二、疲劳现象及特点
1. 分类 疲劳定义：机件在变动应力和应变长期作用下，由于
累积损伤而引起的断裂现象。 (1) 按应力状态不同，可分为：弯曲疲劳、扭转疲劳、
挤压疲劳、复合疲劳 (2) 按环境及接触情况不同，可分为：大气疲劳、腐
蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳 (3) 按断裂寿命和应力高低不同，可分为：高周疲劳、
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第一节 金属疲劳现象及特点
（2）疲劳区
是疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域，该区是判断疲劳 断裂的重要特征依据。
宏观特征：断口比较光滑并分布有贝纹线（或海滩花样）。 断口光滑是疲劳源区域的延续，但其程度随裂纹向前扩展
逐渐减弱。 贝纹线是疲劳区的最大特征，一般是由载荷变动引起的，
如机器运转时的开动和停歇。
低周疲劳，这是最基本的分类方法
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第一节 金属疲劳现象及特点
高周疲劳特点：断裂寿命较长，Nf>105周次，断裂应 力水平较低，σ<σs，也称低应力疲劳，一般常见的疲 劳都属于此类。
低周疲劳特点：断裂寿命较短，Nf=（104-105）周次， 断裂应力水平较高，σ≥σs，往往有塑性应变出现，也 称高应力疲劳或应变疲劳。
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第一节 金属疲劳现象及特点
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第一节 金属疲劳现象及特点
2024Al合金疲劳条纹
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多源疲劳
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疲劳线的形成
名义应力定义：是一种等效应力，它等于作用于结构 上的力与等效作用面积的比值，等效作用面积是人为 定义的，不一定是力的实际作用面积。
名义应力较高时，因疲劳源有多个，裂纹从表面同时 向内扩展，其瞬断区就移向中心位置。
瞬断区的大小和机件名义应力及材料性质有关，若名 义应力较高或材料韧性较差，则瞬断区就较大，反之 瞬断区则较小。
主讲人: 张宁
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第五章 金属的疲劳
一、金属疲劳现象及特点 二、疲劳曲线及基本疲劳力学性能 三、疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 四、疲劳过程及机理 五、影响疲劳强度的主要因素 六、低周疲劳
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第五章 金属的疲劳
引言 • 材料构件在变动应力和应变的长期作用下，由于
累积损伤而引起的断裂的现象——疲劳。 • 疲劳属低应力循环延时断裂，其断裂应力水平往
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第一节 金属疲劳现象及特点
三、疲劳宏观断口特征
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疲劳断口特征 疲劳微观断口特征
疲劳源 扩展区 瞬断区
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第一节 金属疲劳现象及特点 疲劳断裂的宏观特征
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第一节 金属疲劳现象及特点
（1）疲劳源
在断口上，疲劳源一般在机件表面，常与缺口、裂纹、刀 痕、蚀坑等缺陷相连，由于应力不集中会引发疲劳裂纹。 金属的疲劳
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第一节 金属疲劳现象及特点
一、变动载荷
1. 变动载荷 定义：变动载荷是引
起疲劳破坏的外力， 指载荷大小，甚至方 向均随时间变化的载 荷，在单位面积上的 平均值为变动应力。
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第一节 金属疲劳现象及特点
随机载荷 偶然过载对疲劳性能影响很大
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第一节 金属疲劳现象及特点
2. 循环应力
(1) 对称交变应力 (2) 脉动应力 (3) 波动应力 (4) 不对称交变应力
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第一节 金属疲劳现象及特点
•最大应力σmax •最小应力σmin •平均应力σm •应力幅σa ＝0.5*（σmax-σmin） •应力比R ＝σmin/σmax •应力循环频率f ＝1/T
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第一节 金属疲劳现象及特点
口一样，随材料的性质而变： 脆性材料为结晶状断口， 韧性材料在中间平面应变区为放射状或人字纹断口，
在边缘平面应力区为剪切唇。
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第一节 金属疲劳现象及特点
瞬断区位置一般应在疲劳源的对侧，但对于旋转弯曲 来说，低名义应力光滑机件，其瞬断区位置逆旋转方 向偏转一定角度，这是因为疲劳裂纹旋转方向扩展快 的结果。
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第一节 金属疲劳现象及特点
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第一节 金属疲劳现象及特点
（3）瞬断区
是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域 在疲劳裂纹亚稳扩展阶段，随着应力不断循环，裂纹
尺寸不断长大， 当度裂KI达纹到长材大料到的临断界裂尺韧寸度acK时IC，（因K裂C）纹，尖则端裂的纹应失力稳场快强速
扩展，导致机件最后瞬时断裂。 宏观特征：断口比疲劳区粗糙，同静载的裂纹件的断
因此，疲劳是一种潜在的突发性断裂。
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第一节 金属疲劳现象及特点
（3）疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感 由于疲劳破坏是从局部开始的，所以它对缺陷具有
高度的选择性。 缺口和裂纹因应力集中增大对材料的损伤作用，组
织缺陷（夹杂、疏松、白点、脱碳等）降低材料的 局部强度，三者都加快了疲劳破坏的开始和发展。
材料内部存在严重冶金缺陷时，因局部强度降低也会在机 件内部产生疲劳源。
从断口形貌看，疲劳源区的光亮度最大，因为这里是整个 裂纹亚稳扩展过程中断面不断摩擦挤压，所以显示光亮平 滑。
当断口中同时存在几个疲劳源时，可根据源区的光亮度、 相邻疲劳区的大小、贝纹线的密度去确定疲劳源的产生顺 序。
源区的光亮度越大、相邻疲劳区越大、贝纹线越多，疲劳 源越先产生，反之，疲劳源越往后产生。
往<σb，甚至<σs； • 不产生明显的塑性变形，呈现突然的脆断。疲劳
断裂是一种非常危险的断裂。 • 工程中研究疲劳的规律、机理、力学性能指标、
影响因素等，具有重要的意义。
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第五章 金属的疲劳
本章从材料学的角度研究金属疲劳的一 般规律、疲劳破坏过程及机理、疲劳力 学性能及其影响因素，
以便为疲劳强度设计和选用材料，改进 工艺提供基础知识。
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第一节 金属疲劳现象及特点
2. 特点
（1）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的 断裂
断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至低于屈服强 度。
断裂寿命随应力不同而变化，应力高寿命短，应力低寿 命长。
当应力低于某一临界值时，寿命可达无限长。
（2）疲劳是脆性断裂
由于一般疲劳的应力水平比屈服强度低，所以不论是韧 性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前不会发生塑性变形 及有形变预兆，它是在长期累积损伤过程中，经裂纹萌 生和缓慢亚稳扩展到临界尺寸ac时才突然发生的。