材料的疲勞性能

材料的疲勞性能第1頁/共32頁2

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

一般機件承受的變動應(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/共32頁5一、疲勞破壞的變動應(yīng)力

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

一般機件承受的變動應(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/共32頁71.疲勞破壞的概念疲勞破壞過程是材料內(nèi)部薄弱區(qū)域的組織在變動應(yīng)力作用下，逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開裂，當裂紋擴展達到一定程度后發(fā)生突然斷裂的過程，是一個從局部區(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)力引起的延時斷裂，其斷裂應(yīng)力水平往往低于材料的抗拉強度，甚至低于其屈服強度。機件疲勞失效前的工作時間稱為疲勞壽命，疲勞斷裂壽命隨循環(huán)應(yīng)力不同而改變。應(yīng)力高，機件壽命短；應(yīng)力低，壽命長。當應(yīng)力低于材料的疲勞強度時，壽命可無限長。

第7頁/共32頁82.疲勞破壞的特點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：

(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)濟損失。

(2)疲勞破壞屬低應(yīng)力循環(huán)延時斷裂，對于疲勞壽命的預(yù)測就顯得十分重要和必要。第8頁/共32頁9

(3)疲勞對缺陷(缺口、裂紋及組織)十分敏感，即對缺陷具有高度的選擇性。因為缺口或裂紋會引起應(yīng)力集中，加大對材料的損傷作用；組織缺陷(夾雜、疏松、白點、脫碳等)，將降低材料的局部強度，二者綜合更加速疲勞破壞的起始與發(fā)展。第9頁/共32頁10(4)可按不同方法對疲勞形式分類。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，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/共32頁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個特征區(qū)-疲勞源、疲勞裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū)。第11頁/共32頁12

疲勞源是疲勞裂紋萌生的策源地，多出現(xiàn)在機件表面，常和缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺陷相連。但若材料內(nèi)部存在嚴重冶金缺陷，也會因局部材料強度降低而在機件內(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)表面硬度會有所提高。第12頁/共32頁13

疲勞區(qū)是疲勞裂紋亞臨界擴展形成的區(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)，有時還有裂紋擴展臺階。斷口光滑是疲勞源區(qū)的延續(xù)，其程度隨裂紋向前擴展逐漸減弱，反映裂紋擴展快慢、擠壓摩擦程度上的差異。貝紋線是疲勞區(qū)的最典型特征，一般認為是因載荷變動引起的，因為機器運轉(zhuǎn)時不可避免地常有啟動、停歇、偶然過載等，均要在裂紋擴展前沿線留下弧狀貝紋線痕跡。第13頁/共32頁14

瞬斷區(qū)是裂紋失穩(wěn)擴展形成的區(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/共32頁15§

5-2疲勞破壞的機理一、金屬材料疲勞破壞機理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展的過程。因變動應(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/共32頁162.疲勞裂紋的擴展

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

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

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，同屬在長期變動應(yīng)力作用下，材料的破壞行為；靜態(tài)疲勞則相當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)力隨時間下降的現(xiàn)象；動態(tài)疲勞是在恒定速率加載條件下研究材料斷裂失效對加載速率的敏感性。第18頁/共32頁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，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理對陶瓷材料并不適用。

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、疲勞裂紋擴展、瞬時斷裂的過程。第19頁/共32頁20

疲勞裂紋多萌生于材料表面，對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展速率對變動載荷應(yīng)力幅不度敏感，而是強烈依賴裂紋尖端的最大應(yīng)力強度因子，一旦裂紋尖端應(yīng)力超過非線性形變起始點，材料強度就大幅度衰減。此外，裂紋擴展速率還明顯依賴于環(huán)境、材料成分、組織結(jié)構(gòu)等，其程度遠比金屬材料高，擴展的壽命過程遠比金屬材料要短，并呈龜裂狀。第20頁/共32頁21二、非金屬材料疲勞破壞機理2.高分子聚合物的疲勞破壞機理

在拉應(yīng)力作用下，由于非晶態(tài)聚合物的表面和內(nèi)部會出現(xiàn)銀紋，因此，不同結(jié)構(gòu)的聚合物疲勞破壞機理也有差異。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，應(yīng)力很快便達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，擴展后導(dǎo)致材料疲勞破壞。第21頁/共32頁22

中應(yīng)力循環(huán)時也會產(chǎn)生銀紋，并轉(zhuǎn)變成裂紋，裂紋擴展速度比高應(yīng)力區(qū)低，但機理、過程相同；

低應(yīng)力循環(huán)時因難以引發(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，有時也可以用來修補高分子的微結(jié)構(gòu)損傷。第22頁/共32頁23二、非金屬材料疲勞破壞機理3.復(fù)合材料的疲勞破壞機理

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：有多種疲勞損傷形式：如界面脫粘、分層、纖維斷裂、空隙增長。復(fù)合材料不會發(fā)生瞬時的疲勞破壞。第23頁/共32頁24聚合物基復(fù)合材料承受循環(huán)應(yīng)力時，因材料導(dǎo)熱性能差，又可吸收機械能變?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加載頻率敏感。復(fù)合材料的疲勞性能對應(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/共32頁25§

5-3疲勞抗力指標

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

5-3疲勞抗力指標

疲勞強度的定義：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)力對疲勞強度有很大影響，應(yīng)根據(jù)實際循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)測定選用相應(yīng)的疲勞強度。材料的抗拉強度愈大，其疲勞強度也愈大。一、疲勞強度第26頁/共32頁27§

5-3疲勞抗力指標

過去一直認為，對于承受變動載荷的機件按疲勞強度設(shè)計是安全的。實際上，服役過程中機件不可避免要受到偶然的過載作用，如設(shè)備緊急剎車、突然起動等；又有的機件并不要求無限壽命，常在高于疲勞強度的應(yīng)力下進行有限壽命服役。顯然僅依據(jù)材料的疲勞強度并不能評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/共32頁281.過載持久值

材料在高于疲勞強度的一定應(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，材料對過載荷的抗力愈高。第28頁/共32頁292.過載損傷界實際上，機件往往預(yù)先受短期過載，而以后再在正常的工作應(yīng)力下運行。這種短期的過載對材料的性能是否產(chǎn)生影響，取決于過載應(yīng)力及過載周次。材料在過載應(yīng)力水平下只有運轉(zhuǎn)一定的周次后，疲勞強度或壽命才會降低，造成過載損傷。把在每個過載應(yīng)力下運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/共32頁30§

5-3疲勞抗力指標

實際機件常常帶有臺階、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，因而會縮短機件疲勞壽命，降低材料疲勞強度。材料在變動應(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/共32頁31

按定義，1>qf>0