材料力學(xué)性能第章

1第五章金屬疲勞材料力學(xué)性能第章第1頁2工程中很多機(jī)件和構(gòu)件都是在變動(dòng)載荷下工作，如曲軸、連桿、齒輪、彈簧、輥?zhàn)?、葉片及橋梁等，其失效形式主要是疲勞斷裂(fatiguefailure)據(jù)統(tǒng)計(jì)，疲勞破壞在整個(gè)失效件中約占80%左右疲勞屬低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂，其斷裂應(yīng)力水平往往<σb，甚至<σs；不產(chǎn)生顯著塑性變形，展現(xiàn)突然脆斷?！嗥跀嗔咽且粋€(gè)非常危險(xiǎn)斷裂。工程中研究疲勞規(guī)律、機(jī)理、力學(xué)性能指標(biāo)、影響原因等，就含有主要意義。材料力學(xué)性能第章第2頁3疲勞失效材料力學(xué)性能第章第3頁4AISI4340鋼螺紋疲勞斷口，海灘花樣；材料力學(xué)性能第章第4頁5事故案例：

1954年1月10日，一架英國海外航空企業(yè)（BOAC）“彗星”1型客機(jī)（航班編號(hào)781號(hào)）從意大利羅馬起飛飛往目標(biāo)地英國倫敦。飛機(jī)起飛后26分鐘，機(jī)身在空中解體，墜入地中海。機(jī)上全部乘客和機(jī)組人員35人全部遇難。這次事故震驚了全世界，英國成立了專門調(diào)查組調(diào)查事故。

飛行時(shí)機(jī)艙工作壓力大約為60kPa.

設(shè)計(jì)壓力為140kPa(安全系數(shù)超出2)，應(yīng)該很安全。經(jīng)過長達(dá)６個(gè)月調(diào)查分析，最終得出結(jié)論是：“彗星”號(hào)飛行中因?yàn)闄C(jī)體上金屬部件產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展而造成了解體事故。產(chǎn)生這種裂紋原因是因?yàn)楦呖诊w行“彗星”客機(jī)使用增壓座艙，長時(shí)間飛行頻繁起降使機(jī)體重復(fù)承受增壓和減壓引發(fā)飛機(jī)鋁制蒙皮金屬疲勞。循環(huán)載荷引發(fā)金屬疲勞裂紋擴(kuò)展造成災(zāi)難性空難事故材料力學(xué)性能第章第5頁65.2疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能5.3疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門檻值5.4疲勞過程及機(jī)理5.5影響疲勞強(qiáng)度主要原因5.6低周疲勞5.1金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)主要內(nèi)容材料力學(xué)性能第章第6頁5.1

金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)

一、變動(dòng)載荷和循環(huán)應(yīng)力

1.變動(dòng)載荷

變動(dòng)載荷：引發(fā)疲勞破壞外力，是指載荷大小，

甚至方向均隨時(shí)間改變載荷，其在單

位面積上平均值為變動(dòng)應(yīng)力。規(guī)則周期變動(dòng)應(yīng)力(循環(huán)應(yīng)力或交變應(yīng)力)無規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力變動(dòng)應(yīng)力

可用應(yīng)力-時(shí)間曲線表示7材料力學(xué)性能第章第7頁8應(yīng)力-時(shí)間曲線材料力學(xué)性能第章第8頁9

生產(chǎn)中機(jī)件正常工作時(shí)，其變動(dòng)應(yīng)力多為循環(huán)應(yīng)力，

且易模擬，所以研究較多2.循環(huán)應(yīng)力

循環(huán)應(yīng)力波形有正弦波、矩形波和三角形波等，

其中常見者為正弦波

。

最大應(yīng)力σmax

最小應(yīng)力σmin

平均應(yīng)力

σm=1/2(σmax+σmin)

應(yīng)力幅

σa=1/2(σmax-σmin)應(yīng)力比σ

minσ

maxr

=材料力學(xué)性能第章第9頁10常見幾個(gè)循環(huán)應(yīng)力有以下幾個(gè)。⑴

對稱交變應(yīng)力

σm=0,

r

=-1

(圖a),大多旋轉(zhuǎn)軸類零件循環(huán)應(yīng)力,eg.火車軸彎曲對稱交變應(yīng)力、曲軸扭轉(zhuǎn)交變應(yīng)力⑵

脈動(dòng)應(yīng)力

σm=

σa>0,r=0

(圖b)

,齒輪齒根循環(huán)彎曲應(yīng)力σm=

-σa<0,r=-∞

(圖c),

軸承循環(huán)脈動(dòng)壓應(yīng)力⑶

波動(dòng)應(yīng)力

σm>σa,0<r<1

(圖d)

,發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓循環(huán)應(yīng)力⑷

不對稱交變應(yīng)力

r<0

,

r≠-1

(圖e),發(fā)動(dòng)機(jī)連桿循環(huán)應(yīng)力材料力學(xué)性能第章第10頁11二、疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)

疲勞：金屬機(jī)件或構(gòu)件在變動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變長久

作用下，因?yàn)槔鄯e損傷而引發(fā)斷裂現(xiàn)象

1.

分類

疲勞能夠按不一樣方法進(jìn)行分類:按應(yīng)力狀態(tài)

不一樣彎曲疲勞扭轉(zhuǎn)疲勞拉壓疲勞復(fù)合疲勞按環(huán)境和接觸情況不一樣大氣疲勞腐蝕疲勞高溫疲勞接觸疲勞熱疲勞材料力學(xué)性能第章第11頁按斷裂壽命和應(yīng)力高低

不一樣高周疲勞低周疲勞Nf

>10

5σ

<σ

s低應(yīng)力疲勞壽命長斷裂應(yīng)力水平較低N

f

=(102～

105)

壽命短

σ

≥σ

s

斷裂應(yīng)力水平較高

高應(yīng)力疲勞或應(yīng)變疲勞

普通常見疲勞多屬高周低應(yīng)力疲勞12材料力學(xué)性能第章第12頁132.

特點(diǎn)疲勞斷裂和靜載荷或一次沖擊加載斷裂相比，含有以下特點(diǎn):(1)疲勞是低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂，即含有壽命斷裂。應(yīng)力↓壽命↑(2)疲勞是脆性斷裂。一個(gè)潛在突發(fā)性脆性斷裂(3)疲勞對缺點(diǎn)(缺口、裂紋及組織缺點(diǎn))十分敏感。缺口、裂紋及組織缺點(diǎn)均加緊疲勞破壞開始和發(fā)展(4)疲勞斷裂也是裂紋萌生和擴(kuò)展過程。是長久累積損傷過程中，經(jīng)裂紋萌生和遲緩亞穩(wěn)擴(kuò)展到臨界尺寸ac時(shí)才突然發(fā)生材料力學(xué)性能第章第13頁14三、疲勞宏觀斷口特征經(jīng)典疲勞斷口含有三個(gè)形貌不

同區(qū)域－疲勞源、疲勞區(qū)

及瞬斷區(qū)。疲勞源：疲勞裂紋萌生策源地；疲勞區(qū)：疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展所形成斷口區(qū)域；瞬斷區(qū)：裂紋最終失穩(wěn)快速擴(kuò)展所形成斷口區(qū)域。5.1

金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)材料力學(xué)性能第章第14頁15貝紋線材料力學(xué)性能第章第15頁16疲勞源：疲勞裂紋萌生疲勞源普通在機(jī)件表面：常和缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺點(diǎn)相連（應(yīng)力集中）也可在內(nèi)部產(chǎn)生疲勞源：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)等）或內(nèi)裂紋時(shí)（局部強(qiáng)度降低）。斷口形貌觀察：疲勞源區(qū)光亮度最大。原因：①裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展過程中，應(yīng)力交變引發(fā)斷面不停摩擦擠壓而光亮；②加工硬化使表面硬度提升。隨應(yīng)力狀態(tài)及其大小不一樣，可有一個(gè)或幾個(gè)疲勞源?？梢罁?jù)源區(qū)光亮度、相鄰疲勞區(qū)大小和貝紋線密度確定各疲勞源產(chǎn)生次序。材料力學(xué)性能第章第16頁17疲勞區(qū)：疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展是判斷疲勞斷裂主要特征宏觀特征：斷口較光滑且分布有貝紋線。貝紋線：疲勞區(qū)最大特征，呈弧狀臺(tái)階痕跡；產(chǎn)生原因：載荷變動(dòng)，eg.機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)開動(dòng)和停歇，偶然過載引發(fā)載荷變動(dòng)。貝紋特征常出現(xiàn)在實(shí)際機(jī)件疲勞斷口中，而在試驗(yàn)室試樣疲勞斷口中極難看到（變動(dòng)載荷平穩(wěn)）。脆性材料（eg.鑄鐵、高強(qiáng)度鋼）疲勞斷口上也看不到貝紋線循環(huán)應(yīng)力低，材料韌性好，疲勞區(qū)大，貝紋線細(xì)、明顯。材料力學(xué)性能第章第17頁18瞬斷區(qū)：裂紋失穩(wěn)快速擴(kuò)展疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)，隨應(yīng)力不停循環(huán)，裂紋尺寸a↑,當(dāng)a≥ac(臨界裂紋尺寸)時(shí)，KI≥KIC，裂紋失穩(wěn)快速擴(kuò)展，機(jī)件瞬時(shí)斷裂。斷口比疲勞區(qū)粗糙，宏觀特征與靜載裂紋件斷口相同：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。普通在疲勞源對側(cè)。瞬斷區(qū)大小和機(jī)件名義應(yīng)力及材料性質(zhì)相關(guān)：若名義應(yīng)力較高或材料韌性較差，則瞬斷區(qū)就較大，反之，瞬斷區(qū)較小。材料力學(xué)性能第章第18頁19材料力學(xué)性能第章第19頁5.2疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能

疲勞應(yīng)力判據(jù)是疲勞設(shè)計(jì)基本理論

材料基本疲勞力學(xué)性能指標(biāo)：

疲勞極限(疲勞強(qiáng)度)

抗過載能力

疲勞缺口敏感度20材料力學(xué)性能第章第20頁21疲勞試驗(yàn)原理：用小試樣模擬實(shí)際機(jī)件應(yīng)力情況，在疲勞試驗(yàn)機(jī)上測量材料疲勞曲線，從而測得疲勞極限并建立疲勞應(yīng)力判據(jù)材料力學(xué)性能第章第21頁一、疲勞曲線和對稱循環(huán)疲勞極限

1.

疲勞曲線和疲勞極限

疲勞曲線：疲勞應(yīng)力(S)和疲勞壽命(N)之間關(guān)系曲線，

即S-N曲線

它是確定疲勞極限、建立疲勞應(yīng)力判據(jù)基礎(chǔ)。

縱坐標(biāo)：循環(huán)應(yīng)力最大應(yīng)

力σmax或應(yīng)力幅

σa

橫坐標(biāo)：斷裂循環(huán)周次N，

慣用對數(shù)值lgN表示高應(yīng)力段低應(yīng)力段S-N曲線壽命短壽命長

σ↓，N↑22材料力學(xué)性能第章第22頁23有水平段疲勞曲線表明：試樣在該應(yīng)力下經(jīng)過無限次應(yīng)力循環(huán)也不發(fā)生疲勞斷裂，則將對應(yīng)應(yīng)力稱為疲勞極限，記為σ-1(對稱循環(huán)，r

=-1)。實(shí)際測試時(shí)不可能做到無限次，要求應(yīng)力循環(huán)107周次(測定疲勞極限基數(shù)，N0)不停裂，則可認(rèn)定承受無限次應(yīng)力循環(huán)也不會(huì)斷裂。無水平段疲勞曲線，依據(jù)材料使用要求要求某一循環(huán)周次下不發(fā)生斷裂應(yīng)力作為條件疲勞極限，eg.高強(qiáng)度鋼、鋁合金和不銹鋼要求為N=108周次，鈦合金取N=107周次(1)

有水平段疲勞曲線(碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼和球鐵等)(2)

無水平段疲勞曲線(有色金屬、不銹鋼和高強(qiáng)度鋼等)經(jīng)典疲勞壽命曲線材料力學(xué)性能第章第23頁24疲勞應(yīng)力判據(jù)為：對稱應(yīng)力循環(huán)：σ≥σ-1非對稱應(yīng)力循環(huán)：σ≥σr材料力學(xué)性能第章第24頁2.

疲勞曲線測定

測試設(shè)備：旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)

測試方法：四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T

4337-金屬旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法

結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，可實(shí)現(xiàn)對稱循環(huán)和恒應(yīng)力幅要求。25材料力學(xué)性能第章第25頁26HT-8120型試樣轉(zhuǎn)動(dòng)速度：900-10000rpm同一批試樣試驗(yàn)速度要相同平穩(wěn)而無沖擊將力加載到要求值試驗(yàn)一直進(jìn)行到試樣失效或達(dá)要求循環(huán)次數(shù)時(shí)終止失效：試樣出現(xiàn)肉眼可見疲勞裂紋或完全斷裂材料力學(xué)性能第章第26頁27疲勞試樣材料力學(xué)性能第章第27頁28疲勞試驗(yàn)裝置材料力學(xué)性能第章第28頁29升降法→測條件疲勞極限σ-1(低應(yīng)力)成組試驗(yàn)法→測定高應(yīng)力部分試驗(yàn)方法數(shù)據(jù)整理，擬合成疲勞曲線

①升降法測疲勞極限σ-1時(shí)，有效試樣13根以上

普通取3～5級(jí)應(yīng)力水平，每級(jí)應(yīng)力增量普通為3%～5%

第一根σ應(yīng)略高于σ-1預(yù)計(jì)值

若無法預(yù)計(jì)，則

普通材料取(0.45～0.50)

σb

高強(qiáng)度鋼取(0.30～0.40)

σb

依據(jù)上一根試樣結(jié)果，確定下一根試樣應(yīng)力水平，直至完成全部試驗(yàn)。

破壞→降低應(yīng)力

經(jīng)過→升高應(yīng)力破壞：經(jīng)107周次循環(huán)斷裂第一對相反結(jié)果以前數(shù)據(jù)，如在以后數(shù)據(jù)應(yīng)力波動(dòng)范圍之內(nèi)，則作為有效數(shù)據(jù)加以利用，不然應(yīng)舍去。如，圖5-6中1、2點(diǎn)應(yīng)舍去。材料力學(xué)性能第章第29頁30用公式計(jì)算疲勞極限②成組試驗(yàn)法測高應(yīng)力段

取3～4級(jí)較高應(yīng)力水平每級(jí)水平下，測5根左右試樣計(jì)算中值疲勞壽命③測定結(jié)果擬合成直線或曲線，即為存活率為50%中值S-N曲線材料力學(xué)性能第章第30頁31材料力學(xué)性能第章第31頁3.

不一樣應(yīng)力狀態(tài)下疲勞極限

依據(jù)大量試驗(yàn)結(jié)果，彎曲與拉壓、扭轉(zhuǎn)疲勞極限

之間關(guān)系：鋼：鑄鐵σ-1p=

0.85

σ-1σ-1p=

0.65

σ-1

τ-1=

0.80

σ-1

銅及輕合金：

τ-1=

0.55

σ-1

σ-1p→對稱拉壓疲勞極限

τ-1

→對稱扭轉(zhuǎn)疲勞極限

σ-1

→對稱彎曲疲勞極限32材料力學(xué)性能第章第32頁334.

疲勞極限與靜強(qiáng)度間關(guān)系試驗(yàn)表明：金屬材料抗拉強(qiáng)度σb↑，疲勞強(qiáng)度σ-1↑中、低強(qiáng)度鋼，當(dāng)σb較低時(shí)，σ-1≈0.5σb經(jīng)驗(yàn)公式：鋼：

σ-1p=0.23(σs+

σb)

σ-1=0.27(σs+

σb)鑄鐵：

σ-1p=0.4

σbσ-1=0.45

σb鋁合金：

σ-1p=

σb/6

+7.5MPa

σ-1

=

σb/6

-7.5MPa青銅：

σ-1=0.21

σb材料力學(xué)性能第章第33頁34二、疲勞圖和不對稱循環(huán)疲勞極限

很多機(jī)件或構(gòu)件是在不對稱循環(huán)載荷下工作，因此還需測定材料不對稱循環(huán)疲勞極限，以適應(yīng)這類機(jī)件設(shè)計(jì)和選材需要。疲勞圖：各種循環(huán)疲勞極限

集合圖，是疲勞曲線另一

種表示形式r↑,

σr↑兩種疲勞圖σa-σm

疲勞圖σmax(σmin)

-σm疲勞圖材料力學(xué)性能第章第34頁2

(σ

max

?σ

min)=

135縱坐標(biāo)以應(yīng)力幅σa

表示1.

σa-σm

疲勞圖A點(diǎn)：σm=0,r

=

-1,

σa=σ-1C點(diǎn)：σm=σb,r

=

1,

σa=0=1?r1+r12

(σ

max

+σ

min)

σ

aσ

mtanα

=

橫坐標(biāo)以平均應(yīng)力σm表示

在不一樣應(yīng)力比r條件下，

將σmax表示疲勞極限σr

分解為σa和

σm

，并在該

坐標(biāo)系中作ABC曲線，即

為σa-σm疲勞圖。

σr

=σa+σm只要知道應(yīng)力比r,可求得tan

α和α

，而后定位在ABC曲線上，其

縱、橫坐標(biāo)之和，即為對應(yīng)r疲勞極限σr材料力學(xué)性能第章第35頁362.

σmax(σmin)

-

σm疲勞圖

縱坐標(biāo)以

σmax或σmin

表示

橫坐標(biāo)以σm表示

將不一樣應(yīng)力比

r

下疲勞

極限，分別以σmax(σmin)和

σm表示于上述坐標(biāo)系中

AB之間各點(diǎn)σrmax即為對應(yīng)

r（-1<r<1）下疲勞極限

只要知道應(yīng)力比r,可求得

tan

α和α

，而后定位在ABH曲線上點(diǎn)，其縱坐標(biāo)即為對應(yīng)r疲勞極限σr==

21+r

2σ

maxσ

max

+σ

minσ

max

σ

mtanα

=B點(diǎn)：σm=0,r

=

-1,

σa=σ-1A點(diǎn)：σm=σb,r

=

1,

σa=0

σmax

σmin材料力學(xué)性能第章第36頁37金屬在高于疲勞極限應(yīng)力水平下運(yùn)轉(zhuǎn)一定周次后，若其疲勞極限或疲勞壽命減小，則造成了過載損傷。給定過載應(yīng)力下，到達(dá)一定過載周次才引發(fā)過載損傷不一樣金屬材料抵抗疲勞過載損傷能力不一樣實(shí)際機(jī)件在低于疲勞極限工作應(yīng)力下服役但不可防止地要受到偶然短時(shí)過載荷作用，eg.緊急制動(dòng)、突然起動(dòng)三、抗疲勞過載能力材料力學(xué)性能第章第37頁38金屬材料抵抗疲勞過載損傷能力，用過載損傷界或過載損傷區(qū)表示。過載損傷界由試驗(yàn)確定，測出不同過載應(yīng)力水平和對應(yīng)開始降低疲勞壽命應(yīng)力循環(huán)周次，得到不一樣試驗(yàn)點(diǎn)，連接各點(diǎn)得到過載損傷界過載應(yīng)力↑，開始發(fā)生過載損傷循環(huán)次數(shù)↓材料力學(xué)性能第章第38頁39過載損傷區(qū)：過載損傷界與疲勞曲線高應(yīng)力區(qū)直線段間影線區(qū)過載持久值：材料在高于疲勞極限應(yīng)力下運(yùn)行，發(fā)生疲勞斷裂應(yīng)力循環(huán)周次，也稱有限疲勞壽命

材料過載損傷界（或過載持久值線，即疲勞曲線傾斜部分）越陡直，即損傷區(qū)越窄，抗疲勞過載能力越強(qiáng)。工程上設(shè)計(jì)可能受過載機(jī)件或選材時(shí)，有時(shí)寧可選σ-1低，而疲勞損傷區(qū)窄材料，以確保安全疲勞過載損傷是由裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展造成。材料力學(xué)性能第章第39頁四、疲勞缺口敏感度

金屬材料在交變載荷作用下缺口敏感性，慣用

疲勞缺口敏感度qf來評定:Kf

?1

Kt

?1qf

=Kf——疲勞缺口系數(shù)。Kt——理論應(yīng)力集中系數(shù)，

Kt

>1；K

f

=

σ

?1σ

?1N→光滑試樣疲勞極限→缺口試樣疲勞極限Kf

>1，與缺口幾何形狀及

材料等原因相關(guān)

Kf=1，σ-1=σ-1N，缺口不降低疲勞極限，應(yīng)力重新分

布，應(yīng)力集中消除，qf=0，表示對缺口完全不敏感；

Kf=Kt，沒有發(fā)生應(yīng)力重新分布，qf=1，表示對缺口敏

感性最大。

普通材料Kf>1,

0<qf<1,

qf↑疲勞缺口敏感性↑40材料力學(xué)性能第章第40頁41影響疲勞缺口敏感度原因：

在高周疲勞時(shí)，大多數(shù)金屬都對缺口十分敏感；但在低周疲勞時(shí)，卻對缺口不太敏感。強(qiáng)度(或硬度)增加，qf值增大。試驗(yàn)證實(shí)，缺口形狀對qf值有一定影響。缺口愈尖銳，

qf值愈低（測定材料疲勞缺口敏感度時(shí)，缺口曲率半徑應(yīng)選取比較大數(shù)值）材料力學(xué)性能第章第41頁5.3疲勞過程疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門檻值

裂紋萌生裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展

決定機(jī)件整個(gè)疲勞壽命主要組成部分

裂紋最終失穩(wěn)快速擴(kuò)展

研究疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律、擴(kuò)展速率及

其影響原因，對延長疲勞壽命和預(yù)測實(shí)

際機(jī)件疲勞剩下壽命有主要意義42材料力學(xué)性能第章第42頁43一、疲勞裂紋擴(kuò)展曲線在一定循環(huán)應(yīng)力條件下，疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí)其長度

a

是不停增加。擴(kuò)展速率da/dN在擴(kuò)展中也是不停增加。在高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上測定；固定裂紋預(yù)制長度a0、應(yīng)力比r和應(yīng)力范圍Δσ

；作裂紋長度a~N曲線→疲勞裂紋擴(kuò)展曲線曲線斜率da/dN為疲勞裂紋擴(kuò)展速率;Ｎp次后,a→ac,

da/dN無限大材料力學(xué)性能第章第43頁44二、疲勞裂紋擴(kuò)展速率1.

疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線Ⅰ區(qū)是疲勞裂紋初始擴(kuò)展階段，da/dN很小(10-8～10-6mm/次)

K

↑

da/dN快速增加Ⅱ區(qū)是疲勞裂紋擴(kuò)展主要階段,da/dN較大(10-5～10-2mm/次),擴(kuò)展壽命長,決定疲勞裂紋擴(kuò)展壽命主要段。Ⅲ區(qū)是疲勞裂紋擴(kuò)展最終階段，da/dN很大，只需擴(kuò)展極少周次即失穩(wěn)斷裂。da/dN

-△K曲線（縱、橫坐標(biāo)均為對數(shù)表示）ΔK

=

Kmax

?

Kmin

=Yσ

max

a

?Yσ

min

a

=YΔσ

a材料力學(xué)性能第章第44頁Kth

Δ即可求得裂紋允許尺寸:1

?

?Δ

th

K2

?

?

<

a452.

疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值ΔK>ΔKth時(shí)，da/dN>0,疲勞裂紋才開始擴(kuò)展。ΔKth是疲勞裂紋不擴(kuò)展ΔK

臨界值，稱為疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值，表示材料阻止裂紋開始疲勞擴(kuò)展性能。Y

aΔσ

≤2Y

?

Δσ

?ΔK

=YΔσ

a

≤ΔKth利用上式，如已知裂紋件裂紋尺寸

a

和材料疲勞門檻值ΔKth

，即可求得該件無限疲勞壽命承載能力:若已知裂紋件工作載荷Δσ和材料疲勞門檻值ΔKth

，依據(jù)定義能夠建立裂紋件不疲勞斷裂(無限壽命)校核公式材料力學(xué)性能第章第45頁46試驗(yàn)時(shí)要求，平面應(yīng)變條件下da/dN=10-6~10-7mm/周次，所對應(yīng)K

來代替K

th，稱為工程疲勞門檻值△Kth是裂紋試樣無限壽命疲勞性能，適于裂紋件設(shè)計(jì)ΔKth≈5%-10%KIC材料力學(xué)性能第章第46頁=c(ΔK)3.

Paris公式

1961年，Paris依據(jù)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了在疲勞裂紋擴(kuò)展

速率曲線Ⅱ區(qū)，da/dN與ΔK關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式為：式中

c,

n

——材料試驗(yàn)常數(shù)，與材料、應(yīng)力比、環(huán)境等原因相關(guān)n

dadN

dadN?lgΔK

試驗(yàn)曲線截距及斜率來確定c,

n值

。由

lg 多數(shù)材料n值在2～4之間改變。 Paris公式可描述各種材料和各種試驗(yàn)條件下疲勞裂 紋擴(kuò)展規(guī)律，為疲勞機(jī)件設(shè)計(jì)和失效分析提供了有 效壽命估算方法。 一般只適適用于高周疲勞場所47材料力學(xué)性能第章第47頁484.

影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率原因⑴應(yīng)力比

r(或平均應(yīng)力σm

)影響應(yīng)力比r↑，曲線向左上方移動(dòng)，使da/dN↑對Ⅰ、Ⅲ區(qū)影響>對Ⅱ區(qū)影響在I區(qū)，

↑，r

Kth

↓機(jī)件內(nèi)殘余壓應(yīng)力→實(shí)際應(yīng)力比r↓→

da/dN

↓

K

th↑

有利eg.噴丸、滾壓使表面形成殘余壓應(yīng)力→

表面強(qiáng)化+延長疲勞壽命機(jī)件內(nèi)殘余拉應(yīng)力→實(shí)際應(yīng)力比r↑→

da/dN↑

K

th

↓

不利材料力學(xué)性能第章第48頁49⑵過載峰影響在恒載裂紋疲勞擴(kuò)展期內(nèi)，適當(dāng)過載峰會(huì)使裂紋擴(kuò)展減慢或停滯一段時(shí)間，發(fā)生裂紋擴(kuò)展過載停滯現(xiàn)象，并延長疲勞壽命。材料力學(xué)性能第章第49頁50⑶材料組織影響對I、III區(qū)da/dN影響比較顯著普通是晶粒越粗大，其ΔKth

越高，da/dN越低。(折中)殘余奧氏體和貝氏體等韌性相可使K

th↑

da/dN↓噴丸強(qiáng)化→提升ΔKth普通，回火溫度↑

→ΔKth↑

da/dN↓材料力學(xué)性能第章第50頁=c(ΔK)三、疲勞裂紋擴(kuò)展壽命估算依據(jù)疲勞裂紋擴(kuò)展速率表示式n

dadN

用積分方法算出疲勞裂紋擴(kuò)展壽命Np

算出帶裂紋或缺點(diǎn)機(jī)件剩下疲勞壽命

在生產(chǎn)上有實(shí)用意義

剩下疲勞壽命Nc：從a0擴(kuò)展到ac所需循環(huán)周次

初始裂紋尺寸a0用無損探傷法確定

臨界裂紋尺寸ac依據(jù)材料斷裂韌度KIC和工作應(yīng)力σ計(jì)算

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子疲勞壽命估算案例（自學(xué)）51材料力學(xué)性能第章第51頁5.4疲勞過程及機(jī)理N

f

=

Ni

+

N

p疲勞過程裂紋萌生裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展裂紋最終失穩(wěn)快速擴(kuò)展疲勞壽命疲勞裂紋萌生期Ni裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展期Np

了解疲勞各階段物理過程(機(jī)理)，有利于

認(rèn)識(shí)疲勞本質(zhì)

分析疲勞原因

采取強(qiáng)韌化方法，延長疲勞壽命52材料力學(xué)性能第章第52頁53一、疲勞裂紋萌生過程及機(jī)理大量研究表明，疲勞微觀裂紋都是由不均勻局部滑移和顯微開裂引發(fā)，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常將0.05~0.1mm裂紋定為疲勞裂紋核。引發(fā)裂紋萌生原因：應(yīng)力集中、不均勻塑性形變材料力學(xué)性能第章第53頁541.

滑移帶開裂產(chǎn)生裂紋(1)

駐留滑移帶

在循環(huán)應(yīng)力(σ>σ-1)

作用下，形成永留或再現(xiàn)循環(huán)滑移帶(極不均勻，集中于局部微弱區(qū)域),稱為駐留滑移帶。循環(huán)次數(shù)↑,駐留滑移帶加寬;加寬至一定程度，形成微裂紋材料力學(xué)性能第章第54頁55材料力學(xué)性能第章第55頁56(2)

擠出脊和侵入溝滑移帶在表面加寬過程中，還會(huì)形成擠出脊和侵入溝。循環(huán)次數(shù)↑

，擠出脊高度↑侵入溝深度↑

(柯垂耳-赫爾模型)從滑移帶開裂萌生裂紋機(jī)理可知：只要能提升材料滑移抗力，均可阻止疲勞裂紋萌生，提升疲勞強(qiáng)度。材料力學(xué)性能第章第56頁572.

相界面開裂產(chǎn)生裂紋兩相(第二相、夾雜物和基體)間結(jié)協(xié)力差各相形變速率不一樣易在相界面或弱相內(nèi)出現(xiàn)開裂。從相界面萌生裂紋機(jī)理可知，只要能降低第二相或夾雜物脆性提升相界面強(qiáng)度控制第二相或夾雜物數(shù)量、形態(tài)、大小和分布，使之“少、圓、小、勻”均可抑制或延緩疲勞裂紋在第二相或夾雜附近萌生，提升疲勞強(qiáng)度。材料力學(xué)性能第章第57頁583.

晶界開裂產(chǎn)生裂紋位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)在晶界處易發(fā)生塞積，出現(xiàn)應(yīng)力集中循環(huán)次數(shù)↑,應(yīng)力集中得不到松馳，應(yīng)力峰↑易在晶界處產(chǎn)生裂紋。從晶界萌生裂紋機(jī)理可知凡使晶界弱化和晶粒粗化原因，均易產(chǎn)生晶界裂紋，降低疲勞強(qiáng)度凡使晶界強(qiáng)化、凈化和細(xì)化晶粒原因，均能抵制晶界裂紋形成，提升疲勞強(qiáng)度。材料力學(xué)性能第章第58頁59

二、疲勞裂紋擴(kuò)展過程及機(jī)理疲勞微裂紋萌生后即進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段。依據(jù)裂紋擴(kuò)展方向，裂紋擴(kuò)展可分為兩個(gè)階段：

第一階段

沿主滑移系，以純剪切方式向內(nèi)擴(kuò)展；擴(kuò)展速率僅10-7mm/次

第二階段

對應(yīng)da/dNII區(qū)，疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展主要階段。

晶界妨礙作用，使裂紋擴(kuò)展方向逐步垂直于主應(yīng)力方向；擴(kuò)展速率10-5～10-2mm/次；

能夠穿晶擴(kuò)展。電鏡觀察時(shí)，第二階段微觀斷口特征：略呈彎曲并相互平行溝槽花樣，稱為疲勞條帶每一條帶就是一次應(yīng)力循環(huán)擴(kuò)展痕跡，擴(kuò)展方向與條帶垂直材料力學(xué)性能第章第59頁60注意：疲勞條帶和宏觀疲勞斷口貝紋線并不一樣，不可混同。疲勞條帶是疲勞斷口微觀特征貝紋線是疲勞斷口宏觀特征，是因?yàn)檠h(huán)加載條件改變而形成。若在電鏡下觀察貝紋線，能夠看出它是由許多疲勞條帶組成。疲勞條帶是疲勞斷口最經(jīng)典微觀特征滑移系多FCC金屬(鋁合金、銅合金奧氏體不銹鋼等)疲勞條帶顯著?；葡瞪俚退苄凿撹F材料疲勞條帶短窄而紊亂，不易甚至不能觀察到材料力學(xué)性能第章第60頁615.5

影響疲勞強(qiáng)度主要原因疲勞斷裂普通是從機(jī)件表面應(yīng)力集中處或材料缺點(diǎn)處發(fā)生，或者是從二者結(jié)合處發(fā)生。材料和機(jī)件疲勞強(qiáng)度不但與材料成份、組織結(jié)構(gòu)及夾雜物相關(guān)而且還受載荷條件、工作環(huán)境及加工處理?xiàng)l件影響材料力學(xué)性能第章第61頁62材料力學(xué)性能第章第62頁63一、材料成份及組織影響

疲勞強(qiáng)度也是對材料組織結(jié)構(gòu)敏感力學(xué)性能

1.合金成份

決定組織結(jié)構(gòu)基本要素

碳是影響疲勞強(qiáng)度主要元素

其它合金元素經(jīng)過提升鋼淬

透性和強(qiáng)韌性來影響疲勞強(qiáng)度

2.顯微組織

①晶粒大小

細(xì)化晶?？商嵘牧掀趶?qiáng)度

②金相組織

結(jié)構(gòu)鋼疲勞強(qiáng)度：淬火-回火組織(粒狀K)

>正火組織(片狀K)

不一樣回火處理疲勞強(qiáng)度：回火馬氏體>回火屈氏體>回火索氏體殘余奧氏體含量↑淬火態(tài)材料疲勞強(qiáng)度↓材料力學(xué)性能第章第63頁64冶煉時(shí)形成非金屬夾雜物是萌生疲勞裂紋發(fā)源地之一降低夾雜物數(shù)量和尺寸都能有效地提升疲勞強(qiáng)度，方式有：采取真空冶煉和真空澆注，最大程度地降低和控制夾雜物改變夾雜物與基體間界面結(jié)合性質(zhì)來改變疲勞強(qiáng)度3.非金屬夾雜物及冶金缺點(diǎn)合金在冶煉、軋制、鑄造、焊接及熱處理過程中帶來氣孔、縮孔、疏松、偏析、裂紋、過熱、過燒等冶金缺點(diǎn)均會(huì)嚴(yán)重降低機(jī)件疲勞強(qiáng)度材料力學(xué)性能第章第64頁65二、表面狀態(tài)影響1.

應(yīng)力集中機(jī)件表面缺口應(yīng)力集中，常是引發(fā)疲勞破壞主要原因Kf↑

qf↑

σ-1↓選取較小qf材料，或增大缺口根部圓弧半徑2.

表面粗糙度表面粗糙度↓,

σ-1↑表面粗糙度↑,

σ-1↓材料強(qiáng)度↑，表面粗糙度對疲勞極限影響愈顯著

表面加工方法不一樣，所得到粗糙度不一樣,

σ-1不一樣。表面粗糙度↑過載持久值↓有限疲勞壽命↓材料力學(xué)性能第章第65頁66三、殘余應(yīng)力及表面強(qiáng)化影響殘余應(yīng)力+外加應(yīng)力＝總應(yīng)力；殘余壓應(yīng)力(-)，總應(yīng)力減小，殘余拉應(yīng)力(+)

，總應(yīng)力增大機(jī)件表面殘余壓應(yīng)力狀態(tài)對疲勞強(qiáng)度有顯著影響殘余壓應(yīng)力→提升疲勞強(qiáng)度殘余拉應(yīng)力→降低疲勞強(qiáng)度殘余壓應(yīng)力顯著提升缺口試樣或機(jī)件疲勞強(qiáng)度,原因：殘余壓應(yīng)力在缺口處集中，有效降低缺口根部拉應(yīng)力峰值表面強(qiáng)化處理可在機(jī)件表面產(chǎn)生有利殘余壓應(yīng)力，同時(shí)還能提升機(jī)件表面強(qiáng)度和硬度。因此，能夠提升疲勞強(qiáng)度材料力學(xué)性能第章第66頁67表面強(qiáng)化處理提升疲勞強(qiáng)度機(jī)理σ總<σ-1表面層疲

勞極限σ外>σ-1

表面層

內(nèi)會(huì)產(chǎn)生疲勞

裂紋

表面強(qiáng)化處理形成表面強(qiáng)化層后：

表面層疲勞極限提升

表面殘余壓應(yīng)力使表面層總應(yīng)力降低

表面層總應(yīng)力低于強(qiáng)化層疲勞極限

不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂材料力學(xué)性能第章第67頁68表面強(qiáng)化方法通常有表面噴丸和滾壓表面熱處理(淬火)表面化學(xué)熱處理等材料力學(xué)性能第章第68頁69鑄鋼丸硅酸鋯球噴丸用玻璃微珠(1)

表面噴丸及滾壓

噴丸是用壓縮空氣將堅(jiān)硬小彈丸高速噴打向機(jī)件表面，

使機(jī)件表面產(chǎn)生局部形變強(qiáng)化，在表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。

彈丸直徑D為0.1～1mm不等，壓應(yīng)力層深度＝1/4～1/2D

殘余壓應(yīng)力大小與噴丸壓力、速度及彈丸直徑相關(guān)

噴丸時(shí)壓應(yīng)力層深度以大于表面缺點(diǎn)尺寸很好

材料強(qiáng)度越高，噴丸效果越好；普通機(jī)件在熱處理強(qiáng)化后

再噴丸；噴丸可使疲勞強(qiáng)度提升40%～50%

噴丸不可過分，不然在機(jī)件表面會(huì)產(chǎn)生微裂紋，反而有害材料力學(xué)性能第章第69頁70噴丸層深度是表面裂紋長度3-5倍時(shí)效果很好材料力學(xué)性能第章第70頁71表面滾壓與噴丸作用相同不一樣：表面滾壓處理壓應(yīng)力層深度較大，很適于大工件普通形狀復(fù)雜零件用噴丸強(qiáng)化形狀簡單回轉(zhuǎn)形零件，用表面滾壓強(qiáng)化用滾壓對軸頸進(jìn)行強(qiáng)化處理，其疲勞強(qiáng)度提升一倍左右滾壓處理后油缸材料力學(xué)性能第章第71頁表面熱處理(淬火)

火焰加熱表面淬火

感應(yīng)加熱表面淬火

激光加熱表面淬火

電子束加熱表面淬火(2)

表面熱處理及化學(xué)熱處理表面化學(xué)熱處理

滲碳

滲氮

碳氮共滲

離子束加熱表面淬火

利用組織相變?nèi)〉帽砻鎻?qiáng)化方法

使機(jī)件獲到表硬心韌綜協(xié)力學(xué)性能

機(jī)件表面層取得殘余壓應(yīng)力，有效提升疲勞強(qiáng)度和壽命72材料力學(xué)性能第章第72頁73低周疲勞：金屬在循環(huán)載荷作用下，疲勞壽命為102～105次疲勞斷裂。一、低周疲勞5.6

低周疲勞低周疲勞時(shí)，名義應(yīng)力低于材料σs，但在實(shí)際機(jī)件缺口根部因應(yīng)力集中卻能產(chǎn)生塑性變形，且該變形是受周圍彈性體約束。機(jī)件或構(gòu)件受循環(huán)應(yīng)力作用而缺口根部受循環(huán)塑性應(yīng)變作用疲勞裂紋總是在缺口根部形成所以，這類疲勞也稱塑性疲勞或應(yīng)變疲勞材料力學(xué)性能第章第73頁74Δεp/2分別為總應(yīng)變幅和塑性應(yīng)變幅⑶

因應(yīng)力高，低周疲勞破壞有幾個(gè)裂

紋源。疲勞條帶較粗，且間距較寬⑷

低周疲勞壽命決定于塑性應(yīng)變幅1.

低周疲勞特點(diǎn)

⑴

低周疲勞時(shí)，因局部區(qū)域產(chǎn)生宏觀

塑性變形，使循環(huán)應(yīng)力與應(yīng)變之間

不再呈直線關(guān)系，形成滯后回線。

經(jīng)過一定周次后，到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)滯

后回線

⑵

低周疲勞試驗(yàn)時(shí)，在給定Δεt或

Δεp下測定疲勞壽命。

試驗(yàn)結(jié)果用Δεt/2

-2Nf或Δεp/2-2Nf曲

線以描述低周疲勞規(guī)律，Δεt/2和Δεt總應(yīng)變范圍Δεp塑性應(yīng)變范圍Δεe彈性應(yīng)變范圍Δεt

=

Δεp+

Δεe材料力學(xué)性能第章第74頁752.低周疲勞金屬循環(huán)硬化與循環(huán)軟化

經(jīng)過一定周次后才形成封閉滯后回線（穩(wěn)定狀態(tài)）

金屬材料在循環(huán)開始狀態(tài)變成穩(wěn)定狀態(tài)過程中其在循環(huán)應(yīng)

變作用下形變抗力會(huì)發(fā)生改變，兩種情況：

若金屬材料在恒定應(yīng)變幅(Δεt或Δεp)循環(huán)作用下，隨循環(huán)周

次增加其應(yīng)力(形變抗力)不停增加，即為循環(huán)硬化

若在循環(huán)過程中，應(yīng)力逐步減小，則為循環(huán)軟化(a)(b)材料力學(xué)性能第章第75頁76不論是循環(huán)硬化材料還是循環(huán)軟化材料，對于每一個(gè)固定應(yīng)變范圍，經(jīng)一定循環(huán)周次后，都能得到對應(yīng)穩(wěn)定滯后回線將不一樣應(yīng)變范圍穩(wěn)定滯后回線頂點(diǎn)連接起來，即為循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對比循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線與單次

應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可判斷循環(huán)應(yīng)變對材料性能影響循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線高于單次應(yīng)力-應(yīng)變曲線，則是循環(huán)硬化循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線低于單次應(yīng)力-應(yīng)變曲線，則是循環(huán)軟化循環(huán)軟化材料力學(xué)性能第章第76頁77循環(huán)軟化危害用循環(huán)軟化材料制作機(jī)件，在承受大應(yīng)變循環(huán)使用過程中，材料形變抗力下降，造成工件產(chǎn)生過量塑性變形而失效承受低周大應(yīng)變機(jī)件，應(yīng)選取循環(huán)穩(wěn)定或循環(huán)硬化型材料金屬材料產(chǎn)生循環(huán)硬化還是循環(huán)軟化取決于材料初始狀態(tài)、工件結(jié)構(gòu)特征及應(yīng)變幅、溫度等。σb/σs＞1.4時(shí)，表現(xiàn)為循環(huán)硬化σb/σs＜1.2時(shí)，表現(xiàn)為循環(huán)軟化1.2＜

σb/σs＜1.4時(shí)，傾向不定，普通為循環(huán)穩(wěn)定微觀機(jī)理：與位錯(cuò)循環(huán)運(yùn)動(dòng)相關(guān)材料力學(xué)性能第章第77頁3.低周疲勞應(yīng)變-壽命曲線

總應(yīng)變幅Δεt～N曲線(對數(shù)坐標(biāo))1.

Δεe/2

-

2Nf，彈性應(yīng)變幅-壽命線2.

Δεp/2

-

2Nf，塑性應(yīng)變幅-壽命線3.

Δεt/2

-

2Nf，總應(yīng)變幅-壽命線Δε

p

2+Δεe

2=Δεt

2

1、2兩直線斜率不一樣必有一交點(diǎn)，

交點(diǎn)對應(yīng)壽命稱為過渡壽命(2Nf)t

交點(diǎn)左側(cè)，低周疲勞，

Δεp主導(dǎo)，壽命由塑性控制

交點(diǎn)右側(cè)，高周疲勞，

Δεe主導(dǎo)，壽命由強(qiáng)度控制782Nf:

總應(yīng)力

反向次數(shù)材料力學(xué)性能第章第78頁79疲勞性能指標(biāo)：過渡壽命(2Nf)t

提升材料強(qiáng)度，(2Nf)t

↓提升材料塑性，

(2Nf)t

↑10

<過渡壽命(2Nf)t<105材料力學(xué)性能第章第79頁曼森經(jīng)過對29種金屬材料試驗(yàn)研究發(fā)覺，總應(yīng)變幅Δεt/2與疲勞斷裂壽命2Nf間存在以下關(guān)系:=

3.5()(2N

f

)?0.12

+e0

f.6(2N

f

)?0.6σb

EΔεt

2

只要知道材料靜拉伸性能σb、E、ef

(斷裂真實(shí)伸長率),

就可求得材料光滑試樣完全對稱循環(huán)下低周疲勞

壽命曲線，可預(yù)測低周疲勞壽命

各種表面強(qiáng)化伎倆，對提升低周疲勞壽命均

無顯著效果80材料力學(xué)性能第章第80頁81三、低周沖擊疲勞沖擊疲勞：機(jī)件在重復(fù)沖擊載荷作用下疲勞斷裂斷裂周次Nf<105次時(shí)為低周沖擊疲勞航空、軍械和鍛壓設(shè)備中許多機(jī)件，eg.飛機(jī)起落架、炮身及鍛模等是在屢次沖擊載荷下工作常因低周沖擊疲勞而失效慣用試驗(yàn)方法：落錘式屢次沖擊試驗(yàn)(多沖試驗(yàn))多沖彎曲、多沖拉伸及多沖壓縮錘頭以一定沖擊能量重復(fù)沖擊試樣，直至某一周次試樣疲勞斷裂或開裂將不一樣沖擊能量下斷裂周次繪成屢次沖擊曲線，即沖擊功A-斷裂周次N曲線(多沖曲線)材料力學(xué)性能第章第81頁82從A-lgN多沖曲線能夠看出

隨沖擊能量A減小，斷裂周

次N增加低周沖擊疲勞強(qiáng)度可用一定沖擊能量下斷裂周次或用要求斷裂周次時(shí)沖擊能量表示。材料力學(xué)性能第章第82頁83金屬?zèng)_擊疲勞強(qiáng)度是一個(gè)取決于強(qiáng)度和塑性綜合力學(xué)性能：沖擊能量高時(shí)，材料沖擊疲勞強(qiáng)度主要取決于塑性(塑性高壽命長)沖擊能量低時(shí)，沖擊疲勞強(qiáng)度則主要取決于強(qiáng)度(強(qiáng)度高壽命長)

。不一樣沖擊能量要求不一樣強(qiáng)度與塑性配合工程上，對于承受屢次小能量沖擊載荷作用機(jī)件，在選材或制訂工藝時(shí)應(yīng)盡可能考慮強(qiáng)度作用，而無須過高追求塑性材料力學(xué)性能第章第83頁84四、熱疲勞

熱疲勞：機(jī)件在由溫度循環(huán)改變時(shí)產(chǎn)生循環(huán)熱應(yīng)力及熱

應(yīng)變作用下發(fā)生疲勞

熱機(jī)械疲勞：若溫度循環(huán)和機(jī)械應(yīng)力循環(huán)疊加所引發(fā)疲

勞。

熱疲勞屬低周疲勞（周期短；顯著塑性變形）

產(chǎn)生熱應(yīng)力必須有兩個(gè)條件：溫度改變和機(jī)械約束。

外部約束

不讓材料自由膨脹；

內(nèi)部約束

溫度梯度，相互約束，產(chǎn)生熱應(yīng)力。熱應(yīng)變造成裂紋萌生，擴(kuò)展材料力學(xué)性能第章第84頁85提升熱疲勞抗力主要路徑有:⑴

減小熱膨脹系數(shù)。⑵

提升高溫強(qiáng)度。⑶

盡可能地降低、甚至消除應(yīng)力集中和應(yīng)變集中。⑷

減小熱沖擊。金屬材料抗熱疲勞性能，不但與材料熱傳導(dǎo)、比熱容等熱學(xué)性質(zhì)相關(guān)，而且還與彈性模量、屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能，以及密度、幾何原因等相關(guān)。衡量標(biāo)準(zhǔn)：一定溫度幅，一定尺寸疲勞裂紋循環(huán)次數(shù)材料力學(xué)性能第章第85頁86

第五章

金屬疲勞本章小結(jié)

變動(dòng)載荷：引發(fā)疲勞破壞外力，是指載荷大小，

甚至方向均隨時(shí)間改變載荷，其在單

位面積上平均值為變動(dòng)應(yīng)力。

循環(huán)應(yīng)力：規(guī)則周期變動(dòng)應(yīng)力，正弦波最常見最大應(yīng)力σmax最小應(yīng)力σmin平均應(yīng)力σm=1/2(σmax+σmin)應(yīng)力幅

σa=1/2(σmax-σmin)應(yīng)力比

r

=

σ

min

σ

max循環(huán)應(yīng)力種類：⑴

對稱交變應(yīng)力

σm=0,

r

=-1⑵

脈動(dòng)應(yīng)力

σm=

σa>0,r=0；

σm=

-σa<0,r=-∞⑶

波動(dòng)應(yīng)力

σm>σa,0<r<1⑷

不對稱交變應(yīng)力

-1<r<0材料力學(xué)性能第章第86頁疲勞：金屬機(jī)件或構(gòu)件在變動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變長久

作用下，因?yàn)槔鄯e損傷而引發(fā)斷裂現(xiàn)象按斷裂壽命和應(yīng)力高低

不一樣高周疲勞低周疲勞Nf

>10

5σ

<σ

s低應(yīng)力疲勞壽命長斷裂應(yīng)力水平較低N

f

=(102～

105)

壽命短

σ

≥σ

s

斷裂應(yīng)力水平較高

高應(yīng)力疲勞或應(yīng)變疲勞

普通常見疲勞多屬高周低應(yīng)力疲勞87材料力學(xué)性能第章第87頁88經(jīng)典疲勞宏觀斷口含有三個(gè)形貌不一樣區(qū)域:疲勞源：疲勞裂紋萌生策源地；

表面/心部；一個(gè)/多個(gè)；光亮度最大疲勞區(qū)：疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展所形成斷口區(qū)域；較光滑且分布有貝紋線(特征)瞬斷區(qū)：裂紋最終失穩(wěn)快速擴(kuò)展所形成斷口區(qū)域。斷口比疲勞區(qū)粗糙，與靜載裂紋件斷口相同材料力學(xué)性能第章第88頁σ

?1σ

?1NKf

?1qf

=89

疲勞曲線

S-N曲線

σ-1旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)

升降法測σ-1

成組試驗(yàn)法測高應(yīng)力部分

過載損傷界

過載損傷區(qū)

過載持久值