疲勞與疲勞斷裂

疲勞與疲勞斷裂第1頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2

疲勞斷裂是金屬構(gòu)件斷裂的主要形式之一，在金屬構(gòu)件疲勞斷裂失效分析基礎(chǔ)上形成和發(fā)展了疲勞學(xué)科。自從W?hler的經(jīng)典疲勞著作發(fā)表以來，人們充分地研究了不同材料在各種不同載荷和環(huán)境條件下試驗時的疲勞性能。盡管大多數(shù)工程技術(shù)人員和設(shè)計人員已經(jīng)注意到疲勞問題，而且已積累了大量的實驗數(shù)據(jù)，目前仍然有許多設(shè)備和機(jī)器發(fā)生疲勞斷裂。疲勞設(shè)計現(xiàn)在已從無限壽命設(shè)計發(fā)展到有限壽命設(shè)計。零件、構(gòu)件和設(shè)備的壽命估算，已成為疲勞強(qiáng)度的一個重要組成部分。疲勞已從一個古老的概念發(fā)展成為材料科學(xué)、力學(xué)和工程設(shè)計相結(jié)合的一門新興學(xué)科——疲勞強(qiáng)度。第2頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2

4.1.1疲勞斷裂失效的基本形式

機(jī)械零件疲勞斷裂失效形式很多。按交變載荷的形式不同，可分為拉壓疲勞、彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、接觸疲勞、振動疲勞等；按疲勞斷裂的總周次的大?。∟f）可分為高周疲勞（Nf＞105）和低周疲勞（Nf＜104）；按零件服役的溫度及介質(zhì)條件可分為機(jī)械疲勞（常溫、空氣中的疲勞）、高溫疲勞、低溫疲勞、冷熱疲勞及腐蝕疲勞等。但其基本形式只有兩種，即由切應(yīng)力引起的切斷疲勞及由正應(yīng)力引起的正斷疲勞。其它形式的疲勞斷裂，都是由這兩種基本形式在不同條件下的復(fù)合。4.1疲勞斷裂的基本形式和特征第3頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月24.1疲勞斷裂的基本形式和特征第4頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月21、切斷疲勞失效切斷疲勞初始裂紋是由切應(yīng)力引起的。切應(yīng)力引起疲勞初裂紋萌生的力學(xué)條件是：切應(yīng)力／缺口切斷強(qiáng)度≥1；正應(yīng)力／缺口正斷強(qiáng)度＜1。切斷疲勞的特點是：疲勞裂紋起源處的應(yīng)力應(yīng)變場為平面應(yīng)力狀態(tài)；初裂紋的所在平面與應(yīng)力軸約成45o角，并沿其滑移面擴(kuò)展。由于面心立方結(jié)構(gòu)的單相金屬材料的切斷強(qiáng)度一般略低于正斷強(qiáng)度，而在單向壓縮、拉伸及扭轉(zhuǎn)條件下，最大切應(yīng)力和最大正應(yīng)力的比值（即軟性系數(shù)）分別為2.0、0.5、0.8，所以對于這類材料，其零件的表層比較容易滿足上述力學(xué)條件，因而多以切斷形式破壞。例如鋁、鎳、銅及其合金的疲勞初裂紋，絕大多數(shù)以這種方式形成和擴(kuò)展。低強(qiáng)度高塑性材料制作的中小型及薄壁零件、大應(yīng)力振幅、高的加載頻率及較高的溫度條件都將有利于這種破壞形式的產(chǎn)生。4.1疲勞斷裂的基本形式和特征第5頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月22、正斷疲勞失效正斷疲勞的初裂紋，是由正應(yīng)力引起的。初裂紋產(chǎn)生的力學(xué)條件是：正應(yīng)力／缺口正斷強(qiáng)度≥1，切應(yīng)力／缺口切斷強(qiáng)度＜1。正斷疲勞的特點是：疲勞裂紋起源處的應(yīng)力應(yīng)變場為平面應(yīng)變狀態(tài)；初裂紋所在平面大致上與應(yīng)力軸相垂直，裂紋沿非結(jié)晶學(xué)平面或不嚴(yán)格地沿著結(jié)晶學(xué)平面擴(kuò)展。大多數(shù)的工程金屬構(gòu)件的疲勞失效都是以此種形式進(jìn)行的。特別是體心立方金屬及其合金以這種形式破壞的所占比例更大；上述力學(xué)條件在試件的內(nèi)部裂紋處容易得到滿足，但當(dāng)表面加工比較粗糙或具有較深的缺口、刀痕、蝕坑、微裂紋等應(yīng)力集中現(xiàn)象時，正斷疲勞裂紋也易在表面產(chǎn)生高強(qiáng)度、低塑性的材料、大截面零件、小應(yīng)力振幅、低的加載頻率及腐蝕、低溫條件均有利于正斷疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展。

4.1疲勞斷裂的基本形式和特征第6頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2

4.1.2疲勞斷裂失效的一般特征

金屬零件在使用中發(fā)生的疲勞斷裂具有突發(fā)性、高度局部性及對各種缺陷的敏感性等特點。引起疲勞斷裂的應(yīng)力一般很低，斷口上經(jīng)?？捎^察到特殊的、反映斷裂各階段宏觀及微觀過程的特殊花樣。

4.1疲勞斷裂的基本形式和特征第7頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2

1、疲勞斷裂的突發(fā)性疲勞斷裂雖然經(jīng)過疲勞裂紋的萌生、亞臨界擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展三個元過程，但是由于斷裂前無明顯的塑性變形和其它明顯征兆，所以斷裂具有很強(qiáng)的突發(fā)性。即使在靜拉伸條件下具有大量塑性變形的塑性材料，在交變應(yīng)力作用下也會顯示出宏觀脆性的斷裂特征。因而斷裂是突然進(jìn)行的。2、疲勞斷裂應(yīng)力很低循環(huán)應(yīng)力中最大應(yīng)為幅值一般遠(yuǎn)低于材料的強(qiáng)度極限和屈服極限。例如，對于旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞來說，經(jīng)107次應(yīng)力循環(huán)破斷的應(yīng)力僅為靜彎曲應(yīng)為的20～40%；對于對稱拉壓疲勞來說，疲勞破壞的應(yīng)力水平還要更低一些。對于鋼制構(gòu)件，在工程設(shè)計中采用的近似計算公式為：4.1疲勞斷裂的基本形式和特征～～或第8頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2

3、疲勞斷裂是一個損傷積累的過程疲勞斷裂不是立即發(fā)生的，而往往經(jīng)過很長的時間才完成的。疲勞初裂紋的萌生與擴(kuò)展均是多次應(yīng)力循環(huán)損傷積累的結(jié)果。在工程上通常把試件上產(chǎn)生一條可見的初裂紋的應(yīng)力循環(huán)周次（N0）或?qū)0與試件的總壽命Nf的比值（N0/Nf）作為表征材料疲勞裂紋萌生孕育期的參量。疲勞裂紋萌生的孕育期與應(yīng)力幅的大小、試件的形狀及應(yīng)力集中狀況、材料性質(zhì)、溫度與介質(zhì)等因素有關(guān)。

4、疲勞斷裂對材料缺陷的敏感性金屬的疲勞失較具有對材料的各種缺陷均為敏感的特點。因為疲勞斷裂總是起源于微裂紋處。這些微裂紋有的是材料本身的冶金缺陷，有的是加工制造過程中留下的，有的則是使用過程中產(chǎn)生的。4.1疲勞斷裂的基本形式和特征第9頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2部分材料的N0/Nf值4.1疲勞斷裂的基本形式和特征材料試件形狀Nf（次）初始可見裂紋長度（mm）N0/Nf純銅光滑2×1062.03×10-30.05純鋁光滑2×1055×10-40.10純鋁切口（Kt≈2）2×1064×10-40.0052024—T3Al光滑5×1041×1061.01×10-11.01×10-10.400.702024—T4切口（Kt≈2）1×1053×1062.03×10-21.0×10-20.050.077075—T6切口（Kt≈2）1×1055×1037.62×10-27.62×10-20.400.204340切口（Kt≈2）2×1041×1033×10-37.62×10-20.300.25第10頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2

5、疲勞斷裂對腐蝕介質(zhì)的敏感性金屬材料的疲勞斷裂除取決于材料本身的性能外，還與零件運(yùn)行的環(huán)境條件有著密切的關(guān)系。對材料敏感的環(huán)境條件雖然對材料的靜強(qiáng)度也有一定的影響，但其影響程度遠(yuǎn)不如對材料疲勞強(qiáng)度的影響來得顯著。大量實驗數(shù)據(jù)表明，在腐蝕環(huán)境下材料的疲勞極限較在大氣條件下低得多，甚至就沒有所說的疲勞極限。4.1疲勞斷裂的基本形式和特征影響因素變化對N0/Nf值影響的趨勢應(yīng)力幅增加降低應(yīng)力集中加大降低材料強(qiáng)度增加升高材料塑性增加降低溫度升高降低腐蝕介質(zhì)強(qiáng)降低各因素對N0/Nf值影響的趨勢

第11頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2

4.2.1疲勞斷口的宏觀形貌及其特征由于疲勞斷裂的過程不同于其他斷裂，因而形成了疲勞斷裂特有的斷口形貌，這是疲勞斷裂分析時的根本依據(jù)。典型的疲勞斷口的宏觀形貌結(jié)構(gòu)可分為疲勞核心、疲勞源區(qū)、疲勞裂紋的選擇發(fā)展區(qū)、裂紋的快速擴(kuò)展區(qū)及瞬時斷裂區(qū)等五個區(qū)域。一般疲勞斷口在宏觀上也可粗略地分為疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)三個區(qū)域，更粗略地可將其分為疲勞區(qū)和瞬時斷裂區(qū)兩個部分。大多數(shù)工程構(gòu)件的疲勞斷裂斷口上一般可觀察到三個區(qū)域，因此這一劃分更有實際意義。4.2疲勞斷口形貌及其特征第12頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2

4.2疲勞斷口形貌及其特征第13頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2

4.2疲勞斷口形貌及其特征第14頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2

4.2疲勞斷口形貌及其特征第15頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2

4.2.2疲勞斷口的微觀形貌特征

1、疲勞斷裂的微觀形貌特征疲勞斷口微觀形貌的基本特征是在電子顯微鏡下觀察到的條狀花樣，通常稱為疲勞條痕、疲勞條帶、疲勞輝紋等。疲勞輝紋是具有一定間距的、垂直于裂紋擴(kuò)展方向、明暗相交且互相平行的條狀花樣。延性疲勞輝紋是指金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展時，裂紋尖端金屬發(fā)生較大的塑性變形。疲勞條痕通常是連續(xù)的，并向一個方向彎曲成波浪形。通常在疲勞輝紋間存在有滑移帶，在電鏡下可以觀察到微孔花樣。高周疲勞斷裂時，其疲勞輝紋通常是延性的。脆性疲勞輝紋是指疲勞裂紋沿解理平面擴(kuò)展，尖端沒有或很少有塑性變形，故又稱解理輝紋。在電鏡下既可觀察到與裂紋擴(kuò)展方向垂直的疲勞輝紋，又可觀察到與裂紋擴(kuò)展方向一致的河流花樣及解理臺階。脆性金屬材料及在腐蝕介質(zhì)環(huán)境下工作的高強(qiáng)度塑性材料發(fā)生的疲勞斷裂，或緩慢加載的疲勞斷裂中，其疲勞輝紋通常是脆性的。4.2疲勞斷口形貌及其特征第16頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2

4.2疲勞斷口形貌及其特征第17頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2

2、疲勞斷裂性質(zhì)的判別為了進(jìn)一步分析載荷性質(zhì)及環(huán)境條件等因素的影響，有必要利用斷口的微觀特征對零件疲勞斷裂的具體類型作進(jìn)一步判別。

（1）高周疲勞斷裂性質(zhì)的判別高周疲勞斷口的微觀基本特征是細(xì)小的疲勞輝紋。此外，有時尚可看到疲勞溝線和輪胎花樣。依此即可判斷斷裂的性質(zhì)是高周疲勞斷裂。但要注意載荷性質(zhì)、材料結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件的影響。4.2疲勞斷口形貌及其特征第18頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2

（2）低周疲勞斷裂性質(zhì)的判別低周疲勞斷口的微觀基本特征是粗大的疲勞輝紋或粗大的疲勞輝紋與微孔花樣。同樣，低周疲勞斷口的微觀特征隨材料性質(zhì)、組織結(jié)構(gòu)及環(huán)境條件的不同而有很大差別。對于超高強(qiáng)度鋼，在加載頻率較低和振幅較大的條件下，低周疲勞斷口上可能不出現(xiàn)疲勞輝紋而代之以沿晶斷裂和微孔花樣為特征。熱穩(wěn)定不銹鋼的低周疲勞斷口上除具有典型的疲勞輝紋外，常出現(xiàn)大量的粗大滑移帶及密布著細(xì)小二次裂紋。高溫條件下的低周疲勞斷裂，由于塑性變形容易，一般其疲勞輝紋更深、輝紋輪廓更為清晰，并且在輝紋間隔處往往出現(xiàn)二次裂紋。

（3）振動疲勞斷裂性質(zhì)的判別金屬微振疲勞斷口的基本特征是細(xì)密的疲勞輝紋，金屬共振疲勞斷口的特征與低周疲勞斷口相似。但在疲勞裂紋的起始部位通?？梢钥吹侥p的痕跡、壓傷、微裂紋、掉塊及帶色的粉末（鋼鐵材料為褐色；鋁、鎂材料為黑色）。4.2疲勞斷口形貌及其特征第19頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2（4）腐蝕疲勞斷裂性質(zhì)的判別腐蝕疲勞斷口上的疲勞輝紋比較模糊，二次裂紋較多并具泥紋花樣。碳鋼、銅合金的腐蝕疲勞斷裂多為沿晶分離；奧氏體不銹鋼和鎂合金等多為穿晶斷裂；Ni-Cr-Mo鋼在空氣中多呈穿晶斷裂，而在氫氣和H2S氣氛中多為沿晶或混晶斷裂。加載頻率低時，腐蝕疲勞易出現(xiàn)沿晶分離斷裂。（5）金屬熱疲勞斷裂性質(zhì)的判別金屬熱疲勞斷裂的微觀特征是多為粗大的疲勞輝紋，或粗大的疲勞輝紋加微孔花樣，并且其上多有一層氧化物；（6）接觸疲勞斷裂性質(zhì)的判別接觸疲勞斷口和磨損疲勞斷口特征基本相同。其疲勞輝紋均因摩擦而呈現(xiàn)斷續(xù)狀和不清晰特征。3.2疲勞斷口形貌及其特征第20頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2

4.3.1疲勞斷裂的形式

1、彎曲疲勞斷裂金屬零件在交變的彎曲應(yīng)力作用下發(fā)生的疲勞破壞稱為彎曲疲勞斷裂。彎曲疲勞又可分為單向彎曲疲勞、雙向彎曲疲勞及旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞三類。其共同點是初裂紋一般源于表面，然后沿著與最大正應(yīng)力垂直的方向向內(nèi)擴(kuò)展，當(dāng)剩余截面不能承受外加載荷時，構(gòu)件發(fā)生突然斷裂。

（1）單向彎曲疲勞斷裂象吊車懸臂之類的零件，在工作時承受單向彎曲負(fù)荷。承受脈動的單向彎曲應(yīng)力的零件，其疲勞核心一般發(fā)生在受拉側(cè)的表面上。疲勞核心一般為一個，斷口上可以看到呈同心圓狀的貝紋花樣，且呈凸向。最后斷裂區(qū)在疲勞源區(qū)的對面，外圍有剪切唇。

構(gòu)件的次表面存在較大缺陷時，疲勞核心也可能在次表面產(chǎn)生。在受到較大的應(yīng)力集中的影響時，疲勞孤線可能出現(xiàn)反向（呈凹狀），并可能出現(xiàn)多個疲勞源區(qū)。

4.3金屬零件的疲勞斷裂失效第21頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2

（2）雙向彎曲疲勞斷裂某些齒輪的齒根承受雙向彎曲應(yīng)力的作用一。零件在雙向彎曲應(yīng)力作用下產(chǎn)生的疲勞斷裂，其疲勞源區(qū)可能在零件的兩側(cè)表面，最后斷裂區(qū)在截面的內(nèi)部。兩個疲勞核心并非同時產(chǎn)生，擴(kuò)展速度也不一樣，所以斷口上的疲勞斷裂區(qū)一般不完全對稱。材料的性質(zhì)、負(fù)荷的大小、結(jié)構(gòu)特征及環(huán)境因素等都對斷口的形貌有影響，其趨勢與單向彎曲疲勞斷裂基本相同。（3）旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂許多軸類零件的斷裂多屬于旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂。旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂時，疲勞源區(qū)一般出現(xiàn)在表面，但無固定地點，疲勞源的數(shù)量可以是一個也可以是多個。疲勞源區(qū)和最后斷裂區(qū)相對位置一般總是相對于軸的旋轉(zhuǎn)方向而逆轉(zhuǎn)一個角度。由此可以根據(jù)疲勞源區(qū)與最后斷裂區(qū)的相對位置推知軸的旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)軸的表面存在較大的應(yīng)力集中時，可以出現(xiàn)多個疲勞源區(qū)。此時最后斷裂區(qū)將移至軸件的內(nèi)部。4.3金屬零件的疲勞斷裂失效第22頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2

2、拉壓疲勞斷裂拉壓疲勞斷裂最典型例子是各種蒸汽錘的活塞桿在使用中發(fā)生的疲勞斷裂。在通常情況下，拉壓疲勞斷裂的疲勞核心多源于表面而不是內(nèi)部，這一點與靜載拉伸斷裂時不同。但當(dāng)構(gòu)件內(nèi)部存在有明顯的缺陷時，疲勞初裂紋將起源于缺陷處。此時，在斷口上將出現(xiàn)兩個明顯的不同區(qū)域，一是光亮的圓形疲勞區(qū)（疲勞核心在此中心附近），周圍是瞬時斷裂區(qū)。在疲勞區(qū)內(nèi)一般看不到疲勞弧線，而在瞬時斷裂區(qū)具有明顯的放射花樣。應(yīng)力集中和材料缺陷將影響疲勞核心的數(shù)量及其所在位置，瞬時斷裂區(qū)的相對大小與負(fù)荷大小及材料性質(zhì)有關(guān)。4.3金屬零件的疲勞斷裂失效第23頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2

3扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂各類傳動軸件的斷裂主要是扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂的斷口形貌，主要有三種類型。

（1）正向斷裂

斷裂表面與軸向成45

角，即沿最大正應(yīng)力作用的平面發(fā)生的斷裂。單向脈動扭轉(zhuǎn)時為螺旋狀；雙向扭轉(zhuǎn)時，其斷裂面呈星狀，應(yīng)力集中較大的呈鋸齒狀。

（2）切向斷裂

斷面與軸向垂直，即沿著最大切應(yīng)力所在平面斷裂，橫斷面齊平。

（3）混合斷裂

橫斷面呈階梯狀，即沿著最大切應(yīng)力所在平面起裂并在正應(yīng)力作用下擴(kuò)展引起的斷裂。正向斷裂的宏觀形貌一般為纖維狀，不易出現(xiàn)疲勞弧線。切向斷裂較易出現(xiàn)疲勞弧線。4.3金屬零件的疲勞斷裂失效第24頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2

4、振動疲勞斷裂許多機(jī)械設(shè)備及其零部件在工作時往往出現(xiàn)在其平衡位置附近作來回往復(fù)的運(yùn)動現(xiàn)象，即機(jī)械振動。機(jī)械振動在許多情況下都是有害的。它除了產(chǎn)生噪音和有損于建筑物的動負(fù)荷外，還會顯著降低設(shè)備的性能及工作壽命。由往復(fù)的機(jī)械運(yùn)動引起的斷裂稱為振動疲勞斷裂。當(dāng)外部的激振力的頻率接近系統(tǒng)的固有頻率時，系統(tǒng)將出現(xiàn)激烈的共振現(xiàn)象。共振疲勞斷裂是機(jī)械設(shè)備振動疲勞斷裂的主要形式，除此之外，尚有顫振疲勞及喘振疲勞。振動疲勞斷裂的斷口形貌與高頻率低應(yīng)力疲勞斷裂相似，具有高周疲勞斷裂的所有基本特征。振動疲勞斷裂的疲勞核心一般源于最大應(yīng)力處，但引起斷裂的原因，主要是結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。因而應(yīng)通過改變構(gòu)件的形狀、尺寸等調(diào)整設(shè)備的自振頻率等措施予以避免。5、接觸疲勞4.3金屬零件的疲勞斷裂失效第25頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月24.3金屬零件的疲勞斷裂失效第26頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月24.3金屬零件的疲勞斷裂失效第27頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2

3.3.2疲勞斷裂原因分析

1、零件的結(jié)構(gòu)形狀零件的結(jié)構(gòu)形狀不合理，主要表現(xiàn)在該零件中的最薄弱的部位存在轉(zhuǎn)角、孔、槽、螺紋等形狀的突變而造