疲勞斷裂講義演示文稿

疲勞斷裂講義演示文稿目前一頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)疲勞斷裂講義目前二頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)第一節(jié)交變應(yīng)力與疲勞破壞現(xiàn)象結(jié)構(gòu)材料與機(jī)械零件失效案例中，疲勞破壞占＞50%，其破壞有別于靜載破壞，破壞時(shí)外觀沒(méi)有明顯的征兆，大多是在無(wú)預(yù)警且不可預(yù)期的情況下發(fā)生，損傷嚴(yán)重。→事先預(yù)防是關(guān)鍵！1998年德國(guó)高鐵出軌事故（200Km，近百人亡，傷300余人）目前三頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)

交變應(yīng)力是導(dǎo)致疲勞破壞產(chǎn)生的重要條件！工程中的許多載荷是隨時(shí)間而發(fā)生變化的，而其中有相當(dāng)一部分載荷是隨時(shí)間作周期性變化的。例如：火車(chē)的輪軸。交變應(yīng)力→構(gòu)件中點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)隨時(shí)間而作周期性變化的應(yīng)力。A.交變應(yīng)力目前四頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)齒輪傳動(dòng)：齒輪嚙合點(diǎn)處的應(yīng)力隨

時(shí)間作周期性變化。目前五頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)從構(gòu)件的應(yīng)力-時(shí)間曲線中可看出：

在承受交變應(yīng)力的構(gòu)件中，軸中的彎曲應(yīng)力每轉(zhuǎn)一周就要從最大值σmax變到最小值σmin，然后又恢復(fù)到最大值，即：軸每轉(zhuǎn)一周，應(yīng)力就完成一次循環(huán),稱(chēng)為一個(gè)應(yīng)力循環(huán)。∣σmax∣=∣σmin

∣

為對(duì)稱(chēng)循環(huán)，否則為非對(duì)稱(chēng)循環(huán)。0目前六頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)交變應(yīng)力的幾個(gè)名詞術(shù)語(yǔ):目前七頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)交變應(yīng)力的幾種模式：目前八頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)脈動(dòng)循環(huán)：

變動(dòng)于零到某一最大值之間的交變應(yīng)力循環(huán)，稱(chēng)為脈動(dòng)循環(huán)。0目前九頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)（3）穩(wěn)定交變應(yīng)力：

交變應(yīng)力的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力的值，在工作過(guò)程中始終保持不變，否則稱(chēng)不穩(wěn)定交變應(yīng)力。不穩(wěn)定交變應(yīng)力任意振幅、應(yīng)力（4）靜應(yīng)力也可以看成是交變應(yīng)力的一種特性:目前十頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)

構(gòu)件在交變應(yīng)力下，當(dāng)最大應(yīng)力低于屈服極限時(shí)，就可能發(fā)生疲勞破壞。

即使是塑性較好的材料斷裂前也無(wú)明顯的塑性變形。

疲勞破壞過(guò)程依先后次序可區(qū)分為三個(gè)主要階段，即：疲勞裂縫形成疲勞裂紋擴(kuò)展最終失效斷裂。目前十一頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)B.疲勞破壞的分類(lèi)

屈服極限或強(qiáng)度極限等靜強(qiáng)度指標(biāo)已不能作為疲勞破壞的強(qiáng)度指標(biāo)。故在交變應(yīng)力下，材料的強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)重新設(shè)定。應(yīng)力-壽命曲線

實(shí)際上，試驗(yàn)不可能無(wú)限期的進(jìn)行下去，一般規(guī)定一個(gè)循環(huán)次數(shù)N0來(lái)代替無(wú)限長(zhǎng)的持久壽命，這個(gè)規(guī)定的循環(huán)次數(shù)N0稱(chēng)為循環(huán)基數(shù)。與N0對(duì)應(yīng)的就是持久極限。持久極限疲勞壽命持久極限旋轉(zhuǎn)梁疲勞試驗(yàn)機(jī)目前十二頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)通常鋼鐵材料（除鑄鐵外）具有明顯的疲勞限特性→對(duì)應(yīng)S-N曲線圖隨著應(yīng)力降低而呈現(xiàn)水平狀態(tài)。通常非鐵材料（如：Al、Cu合金）都無(wú)真正的水平疲勞限。耐久比：條件持久極限目前十三頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)依疲勞壽命Nf來(lái)分類(lèi)：目前十四頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)許多應(yīng)用的工程零件無(wú)需承受數(shù)萬(wàn)次循環(huán)（即Nf＜105），如：汽車(chē)啟動(dòng)器上的彈簧零件、熱交換管及渦輪轉(zhuǎn)子和葉片等。

→依此循環(huán)壽命進(jìn)行零件設(shè)計(jì)，可大量減輕零件質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。低周疲勞的特點(diǎn)典型低周疲勞的應(yīng)力-應(yīng)變遲滯曲線Basquin提出關(guān)系式：

疲勞強(qiáng)度系數(shù)近似于抗拉強(qiáng)度

b值介于-0.05—-0.12之間。目前十五頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)典型的應(yīng)變-壽命關(guān)系曲線Coffin與Manson提出材料塑性變形與疲勞壽命之間的關(guān)系式：C值介于-0.05—-0.7之間。Basquin與Coffin-Manson關(guān)系式合并，得到完整的應(yīng)力、應(yīng)變與疲勞壽命關(guān)系式：材料本身的特性也會(huì)使應(yīng)變-壽命曲線有所不同！目前十六頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)→不同性質(zhì)材料的應(yīng)變-壽命曲線當(dāng)循環(huán)應(yīng)力繼續(xù)作用，材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀會(huì)產(chǎn)生變化，代表其材質(zhì)對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變反應(yīng)的改變。根據(jù)遲滯曲線形狀變化的不同，可分為四種：①循環(huán)硬化目前十七頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)應(yīng)變范圍固定，則應(yīng)力范圍越來(lái)越小。

②循環(huán)軟化③混合行為目前十八頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)④循環(huán)穩(wěn)定←應(yīng)變范圍和塑性變形皆不明顯多種材料的單向拉伸應(yīng)力與循環(huán)應(yīng)力的應(yīng)力-應(yīng)變曲線循環(huán)硬化循環(huán)軟化目前十九頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)第二節(jié)疲勞破壞機(jī)制疲勞破壞過(guò)程依先后次序可區(qū)分為三個(gè)主要階段，即：疲勞微裂縫形成疲勞裂紋擴(kuò)展最終失效斷裂目前二十頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)A.疲勞微裂縫形成表面上最大局部應(yīng)力或最小截面積處，或因材料差異導(dǎo)致的強(qiáng)度最弱的地方。如：表面刮痕、缺口等。內(nèi)部缺陷，如夾雜物、晶界、雙晶界等強(qiáng)度較低之處。目前二十一頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)循環(huán)應(yīng)力作用幾千次后，某些晶粒中發(fā)生位錯(cuò)滑移，滑移線增多將形成永久滑移帶（PSB,含5000余條滑移線)，導(dǎo)致材料表面上出現(xiàn)擠出與擠入，此兩者均會(huì)沿著永久滑移帶平行發(fā)展，最終形成疲勞微裂縫。目前二十二頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)銅單晶中PSB上的擠出與擠入?yún)^(qū)實(shí)際照片目前二十三頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)B.疲勞微裂縫成長(zhǎng)成長(zhǎng)速率與成長(zhǎng)方向?yàn)榫植繎?yīng)力集中的狀況及裂縫尖端的材料性質(zhì)所控制。疲勞裂縫成長(zhǎng)，依先后順序分成：

第I階段：疲勞裂縫沿PSB方向進(jìn)行

第II階段：垂直應(yīng)力方向進(jìn)行目前二十四頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)第I階段：

疲勞裂縫沿PSB方向進(jìn)行疲勞裂縫沿著高剪切應(yīng)力平面（即PSB）成長(zhǎng)，使初期疲勞裂縫加深，其成長(zhǎng)速率相對(duì)緩慢，且為單一滑移。若在低應(yīng)力下，或試片方向具有優(yōu)選方向（即鄰近晶粒的滑移平面幾乎相等），則疲勞裂縫可延伸甚至跨越晶粒而都在單一平面上滑移，將有利于第I階段的成長(zhǎng)。目前二十五頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)第II階段：

疲勞裂縫垂直應(yīng)力方向進(jìn)行當(dāng)疲勞裂縫前端的塑性變形由單一滑移進(jìn)入多重滑移或是疲勞裂縫成長(zhǎng)被障礙物阻擋時(shí)會(huì)進(jìn)入第II階段,且成長(zhǎng)速度加快,成長(zhǎng)方向改變?yōu)榇怪庇趹?yīng)力方向進(jìn)行.疲勞裂縫尖端反復(fù)地塑性鈍化和尖銳化,逐漸生長(zhǎng)成宏觀疲勞裂紋,而達(dá)到臨界裂紋長(zhǎng)度.目前二十六頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)C.最終失效斷裂當(dāng)疲勞裂紋達(dá)到臨界長(zhǎng)度時(shí),則材料本身剩下的截面積將無(wú)法承受所施加的負(fù)荷,會(huì)突然進(jìn)入最終失效斷裂階段而產(chǎn)生異常快速且具有毀滅性的材料失效.目前二十七頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)第三節(jié)疲勞破壞的宏觀與微觀特征A.宏觀特征(MacroscopicCharacter)

疲勞破壞的發(fā)展模式導(dǎo)致斷口在宏觀上分成兩個(gè)表面形態(tài)完全不同的區(qū)域.目前二十八頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)光滑平整的疲勞破壞區(qū)

疲勞裂紋的起始區(qū)域,其成長(zhǎng)緩慢,每循環(huán)周期由于變形而使疲勞裂紋表面前后相互摩擦而得到類(lèi)似磨亮拋光的表面。

有時(shí)光滑平整的疲勞破壞區(qū)會(huì)出現(xiàn)貝紋線(常近似同心半圓，圓心即裂紋源),其成因是應(yīng)力振幅的大小不同(低應(yīng)力時(shí)疲勞裂紋減緩或停止成長(zhǎng),高應(yīng)力時(shí)疲勞裂紋繼續(xù)或加速成長(zhǎng))。貝紋線目前二十九頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)應(yīng)根據(jù)疲勞條紋的密度、疲勞源區(qū)的光亮度和臺(tái)階情況來(lái)確定疲勞源的起始次序。

最初疲勞源區(qū)經(jīng)歷交變負(fù)荷作用的時(shí)間長(zhǎng)，疲勞條紋密度大，同時(shí)比較光澤明亮。目前三十頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)缺口敏感性對(duì)疲勞斷口形態(tài)的影響若材料對(duì)缺口不敏感，則疲勞條紋繞著裂紋源或?yàn)橄蛲獬蔀橥蛊鸬耐男螤睿舨牧蠈?duì)缺口敏感，則疲勞條紋繞著裂源外開(kāi)始較為平坦，向前擴(kuò)展一定距離即以反弧形向前擴(kuò)展。目前三十一頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)有效應(yīng)力集中系數(shù)與構(gòu)件的形狀、尺寸有關(guān)；與材料性質(zhì)（極限強(qiáng)度）有關(guān)，靜載抗拉強(qiáng)度越高則有效應(yīng)力集中系數(shù)越大，即對(duì)應(yīng)力集中就越敏感。目前三十二頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)凹凸不平的最后破斷區(qū)最后疲勞破壞的階段,當(dāng)試樣無(wú)法承受所施加的載荷而突然斷裂時(shí),因沒(méi)有經(jīng)過(guò)摩擦階段,故其表面將出現(xiàn)粗糙而不規(guī)則的特征,亦有人稱(chēng)其為粒狀表面。該材料對(duì)缺口敏感!粒狀表面目前三十三頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)B.微觀特征借助SEM可發(fā)現(xiàn)斷口存在微細(xì)間隔的平行紋路(寬約2.5×10-5mm),稱(chēng)疲勞條紋(fatiguestriation)。疲勞條紋垂直于疲勞裂紋的延伸方向,其每條代表的是經(jīng)一次應(yīng)力循環(huán)后疲勞裂紋前端前進(jìn)的距離.材料塑性越佳,疲勞條紋越明顯;應(yīng)力范圍越大,疲勞條紋越寬。疲勞條紋與貝紋線外觀相似但尺度不同,單一的貝紋線內(nèi)可能包含數(shù)千條以上的疲勞條紋。目前三十四頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)目前三十五頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)第四節(jié)疲勞斷裂力學(xué)該理論中,疲勞裂紋成長(zhǎng)最重要的區(qū)域是從可無(wú)損檢測(cè)到的最小裂紋長(zhǎng)度(d)至臨界裂紋長(zhǎng)度(c)之間。疲勞裂紋成長(zhǎng)最重要的區(qū)域曲線斜率即為疲勞裂紋成長(zhǎng)速率。初始擴(kuò)展時(shí)的成長(zhǎng)速率很慢,而當(dāng)疲勞裂紋越來(lái)越長(zhǎng)則擴(kuò)展速率加快。目前三十六頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)應(yīng)力大小對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響

對(duì)于一固定長(zhǎng)度的疲勞裂紋而言,施加應(yīng)力越大則疲勞裂紋擴(kuò)展速率越快。第I階段,每經(jīng)一次循環(huán)疲勞裂紋擴(kuò)展約0.1nm;第II階段成長(zhǎng)速率增加數(shù)萬(wàn)倍,每經(jīng)一次循環(huán)擴(kuò)展達(dá)1μm左右。目前三十七頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí),裂紋前端應(yīng)力集中越來(lái)越明顯,故應(yīng)力強(qiáng)度因子(K)會(huì)增加。此S曲線依其斜率可分為三個(gè)區(qū)域討論。目前三十八頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)第I區(qū)域:擴(kuò)展速率隨△K下降而急速下降,當(dāng)小于應(yīng)力強(qiáng)度范圍的門(mén)檻值△Kth時(shí),疲勞裂紋幾乎不擴(kuò)展。只有安全要求極為嚴(yán)格的核能電廠機(jī)件設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)△K＜△Kth第II區(qū)域:疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨△K增加而增加,但斜率降低,此區(qū)域S曲線的變化呈線性.該區(qū)對(duì)應(yīng)材料有用的疲勞壽命,疲勞裂紋呈穩(wěn)定擴(kuò)展第III區(qū)域:當(dāng)△K中Kmax

趨近于臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)進(jìn)入該區(qū)。S曲線斜率再次增加,此區(qū)域疲勞裂紋屬于相當(dāng)不穩(wěn)定的快速擴(kuò)展,故進(jìn)入此區(qū)域至破壞所經(jīng)歷循環(huán)次數(shù)很少,分析意義不大。目前三十九頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)第五節(jié)影響材料疲勞限或疲勞強(qiáng)度的因素A.平均應(yīng)力的影響

壓縮應(yīng)力會(huì)使疲勞裂縫開(kāi)口閉合,一般研究平均應(yīng)力m＞0或應(yīng)力比值R

＞-1的循環(huán)應(yīng)力對(duì)材料疲勞破壞的影響。隨著應(yīng)力比值R

的增加,材料的疲勞極限亦上升。目前四十頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)大部分材料的應(yīng)力振幅a與平均應(yīng)力m間有線性關(guān)系→Goodman經(jīng)驗(yàn)方程式:少部分材料的應(yīng)力振幅a與平均應(yīng)力m間呈現(xiàn)拋物線關(guān)系→Gerber經(jīng)驗(yàn)方程式:完全反向循環(huán)的疲勞限e極限抗拉強(qiáng)度uts目前四十一頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)測(cè)量不同應(yīng)力振幅a與平均應(yīng)力m下的疲勞限Nf,并作圖相同的應(yīng)力振幅a下,平均應(yīng)力m的增加將導(dǎo)致疲勞限Nf的下降。目前四十二頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)B.表面效應(yīng)工程應(yīng)用中機(jī)件的最大應(yīng)力集中處在表面，故使疲勞裂紋于其表面成核擴(kuò)展直至失效，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免或減少不連續(xù)的表面（如：凹痕、溝槽、螺紋等）。表面越粗糙則應(yīng)力集中處越低，疲勞壽命越低。針對(duì)欲在疲勞環(huán)境使用的構(gòu)件可施加拋光處理。曲率半徑越小，應(yīng)力集中越明顯目前四十三頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)C.環(huán)境效應(yīng)常見(jiàn)加速腐蝕破壞的環(huán)境因素有溫度變動(dòng)（熱疲勞）和存在腐蝕介質(zhì)（腐蝕疲勞）。熱疲勞當(dāng)零件受循環(huán)應(yīng)力且溫度變動(dòng)環(huán)境中使用，會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力加速疲勞破壞；即便無(wú)外加循環(huán)應(yīng)力，因尺寸熱脹冷縮且受限也會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。熱疲勞常見(jiàn)于環(huán)境變動(dòng)的結(jié)構(gòu)件及不同材料鎖合處，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少尺寸限制的來(lái)源或選擇熱膨脹系數(shù)相近材料。熱應(yīng)力的計(jì)算：目前四十四頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)零件處于腐蝕環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)小蝕孔造成應(yīng)力集中，使疲勞裂紋成核擴(kuò)展，從而縮短疲勞壽命。腐蝕疲勞疲勞極限消失防止腐蝕疲勞的方法很多，根本在于盡量降低腐蝕速率（如：使用保護(hù)性被覆層、降低或隔離環(huán)境的腐蝕性及使用較耐腐蝕的材料等）。目前四十五頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)D.溫度影響

溫度升高時(shí)，材料疲勞行為趨于復(fù)雜（潛變、氧化現(xiàn)象、循環(huán)應(yīng)力頻率會(huì)造成相當(dāng)大的影響）。高溫氧化的影響氧化膜偏脆，位錯(cuò)滑移時(shí)易造成應(yīng)力集中而產(chǎn)生疲勞裂紋，使疲勞壽命減少；且疲勞裂紋前端因局部塑性變形而產(chǎn)生新表面，亦會(huì)因?yàn)檠趸鴮?dǎo)致疲勞裂紋擴(kuò)展速度加快，此情況下疲勞裂紋以穿晶模式破壞為主。高溫時(shí)材料屈服強(qiáng)度降低，而使位錯(cuò)較易滑移而塑性變形易于發(fā)生，有利于PSB的形成而使表面的疲勞裂紋成核處增加，故疲勞限或疲勞強(qiáng)度會(huì)下降。特例：碳鋼250-350℃測(cè)得的疲勞限比較低溫時(shí)更高

C原子擴(kuò)散速率與位錯(cuò)滑移速率接近，故C原子在位錯(cuò)附近聚集產(chǎn)生拖曳應(yīng)力，位錯(cuò)不易滑移堆積。目前四十六頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)E.晶粒大小與方向晶內(nèi)與晶界的等強(qiáng)度溫度（ECT)以下，晶粒越細(xì)則疲勞壽命會(huì)增加，歸因于細(xì)晶強(qiáng)化（晶界阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)）。若材料因塑性加工而致使晶粒拉長(zhǎng)、變形，則疲勞負(fù)荷方向與晶粒方向平行時(shí)疲勞壽命更高。目前四十七頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于二十點(diǎn)F.固溶合金元素與析出顆粒固溶強(qiáng)化將使疲勞壽命提高；若析出強(qiáng)化的析出物小、圓、硬且均勻分布，則使疲勞壽命提高。若材料內(nèi)部顆粒以?shī)A雜物形式在表面出現(xiàn)（如：空氣中熔煉的鋼，非金屬夾雜物又大又多），則疲勞裂紋易于此處成核，使疲勞壽命下降。

若固溶強(qiáng)化