第五节 材料的疲劳极限及影响因素

1
Kf
-1 -1N
1
有缺口
qf的意义：反映了在疲劳过程中材料发生 重新分布，降低应力集中的能力。
• qf=0，Kf =1，应力重新分布，应力集中完全被消 除，疲劳极限不因缺口存在而降低，即对缺口不敏 感，缺口敏感性最小。
• qf=1，Kf = Kt ，没有发生应力重新分布，应力集中 没有消除，即表示缺口敏感性最大。
2、相界面开裂产生裂纹
通过控制夹杂物、 第二相可以抑制 疲劳裂纹萌生， 提高疲劳强度！
3、晶界开裂产生裂纹
通过强化、净化晶 界和细化晶粒，可 以提高疲劳强度！
图5.4 沿晶韧性断裂
图5.5 沿晶脆性断裂
二、疲劳裂纹扩展过程及机理
图5-24 疲劳裂纹扩展的两个阶段
1、疲劳裂纹扩展第一阶段 沿主滑移系（与主应力成45°），以纯剪切
➢ qf的影响因素 ① 强度
实验表明， qf之值随材料强度的升高而增大，这 说明高强度材料的疲劳缺口敏感度较高。 ② 缺口半径 缺口根部曲率半径越小，缺口越尖锐， qf值越低。 ③ 应力大小 高周疲劳时， qf值高，低周疲劳时， qf值低。
第三节 疲劳过程及机理
• 疲劳断裂过程： ✓ 疲劳裂纹的萌生 ✓ 疲劳裂纹的亚稳扩展 ✓ 疲劳裂纹的失稳扩展
➢ 变动载荷在单位面积上 的平均值为变动应力。
循环应力
（a）（b）：规则应力；（c）：不规则应力
疲劳：金属构件在变动应力和应变长期作用下，由于累 损伤而引起的断裂现象。
2、循环应力：规则周期变动应力，波形本身对称。
最大与最小应力 平均应力 应力幅 应力比
max、 min
m
1 2
( max
min )
☞ 贝纹线的间距越小，说明材料韧性越好，说明 疲劳裂纹的扩展速率越慢。

面粗糙度，以保证足够的光洁度。
E
各因素对疲劳性能的影响
二、显微组织的影响
疲劳裂纹的形成和扩 展是局部塑性变形的 结果。合金的显微组 织与其他因素的结合 比如腐蚀环境和低温 环境，可能抑制变形， 甚至改变疲劳裂纹扩 展的性质，由延性变
成脆性。
各因素对疲劳性能的影响
二、显微组织的影响
一般来说，当材料的组织为两相时，除应考虑基体相和本身的性 能特点外，还应考虑到第二相的数量、大小、形状和分布因素。 对于疲劳极限、静强度高的纤维组织如细小的晶粒、一定含量的 第二相质点等，均有利于提高材料的疲劳强度。
各因素对疲劳性能的影响
四、表面状况的影响
为了估算表面加工状况对疲劳极限的影响，引入表面敏感系数 。
其定义为某种表面加工状态的试样的疲劳极限 与精抛光试
样的疲劳极限 的比值，即
是一个小于1的系数，它表示疲劳强度和寿命降低的百分数。
各因素对疲劳性能的影响
四、表面状况的影响
r 410 2 E s
各因素对疲劳性能的影响
右图为弹性模数 对 d 的影响， 对一般钢材来说，其疲劳强度与静拉强度和硬度有定的比a例关系，利用这一比例关系可求得疲劳强度值。
ddNa 7.0E105dEK3.4 N 二七第其以第一三各三各反提特疲第各提第干其而而众 与众的街提各第 2右、、、一产钢五些、因、因之高别劳一因高二涉产干干所疲所主头高因一图在提 表 节 生 为 章 对 配 素 配 素 ， 零 是 裂 节 素 零 节 配 生 涉 涉 周劳 周 要 的 零 素 节表金高面：的例材合对合对表件对纹：对件：合的配配知 强知问小件对： 示属零残各原，抗料连疲连疲面疲高并各疲疲提就原合合， 度，题，疲疲各 钢材件余因因不疲或接劳接劳加劳强不因劳劳高是因连连材 有一，这劳劳因 材料的应素多同劳构过性过性工性度断素性性零有多接接料 更个但就性性素 在表表力对是的制件程能程能越能材扩对能能件控是件件的 直穿在大能能对 不层面的疲不热造的中的中的粗的料展疲的的疲制不中中疲 接过干大的的疲 同，强影劳均处原静提影提影糙途，，劳影途劳的均，，劳 的应涉降途影劳 表特度响性匀理理态高响高响，径表大性响径性膨匀轴轴性关力配低径响性面别能塑工特疲疲疲面大能能胀塑墩墩能 系场合了能 加是的性艺性劳劳劳一降的的，性粗粗高 ，的的孔的 工局影变会影寿寿强有低影途使变，，低 没连边影 方部对响形使响命命度小了响径圆形填填与 有接应响 法应于或钢很的的和缺疲柱或满满材 支件力下力同是获小途途疲陷劳形是轴轴料 撑中幅表集一材得的径径劳，寿连材和和表 或，值面中种料不因寿常命接料孔孔层 只干，敏的材本同素命成。件本之之产 有涉此感薄料身的，降为在身间间生 松可外系弱，内组在低极连内的的滑 弛以，数部晶部织疲就危接部间间移 支使干随位粒不结劳越险过不隙隙的 撑孔涉着进越均构现严的程均，，难 的适使材入细匀，象重尖中匀同同易 孔当孔料高其所从中。端产所时时有 ，的附强的屈造而却切生造使使密 不膨近度残服成对起口轻成孔孔切 但胀材的余强的疲到，微的胀胀关 会，料增压度，劳非形的，大大系 使从冷加应越它强常成塑它并并， 支而作而力高的度显应性的给给而 撑使硬降。，影有著力膨影整整滑 面干化低疲响不的集胀响个个移 积涉，，劳可同作中。可孔孔的 减配提也强以影用，以施施难 少合高就度分响，这分加加易 ，接了是也为。如里为比比程 而头临说越两构往两较较度 且孔界，高种件往种均均取 会周区材。：和就：匀匀决 造围域料一 结 是 一 的 的 于成 的 的 的d a 种构疲种干干材 应材强强d N是的劳是涉涉料 力料度度对表源对应应的 集承；越疲面，疲力力屈 中受高劳状在劳，，服 ，的，等态交等形形强 这应越材、变材成成度 是力要料缺应料干干， 一幅合强口力强涉涉因 般值理度形作度配配此 松远加的式用的合合， 配比工影等下影。。屈 合间，响。会响服 连隙降。形。强 接配低成度 件合表

*表面强化方法:喷丸、滚压、表面淬火、化学热处理、 表面强化方法:喷丸、滚压、表面淬火、化学热处理、 喷涂等
σ- 1
4
8
12
16
20
压应力层深度/ 压应力层深度/裂纹长度
三、材料成分及组织的影响
1、化学成分 成分决定组织和强化效果 1)钢中的含碳量： 低碳时W 1)钢中的含碳量： 低碳时WC↑ 钢中的含碳量 高碳时W 高碳时WC↑ 2)钢的合金化：加入合金元素 2)钢的合金化： 钢的合金化 σ- 1 ↑ σ- 1 ↓ σ- 1 ↑
表面状态及尺寸因素 表面处理及残余应力
材料因素
一、材料表面状态和尺寸因素的影响 1、应力集中 疲劳缺口敏感度q 疲劳缺口敏感度qf 2、表面状态 疲劳缺口系数k 疲劳缺口系数kf
σ- 1 ↓ 表面粗糙度 ↑ 3、工件尺寸因素 尺寸↑ σ-1 ↓ 尺寸↑ 尺寸效应系数ε 尺寸效应系数ε= (σ-1)d/σ-1
2、显微组织
1)晶粒大小的影响 1)晶粒大小的影响 细化晶粒 σ-1 ↑
σ −1 = σ i + kd
− 1 2
σi- 位错在晶格中的运动摩擦阻力 k- 材料常数 d- 晶粒平均直径
晶粒度对铝合金疲劳性能的影响 晶粒尺寸 Ni mm 0.127 0.254 0.508 1.397 2.667 周 1280 805 860 600 455 Np 周 250 375 350 410 405 Nf 周 1530 1180 1210 1010 860
第五节 影响疲劳强度
疲劳断裂 应力集中、材料强度（缺陷） 应力集中、材料强度（缺陷） 材料成分、组织结构、夹杂物； 材料成分、组织结构、夹杂物； 载荷条件、工作环境、加工处理条件。 载荷条件、工作环境、加工处理条件。

ΔKth和σ-1的区别
σ-1代表的是光滑试样的无限寿命疲劳强度，适用于传统 的疲劳强度设计和校核； ΔKth 是疲劳裂纹不扩展的ΔKI的临界值，代表的是 裂纹试样的无限寿命疲劳性能，适于裂纹件的设计和 疲劳强度校核 含裂纹件不发生疲劳断裂（无限寿命）的校核公式为：
KI Y a Kth
用曲线的斜率da/dN表示疲劳裂纹扩展速率
19
高分子材料性能学
3、应力强度因子幅(ΔKⅠ)：
第一，裂纹愈长，裂纹扩展速率愈大，当裂纹长大到临界尺 寸ac后，da/dN无限大，裂纹失稳扩展，试样断裂； 第二，应力幅愈大，裂纹扩展速率愈大，ac相应减小
KI Kmax Kmin Y max a Y min a Y a
32
高分子材料性能学
II. 疲劳裂纹的扩展
KI Y a
疲劳裂纹扩展速度da/dN 与裂纹尖端应力强度因子 变化ΔKI有关
da/dN
Paris公式
da / dN C(K I )
n
ΔKI 塑料疲劳中da/dN~ΔKI关系
33
高分子材料性能学
LDPE疲劳断口形貌
低扩展速率 断面形貌： 粗糙和纤维状
da/dN是由ΔKI控制的，二 者的关系曲线可分为 I、Ⅱ、Ⅲ3个区段
21
高分子材料性能学
I区是疲劳裂纹的初始扩展阶段: da/dN = 10-8～10-6
Ⅱ区是疲劳裂纹扩展的主要阶段: da/dN = 10-5～10-2
Ⅲ区是疲劳裂纹扩展的最后阶段
Paris公式 da / dN C(K I )
4
高分子材料性能学
2、循环应力
循环应力的波形一般近似为正弦波、矩形波和三角形波等 （1）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；

2020/5/4
2.磨损量的估算：J.F.Archard提出了粘着磨损量 估算方法。
在摩擦副接触处为三向压缩应力状态，其
接触压缩屈服强度近似为单向压缩屈服强度sc
的三倍。
设真实接触面积为A，接触压缩屈服强度为3sc，
作用于表面上的法向力为P 。假定磨屑呈半球 形，直径为d，任一瞬时有n个粘着点，设所有
粘着点的尺寸相同，直径为d，则：
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p
n d 2
4
3 sc
单位滑动距离内的接触点数
N
n d
4p
3scd 3
W
KNV' L
K
4p
3scd 3
2
3
d 2
3
L
K
pL
9 sc
K
pL 3H
接触点半球体积
V
'
2
d
3
3 2
H 3 sc
磨屑形成有个几率问题，几率为K --粘着磨 损系数 ，随压力增大而增加。
二、 表面强化及残余应力的影响
表面热处理及表面化学热处理：
整体加热(低淬透性钢、薄壳件) 利 表面淬火 火焰加热
用组织
相变获得表
感应加热
面强化，可使机
渗碳
件获得表硬心韧的 表面化学热处理
良好综合性能，可利用 组织相变及组织应力、热应
渗氮 碳氮共渗
力的变化，使机件表层获得很 高的强度和残余压应力。
复合强化
铁qf＝0-0.05。 • （铸铁中石墨片尺寸一般大于临界裂纹扩展尺
寸，再有缺口影响不大）
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• 第三节 疲劳裂纹扩展速率 a
及扩展门槛值
ac1

飞机的疲劳、腐蚀和磨损是引起飞机事故的3种主要模式。 据国外资料统计，飞机由结构引发的故障，80%以上是由疲 劳失效引起的。飞机疲劳寿命主要取决于两个方面因素：一 方面是飞机自身的内部因素，即飞机结构的疲劳设计、材料 和加工质量等；另一方面是飞机的外部因素，即飞机的实际 使用载荷。
前言
材料的疲劳问题研究从近150多年开始一直受到人们的关注，原因 之一就是工程中的零件或构件的破坏80%以上是由于疲劳引起。
图5-5 疲劳微裂纹的3种形式
晶界或亚晶 界处开裂
1、疲劳裂纹的萌生 在循环载荷的作用下，会在试件表面形成循环滑
移带。循环滑移带在表面加宽过程中，还会出现挤出 脊和侵入沟，随着挤出脊高度与侵入沟深度的不断增 加。侵入沟就像很尖锐的微观缺口，应力集中严重， 疲劳微裂纹也就易在此处萌生。
图5-6 金属表面“挤出”与“侵入”并形
三、疲劳断口的宏观特征
机件疲劳破坏的疲劳源可以是一个，也可以是 多个，它与机件的应力状态及过载程度有关。如单 向弯曲疲劳仅产生一个源区，双向反复弯曲可出现 两个疲劳源。过载程度愈高，名义应力越大，出现 疲劳源的数目就越多。若断口中同时存在几个疲劳 源，可根据每个疲劳区大小、源区的光亮程度确定 各疲劳源产生的先后，源区越光亮，相连的疲劳区 越大，就越先产生；反之，产生的就晚。
3、复合材料的疲劳破坏机理
疲劳破坏特点： (1)有多种疲劳损伤形式：如界面脱粘，分层、 纤维断裂、空隙增长等。实际上，每种损伤模 型都是由多种微观裂纹(或微观破坏)构成的。 损伤沿着最佳方位起始和扩展，可以一种或多 种形式出现。
3、复合材料的疲劳破坏机理
⑵复合材料不会发生瞬时的疲劳破坏，常常难以确 认破坏与否，故不能沿用金属材料的判断准则。常 以疲劳过程中材料弹性模量下降的百分数(如下降l ％~2％)、共振频率变化(如1~2Hz)作为破坏依据。

第 驻留滑移带：
五 在循环载荷作用下，即使循环载荷未超过材 章 料屈服强度，也会在材料表面形成循环滑移 材 带—不均匀滑移，其与静拉伸形成的均匀滑 料 移不同，循环滑移带集中于某些局部区域， 的 用电解抛光法也难以去除，即使去除了，再 疲 重新循环加载，还会在原处再现。
劳
性 不均匀滑移： 能 驻留滑移带在表面加宽过程中，会形成挤
则有剪切唇区存在。
第 瞬断区一般在疲劳源对侧。 五 瞬断区大小与名义应力、材料性质有关： 章 高名义应力或脆性材料，瞬断区大；反之，
材
料 瞬断区小。
的 疲 劳 性 能
第 五 章 材 料 的 疲 劳 性 能
第 五 章 材 料 的 疲 劳 性 能
第 五 章 材 料 的 疲 劳 性 能
第 第二节 疲劳破坏的机理
章
材 料
图中α满足： tg max 2 max 2
的
m max min 1 r
疲
劳
由此即可根据已知循环应力比r求出α值
性
作图，在AHB上对应点的纵坐标值即为相
能
应的疲劳强度。
第
五 这种疲劳图也可以利用Gerber关系绘制
章 材
max
m
a
m


1
料
的
疲ห้องสมุดไป่ตู้
劳
性
能
第 二、疲劳破坏的特点
五
在变动载荷作用下，材料薄弱区域，
章
材 逐渐发生损伤，损伤累积到一定程度→产生
料 裂纹，裂纹不断扩展→失稳断裂。
的 特点：从局部区域开始的损伤，不断累积， 疲 最终引起整体破坏。
劳
性 1、潜藏的突发性破坏，脆性断裂

应力范围△σ越大 ，则裂纹扩展越快 ， Np、ac越小。
40
材料旳疲劳裂纹扩展速率与Δσ和a 有关。 将应力范围△σ与a复合定义为应力 强度因子范围△K ：
K Kmax Kmin Ymax a Ymax a Y a
△K：控制裂纹扩展旳复合力学参量
（1）将a-N曲线上各点旳da／dN 值用图 解微分法或递增多项式计算法计算出来; （2）利用应力强度因子幅(ΔKⅠ)公式将 相应各点旳ΔKⅠ值求出， （3）在双对数坐标系上描点连接即得
在变动载荷作用下，随机件尺寸增大使疲劳强度下降旳现象，称为 尺寸效应，可用尺寸效应系数ε来表达
48
三、表面强化及残余应力旳影响
机理：提升机件表面塑变抗力，降低表面旳有效拉应力，即可 克制材料表面疲劳裂纹旳萌生和扩展，有效提升承受弯曲与扭 转循环载荷下材料旳疲劳强度
lgda/dN-lgΔKⅠ曲线。
41
lg(da/dN)-lgΔKⅠ曲线：
I区是疲劳裂纹旳初始扩展阶段:
da/dN = 10-8～10-6 mm/周次；
从ΔKth开始，ΔKⅠ↑， da/dN迅 速提升，但ΔKⅠ范围较小，裂纹扩 展有限。
Ⅱ区是疲劳裂纹扩展旳主要阶段，占据亚稳扩展旳绝大部分，是决 定疲劳裂纹扩展寿命旳主要构成部分，da/dN = 10-5～10-2 mm/周次，
第五章 材料旳疲劳性能
§5-1疲劳破坏旳一般规律 §5-2疲劳破坏旳机理 §5-3疲劳抗力指标 §5-4影响材料及机件疲劳强度旳原因 §5-5热疲劳
1
机械零件总是处于不断运动状态
曲轴
连杆
2
第一节 疲劳破坏旳一般规律
一、疲劳破坏旳变动应力
疲劳：工件在变动载荷和应变长久作用下，因累积 损伤而引起旳断裂现象。

材料的疲劳极限
以材料的疲劳极限为标题，我们将探讨材料疲劳极限的概念、影响因素以及如何评估和提高材料的疲劳极限。

材料的疲劳极限是指材料在循环加载下能够承受的最大应力或应变。

在实际应用中，许多材料都会在长时间的循环加载下发生疲劳破坏，因此疲劳极限是评估材料耐久性的重要指标之一。

材料的疲劳极限受多种因素的影响。

首先，材料的组织结构对疲劳极限起着重要作用。

材料中的缺陷、晶界、孔隙等微观结构会导致应力集中，从而降低疲劳极限。

其次，外界环境条件也会对疲劳极限产生影响，如温度、湿度等。

高温、潮湿环境会加速材料的疲劳破坏。

此外，材料的加载方式、频率和幅值也会影响疲劳极限。

评估材料的疲劳极限通常采用疲劳试验。

在疲劳试验中，材料会被加载到一定的应力或应变水平下进行循环加载，通过观察材料的疲劳寿命和破坏形态来评估材料的疲劳极限。

常见的疲劳试验方法包括拉伸-压缩试验、弯曲试验和旋转弯曲试验等。

为了提高材料的疲劳极限，可以采取多种措施。

首先，优化材料的组织结构，减少缺陷和孔隙的存在，提高材料的均匀性和一致性。

其次，选择适当的热处理工艺，通过改变材料的晶界和位错结构来提高材料的疲劳极限。

此外，合理设计材料的加载方式和频率，避免过大的应力集中和频繁的循环加载。

最后，提高材料的强度和硬
度，增加材料的抗疲劳性能。

材料的疲劳极限是评估材料耐久性的重要指标。

了解材料的疲劳极限对于设计和选择材料具有重要意义。

通过优化材料的组织结构、选择适当的热处理工艺以及合理设计加载方式，可以提高材料的疲劳极限，延长材料的使用寿命。

受的上限循环应力。根据要求，指定的疲劳寿命可为
无限周次也可为有限周次。
应力对疲劳强度有很大影响，应根据实际循环应
力状态测定选用相应的疲劳强度。材料的抗拉强度愈 大，其疲劳强度也愈大。
26
第五章 材料的疲劳性能
§ 5-3疲劳抗力指标
二、过载持久及过载损伤界
过去一直认为，对于承受变动载荷的机件按疲劳
强度设计是安全的。实际上，服役过程中机件不可避
显的塑性变形，呈脆性断裂，易引起事故造成经济损失。 (2)疲劳破坏属低应力循环延时断裂，对于疲劳寿 命的预测就显得十分重要和必要。
8
第五章 材料的疲劳性能
(3)疲劳对缺陷(缺口、裂纹及组织)十分敏感， 即对缺陷具有高度的选择性。因为缺口或裂纹会引 起应力集中，加大对材料的损伤作用；组织缺陷
(夹杂、疏松、白点、脱碳等)，将降低材料的局部
19
第五章 材料的疲劳性能
疲劳裂纹多萌生于材料表面，对表面材料的缺陷或
裂缝大小十分敏感。陶瓷材料疲劳裂纹的亚临界扩展速
率对变动载荷应力幅不度敏感，而是强烈依赖裂纹尖端
的最大应力强度因子，一旦裂纹尖端应力超过非线性形
变起始点，材料强度就大幅度衰减。 此外，裂纹扩展速率还明显依赖于环境、材料成分、 组织结构等，其程度远比金属材料高，扩展的寿命过程 远比金属材料要短，并呈龟裂状。
强度，二者综合更加速疲劳破坏的起始与发展。
9
第五章 材料的疲劳性能
(4)可按不同方法对疲劳形式分类。
接应力状态分：有弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压 疲劳、接触疲劳反复合疲劳； 按应力高低和断裂寿命分：有高周疲劳和低周 疲劳。高周疲劳的断裂寿命(N)较长，断裂应力水平 较低，又称低应力疲劳，为常见的材料疲劳形式； 低周疲劳的断裂寿命较短，断裂应力水平较高，常 称为高应力疲劳或应变疲劳。

材料的疲劳强度材料在循环加载下的寿命材料的疲劳强度——材料在循环加载下的寿命材料的疲劳强度是指材料在循环加载下所能承受的应力水平，即材料在循环加载下的寿命。

疲劳强度是一个重要的材料力学性质，对于材料的设计和使用具有重要的指导意义。

本文将从疲劳强度的定义和影响因素、常见测试方法以及延长材料寿命的方法进行探讨。

一、疲劳强度的定义和影响因素疲劳强度是材料在循环加载下承受的应力极限，即材料在重复加载下产生疲劳破坏的应力水平。

材料的疲劳强度受多种因素影响，包括材料本身的性质、外界环境条件和加载方式等。

1. 材料本身的性质：材料的晶体结构、力学性质、化学成分等都会影响材料的疲劳强度。

不同材料的晶界结构和微观组织差异导致其疲劳强度存在差异。

2. 外界环境条件：环境湿度、温度变化等外界环境因素对材料的疲劳强度具有一定影响。

对某些金属材料来说，湿度会加速疲劳裂纹的扩展。

3. 加载方式：材料在不同的加载方式下的疲劳强度也不同。

轴向拉伸、剪切、弯曲加载等方式所产生的应力对材料的疲劳强度具有不同的影响。

二、常见的疲劳强度测试方法为了确定材料的疲劳强度，通常采用不同的实验方法进行测试。

以下是几种常见的疲劳强度测试方法：1. 拉伸疲劳测试：将标准试样制成特定形状后，通过轴向拉伸加载方式进行疲劳测试。

根据试样的破坏次数和应力水平，可以确定材料的疲劳强度。

2. 弯曲疲劳测试：将试样加工成特定形状，通过一定的加载方式进行弯曲疲劳测试。

根据试样的破坏次数和应力水平，可以确定材料的疲劳强度。

3. 旋转弯曲疲劳测试：通过将试样固定在旋转装置上，进行循环旋转加载，确定材料的疲劳强度。

三、延长材料寿命的方法为了延长材料的使用寿命，降低疲劳失效的风险，有一些方法可以采取：1. 提高材料的抗疲劳性能：通过优化材料的配方、热处理工艺、合金选择等方法，提高材料的抗疲劳性能。

2. 加工和表面处理：适当的加工和表面处理可以改善材料的表面质量和组织结构，降低表面缺陷对疲劳强度的影响。

材料疲劳极限材料疲劳极限是指在循环应力作用下，材料在无显著塑性变形或显著塑性变形的情况下能够承受的最大循环应力或应变次数。

疲劳是一种常见的材料失效方式，在实际工程中引起的事故和损失往往是由于材料疲劳引起的。

材料疲劳极限的确定需要进行疲劳试验，通过对材料的疲劳试验，可以得到材料的疲劳强度、曲线和寿命等相关参数。

通常，疲劳试验是在不同循环应力或应变水平下进行的，然后根据试验结果进行分析和判断。

材料疲劳极限可以用疲劳强度SN曲线来表示，该曲线是材料在不同循环次数下应力幅或应变幅与疲劳强度的关系曲线。

在高循环次数下，疲劳曲线呈平台状，疲劳极限可以近似地取为平台的上限。

在低循环次数下，疲劳曲线呈下降趋势，由于塑性变形影响，材料的疲劳强度逐渐降低。

材料的疲劳极限受到多种因素的影响，主要包括材料的化学成分、热处理状态、晶粒度和力学性能等。

不同材料具有不同的疲劳极限，一般来说，强度高、韧性好、硬度适中的材料具有较高的疲劳极限。

此外，材料的表面质量、尺寸和形状等也会对疲劳极限产生一定的影响。

为了提高材料的疲劳极限，可以采取以下措施：1.选择适当的材料：选用具有高强度和韧性的材料，能够提高材料的疲劳极限。

2.进行适当的热处理：通过热处理可以改善材料的晶粒结构，提高材料的疲劳强度和疲劳寿命。

3.控制材料的表面质量：材料的表面质量对疲劳寿命有较大影响，因此要加强表面处理和保护，防止表面裂纹和缺陷的出现。

4.合理设计和加工：在产品的设计和加工中，要充分考虑到材料的疲劳特性，避免应力集中和应力过大的部位，采用充分的倒角和过渡结构，减少应力集中。

总之，材料的疲劳极限是一个重要的材料参数，对于产品的安全可靠性和使用寿命具有重要意义。

通过选择适当的材料、进行适当的热处理、控制表面质量和合理设计和加工等措施，可以有效提高材料的疲劳极限，从而提高产品的可靠性和使用寿命。

材料内部的微裂纹、孔洞和杂质等缺 陷，会在应力集中处引发应力集中， 导致疲劳裂纹的萌生和扩展。
微观组织
材料的微观组织结构，如相的组成和 分布，也会影响疲劳性能。例如，多 相合金的1 02
温度
温度对材料的疲劳性能有显著影响。在低温环境下，金属材料的疲劳强 度通常会提高；而在高温环境下，由于蠕变和氧化等作用，疲劳强度会 降低。
疲劳数据的处理与解释
数据整理
对实验数据进行整理，包 括应力、应变、寿命等数 据。
数据分析
对整理后的数据进行统计 分析，找出材料的疲劳规 律。
结果解释
根据数据分析结果，解释 材料的疲劳行为和机理。
疲劳寿命预测
经验公式法
利用已知材料的疲劳试验数据，建立经验公式来 预测其他条件下的疲劳寿命。
有限元分析法
由于温度循环或热冲击引起的 疲劳。
环境疲劳
由于腐蚀、氧化、辐射等因素 引起的疲劳。
疲劳的危害
01
02
03
结构安全
疲劳失效可能导致结构突 然断裂，从而造成严重事 故和人员伤亡。
经济损失
频繁的疲劳失效会导致设 备维修和更换成本的增加 ，影响生产效率和经济效 益。
社会影响
疲劳失效可能对公共安全 和基础设施造成威胁，如 桥梁、铁路、管道等。
应力均值
应力均值也会影响材料的疲劳寿 命，通常应力均值越高，疲劳寿 命越长。
应力循环特征
应力循环具有对称性和非对称性 两种特征，对称循环下材料的疲 劳寿命较长，而非对称循环下材 料的疲劳寿命较短。
材料的疲劳极限
疲劳极限的定义
01
材料在一定条件下抵抗疲劳的能力，即在一定的应力幅值和循
环次数下不发生疲劳断裂的最大应力值。

5.2 疲劳断裂过程及其机理
5.2.2 疲劳裂纹的扩展
疲劳裂纹扩展是一个不连续 的过程，可分为两个阶段。第一 个阶段是从个别挤入沟（挤出峰） 处开始，沿最大切应力方向（和 主应力方向成）的晶面向内发展， 裂纹扩展方向逐渐转向与最大拉 应力垂直。第二阶段是裂纹沿垂 直于最大拉应力方向扩展的过程， 直到未断裂部分不足以承担所加 载荷，裂纹开始失稳扩展时为止 。
5.2 疲劳断裂过程及其机理
5.2.2 疲劳裂纹的扩展 在疲劳裂纹扩展第一阶段，裂纹扩展速率很慢，每 一个应力循环大约只有0.1µm数量级，扩展深度约为2～ 5个晶粒大小。
当第一阶段扩展的裂纹遇到晶界时便逐渐改变方向转到与最大 拉应力相垂直的方向，此时便达到第二阶段。在此阶段内，裂纹扩 展的途径是穿晶的，其扩展速率较快，每一个应力循环大约扩展微 米数量级。在电子显微镜下观察到的某些金属和合金的疲劳辉纹主 要是在这一阶段内形成的。
5.1 疲劳现象
5.1.3 疲劳宏观断口
疲劳断口有其些独特的特 征，是研究疲劳断裂过程和进 行机件疲劳失效分析的基础。 疲劳断口的宏观结构取决于材 料的性质、加载方式、载荷大 小等因素。 高周疲劳断口从宏观来看， 一般可以分为三个区，即疲劳 源区、疲劳裂纹扩展区（疲劳 断裂区）和瞬时断裂区（静断 区）。
5.1 疲劳现象
5.1.3 疲劳宏观断口
疲劳裂纹扩展区: 疲劳裂纹亚临界扩展部分。它的典型特征是具有“贝壳”一样的 花样，一般称为贝壳线，也称为疲劳辉纹、海滩状条纹、疲劳停歇线 或疲劳线。一个疲劳源的贝壳线是以疲劳源为中心的近于平行的一簇向 外凸的同心圆。它们是疲劳裂纹扩展时前沿线的痕迹。贝纹线是由于载 荷大小或应力状态变化、频率变化或机器运行中停车起动等原因，裂纹 扩展产生相应的微小变化所造成的。因此，这种花样常出现在机件的疲 劳断口上，并且多数是高周疲劳。 贝纹线从疲劳源向四周推进，与裂纹扩展方向垂直，因而在与贝纹 线垂直的相反方向，对着同心圆的圆心可以找到疲劳源所在地。通常在 疲劳源附近，贝纹线较密集，而远离疲劳源区，由于有效面积减少，实 际应力增加，裂纹扩展速率增加，故贝纹线较为稀疏。

金属疲劳极限介绍金属疲劳极限是指金属材料在重复加载下发生疲劳断裂的最大应力水平。

在工程设计和材料选择中，了解金属材料的疲劳极限非常重要。

本文将对金属疲劳极限的概念、影响因素、测试方法和应用进行全面讨论。

影响因素金属疲劳极限受到多种因素的影响，包括以下几个主要方面：材料本身的特性1.结晶微观结构：晶粒大小、晶界特征等对于金属材料的疲劳性能有重要影响。

2.化学成分：不同元素的添加可以改善或者降低金属材料的疲劳极限。

外部加载条件1.幅值：加载的应力幅值对于金属材料疲劳极限的影响非常明显，幅值越大，疲劳寿命越短。

2.频率：频率高的加载会加速疲劳破坏，频率低的加载则可以延长疲劳寿命。

3.温度：高温对于金属材料的疲劳性能有很大影响，通常情况下，高温下疲劳寿命较短。

测试方法为了获得金属材料的疲劳极限值，需要进行相应的测试。

以下是常用的测试方法：定弯试验1.将试样定位于两个支撑点之间，通过外力加载试样使其弯曲。

2.测得加载过程中的弯曲应力-应变曲线。

3.根据曲线的形状和试样断裂情况来确定金属材料的疲劳极限。

弯曲疲劳试验1.将试样固定于设备上，加载弯曲加载。

2.通过测量试样的应变变化和加载次数来确定疲劳寿命。

3.根据加载次数和时间关系绘制S-N曲线来表示疲劳寿命。

拉伸试验1.使用金属材料试样进行拉伸。

2.测得上述过程中的应力-应变曲线，并根据曲线评估金属材料的疲劳极限值。

应用金属疲劳极限在工程设计和材料选择中具有重要应用价值。

优化设计通过了解金属材料的疲劳极限，工程师可以针对不同应用场景选择合适的材料，优化设计方案，从而增强结构的疲劳寿命。

质量控制在生产过程中，对金属材料的疲劳极限进行测试和评估，可以确保产品的质量符合要求，并满足设计寿命的要求。

故障分析当金属结构发生疲劳失效时，分析疲劳寿命与实际使用情况的符合度可以帮助工程师找到故障的原因，并采取相应的措施，避免再次发生类似问题。

结论金属疲劳极限是指金属材料在疲劳加载下发生破坏的最大应力水平。

材料的疲劳性能第五章材料的疲劳性能一.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.张帆，周伟敏.材料性能学.上海：上海交通大学出版社，20092.束德林.金属力学性能.北京：机械工业出版社，19953.石德珂，金志浩等.材料力学性能.西安：西安交通大学出版社，19964.郑修麟.材料的力学性能.西安：西北工业大学出版社，19945.姜伟之，赵时熙等.工程材料力学性能.北京：北京航空航天大学出版社，19916.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．授课内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：σmax②最小循环应力：σmin③平均应力：σm=（σmax +σmin）/2④应力幅σa或应力范围Δσ：Δσ=σmax-σminσa=Δσ/2=（σmax-σmin）/2⑤应力比（或称循环应力特征系数）：r= σmin/σmax5、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。

钢材疲劳极限钢材疲劳极限是指钢材在长期受到交变载荷作用下所能承受的最大应力水平。

疲劳极限的研究对于钢材结构的设计和使用具有重要意义。

本文将从疲劳极限的定义、影响因素以及疲劳寿命的计算方法等方面进行探讨。

1. 疲劳极限的定义钢材在长期受到交变载荷作用下会逐渐发生疲劳破坏，疲劳极限即为钢材所能承受的最大应力水平。

超过疲劳极限的应力作用下，钢材会出现微裂纹，随着裂纹的扩展，最终导致疲劳破坏。

因此，了解钢材的疲劳极限对于避免结构的意外破坏具有重要意义。

2. 影响因素疲劳极限的大小受到多种因素的影响。

首先是钢材的化学成分和力学性能。

不同牌号的钢材具有不同的疲劳极限，一般来说，强度较高的钢材具有较低的疲劳极限。

其次是表面质量和表面处理。

表面质量不良或者表面存在缺陷会降低钢材的疲劳极限。

此外，应力集中也是影响疲劳极限的重要因素。

钢材在受到应力集中的部位容易发生疲劳破坏，因此在设计和使用中应尽量避免应力集中的情况。

3. 疲劳寿命的计算方法疲劳寿命是指钢材在特定应力水平下可以承受的循环载荷次数。

疲劳寿命的计算可以使用S-N曲线方法。

S-N曲线是表示钢材在不同应力水平下所能承受的循环载荷次数的曲线。

通过实验测定不同应力水平下的疲劳寿命，可以得到S-N曲线。

在设计中，根据所需使用寿命和应力水平，可以从S-N曲线上读取出相应的疲劳强度。

4. 提高疲劳极限的方法为了提高钢材的疲劳极限，可以采取一些措施。

首先是选择合适的钢材牌号。

不同牌号的钢材具有不同的力学性能和疲劳极限，应根据具体使用情况选择合适的钢材。

其次是进行适当的热处理。

热处理可以改善钢材的组织结构和性能，增加其疲劳极限。

此外，合理设计结构形式和减小应力集中的措施也可以有效提高钢材的疲劳极限。

钢材的疲劳极限是指在长期受到交变载荷作用下所能承受的最大应力水平。

影响疲劳极限的因素有钢材的化学成分、力学性能、表面质量和应力集中等。

疲劳寿命的计算可以使用S-N曲线方法，通过实验测定不同应力水平下的疲劳寿命来得到曲线。