第五章 金属的疲劳

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1、,,,,,,,*,,,,,,,,,,材料性能学,,Property of Materials,中国石油大学,,China University of Petroleum,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,*,,,,,,,,,,材料性能学,,Property of Materials,中国石油大学,,China University of Petroleum,,,,,,,,,,,,,,,材料性能学,第五章 金属的,疲劳,主要内容,,,疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛,值,☆,疲劳曲线及基本疲劳力学性能,☆,,,,,,,金属疲劳现象及特点,,,,,,,疲劳过程及机理,影响疲劳强度的主要因素,低周

2、疲劳,,,,,,,疲劳与彗星号客机,机械零件失效中有,80,％以上属于疲劳破坏,最大应力,<,σ,b,，（,<,σ,s,）；不产生明显的塑性变形，呈现脆性的突然断裂。,疲劳,,机件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象。,§5.1,金属疲劳现象及特点,1.,变动载荷,,变动载荷,,变动应力,,规则周期变动应力（循环应力）,,无规则随机变动应力,一、变动载荷和循环应力,2.,循环应力,最大应力：,σ,max,,最小应力：,σ,min,,平均应力：,,,σ,m,=1/2,（,σ,max,+σ,min,）,,应力幅：,,,σ,a,=1/2,（,σ,max,-σ,min,）,,应力比

3、：,,r=,σ,min,/σ,max,循环应力的种类,对称交变应力：,σ,m,=0,，,r=-1,,脉动应力：,σ,m,=,σ,a,>0,，,r=0,or,,σ,m,=,σ,a,<0,，,r=- ∞,,波动应力：,σ,m,,>,,σ,a,，,010,5,周次，断裂应力水平较低，,σ<,σ,s,，也称低应力疲劳。,,低周疲劳：,断裂寿命

4、较短，,N,f,=,（,10,2,-10,5,）周次，断裂应力水平较高，,σ,≥,σ,s,，往往有塑性应变出现，称高应力疲劳或应变疲劳,1,、分类,2,、特点,（,1,）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂,;,,（,2,）疲劳是潜在的突发性脆性断裂,;,,（,3,）疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感,;,,（,4,）疲劳断口能清楚显示裂纹的萌生、扩展和断裂。,三、疲劳宏观断口特征,断口有三个区域：,疲劳源、疲劳区、瞬断区,,随材质、应力状态的不同，三个区的大小和位置不同。,（,1,）疲劳源,机件表面→缺陷,,光亮度最大,，断面不断摩擦挤压所致,,加工硬化,,随应力状态及应力大小

5、的不同，可有一个或几个,,源区的光亮度越大、相邻疲劳区越大、贝纹线越多，疲劳源越先产生。,（,2,）疲劳区,疲劳裂纹,亚稳扩展,形成的断口区域,,宏观特征：断口比较光滑并分布有,贝纹线,（或海滩花样）,,贝纹线是疲劳区的最大特征，以疲劳源为圆心的平行弧线，由载荷变动引起的,（,3,）瞬断区,疲劳源的对侧，裂纹最后失稳快速扩展所形成,,随着,σ,不断循环，,a,不断长大，,a→a,c,时，,K,I,→,K,IC,，导致机件最后瞬时断裂。,,宏观特征：断口粗糙，脆性材料为结晶状断口，韧性材料有放射状纹理，边缘为剪切唇,.,疲劳,循环应力,高周疲劳,,低周疲劳,断口特征：,,疲劳源,,疲劳区,,瞬

6、断区,目录,§5.2,疲劳曲线及基本疲劳力学性能,（,1,）,S-N,曲线,,纵坐标：,σ,max,or,σ,a,,横坐标：断裂循环周次,,意义,,反映疲劳应力与疲劳寿命的关系,一、疲劳曲线和对称循环疲劳极限,1.,疲劳曲线和疲劳极限,（,2,）疲劳极限（,σ,r,）,,材料可以经无限次应力循环而不断裂的最大应力,（,3,）类型,,无限寿命：,,结构钢，球铁,,不可标无限寿命：,,高强钢，有色金属,,（,4,）疲劳断裂应力判据,,σ,≥,σ,-1,（对称应力）,,σ,≥,σ,r,（非对称应力）,,！,,10,7,周次,——N,0,,高强钢和铝合金取,10,8,2.,不同应力状态下的疲劳极限,对

7、称弯曲疲劳极限：,σ,-1,,对称扭转疲劳极限：,τ,-1,,对称拉压疲劳极限：,σ,-1p,,（,1,）一般材料：,σ,-1,>σ,-1p,>τ,-1,,（,2,）具体数值关系,,钢：,σ,-1p,＝,0.85σ,-1,,铸铁 ：,σ,-1p,＝,0.65σ,-1,，,τ,-1,＝,0.8σ,-1,,铜及轻合金：,τ,-1,＝,0.55σ,-1,3.,疲劳极限与静强度的关系,金属材料的,σ,b,越大，其疲劳极限也越大。,,线性关系，,σ,b,较低时，,σ,-1,=0.5σ,b,σ,s,/σ,b,结构钢,:σ,-1p,=0.23(σ,s,+ σ,b,),,σ,-1,=0.27(σ,s,+ σ,

8、b,),铸 铁：,σ,-1p,=0.4 σ,b,,σ,-1,=0.4 5σ,b,铝合金：,σ,-1p,=1/6 σ,b,+7.5MPa,,σ,-1p,=1/6 σ,b,-7.5MPa,青 铜：,σ,-1,=0.21σ,b,经验公式,:,4.,疲劳曲线的测定,旋转弯曲疲劳试验机,,升降法测定,σ,-1,， ＞,13,根,,成组法测高应力部分,二、疲劳图和不对称循环疲劳极限,不对称循环,(,载荷,),疲劳极限,,工程作图法,——,疲劳图,（各种循环疲劳极限的集合图）,,σ,a,-σ,m,疲劳图,,σ,max,,(,σ,min,) -,σ,m,疲劳图,应力比,r,对疲劳极限的影响,r,增

9、加，,S,－,N,曲线上移，,σ,r,升高,1.,σ,a,-σ,m,疲劳图,σ,r,,＝,σ,a,＋,σ,m,,（,ABC,线上）,,σ,max,,＝,σ,r,,σ,max,,＝,σ,a,+σ,m,ABC,曲线数学解析式,2.,σ,max,(σ,min,)-σ,m,疲劳图,AHB,，在不同,r,下的疲劳极限,σ,max,,疲劳极限随,σ,m,或,r,的增加而增加，但,σ,a,减小,塑性材料,σ,max,-σ,m,疲劳图,三、抗疲劳过载能力,偶然短时过载,—σ,-1,,过载损伤,：,如果金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后，其疲劳极限和疲劳寿命减小的现象。,,一定过载应力,+,一定周次

10、→ 过载损伤,,金属材料抵抗过载损伤的能力,——,过载损伤界、过载损伤区,,,累积过载周次,过载损伤界,,过载持久值：,高应力区,应力循环周次,,过载损伤区,,离持久值线越近，,σ,r,降低的越多。,,越陡直越好,,原因：非扩展裂纹,四、疲劳缺口敏感度,Kt,：理论应力集中系数，,K,t,=,σ,max,/σ,,,,>1,,Kf,：疲劳缺口系数，,K,f,=σ,-1,/σ,-1N,,,,>1,,K,f,=K,t,，,q,f,=1,，材料的缺口敏感性最大。,,K,f,=1,，,σ,-1,=σ,-1N,，缺口不降低疲劳极限，,q,f,=0,，材料的缺口敏感性最小。,,q,f,值能反映材料降低应力集

11、中的能力。,影响因素,,高周疲劳时：大多数金属都对缺口十分敏感；,,低周疲劳时：对缺口不太敏感→塑性区内应力松弛，应力集中降低,,强度、硬度上升，,q,f,上升，即敏感,,缺口尖锐度上升，,q,f,降低。,§5.3,疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值,先预制疲劳裂纹，固定,r,和△,σ,,a-N,曲线,,da/dN,：裂纹扩展速率,,△,σ,1,,△σ,2,：,a,c,和,N,p,减小。,一、疲劳裂纹扩展曲线,疲劳过程：裂纹萌生、亚稳扩展、失稳扩展,二、疲劳裂纹扩展速率,（一） 疲劳裂纹扩展速率曲线,,da/dN,—,应力水平、裂纹尺寸,,△,σ,与,a,复合为,应力强度因子范围△,K,,,△,K

12、—,控制裂纹扩展的复合力学参量,,疲劳裂纹扩展速率曲线,曲线分析,I,区（初始段）,,△,K≤△K,th,,da/dN,很小，裂纹不扩展,,△,K>△,Kth,△K↑,，,da/dN,↑,，裂纹扩展但不快。,,II,区（主要段）,,△,K↑,，,da/dN,↑,，裂纹亚稳扩展，决定疲劳裂纹扩展寿命,,III,区（最后段）,,△,K↑,，,da/dN,↑↑,，裂纹失稳扩展,（二）疲劳裂纹扩展门槛值,定义：疲劳裂纹不扩展的△,K,临界值， 记为△,K,th,，表示材料阻止疲劳裂纹开始扩展的性能，,5~10%K,IC,,材料的力学性能指标。其值越大，材料越好。,,△,K,th,与,σ,-1,相似,—

13、—,无限寿命疲劳强度,,σ,-1,，光滑试样，用于传统设计和校核，,,△,K,th,，裂纹试样，适于裂纹件,,,裂纹件无限寿命校核公式：,疲劳极限（,σ,r,）,S-N,曲线,σ,a,-σ,m,疲劳图,σ,max,-σ,m,疲劳图,疲劳缺口敏感度,过载损伤,a-N,曲线,疲劳裂纹扩展门槛值，,ΔK,th,（三）,Paris,公式,Ⅱ,区,,,c,、,n—,材料试验常数，,n=2~4,,与材料、,r,、环境有关，组织影响小,,,,,,适用场合：,高周疲劳,,（四）影响,da/dN,的因素,1. r,（或,σ,m,）的影响,,r,↑，曲线向左上方移动，,da/dN,升高,,对,Ⅰ,、,Ⅲ,区的影响

14、更大,,r,↑，,降低,ΔK,th,2.,过载峰的影响,存在偶然过载,,过载适当，反而有益,—,裂纹扩展过载停滞,裂纹闭合效应：,,阻止周围弹性变形恢复→压应力,,残余压应力迭加，裂纹提前闭合，减少,△,K,，降低,da/dN,原因：,裂纹尖端塑性区的残余压应力,3.,材料组织的影响,对,I,、,III,区的影响较明显,,晶粒越粗大,，其,△,K,th,值越高，,da/dN,越低。,,韧性相可使△,K,th,↑,,喷丸强化，△,K,th,↑,三、疲劳裂纹扩展寿命估算,由 和,,,得：,所以裂纹扩展寿命：,举例,某轴,K,IC,=48.2MP

15、a,.,m,1/2,，,σ,s,＝,823MPa,，,da/dN,=10,-14,×,（△,K,）,4,，启动时最大应力,σ,max,＝,368MPa,，,σ,min,＝,0,，经检验发现表面有半椭圆裂纹，裂纹尺寸,a,＝,4mm,，,c=12.5mm,,如此轴每周启动一次，试估算该轴的疲劳寿命。,解题思路：,,1,、求,K,I,（,σ, a,）表达式,;,,2,、计算裂纹临界尺寸,;,,3,、计算疲劳寿命,;,1.,求,K,I,（,σ,,a,）表达式,表面半椭圆型裂纹,所以：,2.,计算裂纹临界尺寸,3,、计算疲劳寿命,积分后得：,每年,52,周，大约可用,379/52=7.3,年,§5.4

16、,疲劳过程及机理,疲劳过程：裂纹萌生、亚稳扩展、失稳扩展,,疲劳寿命,N,f,=N,0,+N,p,,N,0,——,疲劳裂纹萌生期,,N,p,——,疲劳裂纹亚稳扩展期,,,一、疲劳裂纹萌生过程及机理,疲劳裂纹核,——0.05~0.1mm,的裂纹,,疲劳微观裂纹由,不均匀的局部滑移,和,显微开裂,引起,主要方式：,表面滑移带开裂,,第二相、夹杂物或其界面开裂,,晶界或亚晶界开裂等,（一）滑移带开裂产生裂纹,（,1,）驻留滑移带,,循环应力（,σ,s,>σ>σ,-1,）→循环滑移→循环滑移带。不均匀，总是集中分布于某些局部薄弱区域。,,驻留滑移带：在交变载荷作用下，永留或能再现的循环滑移带。,,仅在

17、表面形成、较浅，加宽，,位错塞积和交割→微裂纹,（,2,）挤出脊和侵入沟,,滑移带向前→挤出峰，向后移动→侵入沟,,峰、沟不断增加，增高→应力集中、空洞→微裂纹,交叉滑移模型,（二）相界面开裂产生裂纹,第二相、夹杂物和基体界面开裂,,本身开裂,,要求：“少、圆、小、匀”,（三）晶界开裂产生裂纹,位错塞积和应力集中,晶界弱化或晶粒粗化,,晶界,强化或,晶粒,细化,二、疲劳裂纹扩展过程及机理,Ⅰ,阶段：,个别侵入沟（或挤出脊）先形成微裂纹,→,沿主滑移系方向,，以纯剪切方式,,da/dN,低，约,0.1μm,Ⅱ,阶段：,裂纹扩展,垂直拉应力方向,,μm,级，可以穿晶扩展,,在,da/dN,的,II

18、,区,,断口特征：疲劳条带（条纹）,出现疲劳条纹,微孔聚集,穿晶沿晶方式,断口特征：具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样，称为,疲劳条带,（条纹）,塑性钝化模型,,塑性张开钝化和闭合锐化,,塑性钝化：,由于塑性变形使裂尖应力集中减小，滑移停止，裂纹不再扩展的过程。,,适于韧性材料,,,总结：金属疲劳裂纹的萌生与扩展的过程,萌生,,滑移带开裂； 第二相、夹杂物或其界面开裂；晶界或亚晶界开裂,,亚稳扩展,,I,阶段：沿主滑移系，纯剪切方式；扩展速率低,,II,阶段：垂直于主应力方向；扩展速率,μm,级；可以穿晶扩展。形成,疲劳条纹,。,塑性钝化,模型,,失稳扩展,§5.5,影响疲劳强度的主要因素,一、

19、表面状态的影响,（一）应力集中,,表面缺口应力集中,，引起疲劳破坏的主要原因。,（二）表面粗糙度,微观几何形状：刀痕、擦伤和磨裂,,表面粗糙度，材料强度,,表面脱碳、氧化,,二、残余应力及表面强化的影响,残余应力叠加工作应力,,残余压应力提高,σ,r,,原因：残余压应力在缺口处集中，有效降低拉应力峰值,表面强化处理,,产生残余压应力，,,提高表面强度和硬度，提高,σ,r,→残余压应力，↑表面强度和硬度，↑,σ,r,常用表面强化方法,(1),表面喷丸及滚压,喷丸,是用压缩空气将坚硬的弹丸高速喷打向机件表面，使机件表面产生局部,形变强化,，同时因塑变层周围的弹性约束，又在塑变层内产生,残余压应力,

20、。,,材料强度越高，效果越好,,表面滚压,(2),表面热处理及化学热处理,表面淬火,：,火焰,、,感应,、,激光,,表面化学热处理,：,渗碳,、渗氮、碳氮共渗等,,硬度： 渗,N,＞渗,C,＞表面淬火＞喷丸、滚压,,σ,残,分布梯度：喷丸、液压＞渗,N,＞渗,C,＞表面淬火,三、材料成分及组织的影响,合金成分,显微组织,非金属夹杂物及冶金缺陷,C,，合金元素,§5.6,低周疲劳,较高应力和较少循环次数,,材料在循环载荷作用下，疲劳寿命为,10,2,~10,5,次的疲劳断裂称为,低周疲劳,。,,也称,塑性疲劳或应变疲劳,。,一、低周疲劳的特点,（一）低周疲劳的特点,(1),循环应力与应变形成滞后

21、回线,Δ,ε,t,—,总应变范围,,Δ,ε,p,—,塑性应变范围,,Δ,ε,p,—,弹性应变范围,(2),控制,Δ,ε,t,或,Δ,ε,p,,,(3),低周疲劳破坏有几个裂纹源,,(4),寿命取决于塑性应变幅,Δ,ε,p,,（二）低周疲劳的金属循环硬化与循环软化,循环硬化：,金属材料在恒定应变范围循环作用下，随着循环周次的增加，其应力不断增加,,循环软化：,在循环过程中，应力逐渐减小,循环软化的危害,,形变抗力下降，导致工件产生过量的塑性变形而失效。,,循环硬化或软化,,决定于材料的初始状态，结构特性；应变幅，温度等。,,退火状态,——,循环硬化,，加工硬化态,——,循环软化,,σ,b,/σ,

22、s,＞,1.4,，循环硬化；,σ,b,/σ,s,＜,1.2,，循环软化,,微观原因：,位错的循环运动,,（三）低周疲劳的应变,-,寿命曲线,曼森（,S. S. Manson,）和柯芬（,L. F. Coffin,）,,,,,,,,双对数坐标图,,两条直线迭加→总应变幅,-,寿命曲线,弹性应变幅,-,寿命线,塑性应变幅,-,寿命线,曼森,-,柯芬公式,过渡寿命,(2N,f,),t,,左侧：低周疲劳，塑性应变幅主导，,塑性,控制,,右侧：高周疲劳，弹性应变幅主导，,强度,决定,曼森,△,ε,t,/2——2N,f,关系：,,,,,σ,b,、,E,、断裂真应变,e,f,（或,ψ,）→低周疲劳寿命曲线,

23、,通用斜率法,,各种表面强化手段，对提高低周疲劳寿命均无明显效果,二、热疲劳,热疲劳：,机件在由温度循环变化时产生的循环热应力及热应变作用下发生的疲劳。,,热机械疲劳,：温度循环,+,机械应力循环,,两个条件：,温度变化,和,机械约束,（内部或外部）,,内部约束,：存在温度差，各部分材料互相约束，不能自由膨胀,,膨胀热应变,α△t,,→ 热应力,σ,＝,-,Eα△t,,塑性应变累积损伤,三、冲击疲劳,冲击疲劳：机件在重复冲击载荷作用下的疲劳断裂,,冲击次数,N>10,5,次,,由冲击疲劳曲线确定冲击疲劳极限。,,冲击疲劳抗力表示：,冲击疲劳极限,,冲断周次,N,,冲断能量,冲击能量高时，主要

24、取决于塑性；冲击能量低时，主要取决于强度,循环应力,第五章 金属的疲劳,高周疲劳、低周疲劳,断口特征：,疲劳的特点,具有寿命的断裂,,脆性断裂,,对缺陷十分敏感,疲劳源：光亮、表面,,疲劳区：,贝纹线,,瞬断区：粗糙、,a→a,c,疲劳极限（,σ,-1,）,,疲劳曲线,(S-N,曲线,),σ,a,-σ,m,疲劳图,σ,max,-σ,m,疲劳图,疲劳缺口敏感度,抗疲劳过载能力,过载损伤,q,f,=0~1,,越小疲劳缺口敏感性越小,a-N,曲线,,疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值,疲劳裂纹扩展门槛值，,ΔK,th,疲劳过程及机理,萌生,,滑移带开裂（驻留滑移带，挤出脊和侵入沟）,,第二相、夹杂物或

25、其界面开裂,,晶界或亚晶界开裂,,亚稳扩展,,I,阶段：沿主滑移系方向，纯剪切方式；扩展速率低,,II,阶段：垂直于拉应力方向；扩展速率,μm,级。,,形成,疲劳条纹,，,塑性钝化,模型,表面缺口应力集中,,表面粗糙度,,表面残余应力,,表面强化,,材料成分及组织,疲劳强度的影响因素,低周疲劳,塑性疲劳或应变疲劳,循环硬化与循环软化,过渡寿命,(2N,f,),t,热疲劳,冲击疲劳,Ch1,材料在单向,静拉伸,载荷下的力学性能,,Ch2,材料在其他,静载荷,下的力学性能,,Ch3,材料的,冲击,韧性及,低温,脆性,,Ch4,材料的,断裂,韧性,,Ch5,金属的,疲劳,性能,,Ch6,金属的应力腐蚀和氢脆,,Ch7,金属的摩擦磨损性能,,Ch8,金属的高温力学性能,,Ch9~Ch11,聚合物、陶瓷、复合材料的力学性能,材料性能学,Thanks for,attention!,