材料的疲勞性能

1、材料的疲勞性能一、疲勞破壞的變動(dòng)應(yīng)力材料在變動(dòng)載荷和應(yīng)變的長(zhǎng)期作用下， 因累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象，稱為疲勞。 變動(dòng)載荷指大小或方向隨著時(shí)間變化的載荷。變動(dòng)載荷在單位面積上的平均值稱為變動(dòng)應(yīng)力，分為規(guī)則周期變動(dòng)應(yīng)力（或稱循環(huán)應(yīng)力）和無(wú)規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力兩種。1、表征應(yīng)力循環(huán)特征的參量有：最大循環(huán)應(yīng)力： max；最小循環(huán)應(yīng)力： min；平均應(yīng)力：m=（ max+min ）/2；應(yīng)力幅 a 或應(yīng)力范圍：=max-min， a= /2=（max-min）/2；應(yīng)力比（或稱循環(huán)應(yīng)力特征系數(shù)）：r=min/ max。2、按平均應(yīng)力和應(yīng)力幅的相對(duì)大小，循環(huán)應(yīng)力分為：對(duì)稱循環(huán)： m=（ max+min）/2=

2、0，r=-1，大多數(shù)旋轉(zhuǎn)軸類零件承受此類應(yīng)力；不對(duì)稱循環(huán)： m0，-1<r<1。發(fā)動(dòng)機(jī)連桿或結(jié)構(gòu)中某些支撐桿、螺栓承受此類應(yīng)力，a>m>0，-1<r<0；脈動(dòng)循環(huán)：m=a>0，r=0，齒輪的齒根及某些壓力容器承受此類應(yīng)力。 m=a<0，r=，軸承承受脈動(dòng)循環(huán)壓應(yīng)力；波動(dòng)循環(huán)： m>a，0<r<1，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋、 螺栓承受此種應(yīng)力；隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力：循環(huán)應(yīng)力呈隨機(jī)變化，無(wú)規(guī)律性，如運(yùn)行時(shí)因道路或者云層的變化，汽車、 拖拉機(jī)及飛機(jī)等的零件，工作應(yīng)力隨時(shí)間隨機(jī)變化。二、疲勞破壞的概念和特點(diǎn)1、疲勞破壞概念在變動(dòng)應(yīng)力作用下， 材料內(nèi)部薄弱區(qū)

3、域的組織逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開(kāi)裂， 當(dāng)裂紋擴(kuò)展達(dá)到一定程度后發(fā)生突然斷裂的過(guò)程，是一個(gè)從局部區(qū)域開(kāi)始的損傷積累，最終引起整體破壞的過(guò)程。疲勞破壞是循環(huán)應(yīng)力引起的延時(shí)斷裂， 其斷裂應(yīng)力水平往往低于材料抗拉強(qiáng)度， 甚至低于其屈服強(qiáng)度。 機(jī)件疲勞失效前的工作時(shí)間稱為疲勞壽命，疲勞斷裂壽命隨循環(huán)應(yīng)力不同而改變。 應(yīng)力高，壽命短；應(yīng)力低，壽命長(zhǎng)。當(dāng)應(yīng)力低于材料的疲勞強(qiáng)度時(shí)，壽命可無(wú)限長(zhǎng)。疲勞斷裂也經(jīng)歷了裂紋萌生和擴(kuò)展過(guò)程。 由于應(yīng)力水平較低， 因此具有較明顯的裂紋萌生和穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段， 相應(yīng)的斷口上也顯示出疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)與瞬時(shí)斷裂區(qū)的特征。2、疲勞破壞的特點(diǎn)（1）疲勞破壞與靜載或一次性沖擊加載

4、破壞比較具有以下特點(diǎn)：該破壞為一種潛藏的突發(fā)性破壞， 在靜載下顯示韌性或脆性破壞的材料，在疲勞破壞前均不會(huì)發(fā)生明顯的塑性變形，呈脆性斷裂，易引起事故造成經(jīng)濟(jì)損失；疲勞破壞屬于低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂， 對(duì)于疲勞壽命的預(yù)測(cè)顯得十分重要和必要；疲勞對(duì)缺陷（缺口、裂紋及組織）十分敏感，即對(duì)缺陷具有高度的選擇性。因?yàn)槿笨诨蛄鸭y會(huì)引起應(yīng)力集中， 加大對(duì)材料的損傷作用；組織缺陷（夾雜、疏松、白點(diǎn)、脫碳等）將降低材料的局部強(qiáng)度。二者綜合更加速疲勞破壞的起始與發(fā)展?？梢园床煌椒▽?duì)疲勞形式分類。按應(yīng)力狀態(tài)分有彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞及復(fù)合疲勞；按應(yīng)力高低和斷裂壽命分有高周疲勞和低周疲勞。三、疲勞斷口的

5、宏觀特征1、典型疲勞斷口具有3 個(gè)特征區(qū)：疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。（1）疲勞源疲勞裂紋萌生區(qū)， 多出現(xiàn)在零件表面， 與加工刀痕、缺口、裂紋、蝕坑等相連。特征是光亮， 因?yàn)槠谠磪^(qū)裂紋表面受反復(fù)擠壓、摩擦次數(shù)多。疲勞源可以是一個(gè)，也可以有多個(gè)。如：?jiǎn)蜗驈澢挥幸粋€(gè)疲勞源；雙向彎曲，可出現(xiàn)兩個(gè)疲勞源。（2）疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)（亞臨界擴(kuò)展區(qū)）疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)特征為斷口較光滑并分布有貝紋線或裂紋擴(kuò)展臺(tái)階。貝紋線是疲勞區(qū)最典型的特征，是一簇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)展方向。近疲勞源區(qū)貝紋線較細(xì)密（裂紋擴(kuò)展較慢），遠(yuǎn)疲勞源區(qū)貝紋線較稀疏、粗糙（裂紋擴(kuò)展較快）。貝紋線區(qū)的大

6、小取決于過(guò)載程度及材料的韌性，高名義應(yīng)力或材料韌性較差時(shí)，貝紋線區(qū)不明顯；反之，低名義應(yīng)力或高韌性材料，貝紋線粗且明顯，范圍大。（3）瞬斷區(qū)瞬斷區(qū)是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域。該區(qū)斷口粗糙， 脆性材料斷口呈結(jié)晶狀；韌性材料斷口在心部平面應(yīng)變區(qū)呈放射狀或人字紋狀；表面平面應(yīng)力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在。瞬斷區(qū)一般在疲勞源對(duì)側(cè)，大小與名義應(yīng)力、材料性質(zhì)有關(guān)。高名義應(yīng)力或脆性材料，瞬斷區(qū)大；反之，瞬斷區(qū)小。四、金屬材料疲勞破壞的機(jī)理1、疲勞裂紋的萌生（形核）裂紋萌生常在材料薄弱區(qū)或高應(yīng)力區(qū)， 通過(guò)不均勻滑移、 微裂紋形成及長(zhǎng)大而完成。 通常將長(zhǎng)的裂紋定為疲勞裂紋核， 對(duì)應(yīng)的循環(huán)周期 N 為裂紋萌生期。疲勞微裂紋

7、由不均勻滑移和顯微開(kāi)裂引起， 主要方式有：表面滑移帶開(kāi)裂， 第二相、夾雜物與基體界面或夾雜物本身開(kāi)裂，晶界或亞晶界處開(kāi)裂。在循環(huán)載荷作用下， 即使循環(huán)載荷未超過(guò)材料屈服強(qiáng)度，也會(huì)在材料表面形成循環(huán)滑移帶不均勻滑移，其與靜拉伸形成的均勻滑移不同，循環(huán)滑移帶集中于某些局部區(qū)域，用電解拋光法也難以去除，即使去除了，再重新循環(huán)加載，還會(huì)在原處再現(xiàn)。稱這種永留或再現(xiàn)的循環(huán)滑移帶為駐留滑移帶。駐留滑移帶在表面加寬過(guò)程中，會(huì)形成擠出脊和侵入溝，從而引起應(yīng)力集中，形成疲勞微裂紋。（1）表面易產(chǎn)生疲勞裂紋的原因：在許多載荷方式下，如扭轉(zhuǎn)疲勞，彎曲和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞等，表面應(yīng)力最大。實(shí)際構(gòu)件表面多存在類裂紋缺陷，如缺

8、口，臺(tái)階，鍵槽，加工劃痕等，這些部位極易由應(yīng)力集中而成為疲勞裂紋萌生地。相比于晶粒內(nèi)部， 自由表面晶粒受約束較小， 更易發(fā)生循環(huán)塑性變形。自由表面與大氣直接接觸， 因此，如果環(huán)境是破壞過(guò)程中的一個(gè)因素，則表面晶粒受影響較大。2、疲勞裂紋的擴(kuò)展疲勞裂紋萌生后開(kāi)始擴(kuò)展， 第階段沿著最大切應(yīng)力方向向內(nèi)擴(kuò)展。大多數(shù)微裂紋不繼續(xù)擴(kuò)展，成為不擴(kuò)展裂紋，個(gè)別微裂紋可延伸幾十 m 長(zhǎng)。隨即疲勞裂紋進(jìn)入第階段， 沿垂直拉應(yīng)力方向向前擴(kuò)展形成主裂紋，直至最后形成剪切唇為止。在室溫及無(wú)腐蝕條件下，第階段呈穿晶擴(kuò)展，擴(kuò)展速率da/dN隨 N 的增加而增大。在多數(shù)韌性材料的第階段， 斷口用電子顯微鏡可看到韌性條帶而脆性

9、材料中可看到脆性條帶。疲勞條帶（輝紋）呈略彎曲并相互平行的溝槽狀花樣， 與裂紋擴(kuò)展方向垂直。 與貝紋線不同,疲勞條帶是疲勞斷口的微觀特征。疲勞條帶形成的原因：裂紋尖端的塑性張開(kāi)，鈍化和閉合鈍化，使裂紋向前延續(xù)擴(kuò)展疲勞裂紋的形成與擴(kuò)展模型。五、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理1、陶瓷材料的疲勞破壞機(jī)理靜態(tài)疲勞相當(dāng)于金屬中的延遲斷裂， 即在一定載荷作用下， 材料耐用應(yīng)力隨時(shí)間下降的現(xiàn)象。 動(dòng)態(tài)疲勞在恒定加載條件下， 研究材料斷裂失效對(duì)加載速率的敏感性。 循環(huán)疲勞在長(zhǎng)期變動(dòng)應(yīng)力作用下， 材料的破壞行為。陶瓷材料斷口呈現(xiàn)脆性斷口的特征。2、高分子聚合物的疲勞破壞機(jī)理（1）非晶態(tài)聚合物高循環(huán)應(yīng)力時(shí)， 應(yīng)力很快達(dá)到

10、或超過(guò)材料銀紋的引發(fā)應(yīng)力， 產(chǎn)生銀紋，隨后轉(zhuǎn)變成裂紋，擴(kuò)展后導(dǎo)致材料疲勞破壞。中循環(huán)應(yīng)力也會(huì)引發(fā)銀紋， 形成裂紋，但裂紋擴(kuò)展速率較低（機(jī)理相同）。低循環(huán)應(yīng)力， 難以引發(fā)銀紋， 由材料微損傷累積及微觀結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生微孔及微裂紋，最終裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致宏觀破壞。（2）結(jié)晶態(tài)高聚合物或低應(yīng)力循環(huán)的非晶態(tài)高聚合物，疲勞過(guò)程有以下現(xiàn)象：整個(gè)過(guò)程，疲勞應(yīng)變軟化而不出現(xiàn)硬化。分子鏈間剪切滑移，分子鏈斷裂，結(jié)晶損傷，晶體結(jié)構(gòu)變化。產(chǎn)生顯微孔洞，微孔洞合并成微裂紋，并擴(kuò)展成宏觀裂紋。斷口呈裂紋擴(kuò)展形成的肋狀形態(tài)，斷口呈叢生簇狀結(jié)構(gòu)（拉拔）。（3）高聚物的熱疲勞由于聚合物為粘彈性材料， 具有較大面積的應(yīng)力滯后環(huán)，所以在應(yīng)

11、力循環(huán)過(guò)程中， 外力所做的功有相當(dāng)一部分轉(zhuǎn)化為熱能；而聚合物導(dǎo)熱性能差，因此溫度急劇升高，甚至高于熔點(diǎn)或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，從而產(chǎn)生熱疲勞。 熱疲勞常是聚合物疲勞失效的主要原因。因此疲勞循環(huán)產(chǎn)生的熱量，使聚合物升溫，可以修補(bǔ)高分子、的微結(jié)構(gòu)損傷，使機(jī)械疲勞裂紋形核困難。（4）聚合物疲勞斷口可觀察到兩種特征的條紋：疲勞輝紋：每周期的裂紋擴(kuò)展值為 10m（間距）。聚合物相對(duì)分子量較高時(shí)，在所有應(yīng)力強(qiáng)度因子條件下，皆可形成疲勞輝紋。疲勞斑紋： 對(duì)應(yīng)著不連續(xù)、跳躍式的裂紋擴(kuò)展， 間距有 50m。相對(duì)分子量較低時(shí)，在較低應(yīng)力強(qiáng)度因子條件下，易形成疲勞斑紋。3、復(fù)合材料的疲勞破壞機(jī)理（1）復(fù)合材料疲勞破壞的特點(diǎn)：多種疲勞損傷形式： 界面脫粘、分層、纖維斷裂、空隙增長(zhǎng)等。不發(fā)生瞬斷， 其疲勞破壞的標(biāo)準(zhǔn)與金屬不同， 常以彈性模量下降的百分?jǐn)?shù) 1%-2%），共振頻率變化（ 1-2HZ）作為破壞依據(jù)。聚合物基復(fù)合材