第五章-材料的疲勞性能-青島科技大學-材料科學與工程學院

第五章材料的疲憊性能第一節(jié)疲憊破壞的一般規(guī)律1、疲憊的定義材料在變動載荷和應變的長期作用下，因累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象，稱為疲憊。2、變動載荷指大小或方向隨著時間變更的載荷。變動應力：變動載荷在單位面積上的平均值。分為：規(guī)則周期變動應力和無規(guī)則隨機變動應力交變應力

（應力大小或方向呈周期性變更）3、循環(huán)載荷（應力）的表征①最大循環(huán)應力：σmax②最小循環(huán)應力：σmin③平均應力：σm=（σmax+σmin）/2④應力幅σa或應力范圍Δσ：Δσ=σmax-σminσa=Δσ/2=（σmax-σmin）/2⑤應力比（或稱循環(huán)應力特征系數(shù)）：r=σmin/σmax5、循環(huán)應力分類按平均應力、應力幅、應力比的不同，循環(huán)應力分為：①對稱循環(huán)σm=（σmax+σmin）/2=0r=-1屬于此類的有：大多數(shù)旋轉(zhuǎn)軸類零件。②不對稱循環(huán)

σm≠0如：發(fā)動機連桿、螺栓

(a）σa>σm>0，-1<r<0（b）σa>0，σm<0，r<-1③脈動循環(huán)σm=σa>0，r=0（σmin=0）如：齒輪的齒根、壓力容器。σm=σa<0，r=∞（σmax=0）如：軸承（壓應力）。④波動循環(huán)σm>σa0<r<1σmin>0如：發(fā)動機氣缸蓋、螺栓。⑤隨機變動應力應力大小、方向隨機變更，無規(guī)律性。如：汽車、飛機零件、輪船。二、疲憊破壞的特點在變動載荷作用下，材料薄弱區(qū)域，漸漸發(fā)生損傷，損傷累積到確定程度→產(chǎn)生裂紋，裂紋不斷擴展→失穩(wěn)斷裂。特點：從局部區(qū)域起先的損傷，不斷累積，最終引起整體破壞。1、潛藏的突發(fā)性破壞，脆性斷裂（即使是塑性材料）。2、屬低應力循環(huán)延時斷裂（滯后斷裂）。3、對缺陷特別敏感（可加速疲憊進程）。三、疲憊破壞的分類1、按應力狀態(tài)彎曲疲憊扭轉(zhuǎn)疲憊拉壓疲憊接觸疲憊復合疲憊2、按應力大小和斷裂壽命高周疲憊→低應力疲憊N>105，б<бs低周疲憊→高應力疲憊N=102～105，б≥бs四、疲憊破壞的表征—疲憊壽命疲憊壽命：材料疲憊失效前的工作時間，即循環(huán)次數(shù)N。σNσ

-10疲憊曲線:應力б↑，N↓五、疲憊斷口的宏觀特征典型疲憊斷口具有3個特征區(qū)：疲憊源疲憊裂紋擴展區(qū)瞬斷區(qū)1、疲憊源疲憊裂紋萌生區(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：光亮，因為疲憊源區(qū)裂紋表面受反復擠壓、摩擦次數(shù)多。疲憊源可以是一個，也可以有多個。如：單向彎曲，只有一個疲憊源；雙向彎曲，可出現(xiàn)兩個疲憊源。

2、疲憊裂紋擴展區(qū)（亞臨界擴展區(qū)）

特征：斷口較光滑并分布有貝紋線或裂紋擴展臺階。貝紋線是疲憊區(qū)最典型的特征，是一簇以疲憊源為圓心的平行弧線，凹側(cè)指向疲憊源，凸側(cè)指向裂紋擴展方向，近疲憊源區(qū)貝紋線較細密（裂紋擴展較慢），遠疲憊源區(qū)貝紋線較稀疏、粗糙（裂紋擴展較快）。貝紋線（海灘花樣）貝紋線區(qū)的大小取決于過載程度及材料的韌性，高名義應力或材料韌性較差時，貝紋線區(qū)不明顯；反之，低名義應力或高韌性材料，貝紋線粗且明顯，范圍大。名義載荷依據(jù)額定功率用力學公式計算出作用在零件上的載荷。即機器平穩(wěn)工作條件下作用于零件上的載荷。計算載荷=載荷系數(shù)*名義載荷

3、瞬斷區(qū)裂紋失穩(wěn)擴展形成的區(qū)域斷口特征斷口粗糙，脆性材料斷口呈結(jié)晶狀；韌性材料斷口在心部平面應變區(qū)呈放射狀或人字紋狀；表面平面應力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在。瞬斷區(qū)一般在疲憊源對側(cè)瞬斷區(qū)大小與名義應力、材料性質(zhì)有關(guān)高名義應力或脆性材料，瞬斷區(qū)大；反之，瞬斷區(qū)小。其次節(jié)疲憊破壞的機理一、金屬材料疲憊破壞的機理1、疲憊裂紋的萌生（形核）第Ⅰ階段在循環(huán)應力作用下，裂紋萌生常在材料薄弱區(qū)或高應力區(qū)。通過不勻整滑移或顯微開裂（如其次相、夾雜物、晶界或亞晶界）等方式完成。通常將長0.05-0.10mm的裂紋定為疲憊裂紋核，對應的循環(huán)周期N，為微裂紋萌生期。駐留滑移帶：在循環(huán)載荷作用下，即使循環(huán)載荷未超過材料屈服強度，也會在材料表面形成循環(huán)滑移帶—不勻整滑移，其與靜拉伸形成的勻整滑移不同，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，還會在原處再現(xiàn)。駐留滑移帶在表面加寬過程中，會形成擠出脊和侵入溝，從而引起應力集中，形成疲憊微裂紋→形核（萌生）。不勻整滑移：擠出和侵入模型表面易產(chǎn)生疲憊裂紋的緣由（1）在很多載荷方式下，如扭轉(zhuǎn)疲憊，彎曲和旋轉(zhuǎn)彎曲疲憊等，表面應力最大。（2）實際構(gòu)件表面多存在類裂紋缺陷，如缺口，臺階，鍵槽，加工劃痕等，這些部位極易由應力集中而成為疲憊裂紋萌生地。（3）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。（4）自由表面與大氣干脆接觸，因此，假如環(huán)境是破壞過程中的一個因素，則表面晶粒受影響較大。2、疲憊裂紋的擴展→第Ⅱ階段疲憊裂紋形核后，在室溫及無腐蝕條件下第Ⅰ階段屬于微裂紋擴展第Ⅱ階段呈穿晶擴展，擴展速率da/dN隨N的增加而增大。在多數(shù)韌性材料的第Ⅱ階段，斷口用電子顯微鏡可看到韌性條帶而脆性材料中可看到脆性條帶。疲憊條帶（輝紋）呈略彎曲并相互平行的溝槽狀花樣，與裂紋擴展方向垂直。與貝紋線不同,疲憊條帶是疲憊斷口的微觀特征。疲憊條帶形成的緣由塑性鈍化模型裂紋尖端的塑性張開，鈍化和閉合鈍化，使裂紋向前持續(xù)擴展疲憊裂紋的形成與擴展模型韌性疲憊條帶與脆性疲憊條帶形貌：疲憊條帶的形成模型(Laird-Smith模型）：疲憊條帶的形成模型(Laird-Smith模型）：疲憊條帶的形成模型—再生核模型（F-R）疲憊條帶的形成模型—再生核模型（F-R）韌性條帶與脆性條帶的區(qū)分二、非金屬材料疲憊破壞機理1、

陶瓷材料的疲憊破壞機理靜態(tài)疲憊相當于金屬中的延遲斷裂，即在確定載荷作用下，材料耐用應力隨時間下降的現(xiàn)象。動態(tài)疲憊在恒定加載條件下，探討材料斷裂失效對加載速率的敏感性。循環(huán)疲憊在長期變動應力作用下，材料的破壞行為。陶瓷材料斷口呈現(xiàn)脆性斷口的特征。2、高分子聚合物的疲憊破壞機理⑴非晶態(tài)聚合物a、高循環(huán)應力時，應力很快達到或超過材料銀紋的引發(fā)應力，產(chǎn)生銀紋，隨后轉(zhuǎn)變成裂紋，擴展后導致材料疲憊破壞。b、中循環(huán)應力也會引發(fā)銀紋，形成裂紋，但裂紋擴展速率較低（機理相同）。c、低循環(huán)應力，難以引發(fā)銀紋，由材料微損傷累積及微觀結(jié)構(gòu)變更產(chǎn)生微孔及微裂紋，最終裂紋擴展導致宏觀破壞。⑵結(jié)晶態(tài)高聚合物或低應力循環(huán)的非晶態(tài)高聚合物，疲憊過程有以下現(xiàn)象：①整個過程，疲憊應變軟化而不出現(xiàn)硬化。②分子鏈間剪切滑移，分子鏈斷裂，結(jié)晶損傷，晶體結(jié)構(gòu)變更。③產(chǎn)生顯微孔洞，微孔洞合并成微裂紋，并擴展成宏觀裂紋。④斷口呈裂紋擴展形成的肋狀形態(tài)，斷口呈叢生簇狀結(jié)構(gòu)（拉拔）。⑶高聚物的熱疲憊由于聚合物為粘彈性材料，具有較大面積的應力滯后環(huán)，所以在應力循環(huán)過程中，外力所做的功有相當一部分轉(zhuǎn)化為熱能；而聚合物導熱性能差，因此溫度急劇上升，甚至高于熔點或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，從而產(chǎn)生熱疲憊。熱疲憊常是聚合物疲憊失效的主要緣由。因此疲憊循環(huán)產(chǎn)生的熱量，使聚合物升溫，可以修補高分子的微結(jié)構(gòu)損傷，使機械疲憊裂紋形核困難。⑷聚合物疲憊斷口可視察到兩種特征的條紋每周期的裂紋擴展10μm（間距）。A、疲憊輝紋B、疲憊斑紋不連續(xù)、跳動式的裂紋擴展，50μm間距。聚合物相對分子量較高時，在全部應力強度因子條件下，皆可形成疲憊輝紋。而相對分子量較低時，在較低應力強度因子時，易形成疲憊斑紋。3、復合材料的疲憊破壞機理⑴復合材料疲憊破壞的特點a、多種疲憊損傷形式：界面脫粘、分層、纖維斷裂、空隙增長等。b、不發(fā)生瞬斷，其疲憊破壞的標準與金屬不同，常以彈性模量下降的百分數(shù)1%-2%），共振頻率變更（1-2HZ）作為破壞依據(jù)。c、聚合物基復合材料，以熱疲憊為主，對加載頻率感。d、較大的應變引起纖維與基體界面開裂形成疲憊源（纖維、基體的變形量不同）壓縮應變使復合材料縱向開裂，故對壓縮敏感。e、復合材料的疲憊性能與纖維取向有關(guān)纖維是主要承載組分，沿纖維方向具有很好的疲憊強度；而沿纖維垂直方向，疲憊強度較低。對于復合材料，界面結(jié)合特別重要，因為：基體與纖維的E不同，變形量不同，故界面產(chǎn)生很大的剪切應力。第三節(jié)疲憊抗力指標一、疲憊試驗方法試驗設備：旋轉(zhuǎn)彎曲疲憊試驗機試驗方法用一組光滑試樣，測量σ—N曲線，即疲憊應力—疲憊壽命曲線。試驗標準GB4337—84旋轉(zhuǎn)彎曲疲憊試驗機：對稱彎曲疲憊試驗機Nσσ

-10試驗結(jié)果臨界值σ–1材料的疲憊強度σ>σ–1有限循環(huán)σ≤σ–1無限循環(huán)金屬材料的疲憊曲線有兩類：碳鋼、低合金鋼、球鐵等有水平線；而有色合金、不銹鋼、高強度的無水平線取N=106，107或108下的疲憊強度→條件疲憊強度。二、疲憊強度在指定疲憊壽命下，材料能承受的上限循環(huán)應力。指定的疲憊壽命無限周次有限周次1、對稱循環(huán)疲憊強度對稱彎曲：σ-1對稱扭轉(zhuǎn)：τ-1對稱拉壓：σ-1p2、不對稱循環(huán)疲憊強度不對稱循環(huán)疲憊強度難以用試驗方法干脆測定。一般用工程作圖法，由疲憊圖求出各種不對稱循環(huán)應力下的疲憊強度。ABCEHσbσbσmσmaxσminσ-1σ-10450ασmaxσminAHB曲線上各點σmax值即表示由r=-1~1個狀態(tài)下的疲憊強度。ABCEHσbσbσmσmaxσminσ-1σ-10450ασmaxσmin由此即可依據(jù)已知循環(huán)應力比r求出α值作圖，在AHB上對應點的縱坐標值即為相應的疲勞強度。這種疲憊圖也可以利用Gerber關(guān)系繪制留意：上述疲憊圖僅適合于脆性材料，對于塑性材料，應該用屈服強度σs進行修正。3、不同應力狀態(tài)下的疲憊強度同種材料在不同應力狀態(tài)下，相應的疲憊強度也不同，存在如下關(guān)系：鋼：σ-1p=0.85σ-1鑄鐵：σ-1p=0.65σ-1鋼及輕合金：τ-1=0.55σ-1鑄鐵：τ-1=0.80σ-1對稱彎曲：σ-1對稱扭轉(zhuǎn)：τ-1對稱拉壓：σ-1p同種材料的疲憊強度：σ–1>σ–1P>τ–1因為彎曲疲憊時，試樣表面應力最大，只有表面層才產(chǎn)生疲憊損傷。而拉壓疲憊時，應力分布勻整，整個截面都可產(chǎn)生疲憊損傷，故σ–1>σ–1P。扭轉(zhuǎn)疲憊時，切應力大，更簡潔使材料發(fā)生滑移，產(chǎn)生疲憊損傷，故τ–1最小。

4、疲憊強度與靜強度間的關(guān)系試驗表明，材料的抗拉強度越大，其疲憊強度也越大。對于中、低強度鋼，σ–1與σb大致成線性關(guān)系，σ–1=0.5σb。隨著抗拉強度增大，材料的塑性、斷裂韌性降低，裂紋易于形成和擴展，疲憊強度降低。閱歷公式：

結(jié)構(gòu)鋼：σ–1P=0.23(σs+σb)

σ–1=0.27(σs+σb)鑄鐵：σ–1P=0.4σb

σ–1=0.45σb鋁合金：σ–1P=1/6σb+7.5MPa

σ–1=1/6σb-7.5Mpa青銅：σ–1=0.21σben三、過載長久值及過載損傷界1、過載長久值材料在高于疲憊強度的確定應力下工作，發(fā)生疲憊斷裂的應力循環(huán)周次稱為材料的過載長久值（有限疲憊壽命）。表征了材料對過載疲憊的抗力，過載長久值可由疲憊曲線傾斜部分確定：曲線傾斜度越大，長久值越高，表明材料在相同過載條件下能承受的應力循環(huán)次數(shù)越多。2、過載損傷界試驗證明，材料在過載應力水平下，只有運轉(zhuǎn)確定周次后，才會造成過載損傷→疲憊強度、疲憊壽命才會降低，短時間過載并不會造成過載損傷。

把每個過載應力下運行能引起損傷的最少循環(huán)次數(shù)連接起來，就得該材料的過載損傷界。過載損傷界到疲憊曲線間的區(qū)域→過載損傷區(qū)。材料的過載損傷區(qū)越窄，則反抗疲憊過載的實力越強（損傷界越陡）。所以，工程上常常過載的零件，常選用疲憊損傷區(qū)窄的材料。lgNσσ-1lgN0斷裂線（疲憊曲線）過載損傷區(qū)過載損傷界四、疲憊缺口敏感度零件上的臺階、拐角、健槽、螺紋、油孔等結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應力集中，作用類似于缺口，會降低材料的疲勞強度、疲憊壽命。疲憊缺口敏感度

Kt—理論應力集中系數(shù)，可查《機械設計手冊》，Kt>1。

Kf—疲憊缺口系數(shù)明顯，Kf>1，0<qf<1當Kf=1時，qf=0表明材料對缺口完全不敏感。Kf=Kt時，qf=1表明材料對缺口特別敏感。

結(jié)構(gòu)鋼：qf

=0.6-0.8，敏感度高球鐵：qf

=0.11-0.25灰鑄鐵：qf

=0-0.05，不敏感五、疲憊裂紋擴展速率及擴展門檻值1、擴展速率是指疲憊裂紋亞穩(wěn)擴展階段的速率（第Ⅱ階段）。2、試驗測定：利用三點彎曲切口試樣或中心裂紋試樣或緊湊拉伸試樣。在固定應力比r及應力幅Δσ下進行疲憊試驗。通過疲憊裂紋長度測量裝置，測出每確定循環(huán)周次N對應的裂紋長度a，直到試樣斷裂為止。Δσ2>Δσ1由圖可見，在確定循環(huán)應力條件下，裂紋長度a是不斷擴展的，疲憊裂紋擴展速率da/dN也是不斷增加的。當a達到ac時，da/dN無限增大，裂紋將失穩(wěn)擴展。作出a—N曲線，如圖，疲憊裂紋擴展曲線引入應力強度因子幅ΔKI的概念：因此，da/dN不僅與裂紋長度a有關(guān)，還與應力水平有關(guān)。當應力增加時，da/dN增大，a—N曲線向左上方移動，aC相應減小建立da/dN—ΔKI曲線，并在雙對數(shù)坐標上描繪，如圖：

da/dN=C（ΔKI）n

Ⅰ區(qū)：相當于疲憊裂紋的初始擴展階段，da/dN很小，約10-8～10-6mm/周次，從ΔKth起先，隨著ΔKI增加,da/dN快速增大Ⅱ區(qū)：是疲憊裂紋擴展的主要階段，da/dN約為10-5～10-2mm/周次，lg（da/dN）與lgΔKI呈線性關(guān)系，可用：da/dN=C（ΔKI）n表示———Paris公式C、n為材料常數(shù)。Ⅲ區(qū)：是疲憊裂紋擴展的最終階段，da/dN值很大。并ΔKI增加而急劇增大，很快導致裂紋失穩(wěn)擴展。ΔKth處da/dN=0，即裂紋不會擴展，只有KI>ΔKth時，da/dN>0。因此，ΔKth稱疲憊裂紋擴展門檻值，表征材料阻擋疲憊裂紋起先擴展的實力。ΔKth與σ-1的區(qū)分：σ-1代表光滑試樣的無限壽命疲憊強度，適用于無裂紋零件設計、校核依據(jù)。ΔKth代表裂紋試樣的無限壽命疲憊強度，適用于含裂紋零件的設計和校核。因此，含裂紋零件不發(fā)生疲憊斷裂無限壽命）的條件：利用公式：1、已知裂紋件的原始裂紋長度a和材料的疲憊門檻值ΔKth，可求得該零件在無限疲憊壽命時的承載實力：用該式算出的Δσ值明顯遠低于光滑試樣的疲憊強度σ-1。2、已知裂紋零件的工作載荷Δσ，材料的ΔKth，該零件無限疲憊壽命時，允許的裂紋尺寸a：ΔKth很難由試驗干脆測得，工程上常規(guī)定在平面應變狀態(tài)下，da/dN=10-6～10-7mm/周次時對應的ΔKI為ΔKth—稱為條件疲憊裂紋擴展門檻值。

大多數(shù)金屬材料的ΔKth值很小，約為5%～10%KIC。如鋼：ΔKth≤9MPa·m1/2，鋁合金:ΔKth≤4MPa·m1/2留意Paris公式僅適用于低應力，低擴展速率da/dN<10-2mm/周次和較長壽命Nf>104狀況。依據(jù)Paris公式，可以對零件的剩余疲憊壽命進行估算。可先用無損傷法測出零件的初始裂紋長度a0、形態(tài)、位置和取向，以確定ΔKI的值，再依據(jù)材料的斷裂韌度ΔKIC及名義工作應力Δσ，確定臨界裂紋長度ac。最終用積分法算出剩余疲憊壽命：第四節(jié)影響材料疲憊強度的因素一、工作條件的影響

1、載荷條件①應力狀態(tài)，平均應力，應力比②在過載損傷區(qū)內(nèi)的過載，會降低材料的疲憊強度、疲憊壽命③次載熬煉材料尤其金屬在低于疲憊強度的應力循環(huán)確定周次后稱為次載熬煉。次載應力越接近材料的疲憊強度，次載循環(huán)周期越長，熬煉效果越好。新機器經(jīng)次載熬煉，既跑合、又延長疲憊壽命。④間歇效應：試驗表明，對應變時效材料，在循環(huán)加載運行過程中，若間歇空載一段時間或間隙時適當加溫，可提高疲憊強度，延長壽命。⑤載荷頻率：在確定頻率范圍內(nèi)（170～1000HZ），材料的疲憊強度隨加載頻率的增加而提高；在常用頻率范圍內(nèi)50～170HZ，材料的疲憊強度不受頻率變更影響；低于1HZ的加載，σ-1降低。

2、溫度溫度降低，疲憊強度上升（與靜強度相像）；反之，疲憊強度降低。如結(jié)構(gòu)鋼在400℃以上時，疲憊強度急劇下降；耐熱鋼在550~650℃以上時，疲憊強度明顯下降。留意高溫時材料的疲憊曲線無水平段→條件疲憊強度3、腐蝕介質(zhì)腐蝕介質(zhì)的作用使材料表面產(chǎn)生蝕坑，而降低材料的疲憊強度，導致腐蝕疲憊。一般腐蝕疲憊曲線無水平段（低應力下也產(chǎn)生疲憊斷裂）→條件疲憊強度。二、表面狀態(tài)及尺寸因素的影響1、表面狀態(tài)a、零件表面質(zhì)量，對疲憊強度壽命影響很大，表面粗糙度↑，σ-1↓、N↓b、另外，使零件表面產(chǎn)生殘余壓應力層（氮化、噴丸等工藝），可顯著提高疲憊強度與壽命。2、尺寸因素尺寸效應：零件尺寸增大(三向拉應力狀態(tài))，疲憊強度下降。尺寸效應系數(shù)ε=（σ-1）d/σ-1三、表面強化及殘余應力的影響表面強化噴丸和滾壓表面淬火化學熱處理

1、表面噴丸及滾壓噴丸過程就是將大量彈丸噴射到零件表面上的過程，有如多數(shù)小錘對表面錘擊，因此，金屬零件表面產(chǎn)生極為猛烈的塑性形變，使零件表面產(chǎn)生確定厚度的冷作硬化層，稱為表面強化層，此強化層會顯著地提高零件的疲憊強度?？墒菇饘俦砻嫘巫儚娀?，并在塑性變形層內(nèi)產(chǎn)生殘余壓應力，既提高了表層材料強度，又能降低表層材料的工作時的拉壓力；同時可降低缺口應力集中系數(shù)和疲憊缺口敏感度，提高材料的疲憊抗力。表面滾壓技術(shù)是在確定的壓力下用輥輪、滾球或者輥軸對被加工零件表面進行滾壓或者擠壓，使其發(fā)生塑性變形，形成強化層的工藝過程。形態(tài)簡潔的大尺寸零件→滾壓強化形態(tài)困難的零件→噴丸強化2、表面熱處理和化學熱處理表面淬火：外硬內(nèi)韌組織化學熱處理：氮化，外硬內(nèi)韌，殘余壓應力層3、復合強化滲氮+表面淬火，滲氮+噴丸，表面淬火+噴丸四、材料成分及組織的影響

1、合金成分工程材料中，結(jié)構(gòu)鋼的疲憊強度最高σ-1≈0.5σb結(jié)構(gòu)鋼中碳是影響疲憊強度的重要因素：既有間隙固溶強化作用，又有