疲勞與斷裂疲勞課件

第十二章疲勞與斷裂

第十二章疲勞與斷裂1在特定外界條件下工作的構(gòu)件，雖然所受應(yīng)力低于材料屈服強(qiáng)度，但服役一定時(shí)間后，也可能發(fā)生突然脆斷。這種與時(shí)間有關(guān)的低應(yīng)力脆斷稱為延滯斷裂。外界條件可以是應(yīng)力，如交變應(yīng)力；也可以是環(huán)境介質(zhì)，如腐蝕介質(zhì)、氫氣氛或熱作用等。由交變應(yīng)力引起的延滯斷裂，就是疲勞斷裂；而在靜載荷與環(huán)境聯(lián)合作用下引起的延滯斷裂，叫做靜載延遲斷裂，或稱靜疲勞；疲勞與斷裂是材料、構(gòu)件和機(jī)械最常見(jiàn)的失效方式，約占構(gòu)件全部失效的50％~90％。在特定外界條件下工作的構(gòu)件，雖然所受應(yīng)212.1疲勞

12.2低溫?cái)嗔雅c疲勞

12.3高溫蠕變與疲勞

12.4環(huán)境斷裂——?dú)浯?/p>

12.1疲勞312.1疲勞

一、疲勞概念

1、疲勞

2、疲勞失效的特點(diǎn)

二、疲勞裂紋擴(kuò)展的物理模型

1、疲勞失效過(guò)程

2、幾種物理模型

3、疲勞裂紋擴(kuò)展的力學(xué)行為與特征

12.1疲勞一、疲勞概念4一、疲勞概念

1、疲勞材料或構(gòu)件在交變應(yīng)力(應(yīng)變)作用下發(fā)生的破壞稱為疲勞破壞或疲勞失效。影響構(gòu)件疲勞行為的因素很多，可以分為四類：材料、外載荷、環(huán)境條件和構(gòu)件的形狀和尺寸。按外載荷的大小，疲勞可分為高周疲勞和低周疲勞。對(duì)于金屬材料，通常把疲勞失效周次Nf＞104~105的疲勞稱為高周疲勞，反之稱為低周疲勞；一、疲勞概念1、疲勞5若每個(gè)周期內(nèi)的載荷參量不隨時(shí)間而變化，稱為恒幅疲勞，否則則為變幅疲勞；由變動(dòng)的外載荷與腐蝕介質(zhì)共同作用的疲勞為腐蝕疲勞；溫度高于再結(jié)晶溫度或高于(0.5~0.6)Tm時(shí)的疲勞，屬于高溫疲勞，Tm為金屬的熔點(diǎn)；由于溫度的變化形成的變動(dòng)熱應(yīng)力引起的疲勞，稱為熱疲勞；低溫影響材料的疲勞行為，還沒(méi)有關(guān)于低溫疲勞的確切定義；應(yīng)變速率大于102/s的疲勞問(wèn)題屬于沖擊疲勞。若每個(gè)周期內(nèi)的載荷參量不隨時(shí)間而變化，62、疲勞失效的特點(diǎn)(1)疲勞斷裂表現(xiàn)為低應(yīng)力下的破壞斷裂疲勞失效在遠(yuǎn)低于材料的靜載極限強(qiáng)度甚至遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度下發(fā)生。

(2)疲勞破壞宏觀上無(wú)塑性變形與靜載荷作用下材料的破壞相比，具有更大的危險(xiǎn)性。(3)疲勞是與時(shí)間有關(guān)的一種失效方式，具有多階段性疲勞失效過(guò)程是累積損傷的過(guò)程。由交變應(yīng)力(應(yīng)變)作用引起的損傷是隨著載荷次數(shù)逐次增加的，如圖12.3所示:2、疲勞失效的特點(diǎn)7

圖12.3碳鋼的疲勞積累損傷曲線疲勞與斷裂疲勞課件8(4)與單向靜載斷裂相比，疲勞失效對(duì)材料的微觀組織和缺陷更加敏感這是因?yàn)槠谟袠O大的選擇性，幾乎總是在構(gòu)件材料表面的缺陷處發(fā)生。

(5)疲勞失效受載荷歷程的影響過(guò)載損傷會(huì)導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度的下降(如圖12.3所示)(4)與單向靜載斷裂相比，疲勞失效對(duì)材料的微觀組織和缺陷更9圖12.4為鋼的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，加載到A點(diǎn)卸載再重新加載，其抗拉強(qiáng)度b與末卸載的相同，即未受到載荷史的影響。圖12.4工程應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖12.4為鋼的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，加載10

一定的過(guò)載也可能延緩疲勞裂紋的擴(kuò)展，延長(zhǎng)疲勞壽命，如圖12.5所示。

圖12.5過(guò)載引起疲勞裂紋擴(kuò)展延滯效應(yīng)

一定的過(guò)載也可能延緩疲勞裂紋的擴(kuò)展，延11二、疲勞裂紋擴(kuò)展的物理模型

1、疲勞失效過(guò)程疲勞裂紋的擴(kuò)展，一般可分為三個(gè)階段，如圖12.6所示。圖12.6da/dN~K曲線及其微觀機(jī)制示意圖

Kth——疲勞門檻值；Kc——最終斷裂強(qiáng)度因子；K——應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值。二、疲勞裂紋擴(kuò)展的物理模型1、疲勞失效過(guò)程12整個(gè)擴(kuò)展過(guò)程可以近似地以“s”形曲線來(lái)描述：A段為第一階段，K小，擴(kuò)展速率低，da/dN＜l0-6mm/次，為非連續(xù)區(qū)，呈現(xiàn)一種結(jié)晶學(xué)形態(tài)的斷口；B段為第二階段，da/dN＞10-5mm/次，為連續(xù)擴(kuò)展區(qū)，斷口形態(tài)以疲勞條紋為主；C段為第三階段，da/dN＞10-3mm/次，為失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)，斷口形態(tài)以“韌窩”(dimple)、晶間斷裂或纖維狀為主。整個(gè)擴(kuò)展過(guò)程可以近似地以“s”形曲線來(lái)132、幾種物理模型

根據(jù)疲勞斷口表面與應(yīng)力軸的相對(duì)位向，裂紋擴(kuò)展可分為切應(yīng)變型(第一階段擴(kuò)展)和正應(yīng)變型(第二階段擴(kuò)展)兩種。根據(jù)裂紋擴(kuò)展的微觀機(jī)制，裂紋擴(kuò)展模型又可以分為三類：滑移型、鈍化型和再生核型，見(jiàn)表12.1：

2、幾種物理模型143、疲勞裂紋擴(kuò)展的力學(xué)行為與特征（1）疲勞極限與疲勞門檻值(EnduranceLimitandFatigueThresholds)疲勞極限是疲勞曲線水平部分所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，它表示材料經(jīng)受無(wú)限多次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力。疲勞門檻值是疲勞裂紋不擴(kuò)展的K最大值。3、疲勞裂紋擴(kuò)展的力學(xué)行為與特征15圖12.8缺口試件中的應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)和疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展區(qū)示意圖a缺口試件中應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)簡(jiǎn)圖b光滑、缺口疲勞極限N與門檻值Kth的相互關(guān)系圖中：max為最大應(yīng)力；0與N為光滑與缺口疲勞極限；Kth為疲勞門檻值；Kt為應(yīng)力集中系數(shù)。圖中：max為最大應(yīng)力；0與N為光滑與缺口疲勞極限；16Lukas導(dǎo)出缺口與光滑試件疲勞極限N與0的關(guān)系：

式中：Kt為應(yīng)力集中系數(shù)；Katb為基本門檻值，等于；為缺口半徑；c為臨界應(yīng)力。Lukas導(dǎo)出缺口與光滑試件疲勞極限N與0的關(guān)系：17疲勞極限與疲勞門檻值分別反映了交變載荷作用下材料對(duì)裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展的抵抗力。因?yàn)榱鸭y的萌生與擴(kuò)展的機(jī)制不同，對(duì)于現(xiàn)有的金屬材料，在使疲勞極限提高的同時(shí)往往降低了疲勞門檻值，反之亦然。疲勞極限與疲勞門檻值分別反映了交變載荷作18（2）小疲勞裂紋的擴(kuò)展行為在與長(zhǎng)裂紋相同的名義驅(qū)動(dòng)力下，小裂紋擴(kuò)展較快；在長(zhǎng)裂紋的門檻值之下，小裂紋仍以較高的速率擴(kuò)展，見(jiàn)圖12.9。圖12.9典型的小裂紋與長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展行為示意

（2）小疲勞裂紋的擴(kuò)展行為19小裂紋現(xiàn)象主要出現(xiàn)在下述三種情況：①裂紋長(zhǎng)度與材料的特征微觀尺寸相比不夠大；②裂紋長(zhǎng)度與裂紋尖端前方的塑性區(qū)尺寸相比不夠大；③裂紋長(zhǎng)度小于某一值。小裂紋現(xiàn)象主要出現(xiàn)在下述三種情況：20（3）裂紋閉合行為裂紋閉合現(xiàn)象是指疲勞裂紋在外加拉應(yīng)力作用下，裂紋張開(kāi)位移仍為零的狀態(tài)。一般認(rèn)為裂紋閉合的機(jī)制有三種：塑性誘發(fā)(Plasticity-Induced)閉合氧化物誘發(fā)(Oxide-Induced)閉合粗糙度誘發(fā)(Roughness-Induced)閉合（圖12.7）（3）裂紋閉合行為21

圖12.7裂紋閉合的三種形式疲勞與斷裂疲勞課件22

Elber根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察到的裂紋閉合現(xiàn)象提出了有效應(yīng)力強(qiáng)度因子的概念，定義為：

式中：——最大應(yīng)力強(qiáng)度因子；——裂紋完全張開(kāi)時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子；——有效應(yīng)力強(qiáng)度因子。即裂紋擴(kuò)展的有效驅(qū)動(dòng)力。通過(guò)可以解釋?xiě)?yīng)力比R對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響。如圖12.10所示。Elber根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察到的裂紋閉合現(xiàn)象23圖12.10a裂紋閉合應(yīng)力強(qiáng)度因子/與的變化b裂紋擴(kuò)展速率與和的關(guān)系

疲勞與斷裂疲勞課件24（4）變幅載荷下的裂紋擴(kuò)展①超載下的延緩效應(yīng)(Retardationeffect)圖12.11不同形式的超載對(duì)裂紋擴(kuò)展及壽命的影響（4）變幅載荷下的裂紋擴(kuò)展25可以看出:單個(gè)拉應(yīng)力超載和壓-拉超載對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展具有最大的延緩效應(yīng)；而拉-壓超載較前二者的延緩效應(yīng)為小；單個(gè)壓縮超載對(duì)裂紋擴(kuò)展速率影響不大。超載后產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展延緩效應(yīng)的主要因素有三個(gè)：a、裂紋尖端前方超載塑性區(qū)內(nèi)的殘余壓應(yīng)力阻止裂紋的延伸；b、裂紋尖端后方的閉合效應(yīng)阻止裂紋張開(kāi)；c、裂紋尖端前方超載塑性區(qū)內(nèi)晶體缺陷密度的增加進(jìn)一步阻止裂紋的延伸?？梢钥闯?單個(gè)拉應(yīng)力超載和壓-拉超載對(duì)261989年McEvily等對(duì)100％超載下的鋁合金延緩效應(yīng)作了定量分析，發(fā)現(xiàn)延緩周次與超載塑性區(qū)尺寸和試樣厚度的比值呈U形變化關(guān)系，見(jiàn)圖12.12。圖12.12延緩周次（Nd）隨超載（OL）塑性區(qū)尺寸與試樣厚度比值的變化1989年McEvily等對(duì)100％超27導(dǎo)出的延緩周次關(guān)系式為：

式中：A為試驗(yàn)常數(shù)；為屈服強(qiáng)度；為超載應(yīng)力強(qiáng)度因子；

E.C.為“過(guò)度閉合”(ExcessClosure)，可用下式表示：

導(dǎo)出的延緩周次關(guān)系式為：28②變幅載荷下裂紋擴(kuò)展特征在變幅加載下的裂紋擴(kuò)展速率和恒幅加載下的擴(kuò)展速率不同。除上述超載延緩效應(yīng)外，裂紋擴(kuò)展還會(huì)出現(xiàn)停滯或加速。②變幅載荷下裂紋擴(kuò)展特征29第十二章疲勞與斷裂

第十二章疲勞與斷裂30在特定外界條件下工作的構(gòu)件，雖然所受應(yīng)力低于材料屈服強(qiáng)度，但服役一定時(shí)間后，也可能發(fā)生突然脆斷。這種與時(shí)間有關(guān)的低應(yīng)力脆斷稱為延滯斷裂。外界條件可以是應(yīng)力，如交變應(yīng)力；也可以是環(huán)境介質(zhì)，如腐蝕介質(zhì)、氫氣氛或熱作用等。由交變應(yīng)力引起的延滯斷裂，就是疲勞斷裂；而在靜載荷與環(huán)境聯(lián)合作用下引起的延滯斷裂，叫做靜載延遲斷裂，或稱靜疲勞；疲勞與斷裂是材料、構(gòu)件和機(jī)械最常見(jiàn)的失效方式，約占構(gòu)件全部失效的50％~90％。在特定外界條件下工作的構(gòu)件，雖然所受應(yīng)3112.1疲勞

12.2低溫?cái)嗔雅c疲勞

12.3高溫蠕變與疲勞

12.4環(huán)境斷裂——?dú)浯?/p>

12.1疲勞3212.1疲勞

一、疲勞概念

1、疲勞

2、疲勞失效的特點(diǎn)

二、疲勞裂紋擴(kuò)展的物理模型

1、疲勞失效過(guò)程

2、幾種物理模型

3、疲勞裂紋擴(kuò)展的力學(xué)行為與特征

12.1疲勞一、疲勞概念33一、疲勞概念

1、疲勞材料或構(gòu)件在交變應(yīng)力(應(yīng)變)作用下發(fā)生的破壞稱為疲勞破壞或疲勞失效。影響構(gòu)件疲勞行為的因素很多，可以分為四類：材料、外載荷、環(huán)境條件和構(gòu)件的形狀和尺寸。按外載荷的大小，疲勞可分為高周疲勞和低周疲勞。對(duì)于金屬材料，通常把疲勞失效周次Nf＞104~105的疲勞稱為高周疲勞，反之稱為低周疲勞；一、疲勞概念1、疲勞34若每個(gè)周期內(nèi)的載荷參量不隨時(shí)間而變化，稱為恒幅疲勞，否則則為變幅疲勞；由變動(dòng)的外載荷與腐蝕介質(zhì)共同作用的疲勞為腐蝕疲勞；溫度高于再結(jié)晶溫度或高于(0.5~0.6)Tm時(shí)的疲勞，屬于高溫疲勞，Tm為金屬的熔點(diǎn)；由于溫度的變化形成的變動(dòng)熱應(yīng)力引起的疲勞，稱為熱疲勞；低溫影響材料的疲勞行為，還沒(méi)有關(guān)于低溫疲勞的確切定義；應(yīng)變速率大于102/s的疲勞問(wèn)題屬于沖擊疲勞。若每個(gè)周期內(nèi)的載荷參量不隨時(shí)間而變化，352、疲勞失效的特點(diǎn)(1)疲勞斷裂表現(xiàn)為低應(yīng)力下的破壞斷裂疲勞失效在遠(yuǎn)低于材料的靜載極限強(qiáng)度甚至遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度下發(fā)生。

(2)疲勞破壞宏觀上無(wú)塑性變形與靜載荷作用下材料的破壞相比，具有更大的危險(xiǎn)性。(3)疲勞是與時(shí)間有關(guān)的一種失效方式，具有多階段性疲勞失效過(guò)程是累積損傷的過(guò)程。由交變應(yīng)力(應(yīng)變)作用引起的損傷是隨著載荷次數(shù)逐次增加的，如圖12.3所示:2、疲勞失效的特點(diǎn)36

圖12.3碳鋼的疲勞積累損傷曲線疲勞與斷裂疲勞課件37(4)與單向靜載斷裂相比，疲勞失效對(duì)材料的微觀組織和缺陷更加敏感這是因?yàn)槠谟袠O大的選擇性，幾乎總是在構(gòu)件材料表面的缺陷處發(fā)生。

(5)疲勞失效受載荷歷程的影響過(guò)載損傷會(huì)導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度的下降(如圖12.3所示)(4)與單向靜載斷裂相比，疲勞失效對(duì)材料的微觀組織和缺陷更38圖12.4為鋼的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，加載到A點(diǎn)卸載再重新加載，其抗拉強(qiáng)度b與末卸載的相同，即未受到載荷史的影響。圖12.4工程應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖12.4為鋼的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，加載39

一定的過(guò)載也可能延緩疲勞裂紋的擴(kuò)展，延長(zhǎng)疲勞壽命，如圖12.5所示。

圖12.5過(guò)載引起疲勞裂紋擴(kuò)展延滯效應(yīng)

一定的過(guò)載也可能延緩疲勞裂紋的擴(kuò)展，延40二、疲勞裂紋擴(kuò)展的物理模型

1、疲勞失效過(guò)程疲勞裂紋的擴(kuò)展，一般可分為三個(gè)階段，如圖12.6所示。圖12.6da/dN~K曲線及其微觀機(jī)制示意圖

Kth——疲勞門檻值；Kc——最終斷裂強(qiáng)度因子；K——應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值。二、疲勞裂紋擴(kuò)展的物理模型1、疲勞失效過(guò)程41整個(gè)擴(kuò)展過(guò)程可以近似地以“s”形曲線來(lái)描述：A段為第一階段，K小，擴(kuò)展速率低，da/dN＜l0-6mm/次，為非連續(xù)區(qū)，呈現(xiàn)一種結(jié)晶學(xué)形態(tài)的斷口；B段為第二階段，da/dN＞10-5mm/次，為連續(xù)擴(kuò)展區(qū)，斷口形態(tài)以疲勞條紋為主；C段為第三階段，da/dN＞10-3mm/次，為失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)，斷口形態(tài)以“韌窩”(dimple)、晶間斷裂或纖維狀為主。整個(gè)擴(kuò)展過(guò)程可以近似地以“s”形曲線來(lái)422、幾種物理模型

根據(jù)疲勞斷口表面與應(yīng)力軸的相對(duì)位向，裂紋擴(kuò)展可分為切應(yīng)變型(第一階段擴(kuò)展)和正應(yīng)變型(第二階段擴(kuò)展)兩種。根據(jù)裂紋擴(kuò)展的微觀機(jī)制，裂紋擴(kuò)展模型又可以分為三類：滑移型、鈍化型和再生核型，見(jiàn)表12.1：

2、幾種物理模型433、疲勞裂紋擴(kuò)展的力學(xué)行為與特征（1）疲勞極限與疲勞門檻值(EnduranceLimitandFatigueThresholds)疲勞極限是疲勞曲線水平部分所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，它表示材料經(jīng)受無(wú)限多次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力。疲勞門檻值是疲勞裂紋不擴(kuò)展的K最大值。3、疲勞裂紋擴(kuò)展的力學(xué)行為與特征44圖12.8缺口試件中的應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)和疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展區(qū)示意圖a缺口試件中應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)簡(jiǎn)圖b光滑、缺口疲勞極限N與門檻值Kth的相互關(guān)系圖中：max為最大應(yīng)力；0與N為光滑與缺口疲勞極限；Kth為疲勞門檻值；Kt為應(yīng)力集中系數(shù)。圖中：max為最大應(yīng)力；0與N為光滑與缺口疲勞極限；45Lukas導(dǎo)出缺口與光滑試件疲勞極限N與0的關(guān)系：

式中：Kt為應(yīng)力集中系數(shù)；Katb為基本門檻值，等于；為缺口半徑；c為臨界應(yīng)力。Lukas導(dǎo)出缺口與光滑試件疲勞極限N與0的關(guān)系：46疲勞極限與疲勞門檻值分別反映了交變載荷作用下材料對(duì)裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展的抵抗力。因?yàn)榱鸭y的萌生與擴(kuò)展的機(jī)制不同，對(duì)于現(xiàn)有的金屬材料，在使疲勞極限提高的同時(shí)往往降低了疲勞門檻值，反之亦然。疲勞極限與疲勞門檻值分別反映了交變載荷作47（2）小疲勞裂紋的擴(kuò)展行為在與長(zhǎng)裂紋相同的名義驅(qū)動(dòng)力下，小裂紋擴(kuò)展較快；在長(zhǎng)裂紋的門檻值之下，小裂紋仍以較高的速率擴(kuò)展，見(jiàn)圖12.9。圖12.9典型的小裂紋與長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展行為示意

（2）小疲勞裂紋的擴(kuò)展行為48小裂紋現(xiàn)象主要出現(xiàn)在下述三種情況：①裂紋長(zhǎng)度與材料的特征微觀尺寸相比不夠大；②裂紋長(zhǎng)度與裂紋尖端前方的塑性區(qū)尺寸相比不夠大；③裂紋長(zhǎng)度小于某一值。小裂紋現(xiàn)象主要出現(xiàn)在下述三種情況：49（3）裂紋閉合行為裂紋閉合現(xiàn)象是指疲勞裂紋在外加拉應(yīng)力作用下，裂紋張開(kāi)位移仍為零的狀態(tài)。一般認(rèn)為裂紋閉合的機(jī)制有三種：塑性誘發(fā)(Plasticity-Induced)閉合氧化物誘發(fā)(Oxide-Induced)閉合粗糙度誘發(fā)(Roughness-Induced)閉合（圖12.7）（3）裂紋閉合行為50

圖12.7裂紋閉合的三種形式疲勞與斷裂疲勞課件51

Elber根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察到的裂紋閉合現(xiàn)象提出了有效應(yīng)力強(qiáng)度因子的概念，定義為：

式中：——最大應(yīng)力強(qiáng)度因子；——裂紋完全張開(kāi)時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子；——有效應(yīng)力強(qiáng)度因子。即裂紋擴(kuò)展的有效驅(qū)動(dòng)力。通過(guò)可以解釋?xiě)?yīng)力比R對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響。如圖12