第10章 金屬材料的疲勞

1、第10章 金屬材料的疲勞 材料或元件在交變應(yīng)力（隨時間作周期性改變的應(yīng)力）作用下，經(jīng)過一段時期后，在內(nèi)部缺陷或應(yīng)力集中的部位，局部產(chǎn)生細微的裂紋，裂紋逐漸擴展以致在應(yīng)力遠小于屈服點或強度極限的情況下，突然發(fā)生脆性斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞，例如頻繁進料、出料的周期性間歇操作的設(shè)備，往復(fù)式壓縮機氣缸，應(yīng)考慮其疲勞失效的可能性疲勞分類：（1）       高周疲勞：低應(yīng)力，高循環(huán)次數(shù)。最常見（2）       低周疲勞：高應(yīng)力，低循環(huán)次數(shù)。（3）   &

2、#160;   熱疲勞：溫度變化引起的熱應(yīng)力作用下引起的疲勞破壞。（4）       腐蝕疲勞：交變載荷與腐蝕介質(zhì)共同作用下引起的破壞。（5）       接觸疲勞；機件的接觸表面在接觸應(yīng)力反復(fù)作用下出現(xiàn)表面剝落。10.1       交變載荷特性大小或方向或兩者同時隨時間發(fā)生周期性變化的載荷。交變載荷的特性可用幾個參數(shù)來表示：應(yīng)力循環(huán)：交變應(yīng)力在兩個應(yīng)力極值之間變化一次的過程。最大應(yīng)力（max）

3、：循環(huán)中代數(shù)值最大的應(yīng)力。最小應(yīng)力（min）：循環(huán)中代數(shù)值最小的應(yīng)力。平均應(yīng)力：（max+max）/2應(yīng)力幅：（max-min）/2不對稱系數(shù)：r=（min/max）;r=-1對稱，r=0脈動；-1<r<1不對稱10.2       高周疲勞特點      應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨著循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)力幅值不變，應(yīng)變量在減小。這是因為發(fā)生的冷作硬化。應(yīng)力幅值是表征材料高周疲勞的主要參量。      金屬材料的疲勞特性曲線 （圖）用旋

4、轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗法進行高周疲勞試驗。應(yīng)力幅值與交變循環(huán)周數(shù)。鋼鐵材料Nf>107曲線呈水平,對于鋁合金等有色金屬則沒有明顯水平部分。      疲勞斷裂的斷口特征脆性斷裂，斷口無明顯塑性變形，貝殼狀紋路。對缺口敏感（材料外緣和芯部紋擴散速度不同），對缺口不敏感。      金屬材料的疲勞抗力指標.1     疲勞極限材料經(jīng)無限多次應(yīng)力循環(huán)不斷裂的交變應(yīng)力幅值。對于鋁合金取Nf>=105107的應(yīng)力幅值作為條件疲勞極限。同一材料，對稱循環(huán)疲勞極限也

5、不同，彎曲疲勞極限（-1）>拉壓疲勞極限（-1p）>扭轉(zhuǎn)疲勞極限（-1n）。.2     疲勞缺口的敏感度應(yīng)力集中程度用應(yīng)力集中系數(shù) 缺口對疲勞強度的影響，用疲勞有效應(yīng)力集中系數(shù)Kf 缺口敏感度 ，圖，相同缺口半徑，材料強度越高，q值越大。10.3       疲勞斷裂機理      疲勞裂紋的產(chǎn)生金屬所受交變應(yīng)力大于疲勞極限，在金屬表面，晶界及非金屬夾雜物處形成滑移帶，滑移帶中的缺陷或擠入溝處形成應(yīng)力集中，形成裂紋源。 &

6、#160;    疲勞裂紋的擴展第1階段：從金屬表面的駐留滑移帶，擠入溝或夾雜物開始，沿最大切應(yīng)力方向（與主應(yīng)力呈45方向）向內(nèi)部發(fā)展。速度慢，每1次循環(huán)0.1nm數(shù)量級第2階段：裂紋擴展方向逐漸轉(zhuǎn)為和主應(yīng)力垂直的方向，速度快，每1次循環(huán)微米數(shù)量級。      疲勞裂紋的擴展速率每次應(yīng)力循環(huán)裂紋的擴展量 ，稱為疲勞擴散速率。典型疲勞裂紋擴展速率曲線圖 如下：分3階段：第1階段： 隨 降低迅速降低，至 為0，門檻值 =13*107mm第2階段：穩(wěn)定擴展區(qū)或亞臨界擴展區(qū)。 第3階段：快速擴展， 接近材料Kc（斷裂韌性）

7、值，斷裂。材料疲勞裂紋擴展速率主要研究亞臨界擴展速率Barsom方程鐵素體鋼： （疲勞裂紋亞臨界擴展區(qū)中特性最好）馬氏體鋼： 奧氏體鋼： 10.4       影響材料疲勞抗力的因素      化學(xué)成分和夾雜物的影響含碳量，合金元素，夾雜      熱處理和顯微組織的影響屈氏體（斷裂抗力大）>馬氏體（脆性在，抗力?。?gt;索氏體（斷裂抗力?。┘毣ЯＳ欣诹鸭y改向。      應(yīng)

8、力集中的影響疲勞裂紋總是出現(xiàn)在應(yīng)力集中處，應(yīng)力集中越嚴重，疲勞強度下降越多。10.4.4      試件尺寸的影響尺寸大，缺陷多。      表面加工的影響疲勞裂紋常從零件表面開始產(chǎn)生。表面粗糙度越低，疲勞強度越高。      溫度的影響溫度升高，疲勞強度降低。10.5       低周疲勞特性反復(fù)塑性變形造成的破壞。循環(huán)應(yīng)力高，接近或超過材料的屈服極限。  

9、0;   低周疲勞時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線第1階段出現(xiàn)硬化或軟化。循環(huán)硬化：形變抗力在應(yīng)力循環(huán)中增加。（退火鋼）循環(huán)軟化：形變抗力在應(yīng)力循環(huán)中減小。（冷加工硬化）第2階段0.20.5倍總壽命循環(huán)次數(shù)后，應(yīng)變曲線穩(wěn)定。應(yīng)變量含彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變       材料的低周疲勞特性曲線在低周疲勞條件下，影響材料疲勞壽命的主要參量是應(yīng)變幅值。圖9-33把 時疲勞壽命稱為過渡疲勞壽命 ，重要，是材料疲勞損傷關(guān)鍵指標。Nf>NT，高周疲勞，提高強度以提高抗疲勞能力；反之，保持一定強度基礎(chǔ)上，提高材料塑性和韌性。  &#

10、160;   鍋爐與壓力容器用鋼的疲勞設(shè)計曲線鍋爐及壓力容器在啟停過程中會發(fā)生壓力和溫度波動，使材料產(chǎn)生低周疲勞。當以下各項預(yù)期的循環(huán)次數(shù)總和超過100次，才需對部件進行低周疲勞設(shè)計。（1）       設(shè)計的預(yù)計壓力循環(huán)（啟停）次數(shù)（2）       壓力變化超過設(shè)計壓力20%的預(yù)計壓力循環(huán)次數(shù)。（3）       部件上距離 兩點溫度變化有效次數(shù)計的循環(huán)次數(shù)。（4）  &#

11、160;    部件的焊烽位于線膨脹系數(shù)不同的材料之間，以 時的溫度變化次數(shù)計的循環(huán)次數(shù)。一些國家均在其設(shè)計規(guī)范中提出了鍋爐壓力容器用鋼的疲勞設(shè)計曲線。 下圖為美國ASME規(guī)范的疲勞設(shè)計曲線圖。      影響低周疲勞的主要因素.1     塑性塑性好的材料，易產(chǎn)生塑性變形，使應(yīng)力得到重新分布。因此抵抗低周疲勞性能較好。.2     加載頻率和保持時間加載頻率降低和保持時間增加會降低材料壽命。.3   &#

12、160; 晶粒大小隨著晶粒變細，材料的低周疲勞壽命增加。.4     環(huán)境介質(zhì)高溫下，裂紋尖端發(fā)生氧化，加速裂紋擴展。10.6       熱疲勞      熱疲勞現(xiàn)象材料在加熱，冷卻的循環(huán)作用下，由交變熱應(yīng)力引起的破壞。熱應(yīng)力材料的線膨脹系數(shù)E材料的彈性模量      材料在承受熱疲勞時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線熱疲勞是塑性變形積累損傷的結(jié)果，與低周疲勞具有相似的應(yīng)變壽命規(guī)律，其破壞特征是相同的。但伴有松

13、馳。      熱疲勞與機械疲勞的區(qū)別（1）       除了熱應(yīng)力，還有內(nèi)部組織變化，使強度和塑性降低。（2）       溫度分布不均，溫度梯度大塑性變形大。（3）       溫度高時，穿晶斷裂會向晶間斷裂過渡。在相同的塑性變形范圍內(nèi)，熱疲勞壽命一般比機械疲勞低。      影響熱疲勞的主要因素.1 &

14、#160;   溫度溫度變化幅： ，隨著溫度幅的增加，材料的熱疲勞強度降低，破壞循環(huán)次數(shù)減少。另外，如果溫度幅保持不變，隨著平均溫度的提高，材料的熱疲勞強度也降低。.2     高溫保溫時間與加熱冷卻速度Tmax保持時間越長，熱疲勞循環(huán)壽命下越多，應(yīng)力松馳越明顯，塑性變形增加。加熱，冷卻速度越快，壽命越短.3     環(huán)境氣氛氧化性 氣氛和燃氣中熱疲勞壽命明顯降低。.4     材料物理性能線膨脹系數(shù)和彈性模量越大，產(chǎn)生的熱應(yīng)力越大；材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小，在

15、材料中產(chǎn)生的溫度梯度越大。這些都將導(dǎo)致材料的抗熱疲勞能力降低。.5     材料顯微組織細小的晶粒度有利于抵抗熱疲勞；晶界是否有第二相析出，則裂紋易于沿析出相擴展，降低了熱疲勞強度。      熱疲勞破壞的斷口特征.1     宏觀熱疲勞引起的斷裂為脆性斷裂，伴有少量塑性變形。.2     微觀穿晶或晶間 斷裂，裂紋內(nèi)部往往充滿灰色腐蝕物，裂紋擴展過程中產(chǎn)生的氧化或腐蝕。10.7    

16、   腐蝕疲勞石油貯罐      腐蝕疲勞特性在任何腐蝕介質(zhì)中均會發(fā)生。材料的條件腐蝕疲勞極限與其靜強度之間不存在直接關(guān)系。      腐蝕疲勞機理滑移-溶解型：在交變應(yīng)力上升期，滑移臺階露出新鮮表面，被腐蝕。      影響腐蝕疲勞的主要因素.1     加載頻率頻率越低，在一定載荷周期數(shù)內(nèi)，材料與腐蝕介質(zhì)接觸時間越長，腐蝕作用越大，材料的腐蝕疲勞強度越低。.2  

17、   平均應(yīng)力平均應(yīng)力增大使腐蝕疲勞裂紋擴展速度增加。.3     組織狀態(tài)電化學(xué)穩(wěn)定性，具有馬氏體組織碳互鋼，對腐蝕疲勞敏感。.4     合金元素超過5%合金元素，提高耐蝕性10.8       接觸疲勞      接觸疲勞的類型和破壞過程類型：（1）    麻點剝落，深度0.10.2mm（3）    淺層剝落，深度0.20

18、.4mm（2）     深層剝落，裂紋起源在硬化層      影響材料接觸疲勞抗力的因素.1     材料中非金屬夾雜物在它們與基體金屬的交界處將產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，在該處形成微裂紋，降低了材料的接觸疲勞壽命。.2     鋼的馬氏體中碳的質(zhì)量分數(shù)有最佳含量.3     鋼中碳化物的影響裂紋在碳化物中形成，含量有最佳值。.4     鋼的硬度影響一方面提高強度，塑性變形抗力的增加。另一方面，一旦裂紋源形成，硬度高材料裂紋敏感性強。10.9       提高材料與機件疲勞強度的途徑      合理的疲勞設(shè)計減小應(yīng)力集中      高疲勞抗力材料的選擇.1     提高純度減少夾雜物將大大提高疲勞強度。.2     細化晶粒細化晶粒能顯著提高高周疲勞強度和低周疲勞壽命；但在較高的溫度下（如