材料性能金屬的疲勞

材料性能金屬的疲勞第1頁(yè)/共181頁(yè)21、金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)2、疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能3、疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門檻值4、疲勞過(guò)程及機(jī)理5、影響疲勞強(qiáng)度的主要因素6、低周疲勞主要內(nèi)容第2頁(yè)/共181頁(yè)3變動(dòng)載荷是指載荷的大小、方向隨時(shí)間變化的載荷，其單位面積上的平均值為變動(dòng)應(yīng)力。變動(dòng)應(yīng)力可分為周期變動(dòng)應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）和無(wú)規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力。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。5.1.1

變動(dòng)載荷和循環(huán)應(yīng)力5.1

金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)第3頁(yè)/共181頁(yè)4圖變動(dòng)應(yīng)力示意圖a)應(yīng)力大小變化b)、c)應(yīng)力大小及方向都變化d)應(yīng)力大小及方向無(wú)規(guī)則的變化變動(dòng)應(yīng)力第4頁(yè)/共181頁(yè)5循環(huán)應(yīng)力的波形有正弦波、矩形波和三角波等。表征應(yīng)力循環(huán)特征的參量有：最大循環(huán)應(yīng)力σmax，最小循環(huán)應(yīng)力σmin平均應(yīng)力:σm=(σmax+σmin)/2應(yīng)力幅或應(yīng)力范圍:σa=(σmax-σmin)/2應(yīng)力比:r=σmin/σmax循環(huán)應(yīng)力及其特征參量第5頁(yè)/共181頁(yè)6圖循環(huán)應(yīng)力的類型a)、e)交變應(yīng)力b)、c)、d)重復(fù)循環(huán)應(yīng)力對(duì)稱交變應(yīng)力σm=0,r=-1脈動(dòng)應(yīng)力σm=σa>0,r=0σm=σa<0,r=-∞波動(dòng)應(yīng)力σm>σa,0<r<1不對(duì)稱交變應(yīng)力-1<r<0常見(jiàn)的循環(huán)應(yīng)力第6頁(yè)/共181頁(yè)7圖農(nóng)用掛車前軸的載荷譜循環(huán)應(yīng)力呈隨機(jī)變化，如運(yùn)行時(shí)因道路或云層的變化，汽車、拖拉機(jī)及飛機(jī)等的零件，工作應(yīng)力隨時(shí)間隨機(jī)變化。

隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力第7頁(yè)/共181頁(yè)8金屬機(jī)件在變動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變長(zhǎng)期作用下，由于積累損傷而引起的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞的破壞過(guò)程是材料內(nèi)部薄弱區(qū)域的組織在變動(dòng)應(yīng)力作用下，逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開(kāi)裂，當(dāng)裂紋擴(kuò)展達(dá)到一定程度后發(fā)生突然斷裂的過(guò)程，是一個(gè)從局部區(qū)域開(kāi)始的損傷累積，最終引起整體破壞的過(guò)程。

5.1.2疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)第8頁(yè)/共181頁(yè)9可按不同方法對(duì)疲勞形式分類。按應(yīng)力狀態(tài)分：彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞及復(fù)合疲勞；按環(huán)境和接觸情況分：大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、熱疲勞及接觸疲勞等。按應(yīng)力高低和斷裂壽命分：高周疲勞和低周疲勞。疲勞形式的分類第9頁(yè)/共181頁(yè)10按應(yīng)力高低和斷裂壽命分,最基本的分類方法。類別疲勞類型斷裂壽命周次（Nf）應(yīng)力水平高周疲勞（低應(yīng)力疲勞）較長(zhǎng)>105較低σ<σs低周疲勞（高應(yīng)力疲勞）較短102～105較高σ>σs表高周疲勞和低周疲勞對(duì)比高周疲勞和低周疲勞第10頁(yè)/共181頁(yè)11該破壞是一種潛藏的突發(fā)性破壞，在靜載下顯示韌性或脆性破壞的材料在疲勞破壞前均不會(huì)發(fā)生明顯的塑性變形，呈脆性斷裂。疲勞破壞屬低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂，對(duì)于疲勞壽命的預(yù)測(cè)就顯得十分重要和必要。對(duì)缺口、裂紋及組織等缺陷十分敏感，即對(duì)缺陷具有高度的選擇性。因?yàn)槿笨诨蛄鸭y會(huì)引起應(yīng)力集中，加大對(duì)材料的損傷作用；組織缺陷(夾雜、疏松、白點(diǎn)、脫碳等)，將降低材料的局部強(qiáng)度，二者綜合更加速疲勞破壞的起始與發(fā)展。疲勞的特點(diǎn)第11頁(yè)/共181頁(yè)12疲勞斷口保留了整個(gè)斷裂過(guò)程的所有痕跡，記載著很多斷裂信息，具有明顯的形貌特征，而這些特征又受材料性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力大小及環(huán)境因素的影響，因此對(duì)疲勞斷口的分析是研究疲勞過(guò)程、分析疲勞失效原因的一種重要方法。疲勞斷裂經(jīng)歷了裂紋萌生和擴(kuò)展過(guò)程。由于應(yīng)力水平較低，因此具有較明顯的裂紋萌生和穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段，相應(yīng)的斷口上也顯示出疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)與瞬時(shí)斷裂區(qū)的特征。5.1.3疲勞宏觀斷口特征第12頁(yè)/共181頁(yè)13圖帶鍵的軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口，40鋼疲勞宏觀斷口第13頁(yè)/共181頁(yè)14疲勞源是疲勞裂紋萌生的策源地。位置：多出現(xiàn)在機(jī)件表面，常和缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺陷相連。但若材料內(nèi)部存在嚴(yán)重冶金缺陷(夾雜、縮孔、伯析、白點(diǎn)等)，也會(huì)因局部材料強(qiáng)度降低而在機(jī)件內(nèi)部引發(fā)出疲勞源。特點(diǎn)：因疲勞源區(qū)裂紋表面受反復(fù)擠壓，摩擦次數(shù)多，疲勞源區(qū)比較光亮，而且因加工硬化，該區(qū)表面硬度會(huì)有所提高。疲勞源第14頁(yè)/共181頁(yè)15數(shù)量：機(jī)件疲勞破壞的疲勞源可以是一個(gè)，也可以是多個(gè)，它與機(jī)件的應(yīng)力狀態(tài)及過(guò)載程度有關(guān)。如單向彎曲疲勞僅產(chǎn)生一個(gè)源區(qū)，雙向反復(fù)彎曲可出現(xiàn)兩個(gè)疲勞源。過(guò)載程度愈高，名義應(yīng)力越大，出現(xiàn)疲勞源的數(shù)目就越多。產(chǎn)生順序：若斷口中同時(shí)存在幾個(gè)疲勞源，可根據(jù)每個(gè)疲勞區(qū)大小、源區(qū)的光亮程度確定各疲勞源產(chǎn)生的先后，源區(qū)越光亮，相連的疲勞區(qū)越大，就越先產(chǎn)生；反之，產(chǎn)生的就晚。

疲勞源第15頁(yè)/共181頁(yè)16疲勞區(qū)是疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域。宏觀特征：斷口較光滑并分布有貝紋線(或海灘花樣)，有時(shí)還有裂紋擴(kuò)展臺(tái)階。斷口光滑是疲勞源區(qū)的延續(xù)，其程度隨裂紋向前擴(kuò)展逐漸減弱，反映裂紋擴(kuò)展快饅、擠壓摩擦程度上的差異。疲勞區(qū)第16頁(yè)/共181頁(yè)17產(chǎn)生原因:一般認(rèn)為是因載荷變動(dòng)引起的，因?yàn)闄C(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)常有啟動(dòng)、停歇、偶然過(guò)載等，均要在裂紋擴(kuò)展前沿線留下弧狀貝紋線痕跡。形貌特點(diǎn)：疲勞區(qū)的每組貝紋線好像一簇以疲勞源為圓心的平行弧線，凹側(cè)指向疲勞源，凸側(cè)指向裂紋擴(kuò)展方向。近疲勞源區(qū)貝紋線較細(xì)密，表明裂紋擴(kuò)展較慢；遠(yuǎn)離疲勞源區(qū)貝紋線較稀疏、粗糙，表明此段裂紋擴(kuò)展較快。貝紋線——疲勞區(qū)的最典型特征第17頁(yè)/共181頁(yè)18影響因素:貝紋區(qū)的總范圍與過(guò)載程度及材料的性質(zhì)有關(guān)。若機(jī)件名義應(yīng)力較高或材料韌性較差，則疲勞區(qū)范圍較小，貝紋線不明顯；反之，低名義應(yīng)力或高韌性材科，疲勞區(qū)范圍較大，貝紋線粗且明顯。貝紋線的形狀則由裂紋前沿線各點(diǎn)的擴(kuò)展速度、載荷類型、過(guò)載程度及應(yīng)力集中等決定。貝紋線第18頁(yè)/共181頁(yè)19瞬斷區(qū)是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域。在疲勞亞臨界擴(kuò)展階段，隨應(yīng)力循環(huán)增加，裂紋不斷增長(zhǎng)，當(dāng)增加到臨界尺寸ac時(shí)，裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI達(dá)到材料斷裂韌性KIc(Kc)時(shí)。裂紋就失穩(wěn)快速擴(kuò)展，導(dǎo)致機(jī)件瞬時(shí)斷裂。瞬斷區(qū)第19頁(yè)/共181頁(yè)20瞬斷區(qū)的斷口比疲勞區(qū)粗糙，宏觀特征如同靜載，隨材料性質(zhì)而變。脆性材料斷口呈結(jié)晶狀；韌性材料斷口，在心部平面應(yīng)變區(qū)呈放射狀或人字紋狀，邊緣平面應(yīng)力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在。瞬斷區(qū)第20頁(yè)/共181頁(yè)21位置：瞬斷區(qū)一般應(yīng)在疲勞源對(duì)側(cè)。但對(duì)旋轉(zhuǎn)彎曲來(lái)說(shuō)，低名義應(yīng)力時(shí)，瞬斷區(qū)位置逆旋轉(zhuǎn)方向偏轉(zhuǎn)一角度；高名義應(yīng)力時(shí)，多個(gè)疲勞源同時(shí)從表面向內(nèi)擴(kuò)展，使瞬斷區(qū)移向中心位置。大?。核矓鄥^(qū)大小與機(jī)件承受名義應(yīng)力及材料性質(zhì)有關(guān)，高名義應(yīng)力或低韌性材科，瞬斷區(qū)大；反之。瞬斷區(qū)則小。瞬斷區(qū)第21頁(yè)/共181頁(yè)22各類疲勞斷口形貌第22頁(yè)/共181頁(yè)23各類斷口的特點(diǎn)1、軸類機(jī)件拉壓疲勞時(shí)表面無(wú)缺口應(yīng)力集中：截面上應(yīng)力分布均勻。裂紋擴(kuò)展等速，貝紋線呈一族平行的圓弧線。表面有環(huán)狀缺口的應(yīng)力集中：裂紋沿表層的擴(kuò)展比中間區(qū)快。5.1金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)5.1.3疲勞宏觀斷口特征第23頁(yè)/共181頁(yè)24各類斷口的特點(diǎn)1、軸類機(jī)件拉壓疲勞時(shí)高名義應(yīng)力時(shí)：疲勞區(qū)范圍小，表層與中間區(qū)的裂紋擴(kuò)展相差無(wú)幾，貝紋線蛇形狀從起始的半圓弧狀到半橢圓狀最后為波浪狀變化；低名義應(yīng)力時(shí)：疲勞區(qū)范圍大。表層裂紋擴(kuò)展比中間超前許多，故貝紋線形狀由起始的半圓弧狀到半橢圓弧狀、波浪弧狀最后為凹向橢圓弧狀變化。5.1金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)5.1.3疲勞宏觀斷口特征第24頁(yè)/共181頁(yè)25各類斷口的特點(diǎn)2、彎曲疲勞時(shí)表面應(yīng)力最高，其貝紋線變化與帶缺口機(jī)件的拉壓疲勞相似。表面有缺口時(shí)，應(yīng)力集中增強(qiáng)，變化會(huì)更大。5.1金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)5.1.3疲勞宏觀斷口特征第25頁(yè)/共181頁(yè)26各類斷口的特點(diǎn)3、扭轉(zhuǎn)疲勞時(shí)因最大正應(yīng)力方向與扭轉(zhuǎn)軸傾斜45°，最大切應(yīng)力垂直或平行于軸向分布。正斷型疲勞斷口與軸向呈45°，且易出現(xiàn)鋸齒狀或星形狀斷口。切應(yīng)力引起的切斷型疲勞斷口沿最大切應(yīng)力即垂直于扭轉(zhuǎn)軸方向，上面一般看不到貝紋線。

5.1金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)5.1.3疲勞宏觀斷口特征第26頁(yè)/共181頁(yè)27疲勞力學(xué)性能指標(biāo)……疲勞缺口敏感度疲勞強(qiáng)度過(guò)載持久值5.2疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能第27頁(yè)/共181頁(yè)28疲勞設(shè)計(jì)疲勞應(yīng)力判據(jù)斷裂疲勞判據(jù)疲勞強(qiáng)度疲勞裂紋擴(kuò)展速率疲勞缺口敏感度過(guò)載持久值疲勞設(shè)計(jì)第28頁(yè)/共181頁(yè)29疲勞曲線是疲勞應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系曲線，即S－N曲線。用途：它是確定疲勞極限、建立疲勞應(yīng)力判據(jù)的基礎(chǔ)。1860年，維勒在解決火車軸斷裂時(shí)，首先提出疲勞曲線和疲勞極限的概念，所以后人也稱該曲線為維勒曲線。

5.2.1疲勞曲線和對(duì)稱循環(huán)疲勞極限第29頁(yè)/共181頁(yè)30圖幾種材料的疲勞曲線合金鋼wc0.47%碳鋼鋁合金灰鑄鐵1041051031061071081090204060應(yīng)力σmax/10MPa循環(huán)周次/次高應(yīng)力段和低應(yīng)力段，高應(yīng)力段壽命短，低應(yīng)力段壽命長(zhǎng)。應(yīng)力水平下降，斷裂循環(huán)周次增加。疲勞曲線第30頁(yè)/共181頁(yè)31有水平段（碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、球鐵等）經(jīng)過(guò)無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)也不發(fā)生疲勞斷裂，將對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為疲勞極限，記為σ-1（對(duì)稱循環(huán)）無(wú)水平段（鋁合金、不銹鋼、高強(qiáng)度鋼等）只是隨應(yīng)力降低，循環(huán)周次不斷增大。此時(shí)，根據(jù)材料的使用要求規(guī)定某一循環(huán)周次下不發(fā)生斷裂的應(yīng)力作為條件疲勞極限。例：高強(qiáng)度鋼、鋁合金和不銹鋼：N＝108周次鈦合金：N＝107周次疲勞極限第31頁(yè)/共181頁(yè)32對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)下非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)下（r為應(yīng)力比）疲勞斷裂應(yīng)力判據(jù)第32頁(yè)/共181頁(yè)33旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)圖旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)示意圖1.3－帶有滾珠軸承的支座2－試樣4－計(jì)數(shù)器5－電動(dòng)機(jī)6－載荷結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，能試驗(yàn)對(duì)稱循環(huán)和恒應(yīng)力幅的要求。疲勞曲線的測(cè)定第33頁(yè)/共181頁(yè)34圖旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)第34頁(yè)/共181頁(yè)35用升降法測(cè)定條件疲勞極限；用成組試驗(yàn)法測(cè)定高應(yīng)力部分；將上述兩試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，并擬合成疲勞曲線。疲勞曲線的測(cè)試方法第35頁(yè)/共181頁(yè)36有效試樣13根以上，取3～5級(jí)應(yīng)力水平。每級(jí)應(yīng)力增量一般為的（3～5%）。第一根試樣應(yīng)力水平略高于σ-1。第二根根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果而定。若第一根斷裂，則降低應(yīng)力3～5%；反之，升高3～5%。其余均以此處理。首次出現(xiàn)一對(duì)結(jié)果相反的數(shù)據(jù)，如在以后數(shù)據(jù)的應(yīng)力波動(dòng)范圍內(nèi)，可作為有效數(shù)據(jù)加以利用，否則舍去。按公式計(jì)算σ-1（r=-1，N=107周次）。疲勞曲線的測(cè)定——升降法測(cè)定疲勞極限第36頁(yè)/共181頁(yè)37σ1σ4σ2σ0σ3σN圖升降法示意圖Δσ－應(yīng)力增量×－試樣斷裂○－試樣通過(guò)12103411514768161213159升降法測(cè)定疲勞極限第37頁(yè)/共181頁(yè)38取3～4級(jí)較高應(yīng)力水平，每級(jí)應(yīng)力應(yīng)力水平下，測(cè)定5根左右試樣的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算中值（存活率為50％）疲勞壽命。高應(yīng)力成組測(cè)定第38頁(yè)/共181頁(yè)39將升降法測(cè)得的σ-1作為S－N曲線的最低應(yīng)力水平點(diǎn)，與成組試驗(yàn)法的測(cè)定結(jié)果擬合成直線或曲線，即得存活率50％的中值S－N曲線。圖某種鋁合金的疲勞曲線○－成組法測(cè)得的試驗(yàn)點(diǎn)●－升降法測(cè)得的試驗(yàn)點(diǎn)σNr=0.1疲勞曲線的測(cè)定第39頁(yè)/共181頁(yè)40同一材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下測(cè)得的疲勞極限不相同，但是它們之間存在一定的聯(lián)系。根據(jù)試驗(yàn)確定，對(duì)稱彎曲疲勞極限(σ-1)與對(duì)稱拉壓(σ-1p)、扭轉(zhuǎn)（τ-1）疲勞極限之間存在下列關(guān)系：鋼：σ-1p=0.85σ-1鑄鐵：σ-1p=0.65σ-1，τ-1=0.8σ-1銅及輕合金：τ-1=0.55σ-1不同應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞極限第40頁(yè)/共181頁(yè)41圖鋼的疲勞極限σ-1與抗拉強(qiáng)度σb的關(guān)系σ-1/σb=0.5σ-1/σb=0.3σ-1/σb=0.24Kt=1.6~2.1碳鋼低碳合金鋼中碳合金鋼100300500700900σ-1/MPa2006001000140018002200σb/MPa2006001000140018002200σb/MPaσb較低時(shí)，σ-1=0.5σbσb較高時(shí)，發(fā)生偏移。由于強(qiáng)度升高，塑性和韌性下降，裂紋易于形成和擴(kuò)展。金屬材料的抗拉強(qiáng)度越大，疲勞極限也越大。中、低強(qiáng)度鋼，疲勞極限與抗拉強(qiáng)度之間大體呈線性關(guān)系。疲勞極限與靜強(qiáng)度間的關(guān)系第41頁(yè)/共181頁(yè)42屈強(qiáng)比σs/σb對(duì)疲勞極限也有一定的影響，建議用下面經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：結(jié)構(gòu)鋼：σ-1p=0.23(σs+σb)σ-1=0.27(σs+σb)鑄鐵：σ-1p=0.4σbσ-1=0.45σb

鋁合金：σ-1p=σb/6+7.5MPaσ-1=σb/6-7.5MPa青銅：σ-1=0.21σb疲勞極限與靜強(qiáng)度間的關(guān)系第42頁(yè)/共181頁(yè)43很多機(jī)件在不對(duì)稱循環(huán)載荷下工作，所以需要測(cè)定材料的不對(duì)稱循環(huán)疲勞極限。通常用工程作圖法，由疲勞圖求得各種不對(duì)稱循環(huán)的疲勞極限。疲勞圖是各種循環(huán)疲勞極限的集合圖，也是疲勞曲線的另一種表達(dá)形式。5.2.2疲勞圖和不對(duì)稱循環(huán)疲勞極限第43頁(yè)/共181頁(yè)445.2.2疲勞圖和不對(duì)稱循環(huán)疲勞極限圖不同應(yīng)力比的疲勞曲線疲勞極限隨應(yīng)力比r的增大而升高?？筛鶕?jù)平均應(yīng)力對(duì)疲勞極限的影響規(guī)律建立疲勞圖，根據(jù)不同的作圖方法，有兩種疲勞圖。σa-σm疲勞圖σmax(σmin)-σm疲勞圖r=0.3－0.30－15.2疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能第44頁(yè)/共181頁(yè)45圖σa-σm疲勞圖σaσmABECDσ-1σbOα45°σm=0,r=-1,σa=σ-1σm=σb,r=1,σa=0r=0,σa=?,σm=?,σ0=?Fσa-σm疲勞圖第45頁(yè)/共181頁(yè)46ABC曲線也可用數(shù)學(xué)解析式表示，常用的公式有：Gerber公式:Goodman公式:Soderberg公式:σa-σm疲勞圖第46頁(yè)/共181頁(yè)47圖σmax(σmin)-σa疲勞圖σmax(σmin)ABECOσ-1σbHσ0σ-1σbα45°σmr=0,σ0=?σmax(σmin)-σm疲勞圖第47頁(yè)/共181頁(yè)48習(xí)題1第48頁(yè)/共181頁(yè)49第49頁(yè)/共181頁(yè)50圖塑性材料的σmax(σmin)-σm疲勞圖σmaxABCO45°55°σminPRQσmσ0σ0.2塑性材料σmax(σmin)-σm疲勞圖第50頁(yè)/共181頁(yè)51問(wèn)題：零件常短時(shí)在高于疲勞極限情況下工作，機(jī)件偶然過(guò)載運(yùn)行對(duì)疲勞壽命會(huì)不會(huì)降低？解決：通常用過(guò)負(fù)荷損害界來(lái)衡量偶然超過(guò)疲勞極限運(yùn)行對(duì)疲勞壽命的影響。5.2.3抗疲勞過(guò)載能力5.2疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能第51頁(yè)/共181頁(yè)52過(guò)載損傷界5.2.3抗疲勞過(guò)載能力σmaxσ-1過(guò)載損傷界過(guò)載持久值線lgNlgN0過(guò)載損傷區(qū)高于σ-1的應(yīng)力下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)N周次后，再在疲勞極限的應(yīng)力下運(yùn)轉(zhuǎn)，看是否影響疲勞壽命N0。acb各應(yīng)力水平下發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán)周次稱過(guò)載持久值5.2疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能第52頁(yè)/共181頁(yè)53疲勞過(guò)載損傷的原因疲勞過(guò)載損傷可用金屬內(nèi)部的“非擴(kuò)展裂紋”來(lái)解釋。材料內(nèi)部存在裂紋，能經(jīng)受無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂，指在該應(yīng)力下裂紋是非擴(kuò)展的。當(dāng)過(guò)載運(yùn)轉(zhuǎn)到一定循環(huán)周次后，疲勞損傷形成的裂紋尺寸超過(guò)在疲勞極限應(yīng)力下“非擴(kuò)展裂紋”尺寸，則在以后的疲勞極限應(yīng)力下再運(yùn)轉(zhuǎn)，裂紋將繼續(xù)擴(kuò)展，使之在小于的循環(huán)次數(shù)下就發(fā)生疲勞，說(shuō)明過(guò)載已造成了損傷。5.2.3抗疲勞過(guò)載能力5.2疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能第53頁(yè)/共181頁(yè)54疲勞過(guò)載損傷的原因當(dāng)在低過(guò)載下（應(yīng)力循環(huán)周次又不足），累積損傷造成的裂紋長(zhǎng)度小于在應(yīng)力下的“非擴(kuò)展裂紋”尺寸時(shí)，裂紋就不會(huì)擴(kuò)展，這時(shí)過(guò)載對(duì)材料不造成疲勞損傷。因此，過(guò)載損傷界就是在不同過(guò)載應(yīng)力下，損傷累積造成的裂紋尺寸達(dá)到或超過(guò)應(yīng)力的“非擴(kuò)展裂紋”尺寸的循環(huán)次數(shù)。5.2.3抗疲勞過(guò)載能力5.2疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能第54頁(yè)/共181頁(yè)55問(wèn)題：機(jī)件常帶有臺(tái)階、拐角、鏈槽、油孔、螺紋等結(jié)構(gòu)，它們類似于缺口作用，造成該區(qū)域的應(yīng)力集中，因而會(huì)縮短機(jī)件疲勞壽命，降低材料疲勞強(qiáng)度。

5.2.4疲勞缺口敏感度5.2疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能第55頁(yè)/共181頁(yè)56疲勞敏感度金屬材料在交變載荷作用下的缺口敏感性，常用疲勞缺口敏感度qf評(píng)定:5.2.4疲勞缺口敏感度理論應(yīng)力集中系數(shù)疲勞缺口系數(shù)5.2疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能第56頁(yè)/共181頁(yè)57疲勞敏感度出現(xiàn)兩者極端情況Kf＝Kt，即缺口試樣疲勞過(guò)程中應(yīng)力分布與彈性狀態(tài)完全一樣，沒(méi)有發(fā)生應(yīng)力重新分布，這時(shí)缺口降低疲勞極限最嚴(yán)重。Kf＝1，即缺口不降低疲勞極限，說(shuō)明疲勞過(guò)程中應(yīng)力產(chǎn)生了很大的重分布，應(yīng)力集中效應(yīng)完全被消除，qf=0，材料的疲勞缺口敏感性最小。5.2.4疲勞缺口敏感度5.2疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能第57頁(yè)/共181頁(yè)58疲勞敏感度qf值能反映在疲勞過(guò)程中材料發(fā)生應(yīng)力重新分布，降低應(yīng)力集中的能力。由于一般材料σ-1N低于σ-1，即Kf大于1，故qf通常值在0～1范圍內(nèi)變化。5.2.4疲勞缺口敏感度5.2疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能第58頁(yè)/共181頁(yè)59qf的影響因素鋼種疲勞類型——高周疲勞和低周疲勞強(qiáng)度（硬度）缺口形狀5.2.4疲勞缺口敏感度5.2疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能第59頁(yè)/共181頁(yè)60qf的影響因素——鋼種5.2.4疲勞缺口敏感度鋼種qf值結(jié)構(gòu)鋼0.6～0.8粗晶粒鋼0.1～0.2灰鑄鐵0.11～0.25球鐵0～0.05表不同鋼種的qf值5.2疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能第60頁(yè)/共181頁(yè)61qf的影響因素——疲勞類型高周疲勞時(shí)，大多數(shù)金屬對(duì)缺口十分敏感。低周疲勞時(shí)，對(duì)缺口不太敏感。（這是因?yàn)楹笳呷笨诟恳徊糠值貐^(qū)已處于塑性區(qū)內(nèi)，發(fā)生應(yīng)力松弛，使應(yīng)力集中降低所致。）

5.2.4疲勞缺口敏感度5.2疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能第61頁(yè)/共181頁(yè)62qf的影響因素——強(qiáng)度（硬度）強(qiáng)度（硬度）增加，qf增加。所以，不同的熱處理工藝對(duì)qf影響不同，淬火－回火鋼較正火、退火鋼對(duì)缺口要敏感。5.2.4疲勞缺口敏感度5.2疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能第62頁(yè)/共181頁(yè)63qf的影響因素——缺口形狀5.2.4疲勞缺口敏感度13801100965825690550415345MPa圖缺口半徑和材料強(qiáng)度對(duì)缺口敏感度qf的影響缺口半徑r/mm缺口敏感度qf0.20.40.60.81.00.51.02.02.53.03.54.001.5缺口根部曲率半徑較小時(shí)，缺口越尖銳，qf值越低。強(qiáng)度越高，qf越高。5.2疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能第63頁(yè)/共181頁(yè)64qf的影響因素——缺口形狀缺口根部曲率半徑較小時(shí)，缺口越尖銳，qf值越低。這是因?yàn)镵t和Kf都隨缺口尖銳度增加而提高，但Kt增高比Kf快。當(dāng)缺口曲率半徑較大時(shí)，缺口尖銳度對(duì)的影響明顯減小，與缺口形狀關(guān)系不大。因此，測(cè)定材料的疲勞缺口敏感度時(shí)，缺口曲率半徑應(yīng)選用比較大的數(shù)值。5.2.4疲勞缺口敏感度5.2疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能第64頁(yè)/共181頁(yè)655.3疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門檻值斷口分析研究亞穩(wěn)擴(kuò)展過(guò)程的意義疲勞源疲勞區(qū)瞬斷區(qū)裂紋萌生亞穩(wěn)擴(kuò)展失穩(wěn)擴(kuò)展第65頁(yè)/共181頁(yè)66疲勞裂紋擴(kuò)展曲線的測(cè)定設(shè)備：高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)試樣：三點(diǎn)彎曲單邊缺口試樣（SENB3）、中心裂紋拉伸試樣（CCT）或緊湊拉仲試樣（CT）方法：先預(yù)制疲勞裂紋，隨后在固定應(yīng)力比r和應(yīng)力范圍Δσ條件下循環(huán)加載。記錄裂紋長(zhǎng)度a隨循環(huán)擴(kuò)展增長(zhǎng)情況，作出疲勞裂紋擴(kuò)展曲線。

5.3.1

疲勞裂紋擴(kuò)展曲線第66頁(yè)/共181頁(yè)67斜率表示裂紋擴(kuò)展速率，每循環(huán)一次的裂紋擴(kuò)展距離。討論：1、斜率的變化規(guī)律2、改變應(yīng)力，曲線如何變化疲勞裂紋擴(kuò)展曲線第67頁(yè)/共181頁(yè)68裂紋尺寸應(yīng)力水平裂紋擴(kuò)展速率5.3.2疲勞裂紋擴(kuò)展速率第68頁(yè)/共181頁(yè)69裂紋擴(kuò)展速率（對(duì)數(shù)）

應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍（對(duì)數(shù)）疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線第69頁(yè)/共181頁(yè)70整體看：在Ⅰ、Ⅲ區(qū)，ΔK對(duì)da/dN影響較大；在Ⅱ區(qū)，呈冪函數(shù)關(guān)系。

疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線第70頁(yè)/共181頁(yè)71Ⅰ區(qū)：裂紋初始擴(kuò)展階段；10-8～10-6mm/周次

快速提高，但ΔK變化范圍很小所以提高有限。

疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線-I區(qū)第71頁(yè)/共181頁(yè)72Ⅱ區(qū)：裂紋擴(kuò)展主要階段；10-5～10-2mm/周次da/dN～ΔK呈冪函數(shù)關(guān)系，ΔK變化范圍很大，擴(kuò)展壽命長(zhǎng)。疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線-II區(qū)第72頁(yè)/共181頁(yè)73Ⅲ區(qū)：裂紋擴(kuò)展最后階段；da/dN很大，并隨ΔK增加而很快地增大，只需擴(kuò)展很少周次即會(huì)導(dǎo)致材料失穩(wěn)斷裂。

疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線-III區(qū)第73頁(yè)/共181頁(yè)74Ⅰ區(qū)：

ΔK≤ΔKth時(shí)，da/dN=0;

ΔK＞ΔKth時(shí)，da/dN>0,開(kāi)始擴(kuò)展。ΔKth是疲勞裂紋不擴(kuò)展的臨界值，稱為疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值。

疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值ΔKth第74頁(yè)/共181頁(yè)751材料阻止疲勞裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的性能，是材料的力學(xué)性能指標(biāo)

2與疲勞極限有些相似，表示無(wú)限壽命的疲勞性能3規(guī)定平面應(yīng)變條件下da/dN=10-6-10-7mm/周期，工程（或條件）疲勞門檻值疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值的討論第75頁(yè)/共181頁(yè)76材料ΔKth材料ΔKth低合金鋼6.6純銅2.518-8不銹鋼6.060/40黃銅3.5純鋁1.7純鎳7.94.5銅鋁不銹鋼2.1鎳基合金7.1工程金屬材料的ΔKth一般很小，約5～10%KIc表幾種工程金屬材料ΔKth測(cè)定值（r＝0）金屬工程材料的ΔKth第76頁(yè)/共181頁(yè)77校核公式：已知裂紋尺寸a，和疲勞門檻值ΔKth，可得求無(wú)限疲勞壽命承載能力：已知工作載荷Δσ，和疲勞門檻值ΔKth，可得求裂紋的允許尺寸a：根據(jù)ΔKth建立裂紋不疲勞斷裂的校核公式疲勞裂紋擴(kuò)展判據(jù)第77頁(yè)/共181頁(yè)78c，n為材料試驗(yàn)參數(shù)1861年，Paris提出：Ⅱ區(qū)，da/dN與ΔK呈冪函數(shù)關(guān)系Paris公式第78頁(yè)/共181頁(yè)79鐵素體-珠光體鋼奧氏體鋼馬氏體鋼由圖可見(jiàn)：鋼的強(qiáng)度水平和顯微組織對(duì)Ⅱ區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率影響不大。圖各種鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率的分散帶各種鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率第79頁(yè)/共181頁(yè)80可以描述各種材料和各種試驗(yàn)條件下的疲勞裂紋擴(kuò)展，為疲勞機(jī)件的設(shè)計(jì)或失效分析提供有效的壽命估算方法。一般只適用于低應(yīng)力、低擴(kuò)展速率的范圍及較長(zhǎng)的疲勞壽命，即所謂的高周疲勞場(chǎng)合。Paris公式的應(yīng)用及適用范圍第80頁(yè)/共181頁(yè)81Paris公式雖然簡(jiǎn)單實(shí)用，但畢竟是經(jīng)驗(yàn)公式，有著一定的適用范圍。近年來(lái)，除了Paris公式外，還提出比較復(fù)雜全面的公式。Forman公式考慮了門檻值?Kth影響的公式描述整個(gè)裂紋擴(kuò)展過(guò)程的公式

其他疲勞裂紋擴(kuò)展速率公式第81頁(yè)/共181頁(yè)821967年，F(xiàn)orman提出考慮了應(yīng)力比和材料斷裂韌度對(duì)da/dN的影響，提出下列公式：Paris公式可描述Ⅱ、Ⅲ區(qū)的擴(kuò)展，但沒(méi)反映Ⅰ區(qū)的裂紋擴(kuò)展情況修正Forman公式第82頁(yè)/共181頁(yè)831972年，Donahue等人考慮了門檻值?Kth的影響，對(duì)Paris公式做出了修正：1977年，McEvily和Groeger在關(guān)于疲勞裂紋門檻值的研究中，提出下式，其中注意到材料常數(shù)m＝2。[1]倪向貴等疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律Paris公式的一般修正及應(yīng)用[J]壓力容器,Vol23.No122006考慮了門檻值?Kth影響的公式[1]第83頁(yè)/共181頁(yè)84其中，C為疲勞裂紋擴(kuò)展系數(shù)，是與拉伸性能有關(guān)的常數(shù)。Kc是與試樣厚度有關(guān)的材料斷裂韌度；m為材料試驗(yàn)常數(shù)。描述整個(gè)裂紋擴(kuò)展過(guò)程的公式第84頁(yè)/共181頁(yè)85根據(jù)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的公式，用積分法可估算出疲勞裂紋擴(kuò)展壽命Nc或帶裂紋(或缺陷)機(jī)件的剩余疲勞壽命。這在生產(chǎn)上具有實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

疲勞裂紋擴(kuò)展速率的公式的作用第85頁(yè)/共181頁(yè)86擴(kuò)展速率過(guò)載峰應(yīng)力比材料組織影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素第86頁(yè)/共181頁(yè)87平均應(yīng)力和應(yīng)力比影響的等效性σa一定時(shí)，r↑，σm↑。因此，平均應(yīng)力和應(yīng)力比具有等效性應(yīng)力比r（或平均應(yīng)力）的影響第87頁(yè)/共181頁(yè)88圖應(yīng)力比r對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響由圖可見(jiàn)，隨r增加，曲線向左上方移動(dòng)da/dN升高，Ⅰ、Ⅲ區(qū)比Ⅱ區(qū)影響較大，降低了ΔKth。Ⅰ區(qū)，r對(duì)ΔKth的影響規(guī)律為：脈動(dòng)循環(huán)r=0下的疲勞門檻值應(yīng)力比r（或平均應(yīng)力）的影響第88頁(yè)/共181頁(yè)89殘余應(yīng)力的影響殘余應(yīng)力與外加循環(huán)應(yīng)力疊加將改變實(shí)際的應(yīng)力比，從而影響da/dN和ΔKth。殘余壓應(yīng)力減小r，使da/dN降低和ΔKth升高，對(duì)疲勞有利。殘余拉應(yīng)力相反。應(yīng)力比r（或平均應(yīng)力）的影響第89頁(yè)/共181頁(yè)90偶然的過(guò)載進(jìn)人過(guò)載損傷區(qū)內(nèi)，將使材料受到損傷并降低疲勞壽命；在恒載裂紋疲勞擴(kuò)展期內(nèi)，適當(dāng)?shù)倪^(guò)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(guò)載停滯現(xiàn)象，并延長(zhǎng)疲勞壽命。圖過(guò)載峰對(duì)2024－T3鋁合金da/dN的影響過(guò)載峰的影響第90頁(yè)/共181頁(yè)91圖過(guò)載在裂紋尖端形成的塑性區(qū)應(yīng)力循環(huán)正半周：過(guò)載拉應(yīng)力產(chǎn)生較大的塑性區(qū)。當(dāng)這個(gè)較大塑性區(qū)在循環(huán)負(fù)半周時(shí)，因阻止周圍彈性變形恢復(fù)而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，使得裂紋提前閉合，減小裂紋尖端的⊿K，從而降低da/dN,這種影響稱為裂紋閉合效應(yīng)。過(guò)載停滯的原因第91頁(yè)/共181頁(yè)92材料組織對(duì)Ⅰ、Ⅲ區(qū)影響明顯，Ⅱ區(qū)不明顯。晶粒越粗大，ΔKth↑，da/dN↓。和對(duì)屈服強(qiáng)度的影響相反，提高疲勞裂紋萌生抗力和提高疲勞裂紋擴(kuò)展抗力存在矛盾。實(shí)踐中采用抓主要矛盾，折中的方法。亞共析鋼的ΔKth與鐵素體及珠光體的含量有關(guān)。碳含量↓，鐵素體↑，ΔKth↑材料組織的影響第92頁(yè)/共181頁(yè)93鋼的淬火組織中存在殘余的韌性組織，可提高ΔKth，降低da/dN。鋼中馬氏體、貝氏體和殘余奧氏體對(duì)ΔKth的貢獻(xiàn)比例是M:B:A=1:4:7。噴丸強(qiáng)化提高ΔKth。高溫回火組織韌性好，強(qiáng)度低，其ΔKth高；低溫回火組織韌性差，強(qiáng)度低，其ΔKth低；中溫回火的ΔKth介于二者之間。材料組織的影響第93頁(yè)/共181頁(yè)94圖300M鋼不同熱處理對(duì)da/dN及ΔKth的影響不同回火組織的影響第94頁(yè)/共181頁(yè)95疲勞剩余壽命估算的步驟1、用無(wú)損探傷法確定出零件的初始裂紋長(zhǎng)。形狀、位置和取向，以確定裂尖?KI值。2、根據(jù)已知材料的斷裂韌度KIC及名義工作應(yīng)力?σ確定臨界裂紋長(zhǎng)度ac。3、根據(jù)所采用的裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式，用積分法算出從初始裂紋長(zhǎng)a0擴(kuò)展到臨界長(zhǎng)ac所需的循環(huán)周次N，即為疲勞剩余壽命Nc。5.3.3疲勞裂紋擴(kuò)展壽命估算第95頁(yè)/共181頁(yè)96常選用Paris公式，取則，當(dāng)n≠2時(shí)，當(dāng)n＝2時(shí)，疲勞壽命的估算第96頁(yè)/共181頁(yè)97某汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的σ0.2=672MPa,KIC=34.1MPa·m1/2，da/dN=10-11×(⊿K)4。工作時(shí)，因起動(dòng)或停機(jī)在轉(zhuǎn)子中心孔壁的最大合成慣性力σ0=352MPa。經(jīng)超聲波探傷，得知中心孔壁附近有2a0=8mm的圓片狀埋藏裂紋，裂紋離孔壁距離h=5.3mm。如果此發(fā)電機(jī)平均每周起動(dòng)和停機(jī)各一次，試估算轉(zhuǎn)子在循環(huán)慣性力作用下的疲勞壽命。疲勞壽命的估算例題第97頁(yè)/共181頁(yè)981.計(jì)算KI應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子表達(dá)式為：a/2c=0.5，a/h=0.75。查Me曲線，得Me=1.1。斷裂力學(xué)計(jì)算得Q=2.41，則第98頁(yè)/共181頁(yè)992.計(jì)算裂紋臨界尺寸ac由斷裂判據(jù)得：第99頁(yè)/共181頁(yè)1003.估算疲勞壽命當(dāng)KⅠmin＝0時(shí)第100頁(yè)/共181頁(yè)101例題2第101頁(yè)/共181頁(yè)102例題2第102頁(yè)/共181頁(yè)103例題3第103頁(yè)/共181頁(yè)104第104頁(yè)/共181頁(yè)1055.4疲勞過(guò)程及機(jī)理疲勞過(guò)程：裂紋萌生、亞穩(wěn)擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展三個(gè)過(guò)程。疲勞壽命Nf＝萌生期N0＋亞穩(wěn)擴(kuò)展期Np意義：對(duì)疲勞各階段過(guò)程以及機(jī)理的了解，有助于我們認(rèn)識(shí)疲勞本質(zhì)，分析疲勞原因，以及延長(zhǎng)疲勞壽命。第105頁(yè)/共181頁(yè)1065.4疲勞過(guò)程及機(jī)理金屬材料的疲勞過(guò)程也是裂紋萌生相擴(kuò)展的過(guò)程。位置：裂紋萌生往往在材料薄弱區(qū)或高應(yīng)力區(qū)，通過(guò)不均勻滑移、微裂紋形成及長(zhǎng)大而完成。定義標(biāo)準(zhǔn)：目前尚無(wú)統(tǒng)一的尺度標(biāo)準(zhǔn)確定裂紋萌生期，常將長(zhǎng)0.05～0.10mm的裂紋定為疲勞裂紋核，對(duì)應(yīng)的循環(huán)周期為裂紋萌生期，其長(zhǎng)短與應(yīng)力水平有關(guān)。低應(yīng)力時(shí)，疲勞的萌生期可占整個(gè)壽命的大半以上。

5.4.1疲勞裂紋萌生過(guò)程及機(jī)理第106頁(yè)/共181頁(yè)1075.4疲勞過(guò)程及機(jī)理大量研究表明：疲勞微裂紋由不均勻滑移和顯微開(kāi)裂引起。主要方式有：表面滑移帶開(kāi)裂;第二相、夾雜物與基體界面或夾雜物本身開(kāi)裂；晶界或亞晶界處開(kāi)裂。5.4.1疲勞裂紋萌生過(guò)程及機(jī)理圖疲勞微裂紋的三種形式第107頁(yè)/共181頁(yè)1085.4疲勞過(guò)程及機(jī)理滑移帶開(kāi)裂產(chǎn)生裂紋在循環(huán)載荷的作用下，即使循環(huán)應(yīng)力未超過(guò)材料屈服強(qiáng)度，也會(huì)在試件表面形成循環(huán)滑移帶。駐留滑移帶：與靜拉伸的均勻滑移帶不同。循環(huán)滑移帶集中于某些局部區(qū)域（高應(yīng)力或薄弱區(qū)），用電解拋光法也很難將其去除，即使去除了，再重新循環(huán)加載后，還會(huì)在原處再現(xiàn)。故稱這種永留或再現(xiàn)的循環(huán)滑移帶為駐留滑移帶——疲勞裂紋核心產(chǎn)生的策源地之一。

5.4.1疲勞裂紋萌生過(guò)程及機(jī)理第108頁(yè)/共181頁(yè)1095.4疲勞過(guò)程及機(jī)理駐留滑移帶的特點(diǎn)持久駐留性由材料某些薄弱的地區(qū)產(chǎn)生一般只在表面形成，深度較淺。隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加，循環(huán)滑移帶會(huì)不斷地加寬。當(dāng)加寬到一定程度時(shí)，由于位錯(cuò)的塞積和交割的作用，在駐留滑移帶處形成微裂紋。5.4.1疲勞裂紋萌生過(guò)程及機(jī)理第109頁(yè)/共181頁(yè)1105.4疲勞過(guò)程及機(jī)理駐留滑移帶的特點(diǎn)駐留滑移帶在表面加寬過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)擠出脊和侵入溝，于是就在這些地方引起應(yīng)力集中，經(jīng)過(guò)一定循環(huán)后會(huì)引發(fā)微裂紋。5.4.1疲勞裂紋萌生過(guò)程及機(jī)理圖金屬表面“擠出”、“侵入”并形成裂紋第110頁(yè)/共181頁(yè)1115.4疲勞過(guò)程及機(jī)理擠出和侵入是如何形成？柯垂?fàn)枺ˋ.H.Cottrel）和赫爾（D.Hull）曾提出交叉滑移模型說(shuō)明擠出和侵入的形成過(guò)程。5.4.1疲勞裂紋萌生過(guò)程及機(jī)理第111頁(yè)/共181頁(yè)1125.4疲勞過(guò)程及機(jī)理交叉滑移模型5.4.1疲勞裂紋萌生過(guò)程及機(jī)理圖柯垂?fàn)枺諣柲Ｐ偷?12頁(yè)/共181頁(yè)1135.4疲勞過(guò)程及機(jī)理如何提高疲勞強(qiáng)度——滑移帶開(kāi)裂產(chǎn)生裂紋角度從滑移開(kāi)裂產(chǎn)生疲勞裂紋形成機(jī)理看，只要能提高材料滑移抗力（固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化等），均可阻止疲勞裂紋萌生，提高疲勞強(qiáng)度。5.4.1疲勞裂紋萌生過(guò)程及機(jī)理第113頁(yè)/共181頁(yè)1145.4疲勞過(guò)程及機(jī)理相界面開(kāi)裂產(chǎn)生裂紋在疲勞失效分析中，常發(fā)現(xiàn)很多疲勞源是由材料中的第二相或夾雜物引起的，因此提出了第二相、夾雜物和基體界面開(kāi)裂，或第二相、夾雜物本身開(kāi)裂的疲勞裂紋萌生機(jī)理。5.4.1疲勞裂紋萌生過(guò)程及機(jī)理圖微孔形核長(zhǎng)大模型第114頁(yè)/共181頁(yè)1155.4疲勞過(guò)程及機(jī)理如何提高疲勞強(qiáng)度——相界面開(kāi)裂產(chǎn)生裂紋角度從第二相或夾雜物可引發(fā)疲勞裂紋的機(jī)理來(lái)看，只要能降低第二相或夾雜物脆性，提高相界面強(qiáng)度，控制第二相或夾雜物的數(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物附近萌生，提高疲勞強(qiáng)度。

5.4.1疲勞裂紋萌生過(guò)程及機(jī)理第115頁(yè)/共181頁(yè)1165.4疲勞過(guò)程及機(jī)理晶界開(kāi)裂產(chǎn)生裂紋晶界的存在和相鄰晶粒的不同取向性，位錯(cuò)在某一晶粒內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到晶界的阻礙作用，在晶界處發(fā)生位錯(cuò)塞積和應(yīng)力集中現(xiàn)象。在應(yīng)力不斷循環(huán)下，晶界處的應(yīng)力集中得不到松弛時(shí)，則應(yīng)力峰越來(lái)越高，當(dāng)超過(guò)晶界強(qiáng)度時(shí)就會(huì)在晶界處產(chǎn)生裂紋。5.4.1疲勞裂紋萌生過(guò)程及機(jī)理圖Zener位錯(cuò)塞積形成裂紋第116頁(yè)/共181頁(yè)1175.4疲勞過(guò)程及機(jī)理如何提高疲勞強(qiáng)度——晶界開(kāi)裂產(chǎn)生裂紋從晶界萌生裂紋來(lái)看，凡使晶界弱化和晶粒粗化的因素，如晶界有低熔點(diǎn)夾雜物等有害元素和成分偏析、回火脆、晶界析氫及晶粒粗化等，均易產(chǎn)生晶界裂紋、降低疲勞強(qiáng)度；反之，凡使晶界強(qiáng)化、凈化和細(xì)化晶粒的因素，均能抑制晶界裂紋形成，提高疲勞強(qiáng)度。5.4.1疲勞裂紋萌生過(guò)程及機(jī)理第117頁(yè)/共181頁(yè)1185.4疲勞過(guò)程及機(jī)理裂紋擴(kuò)展過(guò)程5.4.2疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及機(jī)理裂紋擴(kuò)展階段，根據(jù)裂紋擴(kuò)展方向，可分為兩個(gè)階段。圖疲勞裂紋擴(kuò)展兩個(gè)階段第118頁(yè)/共181頁(yè)1195.4疲勞過(guò)程及機(jī)理裂紋擴(kuò)展過(guò)程——第一階段從表面?zhèn)€別侵入溝或擠出脊先形成微裂紋，裂紋再主要沿滑移系方向，以純剪切的方式向內(nèi)擴(kuò)展。多數(shù)裂紋成為不擴(kuò)展裂紋，只有少數(shù)裂紋會(huì)擴(kuò)展2～3個(gè)晶粒范圍。裂紋擴(kuò)展速率很低，每一個(gè)應(yīng)力循環(huán)只有0.1μm數(shù)量級(jí)的擴(kuò)展量。5.4.2疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及機(jī)理第119頁(yè)/共181頁(yè)1205.4疲勞過(guò)程及機(jī)理裂紋擴(kuò)展過(guò)程——第一階段斷口特點(diǎn)由于擴(kuò)展速率小，且總進(jìn)程也很小，所以斷口很難分析，?？床坏绞裁葱蚊蔡卣?，只有一些擦傷的痕跡。一些強(qiáng)化材料中，有時(shí)可看到周期解理或準(zhǔn)解理花樣，甚至有沿晶開(kāi)裂的冰糖狀花樣。5.4.2疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及機(jī)理第120頁(yè)/共181頁(yè)1215.4疲勞過(guò)程及機(jī)理裂紋擴(kuò)展過(guò)程——第二階段由于晶界的不斷阻礙作用，裂紋擴(kuò)展逐漸轉(zhuǎn)向垂直于拉應(yīng)力方向，進(jìn)入第二階段。在室溫及無(wú)腐蝕條件下疲勞裂紋擴(kuò)展總是穿晶的。裂紋的擴(kuò)展速率約為10-5～10-2mm/次，和裂紋擴(kuò)展速率曲線的Ⅱ區(qū)對(duì)應(yīng)。5.4.2疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及機(jī)理第121頁(yè)/共181頁(yè)1225.4疲勞過(guò)程及機(jī)理裂紋擴(kuò)展過(guò)程——第二階段斷口特點(diǎn)具有略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣，稱為疲勞條帶（條紋）。裂紋擴(kuò)展時(shí)，留下的微觀痕跡，每一條帶可視為一次應(yīng)力循環(huán)的擴(kuò)展痕跡，裂紋的擴(kuò)展方向與條帶垂直。5.4.2疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及機(jī)理第122頁(yè)/共181頁(yè)1235.4疲勞過(guò)程及機(jī)理疲勞條帶5.4.2疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及機(jī)理圖疲勞條帶a)韌性條帶×10000b)脆性條帶×6000第123頁(yè)/共181頁(yè)1245.4疲勞過(guò)程及機(jī)理疲勞條帶——疲勞斷口最典型的微觀特征常用疲勞條帶間寬與ΔK的關(guān)系分析疲勞破壞。不同斷口并不一定都能看到清晰的疲勞條帶。一般滑移面多的面心立方金屬，疲勞條帶比較明顯，而滑移系較少或組織比較復(fù)雜的材料，疲勞條帶往往短窄而紊亂，甚至看不到。5.4.2疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及機(jī)理第124頁(yè)/共181頁(yè)1255.4疲勞過(guò)程及機(jī)理疲勞條帶和貝紋線條帶是疲勞斷口的微觀特征貝紋線是疲勞斷口的宏觀特征，相鄰貝紋線之間有成千上萬(wàn)的疲勞條帶。二者可能同時(shí)出現(xiàn)，也可同時(shí)不出現(xiàn)，也可其中一個(gè)出現(xiàn)而另一個(gè)不出現(xiàn)。5.4.2疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及機(jī)理第125頁(yè)/共181頁(yè)1265.4疲勞過(guò)程及機(jī)理?xiàng)l帶形成的原因——塑性鈍化模型Larid和Smith在研究鋁、鎳金屬疲勞時(shí)提出，高塑性的Al、Ni材料在交變循環(huán)應(yīng)力下，因裂紋尖端的塑性張開(kāi)鈍化和閉合銳化，會(huì)使裂紋向前延續(xù)擴(kuò)展。5.4.2疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及機(jī)理圖Laird疲勞裂紋擴(kuò)展模型第126頁(yè)/共181頁(yè)1275.5影響疲勞強(qiáng)度的主要因素工作條件載荷條件（應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力比、過(guò)、次載情況、平均應(yīng)力）載荷頻率環(huán)境溫度環(huán)境介質(zhì)表面狀態(tài)及尺寸因素尺寸效應(yīng)表面粗糙度缺口效應(yīng)表面處理及殘余應(yīng)力表面噴丸及滾軋表面熱處理表面化學(xué)熱處理表面涂層材料因素化學(xué)成分組織結(jié)構(gòu)纖維方向內(nèi)部缺陷表影響材料及機(jī)件疲勞強(qiáng)度的因素第127頁(yè)/共181頁(yè)128應(yīng)力集中機(jī)件表面缺口因應(yīng)力集中往往是疲勞策源地，引起疲勞斷裂，可用Kf與qf表征缺口應(yīng)力集中對(duì)材料疲勞強(qiáng)度的影響。Kf與qf越大，材料的疲勞強(qiáng)度就降得越低。且這種影響隨材料強(qiáng)度的增高，更加顯著。5.5.1表面狀態(tài)的影響第128頁(yè)/共181頁(yè)129表面粗糙度表面粗糙度越低，材料的疲勞極限越高；表面粗糙度越高，疲勞極限越低。材料強(qiáng)度越高，表面粗糙度對(duì)疲勞極限的影響越顯著。表面加工方法不同，同一材料的疲勞極限不同。所以，受循環(huán)應(yīng)力作用的機(jī)件選用高強(qiáng)材料制造時(shí)，表面須經(jīng)過(guò)仔細(xì)的加工，不允許有刀痕、擦傷或大的缺陷，否則材料疲勞強(qiáng)度會(huì)顯著降低。5.5.1表面狀態(tài)的影響第129頁(yè)/共181頁(yè)130圖加工方法對(duì)彎曲疲勞極限的影響抗拉強(qiáng)度越高的材料，加工方法對(duì)疲勞極限的影響越大。表面粗糙度對(duì)疲勞極限的影響第130頁(yè)/共181頁(yè)131殘余應(yīng)力的影響總應(yīng)力為殘余應(yīng)力和外加應(yīng)力的疊加。疊加殘余壓應(yīng)力總應(yīng)力減??；疊加殘余拉應(yīng)力總應(yīng)力增加。所以，機(jī)件表面殘余應(yīng)力狀態(tài)對(duì)疲勞強(qiáng)度有顯著影響：殘余壓應(yīng)力提高疲勞強(qiáng)度；殘余拉應(yīng)力降低疲勞強(qiáng)度。5.5.2殘余應(yīng)力及表面強(qiáng)化的影響第131頁(yè)/共181頁(yè)132殘余壓應(yīng)力的影響與外加應(yīng)力的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)不同應(yīng)力狀態(tài)，機(jī)件表面層的應(yīng)力梯度不同。彎曲疲勞時(shí),效果比扭轉(zhuǎn)疲勞大；拉壓疲勞時(shí)，影響較小。殘余壓應(yīng)力顯著提高有缺口機(jī)件的疲勞強(qiáng)度殘余應(yīng)力可在缺口處集中，能有效地降低缺口根部的拉應(yīng)力峰值。殘余壓應(yīng)力的大小、深度、分布以及是否發(fā)生松弛都會(huì)影響疲勞強(qiáng)度。殘余壓應(yīng)力的影響第132頁(yè)/共181頁(yè)133表面強(qiáng)化的影響表面強(qiáng)化可在機(jī)件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，同時(shí)提高強(qiáng)度和硬度。兩方面的作用都會(huì)提高疲勞強(qiáng)度。5.5.2殘余應(yīng)力及表面強(qiáng)化的影響第133頁(yè)/共181頁(yè)134圖表面強(qiáng)化提高疲勞極限示意圖a)表面層應(yīng)力/疲勞極限>1b)表面層應(yīng)力/疲勞極限<1表面強(qiáng)化的影響第134頁(yè)/共181頁(yè)135噴丸滾壓表面淬火表面化學(xué)熱處理表面強(qiáng)化方法第135頁(yè)/共181頁(yè)1365.5影響疲勞強(qiáng)度的主要因素5.5.2殘余應(yīng)力及表面強(qiáng)化的影響表面強(qiáng)化方法——噴丸噴丸：用壓縮空氣將堅(jiān)硬的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；同時(shí)因塑變層周圍的彈性約束，又在塑變層內(nèi)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。第136頁(yè)/共181頁(yè)1375.5影響疲勞強(qiáng)度的主要因素5.5.2殘余應(yīng)力及表面強(qiáng)化的影響表面強(qiáng)化方法——噴丸特點(diǎn)及參數(shù)彈丸直徑：0.1～1mm壓應(yīng)力深度：(0.25～0.5)×彈丸直徑壓應(yīng)力大小：與噴丸的壓力、速度及彈丸直徑有關(guān)，最大可達(dá)屈服強(qiáng)度的一半噴丸的效果：與被噴件的材料強(qiáng)度有關(guān)，強(qiáng)度越高，效果越好。但不可噴丸過(guò)度。第137頁(yè)/共181頁(yè)1385.5影響疲勞強(qiáng)度的主要因素5.5.2殘余應(yīng)力及表面強(qiáng)化的影響表面強(qiáng)化方法——噴丸殘余應(yīng)力深度的影響圖40CrNiMo鋼噴丸殘余壓應(yīng)力深度與裂紋長(zhǎng)度之比對(duì)疲勞極限的影響壓應(yīng)力深度以大于表明缺陷尺寸為好。40CrNiMo鋼噴丸層深度是表面裂紋長(zhǎng)度的3～5倍效果較好。第138頁(yè)/共181頁(yè)1395.5影響疲勞強(qiáng)度的主要因素5.5.2殘余應(yīng)力及表面強(qiáng)化的影響表面強(qiáng)化方法——表面滾壓作用和噴丸相似，只是壓應(yīng)力層深度較大，適合于大工件表面粗糙度低時(shí)，強(qiáng)化效果好。形狀復(fù)雜的工件可采用噴丸強(qiáng)化，形狀簡(jiǎn)單的回轉(zhuǎn)形零件，可采用滾壓強(qiáng)化。第139頁(yè)/共181頁(yè)1405.5影響疲勞強(qiáng)度的主要因素5.5.2殘余應(yīng)力及表面強(qiáng)化的影響表面強(qiáng)化方法——表面熱處理及化學(xué)熱處理都是利用組織相變獲得強(qiáng)化的工藝方法表面淬火有火焰加熱淬火，感應(yīng)加熱淬火和低淬透性鋼的整體加熱薄殼淬火等。表面化學(xué)熱處理有滲碳、滲氮及碳氮共滲等。第140頁(yè)/共181頁(yè)1415.5影響疲勞強(qiáng)度的主要因素5.5.2殘余應(yīng)力及表面強(qiáng)化的影響表面強(qiáng)化方法——表面熱處理及化學(xué)熱處理表層強(qiáng)化效果及殘余壓應(yīng)力的大小，因工藝方法和強(qiáng)化層厚薄不同而異。硬度由高到低的順序滲氮→滲碳→感應(yīng)加熱淬火強(qiáng)化層深度由高到低順序表面淬火→滲碳→滲氮第141頁(yè)/共181頁(yè)1425.5影響疲勞強(qiáng)度的主要因素5.5.3材料成分及組織的影響疲勞強(qiáng)度是對(duì)材料組織結(jié)構(gòu)敏感的力學(xué)性能。合金成分顯微組織非金屬夾雜物及冶金缺陷第142頁(yè)/共181頁(yè)1435.5影響疲勞強(qiáng)度的主要因素5.5.3材料成分及組織的影響合金成分結(jié)構(gòu)工程材料中，結(jié)構(gòu)鋼中的碳既可間隙強(qiáng)化基體，還可形成彌散碳化物彌散強(qiáng)化，提高材料形變抗力，因此它是影響疲勞強(qiáng)度的重要元素。其他合金元素在鋼中的作用，主要是通過(guò)提高鋼淬透性和改善鋼的強(qiáng)韌性來(lái)影響疲勞強(qiáng)度。第143頁(yè)/共181頁(yè)1445.5影響疲勞強(qiáng)度的主要因素5.5.3材料成分及組織的影響顯微組織晶粒大小對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響對(duì)低碳鋼和鈦合金研究，發(fā)現(xiàn)也存在Hall-Petch關(guān)系：位錯(cuò)在晶格中的運(yùn)動(dòng)摩擦阻力？高強(qiáng)度低合晶鋼研究發(fā)現(xiàn)，晶粒度由2級(jí)細(xì)化至8級(jí)，疲勞極限只提高10％，不符合此關(guān)系。第144頁(yè)/共181頁(yè)1455.5影響疲勞強(qiáng)度的主要因素5.5.3材料成分及組織的影響顯微組織結(jié)構(gòu)鋼的熱處理組織也影響疲勞強(qiáng)度。正火組織因碳化物為片狀，疲勞強(qiáng)度最低；淬火回火組織因碳化物為粒狀，疲勞強(qiáng)度比正火的高。第145頁(yè)/共181頁(yè)1465.5影響疲勞強(qiáng)度的主要因素5.5.3材料成分及組織的影響顯微組織圖45鋼疲勞極限與回火溫度的關(guān)系回火馬氏體疲勞強(qiáng)度最大；回火托氏體次之；回火索氏體最低。從疲勞角度考慮，結(jié)構(gòu)鋼的熱處理應(yīng)以淬火和低溫回火較好。第146頁(yè)/共181頁(yè)1475.5影響疲勞強(qiáng)度的主要因素5.5.3材料成分及組織的影響非金屬夾雜物非金屬夾雜物對(duì)疲勞強(qiáng)度有明顯的影響。非金屬夾雜物是萌生疲勞裂紋的發(fā)源地之一，也是降低疲勞強(qiáng)度的一個(gè)因素。減少夾雜數(shù)量和尺寸都能有效提高疲勞強(qiáng)度。此外，還可通過(guò)改變夾雜和基體之間的界面結(jié)合性質(zhì)來(lái)改變疲勞強(qiáng)度。第147頁(yè)/共181頁(yè)1485.5影響疲勞強(qiáng)度的主要因素5.5.3材料成分及組織的影響冶金缺陷冶金缺陷：氣孔、縮孔、偏析、白點(diǎn)、折疊等。冶金缺陷也往往是疲勞裂紋的發(fā)源地，嚴(yán)重的降低疲勞強(qiáng)度。軋制和鍛壓時(shí)，夾雜沿壓延方向形成流線，流線縱向疲勞強(qiáng)度高，橫向疲勞強(qiáng)度低。第148頁(yè)/共181頁(yè)1495.6低周疲勞5.6.1低周疲勞低周疲勞現(xiàn)象風(fēng)暴席卷風(fēng)暴席卷的海船殼體常年陣風(fēng)吹刮的橋梁飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤和壓氣機(jī)盤、飛機(jī)起落架、壓力容器以及一些熱疲勞件的破壞金屬在循環(huán)載荷作用下，疲勞壽命為102～105次的疲勞斷裂稱為低周疲勞。第149頁(yè)/共181頁(yè)1505.6低周疲勞5.6.1低周疲勞低周疲勞現(xiàn)象機(jī)件的名義應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度，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，并且變形總受到周圍彈性體的約束，即缺口根部的變形是受控制的。所以，機(jī)件或構(gòu)件受循環(huán)應(yīng)力作用，而缺口根部則受循環(huán)塑性應(yīng)變作用，疲勞裂紋總是在缺口根部形成。因此，這種疲勞也稱塑性疲勞或應(yīng)變疲勞。

第150頁(yè)/共181頁(yè)1515.6低周疲勞5.6.1低周疲勞低周疲勞的特點(diǎn)1、低周疲勞時(shí)，因局部區(qū)域產(chǎn)生宏觀塑性交形，故循環(huán)應(yīng)力與應(yīng)變之間不再呈直線關(guān)系，形成滯后回線。oABCEDΔεσΔεpΔεe/2ΔσΔεt圖低周疲勞應(yīng)力－應(yīng)變滯后回線第151頁(yè)/共181頁(yè)1525.6低周疲勞5.6.1低周疲勞低周疲勞的特點(diǎn)2、低周疲勞試驗(yàn)時(shí)，或者控制總應(yīng)變范圍，或者控制塑性應(yīng)變范圍，在給定的Δεt或Δεp下測(cè)定疲勞壽命。試驗(yàn)結(jié)果處理不用S－N曲線，而要改用Δεt/2-2Nf或Δεp/2-2Nf曲線，以描述材料的疲勞規(guī)律。Δεt/2和Δεp/2分別為總應(yīng)變幅和塑性應(yīng)變幅。

第152頁(yè)/共181頁(yè)1535.6低周疲勞5.6.1低周疲勞低周疲勞的特點(diǎn)3、低周疲勞破壞有幾個(gè)裂紋源，由于應(yīng)力比較大，裂紋容易形核，形核期短，只占總壽命的10％。低周疲勞微觀斷口的疲勞條帶較粗，間距也寬一些，并且常常不連續(xù)。在許多合金中，特別是在超高強(qiáng)度鋼中可能不出現(xiàn)條帶。第153頁(yè)/共181頁(yè)1545.6低周疲勞5.6.1低周疲勞低周疲勞的特點(diǎn)4、低周疲勞壽命決定于塑性應(yīng)變幅，而高周疲勞壽命則決定于應(yīng)力幅或應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子范圍，但兩者都是循環(huán)塑性變形累積損傷的結(jié)果。第154頁(yè)/共181頁(yè)155圖低周疲勞初期的σ-t曲線與σ-ε曲線a)循環(huán)硬化b)循環(huán)軟化循環(huán)周次增加其應(yīng)力（形變抗力）不斷增加，即為循環(huán)硬化

在循環(huán)過(guò)程中，應(yīng)力逐漸減小，則為循環(huán)軟化

低周疲勞時(shí)的循環(huán)硬化和循環(huán)軟化第155頁(yè)/共181頁(yè)156應(yīng)力應(yīng)變滯后回線只有在應(yīng)力循環(huán)周次達(dá)到一定值后才是閉合的，達(dá)到循環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)每一個(gè)閉定的應(yīng)變范圍，都能得到相應(yīng)的穩(wěn)定滯后回線。將不同應(yīng)變范圍的穩(wěn)定滯后回線的頂點(diǎn)連接起來(lái)，便得到一條的循環(huán)應(yīng)力－應(yīng)變曲線。

圖40CrNiMo鋼的循環(huán)應(yīng)力－應(yīng)變曲線循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線第156頁(yè)/共181頁(yè)1575.6低周疲勞5.6.1低周疲勞低周疲勞的金屬循環(huán)硬化與循環(huán)軟化金屬材料產(chǎn)生循環(huán)硬化還是循環(huán)軟化取決于材料的初始狀態(tài)、結(jié)構(gòu)特性以及應(yīng)變幅和溫度等。退火狀態(tài)的塑性材料往往表現(xiàn)為循環(huán)硬化，而加工硬化的材料則往往是循環(huán)軟化。

第157頁(yè)/共181頁(yè)1585.6低周疲勞5.6.1低周疲勞低周疲勞的金屬循環(huán)硬化與循環(huán)軟化循環(huán)應(yīng)變對(duì)材料性能的影響與σb/σs比值有關(guān)σb/σs>1.4，循環(huán)硬化；σb/σs<1.2，循環(huán)軟化；1.2<σb/σs<1.4，傾向不定，但這類材料一般比較穩(wěn)定，沒(méi)有明顯的循環(huán)硬化和軟化現(xiàn)象。也可用應(yīng)變硬化指數(shù)來(lái)判斷n<0.1時(shí)，材料表現(xiàn)為循環(huán)軟化；當(dāng)n>0.1時(shí)，材料表現(xiàn)為循環(huán)硬化或循環(huán)穩(wěn)定。

第158頁(yè)/共181頁(yè)1595.6低周疲勞5.6.1低周疲勞低周疲勞的金屬循環(huán)硬化與循環(huán)軟化循環(huán)硬化和循環(huán)軟化現(xiàn)象與位錯(cuò)循環(huán)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。在一些退火軟金屬中，在恒應(yīng)變幅的循環(huán)載荷下，由于位錯(cuò)往復(fù)運(yùn)動(dòng)和交互作用，產(chǎn)生了阻礙位錯(cuò)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的阻力，從而產(chǎn)生循環(huán)硬化。在冷加工后的金屬中，充滿位錯(cuò)纏結(jié)和障礙，這些障礙在循環(huán)加載中被破壞；或在一些沉淀強(qiáng)化不穩(wěn)定的合金中。由于沉淀結(jié)構(gòu)在循環(huán)加載中校破壞均可導(dǎo)致循環(huán)軟化。第159頁(yè)/共181頁(yè)160曼森（S.S.Manson）和柯芬（L.F.Coffin）等分析了低周疲勞的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和規(guī)律，提出了低周疲勞壽命公式：曼森－柯芬公式：低周疲勞的應(yīng)變-壽命曲線第160頁(yè)/共181頁(yè)1615.6低周疲勞5.6.1低周疲勞低周疲勞的應(yīng)變－壽命曲線圖應(yīng)變幅－疲勞壽命曲線1－Δεp/2-2Nf曲線2－Δεe/2-2Nf曲線3－Δεt/2-2Nf曲線過(guò)渡壽命在交點(diǎn)左側(cè)、即低周疲勞范圍內(nèi)，塑性應(yīng)變幅起主導(dǎo)作用，材料的疲勞壽命由塑性控制；在交點(diǎn)右側(cè)，即高周疲勞范圍內(nèi)，彈性應(yīng)變幅起主導(dǎo)作用，材料的疲勞壽命由強(qiáng)度決定。第161頁(yè)/共181頁(yè)1625.6低周疲勞5.6.1低周疲勞過(guò)渡壽命過(guò)渡壽命也是材料的疲勞性能指標(biāo)，在設(shè)汁與選材方面具有重要意義，其值與材料性能有關(guān)。高強(qiáng)度材料過(guò)渡壽命可能少至10次；低強(qiáng)度材料則可能超過(guò)105次。一般，提高材料強(qiáng)度，過(guò)渡壽命減?。惶岣卟牧纤苄院晚g性，過(guò)渡壽命增大。第162頁(yè)/共181頁(yè)1635.6低周疲勞5.6.1低周疲勞總應(yīng)變幅與疲勞斷裂壽命的關(guān)系曼森通過(guò)對(duì)29種金屬材料的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，總應(yīng)變幅與疲勞斷裂壽命之間存在下列關(guān)系：上式可求得材料光滑試樣完全對(duì)稱循環(huán)下的低周疲勞壽命曲線。這種預(yù)測(cè)低周疲勞壽命的方法，稱為通用斜率法。

第163頁(yè)/共181頁(yè)1645.6低周疲勞5.6.2熱疲勞有些機(jī)件在服役過(guò)程中溫度要發(fā)生反復(fù)變化，如熱鍛模、熱軋輥及渦輪機(jī)葉片等。機(jī)件在由溫度循環(huán)