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• 典型的应变-寿命关系曲线
Coffin与Manson提出 材料塑性变形与疲劳寿命之 间的关系式：
C值介于-0.05 — -0.7之间。
Basquin与Coffin-Manson关系式合并，得到完整的应力、应变 与疲劳寿命关系式：
材料本身的特性也会使应变PPT-学寿习交流命曲线有所不同！
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铜单晶中PSB上的挤出 与挤入区实际照片
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B.疲劳微裂缝成长
成长速率与成长方向为局部应力集中的状 况及裂缝尖端的材料性质所控制。
疲劳裂缝成长，依先后顺序分成： ◇ 第I阶段：疲劳裂缝沿PSB方向进行 ◇ 第II阶段：垂直应力方向进行
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第I阶段： 疲劳裂缝沿PSB方向进行
与N0对应的就是持久极限。 PPT学习交流
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• 通常钢铁材料（除铸铁外）具有明显的疲劳 限特性→对应S-N曲线图随着应力 降低而呈现水平状态。
条件持久极限
耐久比：
通常非铁材料（如：Al、
Cu合金）都无真正的水
平疲劳限。 PPT学习交流
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依疲劳寿命N f 来分类：
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低周疲劳的特点
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第三节 疲劳破坏的宏观与微观特 征
A. 宏观特征(Macroscopic Character)
＜105许）多，应如用：的汽工车程启零动件器无上需的承弹受簧数零万件次、循热环交（换即管N及f
涡轮转子和叶片等。 → 依此循环寿命进行零件设计，可大 量减轻零件质量，降低生产成本。
• 典型低周疲劳的应力-应变迟滞曲线
Basquin提出关系式：
疲劳强度系数近似于抗拉强度 b值介于-0.05 — -0.12之间。
进行
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当疲劳裂 缝前端的塑性变 形由单一滑移进 入多重滑移或 是疲劳裂缝成 长被障碍物阻 挡时会进入第II 阶段,且成长速 度加快,成长方 向改变为垂直于 应力方向进行. 疲劳裂缝尖端 反复地塑性钝 化和尖锐化,逐 渐生长成宏观疲 劳裂纹,而达到 临界裂纹长度.
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C.最终失效断裂
当疲劳裂纹达到临界长度时,则材料 本身剩下的截面积将无法承受所施加的负 荷,会突然进入最终失效断裂阶段而产生异 常快速且具有毁灭性的材料失效.
• 疲劳裂缝沿着高剪切应力平面（即PSB）成长， 使初期疲劳裂缝加深，其成长速率相对缓慢， 且为单一滑移。
• 若在低应力下，或试片方向具有优选方向（即 邻近晶粒的滑移平面几乎相等），则疲劳裂缝 可延伸甚至跨越晶粒而都在单一平面上滑移， 将有利于第I阶段的成长。
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第II阶段： 疲劳裂缝垂直应力方向
A. 交变应力
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齿轮传动：齿轮啮合点处的应力随 时间作周期性变化。
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0
从构件的应力-时间曲线中可看出： 在承受交变应力的构件中，轴中的弯曲应力每转
一周就要从最大值σmax变到最小值σmin ，然后又恢复 到最大值，即：轴每转一周， 应力就完成一次循环, 称为一个应力循环。∣ σmax ∣= ∣ σmin ∣ 为对称 循环，否则为非对称循环。
生，损伤严重。→ 事先预防是关键！
1998年德国高铁出轨事故
（200Km，近百人亡，伤300余人）
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交变应力是导致疲劳破坏产生的重要条件！ 工程中的许多载荷是随时间而发生变化的，而其 中有相当一部分载荷是随时间作周期性变化的。 例如：火车的轮轴。
交变应力→构件中点的应力 状态随时间而作周期性变化 的应力。
循环硬化
循环软化
多种材料的单向拉伸应力PPT与学习循交流环应力的应力-应变曲线
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第二节 疲劳破坏机制
疲劳破坏过程依先后次序可区分为三个 主要阶段，即：
• 疲劳微裂缝形成 • 疲劳裂纹扩展 • 最终失效断裂
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A.疲劳微裂缝形成
• 表面上最大局部应力或最小截面积处，或因材 料差异导致的强度最弱的地方。
疲劳断裂讲义
第一节 交变应力与疲劳破坏现象 第二节 疲劳破坏机制 第三节 疲劳破坏的宏观与微观特征 第四节 疲劳断裂力学 第五节 影响材料疲劳极限或疲劳强度的因素 第六节 改善材料疲劳极限或疲劳强度的方法
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第一节 交变应力与疲劳破坏现 象
结构材料与机械零件失效案例中，疲劳破坏占 ＞50%，其破坏有别于静载破坏，破坏时外观没有明 显的征兆，大多是在无预警且不可预期的情况下发
任意振幅、应力
（4）静应力也可以看成是交变应力的一种特性:
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构件在交变应力下，当最大应力低于屈 服极限时，就可能发生疲劳破坏。
即使是塑性较好的材料断裂前也无明显 的塑性变形。
疲劳破坏过程依先后 次序可区分为三个主要阶 段，即：
疲劳裂缝形成
疲劳裂纹扩展
最终失效断裂。
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→ 不同性质材料的应变-寿命曲线
① 循环硬化
当循环应力继续作用， 材料的应力-应变曲线形状 会产生变化，代表其材质对 应力-应变反应的改变。根 据迟滞曲线形状变化的不同， 可分为四种：
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② 循环软化
③ 混合行为
应变范围固定，则应
力范围越来越小。
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④循环稳定←应变范围和塑性变形皆不明显
如：表面刮痕、缺口等。
内部缺陷，如夹杂物、晶界、双晶界等强 度较低之处。
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ห้องสมุดไป่ตู้
循环应力作用几千次后，某些晶粒
中发生位错滑移，滑移线增多将形成永 久滑移带（PSB,含5000余条滑移线)， 导致材料表面上出现挤出与挤入，此两 者均会沿着永久滑移带平行发展，最终 形成疲劳微裂缝。
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B. 疲劳破坏的分类
屈服极限或强度极限等静强度指标已不能作为疲劳破坏 的强度指标。故在交变应力下，材料的强度指标应重新设定。
持疲 久劳 极寿 限命
应力-寿命曲线
旋转梁疲劳试验机
持久极限
实际上，试验不可能无限期的进行下去，
一般规定一个循环次数N0来代替无限长的持久
寿命，这个规定的循环次数N0称为循环基数。
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交变应力的几个名词术语:
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交变应力的几种模式：
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脉动循环：
变动于零到某一最
大值之间的交变应力循
环，称为脉动循环。
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（3）稳定交变应力：
交变应力的最大应力和最小应力的值，在工作 过程中始终保持不变，否则称不稳定交变应力。
不稳定交变应力