第五章金属的疲劳

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。

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。

2. 循环应力二、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、低周疲劳，这是最基本的分类方法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a c时才突然发生的。

因此，疲劳是一种潜在的突发性断裂。

（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。

三、疲劳宏观断口特征（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。

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。

（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。

（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，当裂纹长大到临界尺寸a c时，因裂纹尖端的应力场强度K I达到材料的断裂韧度K IC（K C），则裂纹失稳快速扩展，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。

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，这是国为疲劳裂纹旋转方向扩展快的结果。

⏹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。

第二节疲劳曲线及基本疲劳力学性能一、疲劳曲线和对称循环疲劳曲线⏹（一）疲劳曲线和疲劳极限⏹疲劳曲线：是疲劳应力与疲劳寿命的关系曲线，即S-N曲线，是确定疲劳极限、建立疲劳应力判据的基础。

⏹1860年，维勒（Wöhler）在解决火车轴断裂时，首先提出了疲劳曲线和疲劳极限的概念，所以后人也称该曲线为维勒曲线。

⏹对于一般具有应变时效的金属材料，如碳钢、球铁等，当循环应力水平降到某一临界值时，低应力段变为水平线段，表明试样可以经无限次应力循环也不发生疲劳断裂，故将对应的应力称为疲劳极限，记为σ-1（对称循环，r=-1）。

这类材料如果应力循环107周次不断裂，则可认定承受无限次应力循环也不会断裂，所以常将107周次作为测定疲劳极限的基数。

⏹另一类金属材料，如铝合金、不锈钢等，其S-N曲线没有水平部分，只是随应力降低，循环周次不断增大，此时只能根据材料的使用要求规定某一循环周次下不发生断裂的应力作为条件疲劳极限，或称有限寿命疲劳极限。

（二）疲劳曲线的测定通常疲劳曲线用旋转弯曲疲劳试验测定，其四点弯曲试验机原理见下图。

S-N曲线的高应力（有限寿命）部分用成组试验法测定，即取3-4级较高应力水平，在每级应力水平下，测定5根左右试样的数据，然后进行数据处理，计算中值（存活率50%）的疲劳寿命。

用升降法测得的σ-1作为S-N曲线的最低应力水平点，与成组试验法的测定结果拟合成直线或曲线，就可得到存活率为50%的中值S-N曲线。

（三）不同应力状态下的疲劳极限⏹同一材料，不同应力状态下的疲劳极限不同，但它们之间存在一定联系。

⏹实验确定：对称弯曲疲劳极限与对称拉压、扭转疲劳极限之间存在一定关系。

（四）疲劳极限与静强度的关系⏹试验表明，金属材料的抗拉强度越大，其疲劳极限也越大。

⏹对于中、低强度钢，疲劳极限与抗拉强度间大体呈线性关系。

⏹σb较低时，可近似写成σ-1=σb。

⏹σb较高时，这种近线性关系就会发生偏离，这是由于强度较高时，材料的塑性和断裂韧性下降，裂纹易于形成和扩展所致。

二、疲劳图和不对称循环疲劳极限⏹很多机件是在不对称循环载荷下工作的，因此还需要测定材料的不对称循环疲劳极限，以满足这类机件的设计和选材的需要。

⏹通常用工程作图法，由疲劳图求得各种不对称循环的疲劳极限。

⏹根据不同的作图方法有两种疲劳图：1.σa-σm疲劳图⏹在不同应力比r条件下将σmax表示的疲劳极限σr分解为σa和σm，并在该坐标系中作ABC曲线，则得到σa-σm疲劳图。

2.σmax(σmin)-σm疲劳图将不同应力比r下的疲劳极限，分别以σmax(σmin)和σm表示于坐标系中，就形成疲劳图。

AHB就是在不同r下的疲劳极限σmax。

疲劳极限随平均应力或应力比的增加而增加，但应力幅度a减小。

三、抗疲劳过载能力⏹金属机件偶然经受短期过载，材料原来的疲劳极限可能没有变化，也可能有所降低，这要具体视材料所受过载应力及相应的累计过载周次而定。

⏹如果金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后，其疲劳极限和疲劳寿命减小，这就造成了过载损伤。

⏹金属材料抵抗疲劳过载损伤的能力，用过载损伤界或过载损伤区表示。

⏹过载损伤界由实验确定：测出不同过载应力水平和相应的开始降低疲劳寿命的应力循环周次，得到不同的试验点，连接各点便得到过载损伤界。

⏹过载损伤界与疲劳曲线高应力区直线段（该线段各应力水平下发生疲劳断裂的应力循环周次称为过载持久值）之间的影线区，称为过载损伤区。

⏹机件过载运转到这个区域里，都要不同程度地降低材料疲劳极限，在持久值附近，降低的越多。

⏹材料的过载损伤界（或过载持久值）越陡直，损伤区越窄，则其抵抗疲劳过载的能力越强。

四、疲劳缺口敏感度⏹机件由于使用的需要，常常带有台阶、拐角、键槽、油孔、螺纹等，这些结构类似于缺口作用，会改变应力状态造成应力集中。

⏹所以了解缺口引起的应力集中对疲劳极限的影响也很重要。

根据疲劳缺口敏感度评定材料时，可能出现两种极端情况：⏹（1）K f=K t，即缺口试样疲劳过程中应力分布与弹性状态完全一样，没有发生应力重新分布，这时缺口降低疲劳极限最严重，疲劳缺口敏感度q f=1，材料的缺口敏感性最大。

⏹（2）K f=1，σ-1=σ-1N，缺口不降低疲劳极限，说明疲劳过程中应力产生了很大的重分布，应力集中效应完全被消除，q f=0，材料的缺口敏感性最小。

⏹所以q f值能反映在疲劳过程中材料发生应力重新分布，降低应力集中的能力。

⏹高周疲劳时：大多数金属都对缺口十分敏感；⏹低周疲劳时：大多数金属都对缺口不太敏感，这是因为后者缺口根部区域已处于塑性区内，发生应力松弛，使应力集中降低所致。

第三节疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值⏹疲劳过程由裂纹萌生、亚稳扩展及最后失稳扩展组成。

⏹其中裂纹亚稳扩展是决定机件整个疲劳寿命的重要组成部分。

⏹研究疲劳裂纹的扩展规律、扩展速率及其影响因素，对延长疲劳寿命和预测实际机件疲劳剩余寿命均具有重要意义。

一、疲劳裂纹扩展曲线⏹在高频疲劳试验机上测定疲劳裂纹扩展曲线。

⏹疲劳裂纹曲线测定过程：二、疲劳裂纹扩展速率（一）疲劳裂纹扩展速率曲线⏹材料的疲劳裂纹扩展速率不仅与应力水平有关，而且与当时的断裂尺寸有关，则将应力范围△σ与a复合为应力强度因子范围△K。

⏹如果认为疲劳裂纹扩展的每一微小过程类似是裂纹体小区域的断裂过程，则△K就是在裂纹尖端控制裂纹扩展的复合力学参量，从而建立由△K起控制作用的曲线，也就是疲劳裂纹扩展速率曲线。

图中分I、II、III三个区段。

在I、III区，△K对da/dN影响很大，在II区，△K与da/dN之间呈幂函数关系。

（二）疲劳裂纹扩展门槛值⏹△K th是疲劳裂纹不扩展的△K临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值，表示材料阻止疲劳裂纹开始扩展的性能，也是材料的力学性能指标，其值越大，阻止疲劳裂纹开始扩展的能力就越大，材料越好。

⏹△K th与疲劳极限σ-1相似，都表示无限寿命的疲劳性能，也受材料成分和组织、载荷条件及环境的影响。

⏹但是σ-1是光滑试样的无限寿命疲劳强度，用于传统的疲劳强度设计和校核，△K th是裂纹试样的无限寿命疲劳性能，适于裂纹件的设计和校核。

（四）影响疲劳裂纹扩展速率的因素⏹ 1. 应力比r（或平均应力σm）的影响⏹由于压应力使裂纹闭合不会使裂纹扩展，所以研究r对da/dN的影响，都是在r>0的情况下进行的。

⏹从右图可知，随着r的增加，曲线向左上方移动，使da/dN升高，而且在I、III的影响比在II区的大。

⏹残余压应力的影响。

2. 过载峰的影响⏹实际机件在工作时很难一直是恒定载荷，往往会有偶然过载。

⏹偶然过载进入过载损伤区内，将使材料受到损伤并降低疲劳寿命，但是如果过载适当，反而是有益的。

⏹实验表明：在恒载裂纹疲劳扩展区内，适当的过载峰会使裂纹扩展减慢或停滞一段时间，发生裂纹扩展过载停滞现象，并延长疲劳寿命。

⏹裂纹扩展发生过载停滞的原因，可用裂纹尖端塑性区的残余应力影响来说明。

⏹在应力循环正半周时，过载拉应力产生较大的塑性区，当这个较大的塑性区在循环负半周时，因阻止周围弹性变形恢复而产生残余压应力，⏹这个压应力迭加于裂纹上，使裂纹提前闭合，减少裂纹尖端的△K，从而降低da/dN，这种影响一般称为裂纹闭合效应。