第四章 材料的疲勞

1、.,第四章 材料的疲勞,.,問(wèn)題的提出： 1）許多工程結(jié)構(gòu)在服役時(shí)承受變動(dòng)載荷 （如曲軸、連桿、齒輪、橋梁等） 2）在機(jī)械零件斷裂失效中有80以上屬于疲勞破壞 3）疲勞斷裂通常發(fā)生在遠(yuǎn)低于材料靜強(qiáng)度的變動(dòng)應(yīng)力條件下，并且破壞前不發(fā)生明顯塑性變形，難以檢測(cè)和預(yù)防 因此：研究材料的疲勞性能有重要意義,.,外加變動(dòng)載荷造成的機(jī)械疲勞 變動(dòng)載荷與高溫聯(lián)合作用引起的蠕變-疲勞 機(jī)件溫度變化和應(yīng)力交變導(dǎo)致的熱疲勞 存在侵蝕性介質(zhì)的環(huán)境中施加變動(dòng)載荷引起的腐蝕疲勞 兩個(gè)部件循環(huán)接觸引起的磨損疲勞,定義疲勞： 工件在應(yīng)力和應(yīng)變長(zhǎng)期反復(fù)作用下發(fā)生損傷和斷裂的現(xiàn)象。,.,分類(lèi)： (1) 按應(yīng)力狀態(tài)不同，可分為：彎

2、曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、擠壓疲勞、復(fù)合疲勞 (2) 按環(huán)境及接觸情況不同，可分為：大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、熱疲勞、接觸疲勞 (3) 按斷裂壽命和應(yīng)力高低不同，可分為：高周疲勞、低周疲勞，這是最基本的分類(lèi)方法,.,1、疲勞概述,1.1 變動(dòng)載荷（應(yīng)力）： 載荷（應(yīng)力）大小，甚至方向隨時(shí)間變化的載荷（應(yīng)力） 可分為： 周期變動(dòng)；隨機(jī)變動(dòng),.,周期變動(dòng)應(yīng)力：（a）（b）（c），循環(huán)應(yīng)力或交變應(yīng)力。火車(chē)車(chē)軸和曲軸軸頸上的一點(diǎn)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中所受的力。 隨即變動(dòng)應(yīng)力：（d），如飛機(jī)、汽車(chē)上的零件。,.,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

3、最常見(jiàn)的為正弦波。 應(yīng)力每重復(fù)變化一次的過(guò)程，稱(chēng)為一個(gè)應(yīng)力循環(huán)，完成一個(gè)應(yīng)力循環(huán)所需的時(shí)間稱(chēng)為一個(gè)周期，用 t表示。表征應(yīng)力循環(huán)特征的參量有： 最大（最小）循環(huán)應(yīng)力max；min 平均應(yīng)力 m= (max+min)/2 應(yīng)力半幅 a=/2 = (max-min)/2 應(yīng)力比 r =min/max （表征變動(dòng)的不對(duì)稱(chēng)程度）,.,（a）m =0，r=-1時(shí)，為對(duì)稱(chēng)循環(huán)。大多數(shù)旋轉(zhuǎn)軸類(lèi)零件承受此類(lèi)應(yīng)力。 （b）-（d）非對(duì)稱(chēng)載荷，m 0,.,（b）m =a0，r=0時(shí)，拉應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)，壓力容器； （c） m =aa，0r1時(shí)，波動(dòng)循環(huán)，發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋、螺栓承受此種應(yīng)力。,.,例題,疲勞試驗(yàn)的平均應(yīng)力是

4、50mpa，應(yīng)力變化幅度是30mpa。試計(jì)算：1、最大應(yīng)力；2、最小應(yīng)力；3、應(yīng)力比。 解：平均應(yīng)力m= (max+min)/2=50 應(yīng)力變化=2a= (max-min)=30 max=65mpa；min=35mpa；r=0.54,.,1.2 疲勞破壞 疲勞破壞過(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。 機(jī)件疲勞失效前的循環(huán)次數(shù)稱(chēng)為疲勞壽命，疲勞斷裂壽命隨循環(huán)應(yīng)力不同而改變。,.,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)

5、疲勞破壞的斷裂應(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。 (2)疲勞破壞屬低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂，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(wú)限長(zhǎng)。所以對(duì)于疲勞壽命的預(yù)測(cè)就顯得十分重要和必要。 (3)疲勞損傷是在長(zhǎng)期累積損傷過(guò)程中，經(jīng)裂紋萌生和緩慢亞穩(wěn)擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)才突然發(fā)生的。,.,(4)疲勞破壞經(jīng)歷了裂紋的萌生、擴(kuò)展和最后斷裂三個(gè)階段。 (5)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。

6、 (6)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。,.,1.3 疲勞斷口的宏觀特征,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)。,.,（1）疲勞源 是疲勞裂紋萌生的策源地，裂紋萌生的位置，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，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。 特征 1）疲勞源區(qū)比較光滑（受反復(fù)擠壓，摩擦次數(shù)多） 2）表面硬度因加工硬化有所提高 3）可以是一個(gè)，也可能有多個(gè)疲勞源（和應(yīng)力狀態(tài)及過(guò)載程度有關(guān)），發(fā)生先后跟光

7、亮程度有關(guān)。,.,（2）疲勞區(qū) 是疲勞裂紋亞臨界擴(kuò)展形成的區(qū)域。 其宏觀形貌是斷口較光滑并分布有貝紋線(xiàn)(或 海灘花樣)，有時(shí)還有裂紋擴(kuò)展臺(tái)階。 特點(diǎn)： 貝紋線(xiàn)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(guò)載等，均要在裂紋擴(kuò)展前沿線(xiàn)留下弧狀貝紋線(xiàn)痕跡。所以只出現(xiàn)在實(shí)際構(gòu)件的疲勞斷口上。 貝紋線(xiàn)是以疲勞源為圓心的平行弧線(xiàn)，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(xiàn)較密，遠(yuǎn)離疲勞源區(qū)貝紋線(xiàn)較疏 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。,.,（3）瞬斷區(qū) 是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域。 該

8、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。,.,.,2、疲勞的宏觀表征,要知道在多大力的載荷下材料能承受多少次循環(huán)？大量實(shí)驗(yàn) 2.1 疲勞曲線(xiàn) 德國(guó)人wohler針對(duì)火車(chē)車(chē)軸疲勞進(jìn)行研究，得到了循環(huán)應(yīng)力（s）與疲勞循環(huán)壽命（n）之間的關(guān)系。疲勞曲線(xiàn)（s-n曲線(xiàn)）,.,旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn),試樣旋轉(zhuǎn)并承受一彎矩。產(chǎn)生彎矩的力恒定不變且不轉(zhuǎn)動(dòng)。試樣可裝成懸臂，在一點(diǎn)或兩點(diǎn)加力；或裝成橫梁，在四點(diǎn)加力。試驗(yàn)一直進(jìn)行到試樣失效或超過(guò)預(yù)定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。,光滑無(wú)缺口疲勞試樣 m =0，r=-

9、1的對(duì)稱(chēng)循環(huán)及應(yīng)力幅 純彎曲條件,.,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定大小以后，材料不斷裂。,疲勞曲線(xiàn)測(cè)定方法 1）選擇幾個(gè)不同的最大循環(huán)應(yīng)力1，2n 2）測(cè)定從加載到試樣斷裂所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)n1，n2nn，即疲勞壽命 3）繪制n 曲線(xiàn)或者 lgn曲線(xiàn)或者lg -lgn曲線(xiàn),.,完整s-n曲線(xiàn),準(zhǔn)靜態(tài)斷裂（ab段）：a端應(yīng)力接近于抗拉強(qiáng)度，循環(huán)壽命很短，準(zhǔn)靜態(tài)斷裂。,低周疲勞（bc段）：隨著循環(huán)次數(shù)的增加，使材料發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力不斷下降。 c點(diǎn)相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)大約在10000左右。這一階段由于應(yīng)力循環(huán)次數(shù)相對(duì)很小，所以叫做低周疲勞。 低周疲勞時(shí)，由于應(yīng)力水平較高，一般s，發(fā)生較大應(yīng)變，不適用于循環(huán)頻率較高的

10、試驗(yàn)，故也稱(chēng)低頻疲勞或應(yīng)變疲勞。,.,觀察試件在這一階段的破壞斷口，可見(jiàn)到材料已發(fā)生塑性變形的特征。所以低周疲勞性能常用應(yīng)變-壽命曲線(xiàn)表征。一般的疲勞曲線(xiàn)特指n104范圍內(nèi)的應(yīng)力-壽命曲線(xiàn)。,有些機(jī)械零件，例如一次性使用的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的某些零件、導(dǎo)彈殼體等，在整個(gè)使用壽命期間應(yīng)力變化次數(shù)只有幾百到幾千次，故其疲勞屬于低周疲勞。但對(duì)絕大多數(shù)通用零件來(lái)說(shuō)，當(dāng)其承受變應(yīng)力作用時(shí)，其應(yīng)力循環(huán)次數(shù)總是大于10000的。所以大部分是高周疲勞。,.,高周疲勞（cd段）：循環(huán)應(yīng)力較低的cd段壽命較長(zhǎng)，稱(chēng)高周疲勞。大多數(shù)通用機(jī)械零件及專(zhuān)用零件的失效都是由高周疲勞引起的。,d,有限疲勞壽命,無(wú)限疲勞壽命,bd段代表

11、有限壽命疲勞破壞。在此范圍內(nèi)，試件經(jīng)過(guò)相應(yīng)次數(shù)的變應(yīng)力作用后總會(huì)發(fā)生疲勞破壞。 在d點(diǎn)以后，如果maxd 時(shí),則無(wú)論應(yīng)力變化多少次,材料都不會(huì)破壞。故d點(diǎn)以后的水平線(xiàn)代表了試件無(wú)限壽命疲勞階段。 d點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力d是材料的無(wú)限壽命疲勞極限，也稱(chēng)為持久疲勞極限，用符號(hào)-1表示。,.,2.2 疲勞極限,金屬材料的疲勞曲線(xiàn)有兩類(lèi)，所以疲勞極限也有兩種。 一類(lèi)有水平線(xiàn)（結(jié)構(gòu)鋼、球磨鑄鐵）的疲勞曲線(xiàn)，水平線(xiàn)表示在此循環(huán)應(yīng)力作用下，試樣可經(jīng)歷無(wú)限次循環(huán)而不發(fā)生斷裂（1，n），此循環(huán)應(yīng)力即疲勞極限。 另一類(lèi)無(wú)水平線(xiàn)（有色金屬、高強(qiáng)鋼或不銹鋼）的疲勞曲線(xiàn)，規(guī)定能達(dá)到某一循環(huán)周次（一般為n=107）而不斷裂的最

12、大應(yīng)力為疲勞極限（條件疲勞極限）。,（1）對(duì)稱(chēng)應(yīng)力循環(huán)下的疲勞極限,.,幾種材料的s-n曲線(xiàn),.,疲勞極限： 對(duì)于對(duì)稱(chēng)循環(huán)載荷（ r = -1 ) 1）對(duì)稱(chēng)彎曲：-1 2）對(duì)稱(chēng)扭轉(zhuǎn)：-1 3）對(duì)稱(chēng)拉壓：-1p 當(dāng)循環(huán)應(yīng)力為非對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力時(shí)，計(jì)為r,.,疲勞極限測(cè)定方法：,單點(diǎn)法 首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在一給定循環(huán)應(yīng)力幅a,i下測(cè)定壽命n，若n107，則計(jì)算 a = a,i+1 - a,i 若a 5% a,i ，則疲勞極限為,較簡(jiǎn)單，容易施行，但精確度較低，只能粗略估算。,.,升降法 取不少于13個(gè)試樣，進(jìn)行分級(jí)載荷下的疲勞壽命測(cè)試。以n=107為參考值，來(lái)判斷下一個(gè)試樣的載荷時(shí)升還是降。若n107，則下

13、一個(gè)試樣的載荷升一級(jí)，一直到13個(gè)試樣做完為止。則疲勞極限為,m有效試驗(yàn)總次數(shù) n試驗(yàn)應(yīng)力水平級(jí)數(shù) a第i級(jí)應(yīng)力水平 i第i級(jí)應(yīng)力水平下的試驗(yàn)次數(shù),.,時(shí)間長(zhǎng)，較復(fù)雜，但結(jié)果精確度較高，是標(biāo)準(zhǔn)方法。,.,應(yīng)力狀態(tài)對(duì)疲勞極限的影響,一般情況下 -1 -1p -1 應(yīng)力狀態(tài)對(duì)疲勞極限有影響,例如：-1p =0.85 -1 （鋼） -1p =0.65 -1 （鑄鐵） -1 =0.55 -1 （鋼） -1 =0.8 -1 （鑄鐵）,.,載荷頻率對(duì)疲勞極限的影響,f170hz，疲勞極限提高 f103hz，疲勞極限降低,.,強(qiáng)度和疲勞極限的關(guān)系,一般可以根據(jù)材料的靜強(qiáng)度估算疲勞極限。 存在關(guān)系：抗拉強(qiáng)度越

14、高，疲勞極限越高。 對(duì)結(jié)構(gòu)鋼： -1p =0.23（ s + b ）； -1 =0.27（ s + b ） 對(duì)鑄鐵： -1p =0.4 b ； -1 =0.45 b 對(duì)鋁合金： -1p =0.17 b +7.5； -1 =0.17 b -7.5 對(duì)青銅： -1 =0.21 b 疲勞極限與材料強(qiáng)度近似成正比，所以合金化、細(xì)化晶粒和組織等強(qiáng)化方法可以提高材料的疲勞極限。,.,大多數(shù)機(jī)械零件所承受載荷屬于非對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力。 考慮平均應(yīng)力、應(yīng)力幅、應(yīng)力比,（2）非對(duì)稱(chēng)應(yīng)力循環(huán)下的疲勞極限,應(yīng)力比提高，疲勞極限和疲勞壽命增長(zhǎng)!,.,平均應(yīng)力提高，疲勞極限和疲勞壽命減小!,.,2.3 疲勞過(guò)載,有時(shí)要求機(jī)件

15、在高于疲勞極限的應(yīng)力狀態(tài)下工作。 偶爾短時(shí)過(guò)載：汽車(chē)的緊急剎車(chē)或猛然起動(dòng) 無(wú)無(wú)限壽命要求 ：飛機(jī)的起落架 需要研究材料過(guò)載下的疲勞壽命,.,（1）過(guò)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(chēng)為材料的過(guò)載持久值。 有限疲勞壽命,特點(diǎn)： 由疲勞曲線(xiàn)傾斜部分確定，曲線(xiàn)傾斜得越陡直，持久值越高，表明材料在相同的過(guò)載條件下能經(jīng)受的應(yīng)力循環(huán)周次愈多，材料對(duì)過(guò)載荷的抗力愈高。,.,basqiin發(fā)現(xiàn)應(yīng)力幅與載荷反向數(shù)（循環(huán)次數(shù)）的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,f為疲勞強(qiáng)度系數(shù)，對(duì)于大多數(shù)金屬，非常接近于經(jīng)過(guò)頸縮修正的單向拉伸真實(shí)斷裂強(qiáng)度。 b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)，對(duì)大多數(shù)金屬，其值在-0.05-0.

16、12之間。,循環(huán)應(yīng)力福與壽命的雙對(duì)數(shù)成一直線(xiàn)！,.,（2）過(guò)載損傷界,實(shí)際上，機(jī)件往往預(yù)先受短期過(guò)載，而以后再在正常的工作應(yīng)力下運(yùn)行。這種短期的過(guò)載對(duì)材料的性能是否產(chǎn)生影響？ 可能產(chǎn)生影響過(guò)載損傷！ 材料在某一過(guò)載應(yīng)力水平下，只有運(yùn)行一定周次后，疲勞強(qiáng)度或疲勞壽命才會(huì)降低，造成過(guò)載損傷,把在每個(gè)過(guò)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(lái)就得到該材料的過(guò)載損傷界,.,選定三級(jí)過(guò)載應(yīng)力水平，在每一級(jí)應(yīng)力水平下選取多個(gè)試樣，進(jìn)行不同周次的過(guò)載循環(huán)，然后再在疲勞極限的應(yīng)力下運(yùn)轉(zhuǎn)，考察是否影響了疲勞壽命。 若疲勞壽命降低，說(shuō)明過(guò)載周次已超過(guò)損傷界。反復(fù)試驗(yàn)后可以較為準(zhǔn)確的確定該級(jí)應(yīng)力水平下的損傷周次

17、。 再確定另外兩級(jí)應(yīng)力水平下的損傷界。將三點(diǎn)連接得到了損傷界。,過(guò)載損傷界到疲勞曲線(xiàn)間的影線(xiàn)區(qū)稱(chēng)為材料的過(guò)載損傷區(qū),過(guò)載損傷界完全由試驗(yàn)測(cè)得,.,過(guò)載應(yīng)力-周次組合一旦落入此區(qū)，則會(huì)產(chǎn)生過(guò)載損傷，造成材料疲勞極限降低或疲勞壽命降低。,過(guò)載損傷界越陡直，損傷區(qū)越窄，其抵抗疲勞過(guò)載的能力越強(qiáng)。 工業(yè)上需要考慮過(guò)載損傷區(qū)！,.,（3）疲勞損傷累積,工程上許多構(gòu)件承受變幅載荷，甚至隨機(jī)變動(dòng)載荷，要估算疲勞壽命？ 疲勞損傷累積理論 疲勞損傷累積理論基本假設(shè)：在高應(yīng)力下，每循環(huán)一次就使材料產(chǎn)生一定量的損傷，隨循環(huán)次數(shù)增加，損傷逐步累積，當(dāng)累積達(dá)到一臨界值時(shí)，材料便發(fā)生疲勞斷裂。,.,p-m理論：在同一級(jí)應(yīng)

18、力水平下，每次循環(huán)產(chǎn)生的損傷是相同的，在該級(jí)應(yīng)力水平下所產(chǎn)生的損傷與在該級(jí)應(yīng)力水平下循環(huán)的次數(shù)成反比。 如：試樣損傷達(dá)到d則斷裂，即每次循環(huán)產(chǎn)生的損傷為d/n。,試樣先在循環(huán)應(yīng)力1下循環(huán)n1次。 損傷累積為dn1/n1。 再在循環(huán)應(yīng)力下2循環(huán)n2次斷裂。 損傷累積為dn2/n2.,.,則有,多級(jí)應(yīng)力,p-m理論,注：p-m理論近似正確。但是它不考慮高、低載荷加載次序的影響。實(shí)際上，疲勞壽命應(yīng)受到加載順序的影響。 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：低-高載荷加載次序下及較光滑無(wú)缺陷的試樣中，此值一般1 高-低載荷加載次序下及帶缺口試樣中，此值一般1,.,（4）次載鍛煉和間歇效應(yīng),試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，金屬在低于或接近于疲勞極限的應(yīng)

19、力下運(yùn)轉(zhuǎn)一定周次后，會(huì)使疲勞極限提高，這種現(xiàn)象稱(chēng)為次載鍛煉。,例如：45鋼經(jīng)淬火加200回火后，在0.9-1應(yīng)力下鍛煉2*106次，整個(gè)疲勞曲線(xiàn)明顯右移和升高，表明既延長(zhǎng)了疲勞壽命又提高了疲勞極限。,次載鍛煉,.,這可能是次載鍛煉和輕度加工相似，提高了材料的強(qiáng)度的緣故。次載鍛煉既能提高疲勞極限，又可延長(zhǎng)過(guò)載疲勞壽命。 一般情況下，次載鍛煉的循環(huán)周次越長(zhǎng)，鍛煉效果越好。 有些新制成的機(jī)器在空載或不滿(mǎn)載條件下先運(yùn)行一段時(shí)間，一方面可以使運(yùn)動(dòng)配合部分嚙合得更好（跑合）；另一方面可以利用次載鍛煉原理提高機(jī)件的使用壽命。,.,許多事實(shí)表明，機(jī)件的實(shí)際壽命與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)存在明顯的差異。這是因?yàn)楣ぜC(jī)件幾乎都

20、是非連續(xù)、間歇地運(yùn)作的。 一方面可能是因?yàn)榇屋d鍛煉； 另一方面：間歇效應(yīng)對(duì)疲勞壽命的影響。 常用的20、45鋼具有較強(qiáng)的應(yīng)變時(shí)效作用，如果在循環(huán)加載運(yùn)行中間歇空載一定時(shí)間，可以提高疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命。,間歇效應(yīng),.,需注意，間歇提高疲勞壽命的效果是在次載條件下體現(xiàn)的。此時(shí)，疲勞強(qiáng)化起主要作用，間歇產(chǎn)生時(shí)效強(qiáng)化，因而提高壽命。 若在過(guò)載范圍內(nèi)間歇，對(duì)壽命無(wú)影響，甚至降低壽命。因?yàn)榇藭r(shí)過(guò)載產(chǎn)生過(guò)載損傷積累，造成疲勞弱化，弱化起主要作用。 在次載下間歇有個(gè)最佳間歇時(shí)間，其長(zhǎng)短與應(yīng)力大小有關(guān)。應(yīng)力高則最佳間歇時(shí)間短，應(yīng)力低則最佳間歇時(shí)間長(zhǎng)。 采用合適的間歇時(shí)間和間歇周次進(jìn)行間歇加載，能有效提高疲勞強(qiáng)度

21、和疲勞壽命,.,2.4 疲勞缺口敏感度,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(lèi)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 式中：kt為理論應(yīng)力集中系數(shù)，可查， kt 1; kf為疲勞缺口系數(shù),.,kf: 疲勞缺口系數(shù)；為光滑試樣和缺口試樣疲勞強(qiáng)度之比 kf 1 ,與缺口幾何形狀和材料有關(guān) 當(dāng)kf =1時(shí)，-1=-1n，缺口不降低疲勞極限，說(shuō)明疲勞過(guò)程中應(yīng)力產(chǎn)生了很大的重新分布，應(yīng)力集中完全消除。此時(shí)qf 趨近于零，材料對(duì)疲勞缺口完全不敏感 kf = kt時(shí)，即缺口試樣疲勞過(guò)程

22、中的應(yīng)力分布與非疲勞狀態(tài)下試樣的應(yīng)力分布完全一樣，沒(méi)有發(fā)生應(yīng)力重新分布，此時(shí)qf =1，材料對(duì)缺口十分敏感 qf可以反映疲勞過(guò)程中材料發(fā)生應(yīng)力重分布的能力，即降低應(yīng)力集中的能力。,.,1 qf 0 ，越大，缺口敏感度越高。 qf 隨材料強(qiáng)度增高而增大 結(jié)構(gòu)鋼：=0.60.8 球墨鑄鐵：=0.110.25 灰鑄鐵：=00.05 低周疲勞的缺口敏感度一般小于高周疲勞，因?yàn)榈椭芷趹?yīng)力較高，缺口根部一部分已處于塑性區(qū)，降低了應(yīng)力集中效應(yīng)。,.,2.5 低周疲勞 2.6 疲勞裂紋擴(kuò)展速率,低周疲勞的特點(diǎn) 構(gòu)件的總壽命=裂紋萌生ni+裂紋擴(kuò)展壽命np 不講,.,3、疲勞的微觀過(guò)程,疲勞的微觀過(guò)程主要包括

23、疲勞裂紋的萌生和疲勞裂紋的擴(kuò)展兩個(gè)階段。,構(gòu)件的總壽命 =裂紋萌生ni+裂紋擴(kuò)展壽命np,.,起初位錯(cuò)密度很低 10次循環(huán)后，位錯(cuò)密度顯著增加，分布較均勻 100次以后，位錯(cuò)密度進(jìn)一步增加，分布逐漸不均勻，呈帶狀分布 循環(huán)次數(shù)進(jìn)一步增加，位錯(cuò)密度增加緩慢，位錯(cuò)分布更加不均勻 最終位錯(cuò)密度趨于穩(wěn)定，位錯(cuò)分布穩(wěn)定。,3.1 循環(huán)變形 金屬在低于彈性極限的交變應(yīng)力作用下，雖然整體仍處于宏觀彈性狀態(tài)，但在某些部位，如表面、內(nèi)部界面、夾雜物、應(yīng)力集中區(qū)等微觀結(jié)構(gòu)不均勻處已發(fā)生塑性變形。,.,循環(huán)變形與單調(diào)加載時(shí)位錯(cuò)滑移完全不同。 單調(diào)加載時(shí)，隨著載荷的不斷增加，滑移可以傳播至整個(gè)晶粒和整個(gè)金屬內(nèi)部。 循

24、環(huán)應(yīng)力下，滑移只在一些晶粒的局部區(qū)域發(fā)生。,位錯(cuò)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)與循環(huán)幅度相關(guān)： 循環(huán)幅度較小時(shí)為帶狀結(jié)構(gòu) 循環(huán)幅度較大時(shí)為胞狀結(jié)構(gòu),.,將純銅的疲勞試樣表面拋光，而后在疲勞循環(huán)過(guò)程中觀察試樣表面。 滑移線(xiàn)逐漸出現(xiàn)、增多，形成滑移帶 循環(huán)次數(shù)增加，已形成的滑移帶變寬、滑移帶內(nèi)德滑移線(xiàn)變密，而沒(méi)有出現(xiàn)新的滑移帶。 這種不均勻的局部滑移只發(fā)生在某些晶粒內(nèi)。,位錯(cuò)排列成高密度的位錯(cuò)墻，墻之間為低位錯(cuò)密度的基體。,如把試樣拋光和疲勞反復(fù)進(jìn)行，會(huì)發(fā)現(xiàn)有些部位的滑移帶反復(fù)出現(xiàn)在原有位置，稱(chēng)為駐留滑移帶。,.,3.2 疲勞裂紋的萌生,1）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 2）定義裂紋長(zhǎng)

25、度為0.050.10mm時(shí)為裂紋疲勞核，對(duì)應(yīng)的循環(huán)周期為裂紋萌生期 3）低應(yīng)力時(shí)，疲勞裂紋萌生壽命可占總壽命的大半,.,疲勞裂紋形核方式由不均勻滑移和顯微開(kāi)裂引起 1）表面滑移帶開(kāi)裂 2）氣泡、孔洞本身開(kāi)裂 3）晶界開(kāi)裂 疲勞微裂紋形成的三種形式,.,1、表面疲勞裂紋萌生疲勞裂紋一般易產(chǎn)生在自由表面,1）扭轉(zhuǎn)疲勞、彎曲疲勞時(shí)都是表面應(yīng)力最大。 2）實(shí)際表面存在缺陷的幾率較大，如劃痕、缺口等，易為應(yīng)力集中區(qū)域。 3）自由表面晶粒受約束較小，更易發(fā)生塑性變形。 4）自由表面與大氣接觸，因此，表面晶粒受環(huán)境影響最大。,.,疲勞裂紋一般易產(chǎn)生在自由表面 1、表面狀態(tài)對(duì)疲勞極限和壽命有很大影響 表面越光

26、滑，可作為表面缺口而引起應(yīng)力集中的部位越少，疲勞性能越好制作高強(qiáng)度循環(huán)應(yīng)力零件，表面需要精加工。 2、可采用表面強(qiáng)化方式提高壽命：如噴丸、滾壓、表面熱處理、表面鍍層等。,.,表面滑移帶開(kāi)裂解釋 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，在這些地方引起應(yīng)力集中，引發(fā)微裂紋,金屬表面“擠出”與“侵入”并形成裂紋,.,擠出和侵入的形成過(guò)程（交叉滑移模型） 交叉滑移模型,.,2、內(nèi)部疲勞裂紋萌生,1）相界面開(kāi)裂產(chǎn)生裂紋 孔洞、氣泡等宏觀缺陷本身就類(lèi)似裂紋，引發(fā)應(yīng)力集中，萌生裂紋；第二相，夾雜物與基體界面開(kāi)裂或夾雜物本身開(kāi)裂都會(huì)使疲勞裂紋萌生。只有降低第二相的脆性，提高相界面強(qiáng)度，控制第二相或者

27、夾雜物的數(shù)量、大小、形態(tài)及其分布，才能抑制相界面開(kāi)裂產(chǎn)生裂紋，提高疲勞抗力。,.,2）晶界開(kāi)裂產(chǎn)生裂紋 晶界的存在和相鄰晶界的取向性不同，會(huì)阻礙基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，造成位錯(cuò)塞積，引發(fā)應(yīng)力集中。 在應(yīng)力不斷循環(huán)下，晶界處的應(yīng)力得不到松弛，應(yīng)力峰越來(lái)越高，超過(guò)晶體強(qiáng)度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生晶界處裂紋，使得晶界開(kāi)裂。故可以使晶界弱化和晶粒粗化的因素，均易產(chǎn)生晶界裂紋，降低疲勞抗力。 所以晶界強(qiáng)化、凈化和細(xì)化晶粒等手段，均能抑制晶界處裂紋形成，提高疲勞抗力。,.,3.3 疲勞裂紋的擴(kuò)展 疲勞裂紋擴(kuò)展大致經(jīng)歷兩個(gè)階段,第一階段： 疲勞裂紋沿最大切應(yīng)力方向（與主應(yīng)力呈45）向晶內(nèi)擴(kuò)展，并逐漸轉(zhuǎn)向與拉應(yīng)力垂直。 第二階段： 沿垂直拉應(yīng)力方向向前擴(kuò)展形成主裂紋，直至最后形成剪切唇。,.,第一階段時(shí)萌生的微裂紋數(shù)可能很多，并沿最大切應(yīng)力