第5章 材料在交變載荷

1、第第5 5章章 材料在交變載荷下的力學(xué)材料在交變載荷下的力學(xué)行為行為 5.1 金屬疲勞破壞的特點 零件在交變應(yīng)力作用交變應(yīng)力作用下?lián)p壞叫做疲勞破壞疲勞破壞。據(jù)統(tǒng)計，在機械零件失效中有80以上屬于疲勞破壞。例如大多數(shù)軸類零件，通常受到的交變應(yīng)力為對稱循環(huán)應(yīng)力對稱循環(huán)應(yīng)力，這種應(yīng)力可以是彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、或者是兩者的復(fù)合。 如火車的車軸，是彎曲疲勞的典型，汽車的傳動軸、后橋半軸主要是承受扭轉(zhuǎn)疲勞，柴油機曲軸和汽輪機主軸則是彎曲和扭轉(zhuǎn)疲勞的復(fù)合。再如齒輪在嚙合過程中，所受的負(fù)荷在零到某一極大值之間變化；連桿不同于螺栓，始終處在小拉大壓的負(fù)荷中，這類情況叫做拉-壓疲勞。5.1.1 疲勞破壞的特點疲勞

2、破壞的特點 盡管疲勞載荷有各種類型，但它們都有一些共同的特點。第一， 斷裂時并無明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有明顯的預(yù)兆，而是突然地破壞。第二， 引起疲勞斷裂的應(yīng)力很低，常常低于靜載時的屈服強度。第三， 疲勞破壞能清楚地顯示出裂紋的發(fā)生、擴展和最后斷裂三個組成部份。5.1.2 疲勞斷口分析 一個典型的疲勞斷口總是由疲勞源，疲勞裂紋擴展區(qū)和最終斷裂區(qū)三部份構(gòu)成。 疲勞斷口有各種型式，它取決于載荷的類型，即所受應(yīng)力為彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力還是拉-壓應(yīng)力，同時與應(yīng)力的大小和應(yīng)力集中程度有關(guān)。 1、疲勞源 裂紋的萌生地；裂紋處在亞穩(wěn)擴展過程中。 由于應(yīng)力交變，斷面摩擦而光亮。 隨應(yīng)力狀態(tài)及其大小的不同，可

3、有一個或幾個疲勞源。 2、疲勞區(qū)（貝紋區(qū)） 斷面比較光滑，并分布有貝紋線。 循環(huán)應(yīng)力低，材料韌性好，疲勞區(qū)大，貝紋線細(xì)、明顯。 有時在疲勞區(qū)的后部，還可看到沿擴展方向的疲勞臺階（高應(yīng)力作用）。 3、瞬斷區(qū) 一般在疲勞源的對側(cè)。 脆性材料為結(jié)晶狀斷口；韌性材料有放射狀紋理；邊緣為剪切唇。 如圖是彎曲疲勞的斷口。在承受低名義應(yīng)力時，對于應(yīng)力集中較小的，疲勞裂紋擴展區(qū)占的面積相對說比較大，而且最終斷裂區(qū)并不正好位于疲勞源的對側(cè)，而是以逆旋轉(zhuǎn)方向偏離一個位置。 對于應(yīng)力集中較大的，不僅擴展區(qū)減小，而且最終斷裂區(qū)已不在軸的表面，漸漸移向中心。在承受高名義應(yīng)力時，即使對應(yīng)力集中小的軸，表面的疲勞源已有多處

4、，裂紋擴展形成棘輪形，最終斷裂區(qū)位于軸的中心。對于高應(yīng)力集中的軸，表面的疲勞源更多。 對扭轉(zhuǎn)疲勞斷口，可有三種型式：(1)和軸內(nèi)成45。，即沿最大拉應(yīng)力作用的平面斷裂，橫斷面呈星狀。當(dāng)應(yīng)力集中較大時呈鋸齒狀。(2)和軸向垂直，橫斷面呈階梯狀。(3)和軸向平行，橫斷面呈階梯狀。 對第二、第三種情形，都是沿著最大切應(yīng)力平面斷裂。從理論上看，一般材料的剪切強度都低于材料自身的拉斷強度。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。之所以出現(xiàn)第一種斷裂型式，是由于零件表面存在刀痕或損傷以及材料內(nèi)部有缺陷而造成的。對扭轉(zhuǎn)疲勞，一般看不到成貝殼狀或海灘狀的裂紋前沿線。52 S-N曲線和疲勞缺口敏感度曲

5、線和疲勞缺口敏感度 對疲勞壽命的估算可以有三種方法：應(yīng)力應(yīng)力- -壽命法即壽命法即S-N S-N 法法；應(yīng)變-壽命法即 -N 法；斷裂力學(xué)方法。S-N 法主要要求零件有無限壽命零件有無限壽命或者壽命很長壽命很長，因而應(yīng)用在零件受到很低的應(yīng)力幅或變幅，零件的破斷周次很高，一般大于105周次，零件主要只發(fā)生彈性變形發(fā)生彈性變形，亦即所謂高周疲勞的情況。 一般的機械零件如傳動軸、汽車彈簧和齒輪都是屬于此種類型。對于這類零件是以S-N 曲線獲得的疲勞極限為基準(zhǔn)，再考慮零件的尺寸影響，表面質(zhì)量的影響等，打一安全系數(shù)，便可確定許用應(yīng)力了。5.2.1 S-N曲線和疲勞極限曲線和疲勞極限 通常的S-N 曲線是

6、仿照火車輪軸的失效，用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗方法測得的。這種方法比較簡單，求出的疲勞極限，能和拉-壓疲勞，扭轉(zhuǎn)疲勞乃至和靜拉伸時的抗拉強度能建立一定的關(guān)系，并且能推廣得知不對稱循環(huán)的疲勞強度。 進行這種試驗是在以下條件得出的：(1)純彎曲；(2)完全對稱循環(huán)；(3)應(yīng)力幅恒定；(4)頻率在3000-104次分；(5)小試樣有足夠大的過渡圓角，表面經(jīng)過拋光。 在不斷降載時，試樣的破斷周次不斷增加，若在某應(yīng)力下旋轉(zhuǎn)107次仍不斷裂，即可認(rèn)為此應(yīng)力低于疲勞極限，再選取一較高的應(yīng)力，若在旋轉(zhuǎn)107次的過程中發(fā)生斷裂，然后在這兩個應(yīng)力之間進行內(nèi)插，縮小范圍，直到試樣在旋轉(zhuǎn)107次過程中發(fā)生斷裂或不斷之間的應(yīng)力

7、差小于10MPa，便可求出材料的疲勞極限 。 對一般低、中強度鋼，當(dāng) b1400MN/m2,如能經(jīng)受住107周次旋轉(zhuǎn)彎曲而不發(fā)生疲勞斷裂，就可憑經(jīng)驗認(rèn)為永不斷裂，相應(yīng)的不發(fā)生斷裂的最高應(yīng)力稱為疲勞極限。 而對高強度鋼，在S-logN曲線上，即使達到107周次,曲線仍未出現(xiàn)水平的轉(zhuǎn)折，這就是說，不存在一個可承受無限周次的循環(huán)而永不斷裂的應(yīng)力，這樣，要求的疲勞壽命越高，工作應(yīng)力越低。因此，對高強度鋼，我們?nèi)藶榈匾?guī)定在108周次時不發(fā)生斷裂的應(yīng)力才是疲勞極限。 同樣，對鋁合金，不銹鋼我們都取對應(yīng)N =108周次，對鈦合金則取107周次的應(yīng)力來確定疲勞極限。 5.3 變動載荷和循環(huán)應(yīng)力 1、變動載荷

8、大小、方向或者大小和方向均隨時間而變化。 變化分為周期性，無規(guī)則性。相對應(yīng)的應(yīng)力，稱為變動應(yīng)力。 2、循環(huán)應(yīng)力 循環(huán)應(yīng)力的波形一般近似為正弦波、矩形波和三角形波等。 （1）循環(huán)應(yīng)力的描敘 平均應(yīng)力 m m=1/2（maxmax+minmin） 應(yīng)力幅 a a=1/2（maxmax-minmin） 應(yīng)力比 =minmin/maxmax 前已指出，上述疲勞極限是在完全對稱循環(huán)條件下求得的。但實際上有不少零件是在非對稱循環(huán)應(yīng)力下工作，如齒輪，滾珠軸承，內(nèi)燃機連桿，汽缸蓋螺栓，它們的應(yīng)力循環(huán)，如圖，如圖 二、疲勞分類及特點 1、分類 （1）按應(yīng)力狀態(tài) 彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、復(fù)合疲勞等。 （2）

9、按環(huán)境 腐蝕疲勞、熱疲勞、接觸疲勞等。 （3）按循環(huán)周期 高周疲勞（Nf105周次）,因斷裂應(yīng)力低（ s s ），所以也叫低應(yīng)力疲勞低應(yīng)力疲勞。 低周疲勞低周疲勞（ Nf 102-105周次），由于斷裂應(yīng)力水平高， s s，往往伴有塑性變形，故稱為高應(yīng)力疲勞（或應(yīng)變疲高應(yīng)力疲勞（或應(yīng)變疲勞）勞）。 （4）按破壞原因 機械疲勞、腐蝕疲勞、熱疲勞。 在保證一定壽命的前提下，當(dāng)m 越大，允許的應(yīng)力半幅就要減少；反之，當(dāng) m變小時， a 就可以增大些。為獲得恒定的疲勞壽命，a和m 可以有不同的配合。Goodman 關(guān)系(脆性材料) Gerber關(guān)系(塑性材料) Soderberg 關(guān)系(工程合金) 根

10、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： (1) 對大多數(shù)工程合金，Soderberg關(guān)系對疲勞壽命的估計比較保守； (2) 對脆性金屬，包括高強度鋼，其抗拉強度接近真實斷裂應(yīng)力，用 Goodman關(guān)系來描述或估計疲勞壽命與實驗結(jié)果吻合得很好； (3) 對塑性材料，用Gerber關(guān)系較好。4.2.3 疲勞缺口敏感度疲勞缺口敏感度q 由于實際零件不可避免地有應(yīng)力集中存在，所以必須考慮缺口對材料疲勞強度的影響。最早是引入疲勞缺口敏感度 q，q的定義是 式中, Kt為理論應(yīng)力集中系數(shù)，決定于缺口的幾何形狀與尺寸。Kf為有效應(yīng)力集中系數(shù)， Kf -1 / -1N, -1 和-1

11、N分別為光滑與缺口試樣的疲勞極限，Kf的大小既和缺口的尖銳度有關(guān)也和材料特性有關(guān)。 照這種定義，0q Kth 時裂紋擴展較快，很快進入第二階段。在第一階段中，應(yīng)力比、顯微組織、環(huán)境的影響很大。在裂紋擴展的第二階段，其擴展速率受應(yīng)力比、組織類型和環(huán)境的影響很小。當(dāng)過渡到第三階段，裂紋又加速擴展，當(dāng)Kmax達到K1c時試樣就斷裂了。這一階段受應(yīng)力比、組織和斷裂韌性的影響較大。5.4 用斷裂力學(xué)計算疲勞壽命用斷裂力學(xué)計算疲勞壽命 在下述幾種情況下，斷裂力學(xué)獲得了廣泛的應(yīng)用： (1)對于大型構(gòu)件，這時裂紋的擴展在整個疲勞壽命中占支配地位. (2)零件已有既存的裂紋，有的裂紋在還未使用時就已存在，如鑄件

12、中含有大的氣孔以及焊接缺陷。也有在機件使用過程中，經(jīng)過一段時間后發(fā)現(xiàn)。 (3)對于尖銳缺口的零件，這類零件裂紋發(fā)生期只占整個疲勞壽命的一小部分。5.5 低周疲勞，-N曲線 有些機器的零部件或構(gòu)件，有時受到很大的交變應(yīng)力,如飛機在起飛和降落時，相對于它在高空穩(wěn)定飛行時(承受比較均勻的載荷)，其載荷幅度的變化是很大的; 壓力容器也是這樣，也有周期的升壓和降壓，這種運行狀態(tài)雖然相對于整個機件的工作壽命是較短的，但因承受的負(fù)荷較大，即使在設(shè)計時的名義應(yīng)力規(guī)定得只允許發(fā)生彈性變形，但在缺口處甚至在有微裂紋處，會因局部的應(yīng)力集中，使應(yīng)力超過材料的屈服強度，最終導(dǎo)致疲勞破壞。 這種在大應(yīng)力低周次下的破壞，即

13、謂之低周疲勞低周疲勞。低周疲勞和高周疲勞的區(qū)分，大約以105周次為界，這是個很粗略的界限。 研究低周疲勞常采用控制應(yīng)變的方法，得到應(yīng)變-壽命曲線，即-N 曲線。這和高周疲勞不同，后者得到的是S-N 曲線。為什么我們用控制應(yīng)變的方法來研究低周疲勞呢? 因為零件缺口處的實際應(yīng)力不容易計算，而缺口處的真實應(yīng)變是可以測量的。同時，缺口處的塑性變形總是受周圍廣大彈性區(qū)約束，假如能找到一種方法或規(guī)則建立起缺口處的應(yīng)力和應(yīng)變的相互關(guān)系，就能預(yù)測缺口處的失效或破壞周次。 更進一步的研究還可以得知，當(dāng)用應(yīng)變控制法得出應(yīng)變-壽命曲線時，光滑試樣的疲勞壽命和材料的靜強度可建立一定的關(guān)系，因而可以用材料的靜強度數(shù)據(jù)來

14、大致估算光滑試樣的疲勞壽命。 由于應(yīng)變控制法得出的-N曲線有許多好處，因而凡屬低周疲勞問題都用應(yīng)變控制。低周疲勞也就叫做應(yīng)變疲勞了。而在高周疲勞范圍內(nèi)，由于試樣主要產(chǎn)生的只是彈性變形，塑性變形很小，用應(yīng)變也很難測量，這時仍采用S-N 曲線。疲勞積累損傷和塑性 為什么材料在某一應(yīng)力水平下經(jīng)受一定循環(huán)周次就會破壞呢？多年來人們認(rèn)為材料在承受交變載荷時，隨著循環(huán)周次的增加，材料內(nèi)部發(fā)生損傷，當(dāng)損傷積累到某一數(shù)值時，材料固有的壽命或者塑性耗盡，便導(dǎo)致材料的破壞，這就是疲勞積累損傷疲勞積累損傷概念。 根據(jù)-N曲線，只要應(yīng)變幅固定，材料疲勞失效的周次便可確定。在低周疲勞中，因為塑性變形占主要地位，而塑性分

15、量可以按方程計算或由實驗測出，即 這就是說，不管塑性應(yīng)變幅怎樣影響疲勞失效周次，最終失效所積累的塑性變形量總是一個定值。當(dāng)材料的塑性變形累積達到f ，或近似相當(dāng)于靜拉伸時的真實斷裂應(yīng)變f時，便引起疲勞失效，這就是疲勞積累損傷在低周疲勞中的應(yīng)用。 疲勞硬化與軟化 在 -N曲線中，我們測得的總變形量、塑性分量與彈性分量，都是由循環(huán)加載時形成的滯后環(huán)上直接測量的。但是必須指出材料在循環(huán)加載時會發(fā)生硬化或軟化現(xiàn)象。 一般說來，對原始狀態(tài)較軟的材料，在控制應(yīng)變幅恒定的情況下，在循環(huán)加載時會產(chǎn)生塑性變形抗力隨著加載周次增加，這就是硬化現(xiàn)象硬化現(xiàn)象。 反之，原始狀態(tài)為強度或硬度較高的材料，在控制應(yīng)變幅恒定的

16、情況下，會發(fā)生形變抗力隨周次的增加而降低，這就是軟化現(xiàn)象軟化現(xiàn)象。5.6 5.6 缺口零件疲勞壽命的估計缺口零件疲勞壽命的估計 應(yīng)力集中系數(shù) 只適用在彈性變形的條件下。當(dāng)試樣承受名義應(yīng)力 ，則缺口根部的彈性應(yīng)力 S Kt 。 但一旦缺口根部的應(yīng)力使材料發(fā)生屈服，應(yīng)力就大為降低，如圖如圖4-7中中的情況將由C點降至B點，這時的應(yīng)力集中系數(shù)就不再是 Kt了，真實的應(yīng)力集中系數(shù)是K = S / ，即缺口根部的實際應(yīng)力和名義應(yīng)力之比。顯然 不是常數(shù)，它與外加載荷與發(fā)生的變形量有關(guān)。 同樣，缺口處的應(yīng)變也可表示為 ，它包括彈性變形，也包含塑性變形。變形量的多少取決于缺口根部的局部應(yīng)力。盡管現(xiàn)在我們還不能

17、分別求出缺口根部的應(yīng)力和應(yīng)變值，但是仍可從光滑試樣中存在的關(guān)系來推測應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系。例如在靜拉伸條件下 通過有限元法和塑性理論，Neuber得出以下規(guī)則 KK=Kt2 這說明在彈性變形時，真實的應(yīng)力集中系數(shù)，應(yīng)變集中系數(shù)和理論應(yīng)力集中系數(shù)是一回事，即 K=K=Kt。如有塑性變形， K和 K就要互相制約，但乘積不變。隨著變形進一步增加，K 加大，而 K減小。5.7 疲勞裂紋的萌生與發(fā)展疲勞裂紋的萌生與發(fā)展 5.7.1 疲勞裂紋的萌生疲勞裂紋的萌生 疲勞裂紋的萌生一般都形成于零件的表面，所以要注意零件的表面質(zhì)量，表面越光潔平整，零件的疲勞強度越高。疲勞裂紋在表面萌生，可能有三個位置： (1)對純

18、金屬或單相合金，尤其是單晶體，裂紋多萌生在表面滑移帶處，即所謂駐留滑移帶的地方。 (2)當(dāng)經(jīng)受較高的應(yīng)力/應(yīng)變幅時，裂紋萌生在晶界處，特別是在高溫下更為常見。 (3)對一般的工業(yè)合金，裂紋多萌生在夾雜物或第二相與基體的界面上。 交變載荷下形成的表面滑移帶與靜載荷下出現(xiàn)的滑移帶不同，靜載下在光學(xué)顯微鏡中看到的滑移線粗而均勻，遍及許多晶粒，在一個滑移帶中包含著許多臺階，形似樓梯的臺階一樣; 而交變載荷下都是在高應(yīng)力的局部地區(qū)，首先開始滑移，每一周次的滑移變形量小，最初變形是可逆的，然而在經(jīng)過許多次變形之后，滑移就變成不可逆的了。 滑移產(chǎn)生的表面突起經(jīng)過表面拋光后雖能暫時消除，但如再繼續(xù)循環(huán)幾個周次

19、滑移臺階又在原處出現(xiàn),這就是所謂駐留滑移帶名稱的來源。駐留滑移帶的出現(xiàn)，標(biāo)志著疲勞損傷已經(jīng)開始。5.7.2 疲勞裂紋的擴展疲勞裂紋的擴展 當(dāng)在表面形成顯微裂紋之后，裂紋萌生階段便告結(jié)束。裂紋擴展分為兩個階段。 第一階段是沿著最大切應(yīng)力的滑移平面，和拉應(yīng)力方向成45。向前擴展，這時的裂紋在表面原有多處；但大多數(shù)顯微裂紋較早地就停止擴展，呈非擴展裂紋，只有少數(shù)幾個可延伸到幾十個微米的長度，亦即約23個晶粒尺寸的范圍。 當(dāng)長度再增加，裂紋便轉(zhuǎn)向和拉應(yīng)力方向垂直，這就是裂紋傳播的第二階段。在第二階段通常只有一個裂紋擴展. 在一般材料中，第一階段都是很短的，而在一些高強度鎳基合金中，第一階段可長達毫米的

20、數(shù)量級，有時甚至只有第一階段。 應(yīng)力幅較低時，第一階段便較長。雖然裂紋擴展第一階段的長度甚短，但擴展速率卻非常緩慢，所以在光滑試樣中，第一階段所消耗的循環(huán)周次可以占整個疲勞壽命的大部分。 相反，在尖銳缺口的試樣中，第一階段則小到幾乎可以忽略，整個的疲勞裂紋傳播就是第二階段。 裂紋的第一階段擴展是由切應(yīng)力分量控制的，而第二階段則由拉應(yīng)力控制。在室溫和沒有腐蝕介質(zhì)的情況下，疲勞裂紋通常是穿晶的。 第二階段中可觀察到疲勞條紋，這是裂紋擴展的直接證明。但有幾個概念應(yīng)該明確： (1) 必須把宏觀的疲勞斷口中顯示的海灘狀或貝殼狀條紋和電子斷口金相中觀察到的疲勞條紋區(qū)別開來。(2) 在第一階段中我們通?？床?/p>

21、到疲勞條紋，但這并不等于說疲勞條紋只是第二階段的固有特征。(3) 疲勞條紋在塑性好的材料如銅、鋁、不銹鋼中可以顯示得很清楚，但對高強度鋼便不容易看到，或只看到一部分。通常疲勞裂紋傳播有兩種方式，在塑性材料中顯示出疲勞裂紋，在脆性材料中則呈解理臺階。 在塑性材料中，疲勞裂紋的傳播一般都引用Laird的裂紋張開- 鈍化- 變銳的模型. 由此可見，每加載一次，裂紋向前擴展一段距離，這就是裂紋擴展速率dadN，同時在斷口上留下一疲勞條帶，而且裂紋擴展是在拉伸加載時進行的。裂紋擴展的塑性鈍化模型與實驗觀測結(jié)果相符。5.8 5.8 沖擊疲勞和熱疲勞沖擊疲勞和熱疲勞 5.8.1 沖擊疲勞沖擊疲勞(多次沖擊多

22、次沖擊)的特點的特點多次沖擊載荷有其自身的特點: (1)沖擊載荷的特性表現(xiàn)為應(yīng)力在材料內(nèi)部以波的形式高速傳播。 (2)材料在多沖載荷作用下有明顯不同于靜疲勞的尺寸(體積)效應(yīng)。缺口效應(yīng)也比靜疲勞大。 (3)材料在多沖載荷下要發(fā)生一些獨特的組織和性能變化,如彈性模量，彈性滯后環(huán)，屈服極限，應(yīng)變硬化指數(shù)等在程度上甚至性質(zhì)上出現(xiàn)有別于一般靜低周疲勞的變化。5.8.2 多沖多沖A-N曲線及其規(guī)律曲線及其規(guī)律 為了研究材料在多沖載荷下的力學(xué)行為，人們已設(shè)計了多種形式的試驗機，進行不同加載方式下的試驗研究。 其中包括多沖彎曲、多沖拉伸、多沖壓縮和多沖扭轉(zhuǎn)試驗，但研究最多的還是多沖彎曲和多沖拉伸試驗。這里著

23、重介紹這兩種試驗中得到的若干基本規(guī)律。1強度與韌性不同的兩種材料，在其沖擊能量A和沖擊破斷周次N的A-N曲線上存在交點。在交點的上方，即在極高的沖擊能量下，多沖抗力決定于材料的韌性；而在交點的下方，即在較低的沖擊能量下，多沖抗力則主要決定于材料的強度.2淬火回火鋼的多沖破斷周次N 隨回火溫度而變化，且在一定溫度回火后會出現(xiàn)峰值，峰值的位置取決于沖擊能量。當(dāng)沖擊能量降低，峰值向低溫回火方向轉(zhuǎn)移。 需要指出的是，用A-N曲線表示的試驗方法存在不少缺點： 第一， 試驗機沖頭的動能(沖擊能量A)除一部分為試樣以應(yīng)變能的形式吸收外，尚有一部分被沖錘和支座所吸收，以及消耗于撞擊點的塑性變形。故嚴(yán)格地說，沖

24、擊能量A并不代表試樣吸收的沖擊功。 第二， AN曲線試驗結(jié)果，無法和用應(yīng)力或應(yīng)變表示的靜疲勞的試驗結(jié)果進行比較，也無法深入研究兩者的差異。 第三， A-N曲線無法確定可供設(shè)計計算使用的多沖抗力指標(biāo)，只能在十分固定的條件下提供相對試驗數(shù)據(jù)，作為材料、工藝變革的對比，這樣就使多沖試驗的使用受到限制。5.8.3 熱疲勞熱疲勞 什么是熱疲勞呢?凡是由于溫度周期變化引起零件或構(gòu)件的自由膨脹和收縮，而又因這種膨脹和收縮受到約束，產(chǎn)生了交變熱應(yīng)力，由這種交變熱應(yīng)力引起的破壞就叫熱疲勞熱疲勞。造成零件或構(gòu)件熱疲勞的原因可能是： (1)零件或構(gòu)件的溫度梯度。 (2)零件或構(gòu)件的溫度差，如管道焊接接頭的熱膨脹。

25、(3)由于材料的膨脹系數(shù)不同，如鐵素體鋼與奧氏體鋼的焊接等。5.9 提高疲勞強度的途徑提高疲勞強度的途徑 首先要注意對零件的要求是屬于高周疲勞壽命還是低周疲勞壽命?或者是裂紋的萌生在整個的疲勞壽命中占主導(dǎo)地位，還是裂紋的擴展是主要的? 如果零件承受的應(yīng)力幅或應(yīng)變幅很小，主要發(fā)生的是彈性變形，也就是要求零件有長的高周疲勞壽命，在工程上常采用以下幾種辦法來提高零件的疲勞壽命。 1.采用滾壓或噴丸的表面強化辦法。 因為疲勞裂紋的萌生大多起源于表面，滾壓或噴丸時表面的塑性變形受到約束，使表面產(chǎn)生很高的殘留壓應(yīng)力，這種情況下表面就不易萌生疲勞裂紋，即使表面有小的微裂紋，裂紋也不易擴展。 對用噴丸使零件強

26、化的方法，可作如下評價： (1)對有應(yīng)力集中的缺口零件特別有效； (2)對退火，正火態(tài)的低強度鋼強化作用很弱； (3)對承受彎曲、扭轉(zhuǎn)的零件，亦即有應(yīng)力梯度的零件是有效的，而對承受拉-壓等應(yīng)力均勻分布的零件作用較弱。(4)只在高周疲勞的場合下才是有效的，而對在低周疲勞下工作的零件，因為材料在高應(yīng)變幅或高應(yīng)力幅下要發(fā)生塑性變形，將使表面殘余壓應(yīng)力發(fā)生松馳，因此一般地說，效果也是微弱的。(5)對滲碳淬火的零件，要注意層深和心部強度的控制，較淺的層深有利于獲得表層高的殘余壓應(yīng)力，同時心部強度不能過高，否則反會導(dǎo)致表面拉應(yīng)力。 2利用表面化學(xué)熱處理的方法如滲碳氮化等，也能顯著提高材料或零件的疲勞強度。

27、 3減少夾雜物。這對高強度鋼特別重要。 4細(xì)化晶粒。細(xì)化晶粒對阻止疲勞裂紋的萌生和擴展都是有好處的。 以上討論的提高疲勞強度的措施，主要是針對高周疲勞而言的。 象滾壓、噴丸和表面化學(xué)熱處理，歸根結(jié)底，是使表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，但對低周疲勞來說，由于加載時的應(yīng)變幅或應(yīng)力幅較大，可以產(chǎn)生塑性變形，使應(yīng)力松弛，這樣殘余壓應(yīng)力變不再能保持了。所以這些方法對高周疲勞有很好的效果，但對低周疲勞便沒有多大作用。 同樣，減少夾雜物或改善夾雜物的分布，也只是阻止裂紋的萌生。在高周疲勞中裂紋的萌生占整個疲勞壽命的很大部分，而對低周疲勞，疲勞壽命主要是由裂紋擴展階段所構(gòu)成，所以夾雜物對低周疲勞壽命的影響，相比之下就微

28、弱得多了。 從工藝措施來看，改善低周疲勞壽命暫時還沒有十分有效的辦法，要提高低周疲勞壽命主要是選擇塑性較好的材料。 5.10 疲勞短裂紋疲勞短裂紋 究竟什么是疲勞短裂紋呢? 可以有種種的定義和分類: 如小裂紋的尺寸與材料顯微組織中的最小結(jié)構(gòu)單元相當(dāng)，稱為顯微組織小裂紋； 如小裂紋尺寸與裂紋尖端塑性區(qū)尺寸相當(dāng)時，則稱為力學(xué)小裂紋； 如裂紋尺寸明顯超過顯微組織的特征尺寸或者塑性區(qū)，只是從物理上講屬小的范疇，裂紋長度一般小于1-2mm，則稱為物理小裂紋。 當(dāng)施加應(yīng)力低于光滑試樣的材料疲勞極限時，小裂紋的擴展速率可以隨著裂紋長度的增加而逐漸減??；直至裂紋幾乎停止擴展，這就形成了疲勞極限下的非擴展裂紋;

29、 當(dāng)施加應(yīng)力接近疲勞極限，小裂紋的擴展開始減慢到一最小值，這可能是遇到了晶界或其它障礙，然后又穿過了晶界，擴展速率又增加，直到與長裂紋的擴展速率曲線相匯合；疲勞短(小)裂紋的擴展有什么特征呢? 當(dāng)施加應(yīng)力高于疲勞極限，特別是在應(yīng)力集中的缺口處，其裂紋擴展可以較快的與長裂紋匯合。 短裂紋只有在以下幾種情況，才在疲勞壽命的研究中占支配地位。它們包括： (1)航空發(fā)動機中鎳基超合金葉片，葉片可制成單晶，為了提高蠕變抗力，也可制作成特大晶粒。這時裂紋可看作短裂紋。 (2)一些重要的無缺陷的高強度材料，如高強度合金鋼的發(fā)動機零件，可制作成含很少夾雜物并且零件表面經(jīng)過很好拋光，在這種情況下小的表面缺陷或者

30、微米級的擦傷都可引起疲勞裂紋。 (3)比較關(guān)鍵的低強度零件材料，如鋁合金發(fā)動機缸體或銅合金熱交換器，其最大缺陷可以是亞毫米的，如表面的粗糙程度和小的鑄造裂紋等。5.12 聚合物的疲勞聚合物的疲勞 聚合物的S-N曲線和疲勞極限I區(qū)是高應(yīng)力區(qū)；區(qū)是中應(yīng)力區(qū)；區(qū)是低應(yīng)力區(qū)。以上是容易產(chǎn)生銀紋的非晶態(tài)聚合物(聚苯乙烯)的疲勞過程。對于低應(yīng)力下易產(chǎn)生銀紋的結(jié)晶態(tài)聚合物的疲勞過程，出現(xiàn)以下現(xiàn)象： (1)疲勞應(yīng)變軟化而不出現(xiàn)應(yīng)變硬化。 (2)分子鏈間剪切滑移，分子鏈斷裂，晶體精細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。 (3)產(chǎn)生顯微孔洞(MiCro Void)。 (4)微孔洞復(fù)合成微裂紋，微裂紋擴展成宏觀裂紋。5.12.2 聚合物的疲勞裂紋擴展聚合物的疲勞裂紋擴展 聚合物的疲勞過程，一般為疲勞應(yīng)力引發(fā)銀紋，然后轉(zhuǎn)變?yōu)榱鸭y，裂紋擴展導(dǎo)致疲勞破壞。利用斷裂力學(xué)來研究疲勞裂紋擴散問題是