第05章 金属的疲劳

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1、第五章金属的疲劳材料在交变应力的作用下，经过一段时间，而发生断裂的现象，叫疲劳。疲劳破坏时的最大应力<σb，甚至<σs；不产生明显的塑性变形，呈现脆性的突然断裂。∴疲劳断裂是一种非常危险的断裂。∴要研究疲劳的规律、机理、力学性能指标、影响因素等。§5.1金属疲劳现象及特点一、变动载荷和循环应力1、变动载荷大小、方向或者大小和方向均随时间而变化。变化分为周期性，无规则性，相对应的应力，称为变动应力2、循环应力循环应力的波形一般近似为正弦波、矩形波和三角形波等。（1）循环应力的描叙σmax，σmin；平均应力σm

2、=1/2（σmax+σmin）应力幅σa=1/2（σmax-σmin）应力比γ=σmin/σmax（2）循环应力的种类对称交变应力；脉动应力；波动应力；不对称交变应力。二、疲劳分类及特点1、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）按环境腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳等。（3）按循环周期高周疲劳、低周疲劳。（4）按破坏原因机械疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳等。2、特点（1）断裂应力<σb，甚至<σs；（2）出现脆性断裂；（3）对材料的缺陷十分敏感；（4）疲劳破坏能清楚显示裂纹的萌生和扩展，断裂。

3、三、疲劳宏观断口的特征断口拥有三个形貌不同的区域：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。（表5-1）1、疲劳源裂纹的萌生地；裂纹处在亚稳扩展过程中。由于应力交变，断面摩擦而光亮。加工硬化。随应力状态及应力大小的不同，可有一个或几个疲劳源。2、疲劳区（贝纹区）断面比较光滑，并分布有贝纹线。8循环应力低，材料韧性好，疲劳区大，贝纹线细、明显。有时在疲劳区的后部，还可看到沿扩展方向的疲劳台阶（高应力作用）。3、瞬断区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

4、缘为剪切唇。§5.2疲劳曲线及疲劳性能一、疲劳曲线1、对称循环疲劳曲线（σ~N曲线）（1）有水平段的疲劳曲线（钢、QT）（2）无水平段的疲劳曲线（有色金属，不锈钢等）2、σ~N曲线的测定常用旋转弯曲疲劳试验机，有效试样13根以上。用升降法测定σ-1。再用概率统计方法处理数据。（取可信度）最后确定点的位置、联线。二、疲劳极限1、对称疲劳极限循环载荷，一般取周期N=107。σ-1，τ-1，σ-1P（对称拉压）2、不同应力状态下的疲劳极限根据大量的实验结果，弯曲与拉压、扭转疲劳极限之间的关系：钢：σ-1P=0.85

5、σ-1，铸铁σ-1P=0.65σ-1铜及轻合金：τ-1=0.55σ-1，铸铁τ-1=0.8σ-1σ-1>σ-1P>τ-13、疲劳极限与静强度之间的关系钢：σ-1P=0.23（σs+σb）σ-1=0.27（σs+σb）铸铁：σ-1P=0.4σbσ-1=0.45σb铝合金：σ-1P=σb/6+7.5(MPa)σ-1P=σb/6-7.5(MPa)4、不对称循环疲劳极限（σr）利用已知的对称循环疲劳极限，用工程作图法求得各种不对称循环疲劳极限。或者采用回归的公式求得。（1）应力幅σa~平均应力σm图y轴上的边界点为0

6、和σ-1x轴上的边界点为0和σb将σmax分解成不同应力比r时的σa和σm，作图。运用时，已知r，σr=σa+σm。（2）σmax~σm图y轴上的边界点为σ-1和-σ-1，x轴则同前图。8σmax=σb，利用不同的应力比r来作图。若为韧性材料σmax=σ0..2（3）公式法上两图中的曲线可用数学公式表示可以很方便利用σb，σ-1，σ0..2和r，求得σr三、抗疲劳过载能力过载持久值材料在高于疲劳极限的应力下运行，发生疲劳断裂的应力循环周次，称为过载持久值，也称有限疲劳寿命。（图）疲劳曲线倾斜部分越陡直，即损伤

7、区窄，则持久值越高，抗疲劳过载的能力越好。过载损伤界由实验测定。疲劳过载损伤是由裂纹的亚稳扩展造成。四、疲劳缺口敏感性疲劳缺口敏感度q0

8、力比r和应力幅σaσ2>σ1作a~N曲线曲线斜率da/dN为裂纹扩展速率；裂纹达到ac，da/dN无限大。二、疲劳裂纹扩展速率1、引入断裂韧度的概念△K=Kman-Kmin=Y△σα1/2每一次小扩展，便认为是一次断裂过程。2、lg(da/dN)~lg△K曲线（图5-16）3、曲线分析I区（初始段）△K≤△Kthda/dN↑，裂纹不扩展。△K>△Kth△K↑，da/dN↑，裂纹扩展但不快。II区（主