低周疲劳
第六章 材料的疲劳
一、交变应力的描述 应力幅a、平均应力m或应力比R
max
0 min
0
0
0
轴
构件中支撑件
压力容器
预紧螺丝
a=(max-min)/2，m=(max+min)/2，R=mix/man
第六章 材料的疲劳
二、微观断口形貌 裂纹扩展区的疲劳条带 微米尺寸 一个加载循环形成一个条带
第六章 材料的疲劳
五、影响疲劳性能因素
频率：高于170次/s时频率高好，低于1次/s时疲劳极限低 次载锻炼：低于疲劳极限应力下工作一定时间，疲劳极限高 组织结构：夹杂物有害、细晶有利 表面质量：粗糙、加工痕迹、记号等导致疲劳极限下降
活塞连杆
板弹簧
表面强化处理：淬火、渗碳氮化、喷丸处理等可提高疲劳极限。
高循环疲劳区(长寿命区)：应力低于弹性极限， Nf大于105 无限寿命区：某一a下不断，ac为材料的理论疲劳极限(耐久限)
疲劳极限：在给定的疲劳寿命下，试样所能承受的上限应力幅值
一般取Nf=107周次。R = -1时的疲劳极限记为-1 -1=(a,i+a,i+1) /2。a,I时疲劳寿命小于107，a,i+1时寿命大于107
静态力学性能
动态力学性能:疲劳
力与环境其他因素共同作用
高温环境：蠕变 腐蚀环境：氢脆、应力腐蚀开裂
固体环境：磨损
第六章 材料的疲劳
引言
人的疲劳，原因是什么？
条件
持续பைடு நூலகம்时间、大强度的体力活动，肌肉持久或过度收缩
机理
产生乳酸、酮酸、二氧化碳等酸性物质（疲劳素） 疲劳素在肌肉内积贮，妨碍肌肉细胞的活动能力 疲劳素进入血液，刺激中枢神经系统
华
航
波
音
7 4
英国彗星喷气式飞机
7 断裂韧性，裂纹如何产生？
第六章 材料的疲劳
现象：在低于屈服强度或断裂强度的应力作用下断裂
交变的应力作用（飞机的震动、汽车减震板） 断口宏观形貌（三区）
疲劳源 裂纹扩展区（贝纹线） 瞬时断裂区
断裂机理？
交变应力下裂纹的形成 交变应力下裂纹的扩展
高周疲劳
陶瓷增韧
减少裂纹源：光滑的表面，烧结致密性 抑制裂纹扩展： 金属增韧、相变、微裂纹增韧、晶须、细晶
其他方法？
仿生 铁电材料的力学性能
裂纹扩展使铁电畴发生翻转，电畴翻转后会导致不协调的应变 材料断裂韧性会发生明显的变化。 物理性能+力学性能
金属与晶粒细化 双重增韧，解决陶瓷刀具脆性问题
结果
人体疲乏无力、烦躁不快，对什么都失去兴趣
如何测定是否疲劳？
• 早晨不能按时醒来，醒后懒得起床 • 走路抬不起腿 • 不想参加社交活动，尤其不愿见陌生人 • 懒得讲话，说话声音细而短，自觉有气无力 • 坐下后不愿起来，时常托腮呆想发楞 • 说话、写文章不时出错 • 提不起精神来，过分地想用茶或者咖啡提神 • 口苦、无味，食欲差，饭菜没滋味，厌油腻，总想加些刺激性调料 • 耳呜、头昏、目眩、眼前冒金星、烦躁、易怒 • 眼睛疲劳，呵欠不断 • 下肢沉重，休息时总想把脚架在桌上 • 入睡困难，想这想那，易醒多梦 • 打盹不止，四肢像抽筋一般
铝合金
由疲劳裂纹同样可以追述过去！
第六章 材料的疲劳
三、疲劳断裂机理
裂纹源
表面滑移带开裂 夹杂物与基体分离或自身断裂 晶界或亚晶界开裂
裂纹扩展 a)应力=0，裂纹闭合
b)拉应力，裂纹张开，尖端45º滑移 c)拉力最大，尖端塑性钝化，扩展停止 d)压应力，裂纹闭合，滑移反方向进行尖端
耳形切口，下一个45º滑移准备 e)压力最大，尖端锐角，一个条带形成
lg a 有限寿命区
第六章 材料的疲劳
短寿命区
长寿命区 ac
四、疲劳性能指标
无限寿命区
疲劳寿命
lgNf
加载开始到试样断裂所经历的应力循环数，Nf 疲劳实验机，不同应力幅a试验一组试样，得lga-lgNf曲线
疲劳寿命曲线，习惯称-N曲线
-N曲线的三区
低循环疲劳区(短寿命区)：应力高于弹性极限，快速断裂1/4-104
复习
第五章：材料的断裂
断裂韧性：KIc
KIc= Y c ac
材料中存在裂纹时，判定断裂的指标
I是指I型裂纹（拉开型）；c是指临界值：KI ＞KIc时，材料断裂 与材料的成分、组织结构有关
由材料KIc和所受应力，可算允许最大裂纹ac 由材料KIc和裂纹尺寸a，可算最大承载力c KIc越大越好
断口形貌
纳米Al2O3-TiC-5%Co粉末
微米Al2O3-TiC-Co
纳米Al2O3-TiC-Co
←刀具 试验→
弹性指标:E和e，We
塑性指标:δ、ψ
强度指标:b，s，0.2 ，k
硬度指标：HB、HRC、HRB、HRA、HV、HK、HL 韧性指标:塑性+强度 冲击韧性指标:ak 韧脆转变指标：Tc 断裂的难易程度: 断裂韧性 KIc
另一种疲劳
法国加谬的《西西里弗的故事》
古希腊神话中的大力神 因为得罪宙斯而被罚做苦力： 将一块巨石推上山顶，然而到了山顶，巨石又滚到山底
俄罗斯陀思妥耶夫斯基 《罪与罚》
对犯人的惩罚 将一堆沙挑到一个地方； 然后又将其挑回原处
第六章 材料的疲劳
背景：异常的现象
1948年美国马丁202运输机正常航行坠毁 1952年美国F86涡轮歼击机空中爆炸 同年人类第1架喷气式客机“彗星”空中爆炸 1998年德国火车出轨 2002年华航波音747-200客机空中解体
超细陶瓷制备中的问题：
细晶陶瓷韧性好 → 超细粉体烧结
金属包覆陶瓷复合粉体
超细粉烧结易长大
金属
陶瓷
？
“壳/核”结构的金属包覆陶瓷粉体
阻止超细陶瓷颗粒的长大 金属均匀分布
晶粒细化和金属双重增韧
国家863计划项目：
金属包覆陶瓷粉体制备技术及其高性能刀具的研究
高性能陶瓷刀具
硬度HRA：93.5~95 抗弯强度：800~1100 MPa 断裂韧性：6~8 MPa•m1/2