材料的疲勞性能

材料的疲勞性能第1頁(yè)/共32頁(yè)2

工件在變動(dòng)載荷和應(yīng)變長(zhǎng)期作用下，因累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象，稱為疲勞。由于變動(dòng)載荷和應(yīng)變是導(dǎo)致疲勞破壞的外動(dòng)力，所以應(yīng)該先對(duì)其進(jìn)行了解。變動(dòng)載荷是指載荷大小，甚至方向隨時(shí)間變化的載荷。變動(dòng)載荷在單位面積上的平均值稱為變動(dòng)應(yīng)力，可分為規(guī)則周期變動(dòng)應(yīng)力(或稱循環(huán)應(yīng)力)和無規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力兩種，可用應(yīng)力-時(shí)間曲線描述，如圖5-l所示。第2頁(yè)/共32頁(yè)3第3頁(yè)/共32頁(yè)4

一般機(jī)件承受的變動(dòng)應(yīng)力多為循環(huán)應(yīng)力。循環(huán)應(yīng)力是周期性變化的應(yīng)力，變化的波形有正弦波、矩形波和三角波等。其中最常見的為正弦波。表征應(yīng)力循環(huán)特征的參量有：第4頁(yè)/共32頁(yè)5一、疲勞破壞的變動(dòng)應(yīng)力

按照應(yīng)力幅和平均應(yīng)力的相對(duì)大小，循環(huán)應(yīng)力有以下幾種類型，如圖5-2所示：第5頁(yè)/共32頁(yè)6

一般機(jī)件承受的變動(dòng)應(yīng)力多為循環(huán)應(yīng)力，是周期性變化的應(yīng)力。表征應(yīng)力循環(huán)特征的參量有：第6頁(yè)/共32頁(yè)71.疲勞破壞的概念疲勞破壞過程是材料內(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)生突然斷裂的過程，是一個(gè)從局部區(qū)域開始的損傷累積，最終引起整體破壞的過程。疲勞破壞是循環(huán)應(yīng)力引起的延時(shí)斷裂，其斷裂應(yīng)力水平往往低于材料的抗拉強(qiáng)度，甚至低于其屈服強(qiáng)度。機(jī)件疲勞失效前的工作時(shí)間稱為疲勞壽命，疲勞斷裂壽命隨循環(huán)應(yīng)力不同而改變。應(yīng)力高，機(jī)件壽命短；應(yīng)力低，壽命長(zhǎng)。當(dāng)應(yīng)力低于材料的疲勞強(qiáng)度時(shí)，壽命可無限長(zhǎng)。

第7頁(yè)/共32頁(yè)82.疲勞破壞的特點(diǎn)疲勞破壞與靜載或一次性沖擊加載破壞相比較，具有以下特點(diǎn)：

(1)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，易引起事故造成經(jīng)濟(jì)損失。

(2)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。第8頁(yè)/共32頁(yè)9

(3)疲勞對(duì)缺陷(缺口、裂紋及組織)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。第9頁(yè)/共32頁(yè)10(4)可按不同方法對(duì)疲勞形式分類。接應(yīng)力狀態(tài)分：有彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞反復(fù)合疲勞；按應(yīng)力高低和斷裂壽命分：有高周疲勞和低周疲勞。高周疲勞的斷裂壽命(N)較長(zhǎng)，斷裂應(yīng)力水平較低，又稱低應(yīng)力疲勞，為常見的材料疲勞形式；低周疲勞的斷裂壽命較短，斷裂應(yīng)力水平較高，常稱為高應(yīng)力疲勞或應(yīng)變疲勞。第10頁(yè)/共32頁(yè)11三、疲勞斷口的宏觀特征

如圖5-4所示，典型疲勞斷口具有3個(gè)特征區(qū)-疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)。第11頁(yè)/共32頁(yè)12

疲勞源是疲勞裂紋萌生的策源地，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，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。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。第12頁(yè)/共32頁(yè)13

疲勞區(qū)是疲勞裂紋亞臨界擴(kuò)展形成的區(qū)域。其宏觀特征是：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)展快慢、擠壓摩擦程度上的差異。貝紋線是疲勞區(qū)的最典型特征，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)不可避免地常有啟動(dòng)、停歇、偶然過載等，均要在裂紋擴(kuò)展前沿線留下弧狀貝紋線痕跡。第13頁(yè)/共32頁(yè)14

瞬斷區(qū)是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域。該區(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。第14頁(yè)/共32頁(yè)15§

5-2疲勞破壞的機(jī)理一、金屬材料疲勞破壞機(jī)理1.疲勞裂紋的萌生金屬材料的疲勞過程也是裂紋萌生和擴(kuò)展的過程。因變動(dòng)應(yīng)力的循環(huán)作用，裂紋萌生往往在材料薄弱區(qū)或高應(yīng)力區(qū)，通過不均勻滑移、微裂紋形成及長(zhǎng)大而完成。疲勞微裂紋由不均勻滑移和顯微開裂引起。主要方式有：表面滑移帶開裂；第二相、夾雜物與基體界面或雜質(zhì)本身開裂；晶界或亞晶界處開裂。第15頁(yè)/共32頁(yè)162.疲勞裂紋的擴(kuò)展

疲勞裂紋萌生后便開始擴(kuò)展。第Ⅰ階段是沿著最大切應(yīng)力方向向內(nèi)擴(kuò)展。其中多數(shù)微裂紋并不繼續(xù)擴(kuò)展，成為不擴(kuò)展裂紋，只有個(gè)別微裂紋可延伸幾十um(即2—5個(gè)晶粒)長(zhǎng)。第16頁(yè)/共32頁(yè)17

隨即疲勞裂紋便進(jìn)入第Ⅱ階段，沿垂直拉應(yīng)力方向向前擴(kuò)展形成主裂紋，宜至最后形成剪切唇為止。第17頁(yè)/共32頁(yè)18二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理1.陶瓷材料的疲勞破壞機(jī)理

常溫下陶瓷材料的疲勞與金屬有所不同，其含義更廣：有靜態(tài)疲勞、循環(huán)疲勞和動(dòng)態(tài)疲勞之分。其中循環(huán)疲勞與金屬疲勞具有相同含義，同屬在長(zhǎng)期變動(dòng)應(yīng)力作用下，材料的破壞行為；靜態(tài)疲勞則相當(dāng)于金屬中的延遲斷裂，即在一定載荷作用下，材料可耐受應(yīng)力隨時(shí)間下降的現(xiàn)象；動(dòng)態(tài)疲勞是在恒定速率加載條件下研究材料斷裂失效對(duì)加載速率的敏感性。第18頁(yè)/共32頁(yè)19

與金屬材料完全不同的疲勞力學(xué)特性還有：陶瓷材料常溫時(shí)，在應(yīng)力作用下不發(fā)生或很難發(fā)生塑性變形，裂紋尖端根本不存在循環(huán)應(yīng)力的疲勞效應(yīng)。因此金屬材料的損傷累積及疲勞機(jī)理對(duì)陶瓷材料并不適用。

但與金屬材料相同的是：疲勞破壞也同樣經(jīng)歷了裂紋萌生、疲勞裂紋擴(kuò)展、瞬時(shí)斷裂的過程。第19頁(yè)/共32頁(yè)20

疲勞裂紋多萌生于材料表面，對(duì)表面材料的缺陷或裂縫大小十分敏感。陶瓷材料疲勞裂紋的亞臨界擴(kuò)展速率對(duì)變動(dòng)載荷應(yīng)力幅不度敏感，而是強(qiáng)烈依賴裂紋尖端的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子，一旦裂紋尖端應(yīng)力超過非線性形變起始點(diǎn)，材料強(qiáng)度就大幅度衰減。此外，裂紋擴(kuò)展速率還明顯依賴于環(huán)境、材料成分、組織結(jié)構(gòu)等，其程度遠(yuǎn)比金屬材料高，擴(kuò)展的壽命過程遠(yuǎn)比金屬材料要短，并呈龜裂狀。第20頁(yè)/共32頁(yè)21二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理2.高分子聚合物的疲勞破壞機(jī)理

在拉應(yīng)力作用下，由于非晶態(tài)聚合物的表面和內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)銀紋，因此，不同結(jié)構(gòu)的聚合物疲勞破壞機(jī)理也有差異。易產(chǎn)生銀紋的非晶態(tài)聚合物的疲勞破壞過程主要決定于外加名義應(yīng)力。

高循環(huán)應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力很快便達(dá)到或超過材料銀紋的引發(fā)應(yīng)力，產(chǎn)生銀紋，并隨之轉(zhuǎn)變成裂紋，擴(kuò)展后導(dǎo)致材料疲勞破壞。第21頁(yè)/共32頁(yè)22

中應(yīng)力循環(huán)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生銀紋，并轉(zhuǎn)變成裂紋，裂紋擴(kuò)展速度比高應(yīng)力區(qū)低，但機(jī)理、過程相同；

低應(yīng)力循環(huán)時(shí)因難以引發(fā)銀紋，由材料微損傷累積及微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微孔洞及微裂紋，并導(dǎo)致宏觀破壞。由于聚合物為粘彈性材料，具有較大面積的應(yīng)力滯后環(huán)，所以在循環(huán)過程中部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，使導(dǎo)熱性差的試樣本身溫度急劇上升，甚至高于熔點(diǎn)或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，從而產(chǎn)生熱疲勞。熱疲勞常是聚合物疲勞失效的主要原因；但是，疲勞循環(huán)產(chǎn)生的熱量，有時(shí)也可以用來修補(bǔ)高分子的微結(jié)構(gòu)損傷。第22頁(yè)/共32頁(yè)23二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理3.復(fù)合材料的疲勞破壞機(jī)理

與金屬材料相比，復(fù)合材料具有良好的疲勞性能，其疲勞破壞有以下特點(diǎn)：有多種疲勞損傷形式：如界面脫粘、分層、纖維斷裂、空隙增長(zhǎng)。復(fù)合材料不會(huì)發(fā)生瞬時(shí)的疲勞破壞。第23頁(yè)/共32頁(yè)24聚合物基復(fù)合材料承受循環(huán)應(yīng)力時(shí)，因材料導(dǎo)熱性能差，又可吸收機(jī)械能變?yōu)闊崮?，且不易逸散，因此溫度明顯升高，導(dǎo)致材料性能下降，顯示出復(fù)合材料的疲勞性能對(duì)加載頻率敏感。復(fù)合材料的疲勞性能對(duì)應(yīng)變尤其是壓縮應(yīng)變特別敏感。復(fù)合材料的疲勞性能與纖維取向有關(guān)。第24頁(yè)/共32頁(yè)25§

5-3疲勞抗力指標(biāo)

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，疲勞應(yīng)力判據(jù)和斷裂疲勞是疲勞設(shè)計(jì)的基本依據(jù)，其中作為材料疲勞抗力指標(biāo)的疲勞強(qiáng)度、過載持久值、疲勞缺口敏感度及疲勞裂紋擴(kuò)展速率等都是材料的基本力學(xué)性能指標(biāo)。第25頁(yè)/共32頁(yè)26§

5-3疲勞抗力指標(biāo)

疲勞強(qiáng)度的定義：在指定疲勞壽命下，材料能承受的上限循環(huán)應(yīng)力。根據(jù)要求，指定的疲勞壽命可為無限周次也可為有限周次。應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度有很大影響，應(yīng)根據(jù)實(shí)際循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)測(cè)定選用相應(yīng)的疲勞強(qiáng)度。材料的抗拉強(qiáng)度愈大，其疲勞強(qiáng)度也愈大。一、疲勞強(qiáng)度第26頁(yè)/共32頁(yè)27§

5-3疲勞抗力指標(biāo)

過去一直認(rèn)為，對(duì)于承受變動(dòng)載荷的機(jī)件按疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)是安全的。實(shí)際上，服役過程中機(jī)件不可避免要受到偶然的過載作用，如設(shè)備緊急剎車、突然起動(dòng)等；又有的機(jī)件并不要求無限壽命，常在高于疲勞強(qiáng)度的應(yīng)力下進(jìn)行有限壽命服役。顯然僅依據(jù)材料的疲勞強(qiáng)度并不能評(píng)定上述兩種情況下的材料抗疲勞性能，為此，提出過載持久值和過載損傷界的概念。二、過載持久及過載損傷界第27頁(yè)/共32頁(yè)281.過載持久值

材料在高于疲勞強(qiáng)度的一定應(yīng)力下工作，發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán)周次稱為過載持久值，也稱為有限疲勞壽命。過載持久值表征了材料對(duì)過載荷疲勞的抗力，該值可由疲勞曲線傾斜部分確定。曲線傾斜的愈陡直，持久值就愈高，表明材料在相同的過載條件下能經(jīng)受的應(yīng)力循環(huán)周次愈多，材料對(duì)過載荷的抗力愈高。第28頁(yè)/共32頁(yè)292.過載損傷界實(shí)際上，機(jī)件往往預(yù)先受短期過載，而以后再在正常的工作應(yīng)力下運(yùn)行。這種短期的過載對(duì)材料的性能是否產(chǎn)生影響，取決于過載應(yīng)力及過載周次。材料在過載應(yīng)力水平下只有運(yùn)轉(zhuǎn)一定的周次后，疲勞強(qiáng)度或壽命才會(huì)降低，造成過載損傷。把在每個(gè)過載應(yīng)力下運(yùn)行能引起損傷的最少循環(huán)周次連接起來就得到該材料的過載損傷界。第29頁(yè)/共32頁(yè)30§

5-3疲勞抗力指標(biāo)

實(shí)際機(jī)件常常帶有臺(tái)階、拐角、鍵槽、油孔、螺紋等結(jié)構(gòu)，其作用類似于缺口，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。材料在變動(dòng)應(yīng)力作用下的缺口敏感性，常用疲勞缺口敏感度qf表征，即

qf=（Kf-1）/（Kt-1）式中：Kt為理論應(yīng)力集中系數(shù)，Kf為疲勞缺口系數(shù)。三、疲勞缺口敏感度第30頁(yè)/共32頁(yè)31

按定義，1>qf>0