材料力学性能第五章-金属的疲劳课件

讲解—材料的疲劳性能材料的疲劳性能⼀.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）/2 ⑤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。

疲劳定义：金属机件或构件在变动应力应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象称为疲劳。

疲劳的特点：（1）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂，ζ↓，Nf↑.(2)疲劳是脆性断裂，是一种潜在的突发性断裂。

（3）疲劳对缺陷十分敏感。

疲劳的断口特征：（三个区）：疲劳源，疲劳区，瞬断区，疲劳宏观特征：贝纹线（沙滩状花样），微观特征：疲劳韧带疲劳裂纹在表面形成的原因：（1）表面晶粒受周围介质约束小（2）表面晶粒不完全被其他晶粒包围，塑性变形约束小（3）表面晶粒易受损伤（4）弯曲，扭转载荷作用在表面应力最大。

疲劳强度影响因素⑴表面强化：①化学热处理：a渗碳，氮;b 表面淬火②表面塑变：a 喷丸; b 表面滚压表面强度增加（抵抗表面滑移，ζ-1提高），表面产生残余压应力（降低拉应力峰，ζ-1提高）⑵残余压应力的有利影响与外加应力的应力状态有关：机件承受弯曲疲劳时，残余压应力效果比扭转疲劳大；承受拉压疲劳时，影响小，这是不同应力状态下，机件表面应力梯度不同所致。

⑶只要提高材料的滑移抗力，如果用固溶强化，细晶强化等手段，均可以阻止疲劳裂纹的萌生，提高疲劳强度——只适用于高周疲劳。

高周疲劳特点：断裂寿命较长，N f>105周次；断裂应力水平较低，ζ<ζs,低应力疲劳。

应力腐蚀⑴产生条件：应力；化学介质；金属材料⑵应力腐蚀断口特征.宏观：灰黑色—亚稳扩展区，亮色—瞬间断口区微观：显微断裂呈枯树枝状，表面可见到“泥状花样”的腐蚀产物及腐蚀坑。

⑶防止应力腐蚀方法：a，合理选择金属材料 b，减少或清除机件中的残余拉应力 c，改善化学介质 d，采用电化学保护为什么bcc易于产生低温脆性，而fcc不易产生？加入Ni,Mn合金元素对韧性的影响？答：（1）ζs=ζi+k y d-1/2,bcc对温度变化更为敏感，与温度下降时，ζi 急剧增加，故ζs急剧增加，从而易于产生低温脆性（2）bcc与迟屈服现象有关，迟屈服即对低碳钢施加一高速载荷到高于ζs材料并不立即产生屈服，而需要经过一段孕育期才开始塑性变形。