材料的疲劳性能
一.本章的教学目的与要求
本章主要介绍材料的疲劳性能，要求学生掌握疲劳破坏的定义和特点，疲劳断口的宏观特征，金属以及非金属材料疲劳破坏的机理，各种疲劳抗力指标，例如疲劳强度，过载持久值，疲劳缺口敏感度，疲劳裂纹扩展速率以及裂纹扩展门槛值，影响材料疲劳强度的因素和热疲劳损伤的特征及其影响因素，目的是为疲劳强度设计和选用材料建立基本思路。
二．教学重点与难点
1. 疲劳破坏的一般规律（重点）
2．金属材料疲劳破坏机理（难点）
3. 疲劳抗力指标（重点）
4.影响材料及机件疲劳强度的因素（重点）
5热疲劳（难点）
三．主要外语词汇
疲劳强度：fatigue strength 断口：fracture 过载持久值：overload of lasting
value疲劳缺口敏感度：fatigue notch sensitivity 疲劳裂纹扩展速率：fatigue crack growth rate 裂纹扩展门槛值：threshold of crack propagation
热疲劳：thermal fatigue
四. 参考文献
1.帆，周伟敏.材料性能学.：交通大学，2009
2.束德林.金属力学性能.：机械工业，1995
3.石德珂，金志浩等.材料力学性能.：交通大学，1996
4.修麟.材料的力学性能.：西北工业大学，1994
5.伟之，时熙等.工程材料力学性能.：航空航天大学，1991
6.朱有利等.某型车辆扭力轴疲劳断裂失效分析[J]. 装甲兵工程学院学报，2010,24（5）：78-81
五．授课容
第五章 材料的疲劳性能
第一节 疲劳破坏的一般规律
1、疲劳的定义
材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。
2、变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。
变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值
分为：规则周期变动应力和无规则随机变动应力
3、循环载荷（应力）的表征
①最大循环应力：σmax
②最小循环应力：σmin
③平均应力： σm=（σmax +σmin）/2
④应力幅σa或应力围Δσ：Δσ=σmax-σmin σa=Δσ/2=（σmax-σmin）/2
⑤应力比（或称循环应力特征系数）： r= σmin/σmax
5、循环应力分类
按平均应力、应力幅、应力比的不同，循环应力分为
① 对称循环σm=（σmax + σmin）/2=0 r=-1
属于此类的有：大多数旋转轴类零件。
② 不对称循环
σm≠0
如：发动机连杆、螺栓
（a）σa> σm>0，-1 （b）σa> 0，σm<0，r<-1 ③ 脉动循环 σm=σa>0，r=0（σmin=0）如：齿轮的齿根、压力容器。 σm=σa<0，r=∞（σmax=0）如：轴承（压应力） ④ 波动循环 σm> σa 0 ⑤ 随机变动应力 应力大小、方向随机变化，无规律性。 如：汽车、飞机零件、轮船。 二、疲劳破坏的特点 在变动载荷作用下，材料薄弱区域，逐渐发生损伤，损伤累积到一定程度→产生裂纹，裂纹不断扩展→失稳断裂。 特点：从局部区域开始的损伤，不断累积，最终引起整体破坏。 1、潜藏的突发性破坏，脆性断裂（即使是塑性材料）。 2、属低应力循环延时断裂（滞后断裂）。 3、对缺陷十分敏感（可加速疲劳进程）。 三、疲劳破坏的分类 1、按应力状态： 弯曲疲劳 扭转疲劳 拉压疲劳 接触疲劳 复合疲劳 2、按应力大小和断裂寿命 N>105，б<бs 高周疲劳→低应力疲劳 N=102～105，б≥бs 低周疲劳→高应力疲劳 四、疲劳破坏的表征—疲劳寿命 疲劳寿命：材料疲劳失效前的工作时间，即循环次数N。 疲劳曲线: 应力б↑，N↓ 五、疲劳断口的宏观特征 典型疲劳断口具有3个特征区：疲劳源 疲劳裂纹扩展区 瞬断区 1、疲劳源 疲劳裂纹萌生区，多出现在零件表面，与 加工刀痕、缺口、裂纹、蚀坑等相连。 特征：光亮，因为疲劳源区裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多。 疲劳源可以是一个，也可以有多个。如：单向弯曲，只有一个疲劳源；双向弯曲，可出现两个疲劳源。 2、疲劳裂纹扩展区（亚临界扩展区） 特征：断口较光滑并分布有贝纹线或裂纹扩展台阶。 贝纹线是疲劳区最典型的特征，是一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向，近疲劳源区贝纹线较细密（裂纹扩展较慢），远疲劳源区贝纹线较稀疏、粗糙（裂纹扩展较快）。 σ N σ 0 贝纹线（海滩花样） 贝纹线区的大小取决于过载程度及材料的韧性，高名义应力或材料韧性较差时，贝纹线区不明显；反之，低名义应力或高韧性材料，贝纹线粗且明显，围大。 名义载荷 根据额定功率用力学公式计算出作用在零件上的载荷。即机器平稳工作条件下作用于零件上的载荷。 计算载荷=载荷系数*名义载荷 3、瞬断区 裂纹失稳扩展形成的区域 断口特征： 断口粗糙，脆性材料断口呈结晶状；韧性材料断口在心部平面应变区呈放射状或人字纹状；表面平面应力区则有剪切唇区存在。 瞬断区一般在疲劳源对侧 瞬断区大小与名义应力、材料性质有关 高名义应力或脆性材料，瞬断区大；反之，瞬断区小。 第二节 疲劳破坏的机理 一、金属材料疲劳破坏的机理 1、疲劳裂纹的萌生（形核） 第Ⅰ阶段在循环应力作用下，裂纹萌生常在材料薄弱区或高应力区。通过不均匀滑移或显微开裂 （如第二相、夹杂物、晶界或亚晶界）等方式完成。 通常将长0.05-0.10mm的裂纹定为疲劳裂纹核，对应的循环周期N，为微裂纹萌生期。 驻留滑移带： 在循环载荷作用下，即使循环载荷未超过材料屈服强度，也会在材料表面形成循环滑移带—不均匀滑移，其与静拉伸形成的均匀滑移不同，循环滑移带集中于某些局部区域，用电解抛光法也难以去除，即使去除了，再重新循环加载，还会在原处再现。 不均匀滑移 驻留滑移带在表面加宽过程中，会形成挤出脊和侵入沟，从而引起应力集中，形成疲劳微裂纹→形核（萌生）。 挤出和侵入模型 表面易产生疲劳裂纹的原因 （1）在许多载荷方式下，如扭转疲劳，弯曲和旋转弯曲疲劳等，表面应力最大。 （2）实际构件表面多存在类裂纹缺陷，如缺口，台阶，键槽，加工划痕等，这些部位极易由应力集中而成为疲劳裂纹萌生地。 （3）相比于晶粒部，自由表面晶粒受约束较小，更易发生循环塑性变形。 （4）自由表面与大气直接接触，因此，如果环境是破坏过程中的一个因素，则表面晶粒受影响较大。 2、疲劳裂纹的扩展 → 第Ⅱ阶段 疲劳裂纹形核后，在室温及无腐蚀条件下 第Ⅰ阶段属于微裂纹扩展 第Ⅱ阶段呈穿晶扩展，扩展速率da/dN 随 N的增加而增大。 在多数韧性材料的第Ⅱ 阶段，断口用电子显微镜可看到韧性条带而脆性材 料中可看到脆性条带。 疲劳条带（辉纹）呈略弯曲并相互平行的沟槽状花样，与裂纹扩展方向垂直。 与贝纹线不同,疲劳条带是疲劳断口的微观特征。 疲劳条带形成的原因： 裂纹尖端的塑性开，钝化和闭合钝化，使裂纹向前延续扩展疲劳裂纹的形成与扩展模型。 韧性疲劳条带与脆性疲劳条带形貌 疲劳条带的形成模型(Laird-Smith模型）： 疲劳条带的形成模型—再生核模型（F-R） 韧性条带与脆性条带的区别： 二、非金属材料疲劳破坏机理 1、 瓷材料的疲劳破坏机理 静态疲劳相当于金属中的延迟断裂，即在一定载荷作用下，材料耐用应力随时间下降的现象。 动态疲劳在恒定加载条件下，研究材料断裂失效对加载速率的敏感性。 循环疲劳在长期变动应力作用下，材料的破坏行为。 瓷材料断口呈现脆性断口的特征。 2、高分子聚合物的疲劳破坏机理 ⑴ 非晶态聚合物 a、高循环应力时，应力很快达到或超过材料银纹的引发应力，产生银纹，随后转变成裂纹，扩展后导致材料疲劳破坏。 b、中循环应力也会引发银纹，形成裂纹，但裂纹扩展速率较低（机理相同）。 c、低循环应力，难以引发银纹，由材料微损伤累积及微观结构变化产生微孔及微裂纹，最终裂纹扩展导致宏观破坏。 ⑵ 结晶态高聚合物或低应力循环的非晶态高聚合物，疲劳过程有以下现象： ①整个过程，疲劳应变软化而不出现硬化。 ②分子链间剪切滑移，分子链断裂，结晶损伤，晶体结构变化。 ③产生显微孔洞，微孔洞合并成微裂纹，并扩展成宏观裂纹。 ④断口呈裂纹扩展形成的肋状形态，断口呈丛生簇状结构（拉拔）。 ⑶ 高聚物的热疲劳 由于聚合物为粘弹性材料，具有较大面积的应力滞后环，所以在应力循环过程中，外力所做的功有相当一部分转化为热能；而聚合物导热性能差，因此温度急剧升高，甚至高于熔点或玻璃化转变温度，从而产生热疲劳。 热疲劳常是聚合物疲劳失效的主要原因。因此疲劳循环产生的热量，使聚合物升温，可以修补高分子、的微结构损伤，使机械疲劳裂纹形核困难。 ⑷聚合物疲劳断口可观察到两种特征的条纹 A、疲劳辉纹 每周期的裂纹扩展10μm（间距）。 聚合物相对分子量较高时，在 所有应力强度因子条件下，皆可形成疲劳辉纹。 B、疲劳斑纹 不连续、跳跃式的裂纹扩展，50μm间距 而相对分子量较低时，在较低应力强度因子时，易形成疲劳斑纹。 3、复合材料的疲劳破坏机理 ⑴ 复合材料疲劳破坏的特点 a、多种疲劳损伤形式：界面脱粘、分层、纤维断裂、空隙增长等。 b、不发生瞬断，其疲劳破坏的标准与金属不同，常以弹性模量下降的百分数1%-2%），共振频率变化（1-2HZ）作为破坏依据。 c、聚合物基复合材料，以热疲劳为主，对加载频率感。 d、较大的应变引起纤维与基体界面开裂形成疲劳源（纤维、基体的变形量不同）压缩应变使复合材料纵向开裂，故对压缩敏感。 e、复合材料的疲劳性能与纤维取向有关纤维是主要承载组分，沿纤维方向具有很好的疲劳强度；而沿纤维垂直方向，疲劳强度较低。 对于复合材料，界面结合非常重要，因为：基体与纤维的E不同，变形量不同，故界面产生很大的剪切应力。