材料性能与测试第五章 材料的疲劳性能

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在变动载荷下工作的工件（如曲轴、连杆、齿轮、弹簧、辊子、 叶片及桥梁等），其失效形式主要是疲劳断裂。据统计，疲 劳破坏在整个失效中约占80%左右。
机械疲劳—外加应力/应变波动造 成的。
疲劳破坏的形式：
蠕变疲劳—循环载荷与高温联合 作用下的疲劳。
热机械疲劳—循环受载部件的温 度变动时材料的疲劳。
腐蚀疲劳、接触疲劳、微动疲劳、 电致疲劳等。
故有明显的裂纹萌生和缓慢亚稳扩展阶段，相应的断口上 有明显的疲劳源和疲劳扩展区，这是疲劳断裂的主要断口 特征。
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4、疲劳宏观断口分析
1)、典型疲劳断口具有3个特征区 —疲劳源、疲劳裂纹扩展区(疲劳区)、瞬断区。
2)、疲劳源特点： ✓ 多出现在机件表面，常和缺口、裂纹等缺陷及内部冶金缺陷
(夹杂、白点等)有关。 ✓ 疲劳源区比较光亮，该区表面硬度有所提高。 ✓ 疲劳源可以是一个，也可以是多个。
循环应力：周期性变化的应力，变化的波形有正弦波、 矩形波、三角波等 ；
循环应力分为对称循环(旋转轴)、不对称循环(发动机 连杆、螺栓)、脉动循环(齿轮齿根、压力容器)、波动 循环(发动机气缸盖、螺栓)；
随机应力：随机变化，如因道路气候因素，运行时的
汽车、拖拉机、飞机的零件，工作应力随时间随机变
1945年，由Miner提出的线性累计损伤理论问世。 1960年，Manson-Coffin提出了塑性应变与疲劳寿命的关系。 1961年，Paris提出了疲劳裂纹扩展速率的概念。 1974年美国军方采用了损伤容损设计方法。 目前，材料的疲劳研究方兴未艾，断裂力学、损伤力学和材料
物理学结合，已从宏观、细观和微观领域对疲劳问题进行着 广泛的研究。
§引 言
1998年6月3日上午11时，一辆由德国慕尼黑开往汉堡的 ICE1型884次高速列车，在行驶至距莱比锡东北方约60公里 的小镇埃舍德（Eschede)附近时，列车脱轨并以200公里时 速撞断一座立交桥后解体，事故造成101人死亡，88人重伤， 酿成世界高速铁路历史上最为惨重的事故。 德国铁路机构经过调查后认为：事故因列车第一节车厢后部 的一个车轮轮箍由于金属疲劳断裂引起，轮箍在断裂后变形 成一根弧形钢条，一头戳破车厢地板，另一头随着200公里 时速高速运行的列车，与钢轨产生剧烈摩擦，并发出刺耳的 尖啸。3分钟后，列车在行经一个道岔钢轨接口处时，轮箍 钢条又铲断一组道岔护轨，使之插入车厢。巨大的冲击力导 致第一节车厢后轮脱轨，并与车头脱钩，连带着将后面两节 车厢甩离轨道。虽然列车采取了紧急制动措施，但强大的惯 性依然推动车厢向前滑行，最终在撞断了300多米外的一座 混凝土立交桥墩后完全解体。就这样，一个并不起眼的轮箍 夺走了上百条人命。
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§目 录
§5.1 疲劳破坏的一般规律 §5.2 疲劳破坏的机理 §5.3 疲劳性能指标和测试 §5.4 影响疲劳断裂的因素 §5.5 热疲劳
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§5.1 疲劳破坏的一般规律
一、疲劳破坏的变动应力
工件在变动载荷和应变长期作用下，因累计损伤而引 起的断裂现象。
变动载荷：载荷大小方向随时间变化；
变动应力：变动载荷除以单位面积的平均值；分为循 环应力和随机应力；
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化。
图5-1 应力循环特性表征参数
表征应力循环特征的参量
①最大循环应力σmax， 最小循环应力σmin； ②平均应力 σm＝(σmax+σmin)/2； ③应力幅σα或应力范围Δσ： σα=Δσ/2= (σmax-σmin)/2； ④应力比 r＝σmin/σmax。 ⑤载荷谱： 载荷-时间历程曲线
按接触和环境情况不同：分大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、接触疲劳、 热疲劳等。
按断裂寿命和应力高低不同：分高周疲劳（Nf﹥105 ,σ﹤σs，也称低应力 疲劳）；低周疲劳（Nf=102~105，σ≧ σs，有塑性应变发生, 也称高应 力疲劳.
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3、疲劳破坏的特点： (1) 一种潜藏的突发性破坏，呈脆性断裂。 (2) 疲劳破坏属低应力循环延时断裂, 是具有寿命的断裂。 (3) 对缺陷(缺口、裂纹等)具有高度的敏感性。 (4) 疲劳断裂也是裂纹萌生和扩展过程，但因应力水平低，
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二、疲劳破坏的概念和特点
1、疲劳破坏的概念： 疲劳的破坏过程： 变动应力→薄弱区域的组织→逐渐发生变化和损伤累积、开裂→裂纹
扩展→突然断裂。 疲劳破坏：
循环应力引起的延时断裂，其断裂应力水平往往低于材料的抗拉强 度，甚至低于其屈服强度。 疲劳寿命： 机件疲劳失效前的工作时间。
2、疲劳的分类 按应力状态不同：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳及复合疲劳；
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§5.2 疲劳破坏的机理
一、金属材料疲劳破坏的机理
——疲劳裂纹的萌生和扩展Crack Initiation and Propagation
1、疲劳微裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起。 ①表面滑移带开裂；第二相、夹杂物与基体相界面或夹杂物本
图5-3 疲劳断口的疲劳区和贝纹线
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瞬断区特点 1) KⅠ≥KⅠc时，裂纹就失稳快速扩展， 导致机件瞬时断裂．断口粗糙，脆性断 口呈结晶状；韧性断口在心部平面应变 区呈放射状或人字纹状，边缘平面应力 区则有剪切唇区存在。 2) 瞬断区一般应在疲劳源对侧。
图5-4 疲劳断口的瞬断区和形貌
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图5-5 各类疲劳断口的示意图
图5-2 疲劳断口的示意图和旋转弯曲 Nhomakorabea劳断口形貌
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疲劳区特点
1) 断口较光滑并分布有贝纹线(或海 滩花样)，有时还有裂纹扩展台阶。 2) 断口光滑是疲劳源区的延续，其 程度随裂纹向前扩展逐渐减弱； 3) 贝纹线是疲劳区的最典型特征， 一般认为是因载荷变动引起的。
每组贝纹线好像一簇以疲劳源为 圆心的平行弧线，凹侧指向疲劳源， 凸侧指向裂纹扩展方向。
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1850-1860，Wöhler先生用试验方法研究了车轴的断裂事故，提 出了应力-寿命图（S-N)和疲劳极限概念。
1870-1890，Gerber研究了平均应力对寿命的影响，Goodman提 出了完整的平均应力影响理论。
1920，Griffith用能量法研究了含裂纹体的有关材料强度理论， 初步奠定了事隔20年后由Irwin发展起来的断裂力学理论基础。