工程材料力学性能第五章金属的疲劳课件.ppt

1、第五章第五章 金属的疲劳金属的疲劳 l第一节 金属疲劳现象及特点l第二节 疲劳曲线及基本疲劳力学性能l第三节 疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 l第四节 疲劳过程及机理l第五节 影响疲劳强度的因素l第六节 低周疲劳 一、变动载荷和循环应力一、变动载荷和循环应力1 1、变动载荷和、变动载荷和变动应力变动应力变动载荷：载荷大小、甚至方向均随时间变化的载荷。变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值。分规则周期变动应力和无规则随机变动应力两种。2 2、循环应力循环应力规则周期性变化的应力称循环应力，表征应力循环特征的几个参量：最大应力 max 最小应力 min平均应力 m=（max+min）/2应力幅 a=

2、（maxmin）/2应力比 r=maxmin（1）对称交变应力：m=0 r=-1（2）脉动应力：m=a0,r=0 或m=aa 0r1（4）不对称交变应力：-1r 105；s 亦称低应力疲劳。低周疲劳：Nf=102105；s 亦称高应力疲劳或应变疲劳。（1）疲劳是低应力循环延时断裂,断裂寿命随应力不同而变化。（2）1：理论应力集中系数即应力集中处最大应力与平均应力之比 kf=-1/-1N 1：疲劳缺口系数即光滑试样和缺口试样疲劳极限之比。q qf f 疲劳缺口敏感度疲劳缺口敏感度11tffkkq1、qf=1 即 kf=kt 缺口试样疲劳过程中应力分布与弹性状态完全一样，没有发生应力重新分布，材料

3、的疲劳缺口敏感性最大。2、qf=0 即 kf=1-1=-1 N 缺口不降低疲劳极限，疲劳过程中应力产生很大重分布，疲劳缺口敏感性最小。qf能反映在疲劳过程中材料发生应力重分布，降低应 力集中的能力。3、一般：0 qf 1随着Na、，最后当a达到ac时，增大到无限大。dNdadNda应力范围曲线位置向左上方移动，ac、NpK由断裂力学裂纹尖端应力强度因子理论：如认为疲劳裂纹扩展的每一微小过程类似是裂纹体小区域的断裂过程，K就是裂纹尖端控制疲劳裂纹扩展的复合力学参量。aYaYaYKKKminmaxminmax将a-N曲线可转化为由k控制的疲劳裂纹扩展速率曲线：da/dN-k 或 lgda/dN-l

4、gk由曲线可知，可分为三个区：I I区：区：疲劳裂纹初始扩展阶段da/dN很小。随kda/dN快速提高，但k变化范围很小，da/dN提高有限，所占扩展寿命不长。II II区：区：疲劳裂纹扩展的主要阶段，是决定疲劳寿命的主要部分 da/dN较I区大 da/dN和k关系可由Paris公式描述：da/dN=c（k）n 该区虽然扩展进程快，但k变化范围大，故所占扩展寿命长。IIIIII区：区：疲劳裂纹扩展的最后阶段 da/dN很大，且随kda/dN，只需扩展很少周次即导致材料失稳断裂。该区所占的扩展寿命也不长。1 1、定义、定义kth疲劳裂纹不扩展的k临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值。kth表示材料阻止

5、裂纹开始疲劳扩展的性能，其值越大，阻止疲劳裂纹开始扩展的能力就越大，材料也就越好。单位:MN.m-3/2或 MPa.m1/22 2、kkthth和和-1-1的异同：的异同：共同点：均表示无限寿命的疲劳性能;受材料成分和组织、载荷条件以及环境影响相异点：-1是光滑试样无限寿命疲劳强度，适用于传统的疲劳强度设计和校核。kth是裂纹试样的无限寿命疲劳性能，适用于裂纹件的设计和疲劳强度校核。3 3、kkthth判据判据由kth可建立裂纹件不疲劳断裂（无限寿命）的校核公式K=Y Kth由此可知：或:aYKth22)(1thKYaa 工程（或条件）疲劳门槛值 在实际测定材料的Kth时很难做到da/dN=0

6、，因此实验中常规定在平面应变条件下da/dN=10-610-7mm/周次，它所对应的K作为Kth。1 1、应力比（或平均应力）的影响应力比（或平均应力）的影响 2 2、过载峰及裂纹塑性区的影响、过载峰及裂纹塑性区的影响实验表明：在恒载裂纹疲劳扩展期内，适当的过载峰会使裂纹扩展减慢或停滞一段时间，发生裂纹扩展的过载停滞现象。裂纹尖端塑性区的残余压应力使裂纹产生闭合效应，减小裂纹尖端的K，从而降低da/dN 3 3、材料组织和力学性能的影响材料组织和力学性能的影响 平均应力m=(1+r)a/(1-r)，在a一定的条件下，rm，故平均应力和应力比的影响具有等效性。在m0和r0的情况下：（1）应力比或

7、平均应力会影响疲劳裂纹扩展速率曲线的位置，随r或m，曲线向左上方移动，即rda/dN，且在I、III区的影响比II区大。（2）在I区，rkthkth=kth0(1-r)/(1+r)1/2（r0）kth0 脉动循环（r=0）下的疲劳门槛值。（3）机件内部残余应力的影响残余压应力rda/dN，kth，疲劳寿命残余拉应力rda/dN，kth，疲劳寿命材料组织对I、III区da/dN影响比较明显，对II区影响不太明显。（1）晶粒越粗大Kth，da/dN（2）对亚共析钢 C%铁素体含量kth（3）钢的淬火组织中存在一定量的AR和Bkth，da/dN（4）钢的回火组织一般随回火温度kth，但具体规律尚不清

8、楚（5）喷丸强化处理kth（6）强度和韧度的影响s，KICI区：da/dN，kth III区：da/dNs，KICI区：da/dN，kth III区：da/dN 1 1、ParisParis公式公式 高周疲劳场合：在低应力s-1 ；低扩展速率da/dN10-2mm/周次；较长的疲劳寿命Nf104周次 对于II区，Paris建立了经验公式：da/dN=C（K）n C、n材料试验常数，由lg da/dNlgk曲线的截距和斜率来确定lg da/dN=lgC+nlgk材料、成分、组织及强度对II区疲劳裂纹的扩展影响不大。Forman公式在Paris公式的基础上，进一步考虑了应力比和断裂韧度对da/dN

9、的影响，描述了裂纹在II、III区的扩展，但未反应I区裂纹扩展情况。r应力比Kc和试件厚度有关的材料断裂韧度 KKrKCdNdacn)1()(在Forman公式的基础上进一步考虑I区kth的影响：由上式知，当kkth时，da/dN0，满足I区裂纹扩展情况，同时亦满足有应力比及断裂韧度影响的II区、III区裂纹扩展情况。但上式较复杂，工程计算还是以Paris公式为主。KKrKKCdNdacnth)1()(1.无损探伤确定机件初始裂纹尺寸a0,形状位置和取向，从而确定KYa1/22.根据材料断裂韧度KIC以及工作名义应力，确定临界裂纹尺寸ac3.根据由试验确定的疲劳裂纹扩展速率表达式，用积分方法计

10、算从a0到ac所需的循环周次，即疲劳剩余寿命Nc。以Paris公式为例：当n2时疲劳剩余寿命当n=2时 2/)()(/nnnnaCYdadNaYCdNdaaYK取1-1)2)C(Y-(n2 )(CYda 2/)2(2/)2(0n0aa2/nc0ncnNnncaaadNNc0c2aln -ln)C(Y1 aNc疲劳过程包括：疲劳裂纹萌生、裂纹亚稳扩展及最后失稳扩展三个阶段。疲劳寿命Nf由疲劳裂纹萌生期Ni和裂纹亚稳扩展期Np组成。一、疲劳裂纹萌生过程及机理一、疲劳裂纹萌生过程及机理疲劳裂纹核 0.050.1mm 疲劳微观裂纹由不均匀局部滑移和显微开裂引起。1 1、滑移带开裂产生裂纹、滑移带开裂产

11、生裂纹循环滑移循环滑移 循环滑移带（驻留滑移带驻留滑移带）循环滑移带不断加宽 位错的塞积、交割，在驻留滑移带处形成微裂纹。驻留滑移带在加宽过程中，还会出现挤出脊挤出脊和侵人沟侵人沟，于是此处产生应力集中和空洞，经过一定循环后也会产生微裂纹。柯垂尔赫尔模型挤出脊挤出脊和侵人沟侵人沟柯垂尔赫尔模型在拉应力半周期内，先在取向最有利的滑移面上位错源S1被激活，当它增殖的位错滑动到表面时，便在P处留下滑移台阶。位错源S1与滑移台阶P处于一个平面内。在同一拉应力半周期内，随着拉应力增大，在另一个滑移面上的位错源S2也被激活，当它增殖的位错滑动到表面时，在Q处留下滑移台阶。同时，后一个滑移面上位错运动使第一

12、个滑移面错开，造成S1与P不再处于同一平面内。在压应力半周期内，位错源S1又被激活，位错向反方向滑动，在晶体表面留下反向滑移台阶P，于是P处形成一个侵入沟。同时，造成S2与Q不再处于同一平面。若应力不断循环，挤出脊高度增加，侵入沟深度加深，而宽度不变在同一压应力半周期内，随着压应力增大，位错源S2又被激活，位错沿反方向运动，滑出表面后留下一个反向的滑移台阶Q，于是在此处形成挤出脊。同时，又将S1带回原位置，与滑移台阶P处于一个平面内。2 2、相界面开裂产生裂纹、相界面开裂产生裂纹 在疲劳失效分析中，常常发现很多疲劳源都是由材料中的第二相或夹杂物引起的，因此而提出了第二相、夹杂物和基体界面开裂，

13、或第二相、夹杂物本身开裂的疲劳裂纹萌生机理（微孔形核长大模型）。3 3、晶界开裂产生裂纹、晶界开裂产生裂纹多晶体材料由于晶界的存在和相邻晶粒的不同取向性，位错在晶内运动时受到晶界的阻碍，在晶界处发生位错塞积和应力集中。在应力不断循环下，应力集中得不到松弛，则应力峰越来越高，当超过晶界强度时就会在晶界处产生裂纹。疲劳裂纹扩展区分疲劳裂纹扩展区分两个阶段：两个阶段：第一阶段，疲劳裂纹形成后沿主滑移系方向以纯剪切方式向内扩展的过程。第二阶段，裂纹沿与正应力相垂直的方向扩展。在疲劳裂纹扩展第一阶段，多数裂纹为不扩展裂纹，少数扩展约23个晶粒，裂纹扩展速率很低，每一个应力循环大约只有0.1m的扩展量。由

14、于该阶段裂纹扩展速率极低，扩展总进程也很小，所以该阶段的断口很难分析，常常看不到什么形貌特征，只有一些擦伤的痕迹。但在一些强化材料中，有时可看到周期解理或准解理花样，甚至还有沿晶开裂的冰糖状花样。疲劳裂纹亚稳扩展的主要部分。其断口最重要的特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样，即疲劳条带疲劳条带，其特点：（1）疲劳条带是一系列基本上相互平行的条纹，略带弯曲呈波浪形，并与裂纹局部扩展方向相垂直。（2）每一条纹代表一次载荷循环，疲劳纹在数量上与循环次数相等。（3）疲劳条带间距随应力强度因子范围（K）的变化而变化。在失效分析中常利用疲劳条带间宽与K的关系分析疲劳破坏。（4）疲劳断口在微观上通常由许多

15、大小不同，高低不同的小断块所组成，每一小断块上疲劳条带连续而平行；但相邻小断块上的疲劳条带不连续，不平行。（5）断口两侧断面上的疲劳条带基本对应。韧性条带一般滑移系多的面心立方金属，疲劳条带比较明显，如Al、Cu合金等；滑移系较少或组织状态复杂的钢铁材料，疲劳条带短窄而紊乱，甚至看不到。疲劳条带与贝纹线区别：1.疲劳条带是疲劳断口的微观特征；贝纹线疲劳断口的宏观特征。2.在断口上，二者可同时出现也可不同时出现。左侧曲线：实线段表示交变应力的变化右侧示意图：疲劳裂纹剖面示意图交变应力为0，裂纹呈闭合状态；受拉应力时，裂纹张开，裂纹尖端由于应力集中，沿45方向发生滑移；拉应力达到最大值时，滑移区扩

16、大，裂纹尖端变为半圆形，发生钝化，裂纹停止扩展。交变应力为压应力时，滑移沿反方向进行，原裂纹与新扩展的裂纹表面被压近，裂纹尖端被弯折成耳状切口，为沿45方向滑移准备了应力集中条件。压应力达到最大值时，裂纹表面被压合，裂纹尖端又由钝变锐，形成一对尖角，在断口上便留下一条疲劳条带，裂纹向前扩展一个条带的距离。填空1.紧凑拉伸试样预制裂纹后在固定应力比和应力范围条件下循环加载，随 的变化曲线即为疲劳裂纹扩展曲线。2.疲劳裂纹不扩展的应力强度因子范围临界值，称为 。3.产生疲劳微观裂纹的主要方式有 、和 。4.疲劳裂纹扩展第二阶段断口最重要的特征是具有 。5.驻留滑移带在加宽过程中，还会出现 和 ，其

17、成因可用柯垂耳赫尔模型描述。1 1、载荷条件载荷条件 2 2、温度温度一般T疲劳强度但对钢：在200400范围内出现一个疲劳极限峰值。高温时材料的疲劳曲线无水平段，只能确定条件疲劳极限。3 3、腐蚀介质、腐蚀介质腐蚀介质存在使材料表面腐蚀产生蚀坑，而降低材料疲劳强度导致腐蚀疲劳。腐蚀疲劳只有条件疲劳极限。（1）平均应力和应力状态对于相同材料：平均应力m或应力比r疲劳强度应力状态：对于同一材料-1-1P-1（2）过载损伤在过载损伤区内的过载疲劳强度、疲劳寿命（3）次载锻炼低于疲劳极限的应力称为次载。金属在低于疲劳极限的应力下是运转一定次数后疲劳极限的现象称为次载锻炼。次载应力水平越接近疲劳极限其

18、锻炼效果次载锻炼的循环周次锻炼效果，但达到一定周次后效果就不再提高。在变动载荷作用下，随机件尺寸增大，其疲劳强度下降的现象称为尺寸效应。尺寸效应系数：(-1)d 直径为d的机件疲劳强度-1 小试样的疲劳强度缺口试样比光滑试样的尺寸效应更为显著。1-d1-)(叠加残余压应力，总应力减小；叠加残余拉应力，总应力增大。残余压应力提高疲劳强度；残余拉应力，降低疲劳强度。残余压应力的有利影响与外加应力的状态有关：弯曲疲劳时，残余压应力的效果比扭转疲劳大；拉压疲劳时，残余压应力的影响较小。残余压应力提高疲劳强度的效果与以下因素有关：残余压应力值的大小残余压应力区的深度与分布残余压应力在疲劳过程中是否发生松

19、弛等。对于承受弯曲或扭转循环载荷的机件通过表面强化可以提高疲劳强度。解释原因：机件表面的硬度和强度疲劳强度在机件表面产生残余压应力疲劳强度 表面强化方法包括：表面喷丸、滚压、表面淬火以及表面化学热处理等。（1）表面喷丸及滚压 喷丸是用压缩空气将坚硬的小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。残余压应力大小与喷丸压力、速度以及弹丸直径有关，最大可达材料屈服强度的一半。表面滚压与喷丸作用相似，其压应力层深度较大，适于大工件；表面粗糙度低时，强化效果更好。形状复杂的零件可采用喷丸强化，形状简单的回转形零件可采用表面滚压强化。（2）表

20、面热处理及化学热处理 利用组织相变获得表面强化的工艺方法，除能使机件获得表硬心韧的综合力学性能外，还可利用表面组织相变以及组织应力、热应力变化，使机件表面层获得高强度和残余压应力，更有效提高机件疲劳强度和疲劳寿命。表面强化处理的有利影响对于带缺口的试样和机件更为显著，因为在表面缺口处产生压应力集中，可有效地降低缺口根部的拉应力集中。1 1、合金成分、合金成分 结构钢中碳是影响疲劳强度的重要因素：a.间隙固溶强化基体 b.形成弥散碳化物进行弥散强化 其它元素在钢中的作用：a.提高钢的淬透性 b.改善钢的强韧性来影响疲劳强度。2 2、非金属夹杂物及冶金缺陷、非金属夹杂物及冶金缺陷非金属夹杂物疲劳强

21、度 冶金及热加工缺陷疲劳强度 3 3、显微组织、显微组织（1）晶粒细化-1，在低碳钢和钛合金中符合Hall-petch公式-1=i+kd 1/2但在中、高强度低合金钢中上式不一定符合。（2）钢的热处理组织 正火组织因碳化物为片状，其疲劳强度最低；淬火回火组织因碳化物为粒状，其疲劳强度比正火高。回火马氏体疲劳强度回火托氏体回火索氏体相同硬度:等温淬火组织疲劳强度淬水回火组织淬火组织中存在未溶铁素体或残余奥氏体或非马氏体组织过早形成疲劳裂纹疲劳强度 一、低周疲劳的特点一、低周疲劳的特点金属在循环载荷作用下，疲劳寿命为102105 的疲劳断裂称低周疲劳（亦称塑性疲劳或应变疲劳），其特点：1、低周疲劳

22、时，局部区域产生宏观塑性变形，循环应力应变之间不再呈直线关系，而形成如图所示的滞后回线。2、低周疲劳试验时，在给定的t或p下测定疲劳寿命，不再使用S-N曲线，而应改用总应变幅t/22Nf曲线或塑性应变幅p/22Nf描述材料的疲劳规律。3、低周疲劳破坏有几个裂纹源，微观断口的疲劳条带较粗，间距较宽，常不连续。4、低周疲劳寿命决定于塑性应变幅，而高周疲劳寿命则决定于应力幅或应力场强度因子范围，但两者都是循环塑性变形累积损伤的结果。1 1、定义、定义金属材料由循环开始状态变成稳定状态的过程，与其在循环应变作用下的形变抗力变化有关。若金属材料在恒定应变范围循环作用下，随循环周次增加其应力（形变抗力）不

23、断增加，即为循环硬化。若在循环过程中，应力逐渐减小，则为循环软化。对于每一个固定的应变范围，都能得到相应的稳定滞后回线。将不同应变范围的稳定滞后回线的顶点连接起来，便可得到循环应力应变曲线。它是评定材料低周疲劳特性的曲线。比较循环应力应变曲线与单次应力应变曲线可判断循环应变对材料性能的影响。金属材料产生循环硬化还是循环软化取决于其初始状态、结构特性以及应变幅和温度等。（1）退火状态的塑性材料易产生循环硬化。（2）加工硬化的材料则往往是循环软化。（3）材料的b/s1.4，循环硬化；b/s1.2，循环软化；b/s=1.21.4 倾向不定。（4）应变硬化指数n0.1，循环软化；n0.1，循环硬化或循

24、环稳定。三、低周疲劳的应变寿命曲线曼森和柯芬等提出低周疲劳寿命公式在双对数坐标图中，上式等号右边两项是两条直线，分别代表弹性应变幅寿命线和塑性应变幅寿命线。其中塑性应变幅寿命关系公式称为曼森柯芬公式。cffbffpetNNE)2()2(222cffpN)2(2两条直线存在一个交点，交点对应的寿命称为过渡寿命。交点左侧（低周疲劳范围）塑性应变幅起主导作用，材料疲劳寿命由塑性控制；交点右侧（高周疲劳范围）弹性应变幅起主导作用，材料疲劳寿命由强度决定；材料强度交点左移过渡寿命材料塑性、韧性交点右移过渡寿命曼森（S.S.Manson）通过对耐热钢，普通结构钢等29材料的研究后提出总应变幅与疲劳断裂寿命

25、之间满足：ef静拉伸时真实断裂应变 efln1/(1-)断面收缩率上式中：只要知道材料的静拉伸性能b、E、ef或即可求得材料光滑试样完全对称循环下的低周疲劳寿命曲线。6.06.012.0)2()2(5.32/fffEtNeNb6.06.012.0)2(2/)2(5.32/ffpfEeNeNb低周疲劳的寿命决定于塑性应变幅，曼森柯芬提出了pNf的关系式：pNfz=Cz、C材料常数 z=0.20.7 C=0.51ef 上式是低周疲劳的基本关系式，可用以估算材料在低周疲劳下的寿命。金属材料的低周疲劳寿命与屈服强度及材料类型关系不大。只有塑性应变幅才是决定低周疲劳寿命的控制因素。在塑性应变幅一定时，低

26、周疲劳寿命取决于材料的塑性。因而，机件在低周疲劳下服役时，应注意材料的塑性。在满足强度要求的前提下，应尽量选用塑性较高的材料。各种表面强化手段，对低周疲劳寿命的提高均无明显效果。1 1、热疲劳的概念热疲劳的概念机件在由温度循环变化时产生的循环热应力或热应变作用下发生的疲劳称为热疲劳（热应力疲劳）。温度循环又常与机械应力循环叠加引起热机械疲劳。温度差t引起的膨胀热应变为t（为材料的线膨胀系数），如该应变完全被约束，则产生的热应力为 Et。当热应力超过材料高温下的弹性极限时，将发生局部塑性变形，经过足够的温度变动循环后，这种热应变将引起疲劳裂纹，并导致材料龟裂或断裂。热疲劳和热机械疲劳破坏均是由塑

27、性应变累积损伤的结果，基本服从低周应变疲劳规律。柯芬研究发现：ffpeccN5.0,2/1 材料的热疲劳抗力常以在一定温度幅下产生一定尺寸疲劳裂纹的循环次数或在规定的循环周次下产生的裂纹长度表示。热疲劳裂纹是在表面热应变最大的区域形成的，也常从应力集中处萌生。裂纹源一般有几个，裂纹扩展方向垂直于表面，向纵深扩展导致断裂。一般，脆性材料导热性差，热疲劳危险性较大；塑性好的材料其疲劳寿命较高。（1）定义冲击疲劳是机件在重复冲击载荷作用下的疲劳断裂，断裂周次Nf105为低周冲击疲劳。（2）低周冲击疲劳强度一定冲击能量下的冲断周次N；要求的冲断周次时的冲断能量。一般直接用冲击能量表示材料的冲击疲劳抗力

28、简便易行、应用较广。（3）多次冲击曲线（冲击功断裂周次曲线）（4）冲击疲劳抗力的影响因素 金属的低周冲击疲劳强度是一个取决于强度和塑性的综合力学性能。冲击能量高时：低周冲击疲劳强度取决于塑性冲击能量低时：低周冲击疲劳强度决定于强度工程上，对于承受小能量多冲的机件在选材或制定工艺时应尽量考虑强度，不必过高追求塑性。不同的冲击能量下，多冲抗力要求的强度与塑性配合不同。Aka对冲击疲劳抗力的影响因材料强度不同而异。高强度钢和超高强度钢的塑性、冲击韧度对提高冲击疲劳抗力有较大作用。中、低强度钢的塑性、冲击韧度对提高冲击疲劳抗力作用不大。上述规律是根据小试样试验得出的，对于大尺寸的实际机件，影响规律要复杂得多。填空1.金属材料在恒定应变范围循环作用下，随循环周次增加其应力（形变抗力）不断增加即为 。2.将不同应变范围的稳定滞后回线的顶点连接起来，便可得到评定材料低周疲劳特性的曲线即 曲线。3.低周疲劳范围材料疲劳寿命由 控制；高周疲劳范围材料疲劳寿命由 决定。