材料的力学性能-5-材料的疲劳

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1、5材料的疲劳疲劳通常指材料在受到变动（载荷）应力（一般低于屈服应力）作用下的行为。在变动载荷下工作的机件，如轴、齿轮和弹簧等，其主要的破坏形式是疲劳断裂。疲劳断裂是指机件在变动载荷作用下经过长时间工作发生的断裂现象。在各类机件破坏中有80-90%是疲劳断裂，而且疲劳断裂多是在没有征兆的情况下突然发生的，所以危害性很大。金属的疲劳断裂是材料科学的重要领域之一，一直受到材料科学工作者的极大关注。5.1疲劳现象5.1.1变动载荷机件承受的变动载荷（应力）是指载荷大小或大小和方向随时间按一定规律变化或呈无规则随机变化的载荷，前者称为周期变动载荷，后者称为随即变动载荷。周期变动

2、载荷又分交变载荷和重复载荷两类。交变载荷是大小、方向均随时间作周期变化的变动载荷；重复载荷是载荷大小作周期变化，但载荷方向不变的变动载荷。5.1疲劳现象5.1.1变动载荷周期变动载荷又称为循环应力。它可以看成是由恒定的平均应力σm和变动的应力半幅σa叠加而成，即在应力变化过程中，应力σ与时间t存在如下关系：σ=σm+σaf(t)最大应力σmax——循环应力中数值最大的应力；最小应力σmin——循环应力中数值最小的应力；平均应力σm——循环应力中的应力不变部分：σm=（σmax+σmin）/2应力半幅σa——循环应力中的应力变动部分的幅值:σa=（σmax－σmin）/

3、2应力循环对称系数（应力比）r——应力循环的部对称程度:r=σmin/σmax5.1疲劳现象5.1.2疲劳断裂的特点1、疲劳断裂是低应力脆性断裂，一般是在低于屈服应力之下发生的，断裂是突然的，没有预先征兆，看不到宏观塑性变形，危害性比较大。2、疲劳破坏是长期的过程，在交变应力作用下，金属材料往往要经过几百次，甚至几百万次循环才能产生破坏。在疲劳断裂过程中，金属材料的内部组织在局部区域内逐渐发生变化。这种变化使材料受到损伤，并逐渐积累起来，当其达到一定程度后便发生疲劳断裂。因此疲劳断裂是一个损伤积累过程，并且损伤是从局部区域开始的。3、当应力循环对称系数一定时，金属材料

4、所受的最大交变应力(或交变应力半幅)愈大，则断裂前所能承受的应力循环次数愈少。当应力循环中的最大应力(或交变应力半幅)降到某一数值时，金属材料可以经受无限次应力循环而不发生疲劳断裂5.1疲劳现象5.1.2疲劳断裂的特点4、疲劳断裂也包括裂纹形成和扩展两个阶段，但是由于承受的应力小，并且是循环应力，故疲劳裂纹的裂纹在未达到临界尺寸之前扩展很慢，这就是我们熟知的裂纹亚临界扩展阶段。疲劳裂纹的亚临界扩展期很长。当疲劳裂纹尺寸达到临界值后，便迅速失稳扩展而断裂。可见，疲劳裂纹扩展包括亚临界扩展期和失稳扩展期。5、金属的疲劳按照机件所受应力的大小可分为高周疲劳和低周疲劳。所受应

5、力较低、断裂时应力循环周次很多的情况下产生的疲劳断裂称为高周疲劳。所受应力较高、断裂时应力循环周次较少的情况下产生的疲劳断裂称为低周疲劳。5.1疲劳现象5.1.3疲劳宏观断口疲劳断口有其些独特的特征，是研究疲劳断裂过程和进行机件疲劳失效分析的基础。疲劳断口的宏观结构取决于材料的性质、加载方式、载荷大小等因素。高周疲劳断口从宏观来看，一般可以分为三个区，即疲劳源区、疲劳裂纹扩展区（疲劳断裂区）和瞬时断裂区（静断区）。5.1疲劳现象5.1.3疲劳宏观断口疲劳源区:即疲劳裂纹策源地，是疲劳破坏的起始点。疲劳源一般在机件的表面，因为表面常常存在各种缺陷及台阶，例如加工痕迹，非

6、金属夹杂，淬火裂纹等应力集中点比较多。如果机件内部存在有夹杂、孔洞或成分偏析等缺陷时，它们也可能成为内部或亚表面的疲劳源。疲劳裂纹形成后，由于经受反复挤压摩擦，疲劳源区比较光亮。5.1疲劳现象5.1.3疲劳宏观断口疲劳裂纹扩展区:疲劳裂纹亚临界扩展部分。它的典型特征是具有“贝壳”一样的花样，一般称为贝壳线，也称为疲劳辉纹、海滩状条纹、疲劳停歇线或疲劳线。一个疲劳源的贝壳线是以疲劳源为中心的近于平行的一簇向外凸的同心圆。它们是疲劳裂纹扩展时前沿线的痕迹。贝纹线是由于载荷大小或应力状态变化、频率变化或机器运行中停车起动等原因，裂纹扩展产生相应的微小变化所造成的。因此，这种

7、花样常出现在机件的疲劳断口上，并且多数是高周疲劳。贝纹线从疲劳源向四周推进，与裂纹扩展方向垂直，因而在与贝纹线垂直的相反方向，对着同心圆的圆心可以找到疲劳源所在地。通常在疲劳源附近，贝纹线较密集，而远离疲劳源区，由于有效面积减少，实际应力增加，裂纹扩展速率增加，故贝纹线较为稀疏。5.1疲劳现象5.1.3疲劳宏观断口瞬时断裂区:疲劳裂纹快速扩展直至断裂的区域。随着应力循环周次增加，疲劳裂纹不断扩展，当其尺寸达到相应载荷下的临界值时，裂纹将失稳快速扩展，从而形成瞬时断裂区。瞬时断裂区的断口形状:靠近中心为平面应变状态的平滑断口，与疲劳裂纹扩展区处于同一个