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Mechanicalpropertiesofmaterials1第五章材料的疲劳性能2引言材料在循环（交变）载荷作用下，因累积损伤而发生低应力破坏，这种现象称为疲劳。本章意义：机械失效80%是疲劳失效，工程技术界从力学、材料及工艺方面开展疲劳研究，寻求有效对策，使之成为材料强度科学领域中的一个重要组成部分。疲劳断裂，材料(尤其是高强度材料)疲劳断裂前，一般不会发生明显的塑性变形，难以预测和预防。3案例1：1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成100多人遇难身亡，造成事故的原因是一节车箱的车轮内部疲劳断裂。从而导致了近50年来德国最惨重的铁路事故的发生。案例2：导致哥伦比亚航天飞机2003年2月1日返回途中爆炸解体的5个原因：阻热片脱落升降翼失去控制机体金属疲劳导致解体电缆短路发生火灾被陨石击中4引言具体目的：精确地估算机械结构的零构件的疲劳寿命，简称定寿，保证在服役期内零构件不会发生疲劳失效；采用经济而有效的技术和措施以延长疲劳寿命，简称延寿，即提高零构件质量。5金属疲劳现象及特点疲劳曲线及基本疲劳力学性能疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值疲劳过程及机理影响疲劳强度的主要因素低周疲劳本章内容：6§1金属疲劳现象及特点一、变动载荷和循环应力二、疲劳现象及特点三、疲劳宏观断口特征7疲劳断裂特点：断裂时并无明显的宏观塑性变形，属于脆性断裂。引起疲劳断裂的应力很低，常常低于屈服强度。疲劳破坏能清楚地显示出裂纹的萌生、扩展和最后断裂三个组成部分。对缺陷(缺口、裂纹及组织缺陷)，尤其是表面缺陷十分敏感。裂纹往往从局部的破坏处开始。第一节金属疲劳现象及特点8第一节金属疲劳现象及特点一、变动载荷载荷大小、方向或者大小和方向均随时间而变化的载荷。变化分为周期性，无规则性。相对应的应力，称为变动应力。变动应力示意图9第一节金属疲劳现象及特点循环应力的波形一般近似为正弦波、矩形波和三角形波等。循环应力的特征参数：最大循环应力σmax，最小循环应力σmin平均应力：σm=(σmax+σmin)/2应力幅σa或应力范围∆σ：σa=∆σ/2=(σmax-σmin)/2应力比r=σmin/σmax10第一节金属疲劳现象及特点循环应力的种类1.对称循环：σm=0,r=-12.脉动循环：σm=σa0,r=0;σm=σa0,r=-∞3.波动循环：σmσa,0r14.不对称循环：σm≠0,-1r011对称循环脉动循环波动循环不对称循环第一节金属疲劳现象及特点12农用挂车前轴的载荷谱第一节金属疲劳现象及特点13二、疲劳现象和特点1、疲劳破坏过程：材料内部薄弱区域的组织在变动应力作用下，逐渐发生变化和损伤积累、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后，发生突然断裂的过程。一个从局部区域开始的损伤积累，最终引起整体破坏的过程。第一节金属疲劳现象及特点14第一节疲劳破坏的一般规律2、分类（1）按应力状态：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、复合疲劳等。（2）按环境和接触情况：腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳等。（3）按循环周期：高周疲劳（Nf＞105周次）,因断裂应力低（σs），所以也叫低应力疲劳。低周疲劳（Nf＝102~105周次），由于断裂应力水平高（≥σs）往往伴有塑性变形，故称为高应力疲劳（或应变疲劳）。15第一节疲劳破坏的一般规律3、疲劳破坏的特点（1）低应力循环延时断裂，即有寿命的断裂。（2）容易出现脆性断裂；断裂应力σb，甚至σs；（3）对材料的缺陷十分敏感；（4）疲劳断口能清楚显示裂纹的萌生、扩展和断裂。（5）疲劳失效受载荷历程的影响。（疲劳前的过载会影响疲劳强度）16第一节疲劳破坏的一般规律三、疲劳断口的宏观特征疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记载着很多断裂信息，具有非常明显的形貌特征。这些特征与材料性质、应力状态、应力大小、环境因素有直接的关系。因此分析疲劳断口是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的一种重要而且有效方法。17第一节疲劳破坏的一般规律典型疲劳断口具有三个特征区—疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区。随材质、应力状态的不同，三个区的大小和位置不同。18第一节疲劳破坏的一般规律疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地，多出现在机件表面，常和缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相连，因该处的应力集中引发的。疲劳源区的光亮度最大。扩展速率最低，扩展循环次数最多，断面因不断摩擦挤压而光亮平滑。加工硬化，表面硬度有所提高。随应力状态及其大小的不同，可有一个或几个疲劳源。源区越光亮，产生越早。名义应力大，疲劳源多；19第一节疲劳破坏的一般规律疲劳区（贝纹区）是疲劳裂纹亚临界扩展形成的区域。断口较光滑并分布有贝纹线（或海滩花样）。根据裂纹在材料表面和中心的扩展速率，会出现凹型贝纹线和凸型贝纹线。近疲劳源处，贝纹线较细密，表示裂纹扩展较慢；远疲劳源处，贝纹线较稀疏，裂纹扩展较快。循环应力低，材料韧性好，疲劳区大，贝纹线明显；反之，疲劳区小，贝纹线不明显。20第一节疲劳破坏的一般规律贝纹线是疲劳区的最大特征，一般认为它是由载荷变动引起的，如机器运转时的开动和停歇，偶然过载引起的载荷变动，使裂纹前沿线留下了弧状台阶痕迹。因变动载荷较平稳，很难看到明显的贝纹线看到明显的贝纹线实验室的试样疲劳断口中在实际机件的疲劳断口中易见不易见21第一节疲劳破坏的一般规律瞬断区是裂纹失稳扩展形成的区域。一般在疲劳源的对侧。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。22第一节疲劳破坏的一般规律23第二节高周疲劳一、疲劳寿命S-N曲线的测定及疲劳极限最简单的疲劳实验是旋转弯曲疲劳实验。实验时采用光滑试件，实验时试件表面受到交变对称循环应力作用。从加载开始到试件断裂所经历的应力循环数，即定义为该试件的疲劳寿命Nf。每个试件的实验结果对应于（σa,Nf）平面上的一个点，在不同的应力幅值下实验一组试件，可以得到一组点,描绘出一条曲线（S－N曲线）。24旋转弯曲疲劳实验机结构示意图第二节高周疲劳25实验机如上图所示，电动机启动后，试样随夹头一起高速旋转。载荷方向不变，而试样上各点的应力数值及符号将随着旋转周期性的交替变化，其循环特性r=－1，因此材料内将产生对称循环的交变应力。在试样表面的最大静应力（即应力水平）为：式中：d0---圆试样的直径l---力点与支座间的距离F---实验所加的砝码重量max30162FlFlWdσπ==实验视频第二节高周疲劳26第二节高周疲劳27疲劳寿命曲线可以分为三个区，从该曲线上可以得到疲劳破坏的条件和疲劳极限指标：（1）低循环疲劳区LCF（LowCyclesFracture）：在很高的应力下，在很少的循环次数后，试件即发生断裂，并有较明显的塑性变形。一般认为，低循环疲劳发生在循环应力超过弹性极限。疲劳寿命Nf=1/4---104或105次之间。第二节高周疲劳28（2）高循环疲劳区HCF：在高循环疲劳区，循环应力低于弹性极限，疲劳寿命长，Nf105次循环，且随循环应力降低而大大地延长。试件在最终断裂前,整体上无可测的塑性变形，因而在宏观上表现为脆性断裂。（3）无限寿命区：试件在低于某一临界应力幅σr的应力下，可以经受无数次应力循环而不发生断裂，寿命趋于无限；即σσr，Nf→∞，故可将σr称为材料的理论疲劳极限。第二节高周疲劳29第二节高周疲劳30有些材料的疲劳寿命曲线上只有有限寿命区。在这种情况下定义－在指定的疲劳寿命下，试件所能承受的上限应力幅值，即为疲劳极限。对于结构钢，指定寿命通常取Nf=107cycles，在应力比r=－1时测定的疲劳极限记为σ-1。第二节高周疲劳31GB/T4337-2008推荐采用多点升降法测定疲劳极限，原理如下：首先，根据材料成分和使用要求选择一个疲劳极限循环基数N0。然后，根据以往的经验，对疲劳极限作一粗略的估计。在此应力水平上试验第一个试样。若该试样在达到所规定的循环次数之前就破坏了，则将应力降低一级进行第二级实验；反之，则增加一级进行试验。对以后的试样，按这个方法一个接一个地相继试验下去。实验中应合理地选取应力增量，使得整个试验在四到五级的应力水平上进行。第二节高周疲劳32下图表示升降法的实例。这个升降图由16个试验点组成。第二节高周疲劳33处理数据的原则为在第一对出现相反结果以前的数据均舍弃。图中点3和4是第一对出现的相反结果。因此数据点1和2均舍去，余下数据点为有效试验数据。711()(10)nrriiiNVmσσσ===∑m为有效试验的总次数；n为试验的应力水平级数；σi为第i级应力水平；Vi为第i级应力水平下的试验次数。第二节高周疲劳34评定升降图是否有效可根据以下两条：①有效数据数量必须≥13个；②“x”和“O”的比例大体上各占一半。40CrNiMo钢的升降图1(2546.75519.45492.1464.8)13507.7rMPaσ=×+×+×+=第二节高周疲劳35不同应力状态下的疲劳强度同种材料不同应力状态下，表现出的应力～寿命曲线不同，相应的疲劳强度也不相同，实验表明：弯曲、扭转和抗压疲劳强度存在以下经验关系式：钢：σ-1p=0.85σ-1铸铁：σ-1p=0.65σ-1钢及轻合金：τ-1=0.55σ-1铸铁：τ-1=0.80σ-1式中：σ-1p--对称拉压疲劳强度；τ-1--对称扭转疲劳强度；σ-1--对称弯曲疲劳强度第二节高周疲劳36同种材料的疲劳强度σ-1σ-1p。因为弯曲疲劳时，试样截面上应力分布不均匀，表面应力最大，只有表面层才产生疲劳损伤，而拉压疲劳时，试样截面的应力均匀分布，整个截面都有可能疲劳损伤，因而σ-1σ-1p。第二节高周疲劳37疲劳强度与静强度间关系实验表明，材料的抗拉强度愈大，其疲劳强度也愈大。第二节高周疲劳38不对称循环应力下的疲劳极限和疲劳图对于在不对称循环载荷下工作的材料或机件，设计或使用时还需测定材料在相应的不对称循环载荷下的疲劳强度。一般多用工程作图法，由疲劳图求出各种不对称循环应力下的疲劳强度。第二节高周疲劳39平均应力对疲劳强度的影响σa相同时，平均应力对S－N曲线的影响ABC平均应力越大，相同应力幅值下，材料寿命越短。ABC第二节高周疲劳40σmax相同时，平均应力对S－N曲线的影响ABC相同最大应力值下，材料的R值越大，材料的寿命越长。ABC第二节高周疲劳41（1）应力幅σa~平均应力σm图y轴上的边界点为0和σ-1x轴上的边界点为0和σb将σr分解成不同应力比r时的σa和σm，作图。运用时，已知r，()()maxminmaxmin112112amrtgrσσσασσσ−−===++211mabσσσσ−=−σa－σm疲劳图ABC曲线的数学公式：Geber公式第二节高周疲劳42maxmaxmaxmin221mtgrσσασσσ===++（2）σmax~σm图y轴上的边界点为σ-1和-σ-1，x轴边界点为0和σb。σmax=σb，利用不同的应力比r来作图。−+=+=−21max1bmmamσσσσσσσ−−=−=−21min1bmmamσσσσσσσAHBAECσmax(σmin)－σm疲劳图第二节高周疲劳43疲劳缺口的敏感度材料在变动应力作用下的缺口敏感性，常用疲劳缺口敏感度qf表征：式中：Kt--理论应力集中系数，Kt1，可查有关手册。Kf--疲劳缺口系数，Kf为光滑试样和缺口试样疲劳极限之比，Kf=σ-1/σ-1N，Kf1，具体值与缺口几何形状，材料等因素有关。11fftKqK−=−第二节高周疲劳44Kt对40Cr钢的σ-1的影响回火温度：1－200℃；2－390℃；3－550℃材料的抗拉强度愈大，其疲劳强度也愈大。第二节高周疲劳45疲劳缺口敏感度qf0≤qf≤1q=0，Kf=1，σ-1＝σ-1N表示对缺口完全不敏感；q=1则，缺口试样疲劳过程中应力分布与弹性状态完全一样，表示材料对缺口十分敏感。qf值能反映在疲劳过程中材料发生应力重新分布，降低应力集中的能力。第二节高周疲劳46过载持久值及过