yīng)變疲勞塑性疲勞或應(yīng)變疲勞。第六節(jié)第六節(jié) 低周疲勞低周疲勞77（一）低周疲勞的特點(diǎn)（一）低周疲勞的特點(diǎn)v （1）低周疲勞時(shí)，因局部區(qū)）低周疲勞時(shí)，因局部區(qū)域產(chǎn)生宏觀塑性變形，故循域產(chǎn)生宏觀塑性變形，故循環(huán)應(yīng)力與應(yīng)變之間不再呈直環(huán)應(yīng)力與應(yīng)變之間不再呈直線關(guān)系，形成滯后回線。線關(guān)系，形成滯后回線。v 開始加載時(shí)，曲線沿開始加載時(shí)，曲線沿OAB進(jìn)行，卸

22、進(jìn)行，卸載時(shí)沿載時(shí)沿BC進(jìn)行；進(jìn)行；v 反向加載時(shí)沿反向加載時(shí)沿CD進(jìn)行，從進(jìn)行，從D點(diǎn)卸載點(diǎn)卸載時(shí)沿時(shí)沿DE進(jìn)行，再次拉伸時(shí)沿進(jìn)行，再次拉伸時(shí)沿EB進(jìn)進(jìn)行；行；v 如此循環(huán)經(jīng)過(guò)一定周次（通常不超如此循環(huán)經(jīng)過(guò)一定周次（通常不超過(guò)過(guò)100周次）后，就達(dá)到了圖中所周次）后，就達(dá)到了圖中所示的穩(wěn)定狀態(tài)滯后回線。示的穩(wěn)定狀態(tài)滯后回線。第六節(jié)第六節(jié) 低周疲勞低周疲勞78v （2）低周疲勞試驗(yàn)時(shí)，控制總應(yīng)變范圍或者塑性應(yīng)變）低周疲勞試驗(yàn)時(shí)，控制總應(yīng)變范圍或者塑性應(yīng)變范圍，測(cè)定疲勞壽命。范圍，測(cè)定疲勞壽命。v （3）低周疲勞破壞有幾個(gè)裂紋源，這是由于應(yīng)力比較）低周疲勞破壞有幾個(gè)裂紋源，這是由于應(yīng)力比較大，裂

23、紋容易形核，形核期較短，只占總壽命的大，裂紋容易形核，形核期較短，只占總壽命的10%。v 微觀斷口的疲勞條帶較粗，間距也寬一些，常常不連微觀斷口的疲勞條帶較粗，間距也寬一些，常常不連續(xù)。續(xù)。v （4）低周疲勞壽命取決于塑性應(yīng)變幅，而高周疲勞壽）低周疲勞壽命取決于塑性應(yīng)變幅，而高周疲勞壽命則決定于應(yīng)力幅或應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子范圍，但兩者都命則決定于應(yīng)力幅或應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子范圍，但兩者都是循環(huán)塑性變形累積損傷的結(jié)果。是循環(huán)塑性變形累積損傷的結(jié)果。第六節(jié)第六節(jié) 低周疲勞低周疲勞79（二）低周疲勞的金屬循環(huán)硬化與循環(huán)軟化（二）低周疲勞的金屬循環(huán)硬化與循環(huán)軟化v 定義：如果金屬材料在恒定應(yīng)變范圍循環(huán)作用下，隨著

24、循環(huán)定義：如果金屬材料在恒定應(yīng)變范圍循環(huán)作用下，隨著循環(huán)周次的增加，其應(yīng)力（形變抗力）不斷增加，稱為周次的增加，其應(yīng)力（形變抗力）不斷增加，稱為循環(huán)硬化循環(huán)硬化，v 如果在循環(huán)過(guò)程中，應(yīng)力逐漸減小，則為如果在循環(huán)過(guò)程中，應(yīng)力逐漸減小，則為循環(huán)軟化循環(huán)軟化。v 不論是產(chǎn)生循環(huán)硬化還是循環(huán)軟化的材料，它們的應(yīng)力不論是產(chǎn)生循環(huán)硬化還是循環(huán)軟化的材料，它們的應(yīng)力-應(yīng)變應(yīng)變滯后回線只有在應(yīng)力循環(huán)周次達(dá)到一定周次才閉合，此時(shí)即滯后回線只有在應(yīng)力循環(huán)周次達(dá)到一定周次才閉合，此時(shí)即達(dá)到循環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)。達(dá)到循環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)。第六節(jié)第六節(jié) 低周疲勞低周疲勞80v金屬材料產(chǎn)生循環(huán)硬化還是循環(huán)軟化取決于材料金屬材料產(chǎn)生循環(huán)

25、硬化還是循環(huán)軟化取決于材料的初始狀態(tài)，結(jié)構(gòu)特性以及應(yīng)變幅和溫度等。的初始狀態(tài)，結(jié)構(gòu)特性以及應(yīng)變幅和溫度等。v退火狀態(tài)的塑性材料往往表現(xiàn)為循環(huán)硬化，而加退火狀態(tài)的塑性材料往往表現(xiàn)為循環(huán)硬化，而加工硬化的材料則往往是循環(huán)軟化。工硬化的材料則往往是循環(huán)軟化。第六節(jié)第六節(jié) 低周疲勞低周疲勞8181描述循環(huán)硬化、軟化的方法第六節(jié)第六節(jié) 低周疲勞低周疲勞8282循環(huán)硬化、軟化的形成原因加工硬化指數(shù)n0.1，循環(huán)硬化或循環(huán)穩(wěn)定抗拉強(qiáng)度/屈服強(qiáng)度1.4，循環(huán)硬化；抗拉強(qiáng)度/屈服強(qiáng)度105次次時(shí)，破壞后具有典型的疲勞斷口，屬于疲時(shí)，破壞后具有典型的疲勞斷口，屬于疲勞斷裂，為沖擊疲勞。勞斷裂，為沖擊疲勞。v 試驗(yàn)

26、表明沖擊疲勞曲線與一般疲勞曲線相似，可以由沖試驗(yàn)表明沖擊疲勞曲線與一般疲勞曲線相似，可以由沖擊疲勞曲線確定沖擊疲勞極限。擊疲勞曲線確定沖擊疲勞極限。v 材料的沖擊疲勞抗力除可用沖擊疲勞極限表示外，也可材料的沖擊疲勞抗力除可用沖擊疲勞極限表示外，也可用用一定沖擊能量下的沖斷周次一定沖擊能量下的沖斷周次N或用或用要求的沖斷次數(shù)時(shí)要求的沖斷次數(shù)時(shí)的沖斷能量的沖斷能量來(lái)表示。來(lái)表示。v 直接用沖擊能量表示材料的沖擊疲勞抗力簡(jiǎn)便易行，故直接用沖擊能量表示材料的沖擊疲勞抗力簡(jiǎn)便易行，故應(yīng)用較廣。應(yīng)用較廣。第六節(jié)第六節(jié) 低周疲勞低周疲勞85金屬的沖擊疲勞是一個(gè)取決于強(qiáng)度和塑性的綜合力學(xué)性金屬的沖擊疲勞是一個(gè)取決于強(qiáng)度和塑性的綜合力學(xué)性能指標(biāo)，具有如下特點(diǎn)：能指標(biāo)，具有如下特點(diǎn)：v （1）與低周疲勞相似，在沖擊能量高時(shí)，材料