第2章材料的疲劳强度.

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1、西南交通大学电子讲义第第2章章 材料的疲劳强度材料的疲劳强度第2章 材料的疲劳强度 2.1 基本概念基本概念q疲劳疲劳v材料在循环应力或循环应变的作用下，由于某点或某些材料在循环应力或循环应变的作用下，由于某点或某些点产生了局部的永久结构变化，从而在一定循环次数后点产生了局部的永久结构变化，从而在一定循环次数后形成裂纹或发生断裂的过程。形成裂纹或发生断裂的过程。q交变载荷交变载荷v指载荷的大小、方向随时间作周期性或不规则、随机变指载荷的大小、方向随时间作周期性或不规则、随机变化的载荷。也叫循环载荷、疲劳载荷。化的载荷。也叫循环载荷、疲劳载荷。q疲劳寿命疲劳寿命v零件或结构疲劳失效以前所经历的应

2、力或应变循环次数，零件或结构疲劳失效以前所经历的应力或应变循环次数，用用N表示。表示。q疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征v应力水平低。应力水平低。交变应力远小于材交变应力远小于材料的强度极限或屈服极限。料的强度极限或屈服极限。v脆性断裂。脆性断裂。不论是脆性材料还是不论是脆性材料还是塑性材料，疲劳断裂在宏观上都表塑性材料，疲劳断裂在宏观上都表现为没有明显塑性变形的突然断裂。现为没有明显塑性变形的突然断裂。v局部性。局部性。局部的疲劳破坏一般不局部的疲劳破坏一般不牵扯到整个结构。可以采用局部设牵扯到整个结构。可以采用局部设计或局部工艺措施增加疲劳寿命。计或局部工艺措施增加疲劳寿命。v疲劳过程是一个损

3、伤累积的疲劳过程是一个损伤累积的过程。过程。（裂纹形成、扩展、断裂）（裂纹形成、扩展、断裂）v疲劳破坏断口有自己明显的疲劳破坏断口有自己明显的特征。特征。sb或者max更具突然性，更危险脆性断裂区疲劳区疲劳源疲劳纹寿命可计算N=N0+Np第2章 材料的疲劳强度 2.2 金属疲劳破坏机制金属疲劳破坏机制金属疲劳破坏通常可分为三个阶段：金属疲劳破坏通常可分为三个阶段：1.疲劳裂纹萌生。（由局部塑性应变集中引起）疲劳裂纹萌生。（由局部塑性应变集中引起）v裂纹萌生方式有三种裂纹萌生方式有三种:滑移带开裂晶界和孪晶界开裂夹杂物或第二相与基体的界面开裂v裂纹萌生一般发生在金属表面的原因裂纹萌生一般发生在金

4、属表面的原因2.疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展3.失稳断裂失稳断裂裂纹萌生方式之一裂纹萌生方式之一:滑移带开裂滑移带开裂q是最常见的疲劳裂纹萌生方式,也是三种萌生方式中最基本的一种.q对于纯金属和单相金属的疲劳裂纹萌生方式多为滑移开裂.q滑移开裂的过程: 循环载荷-薄弱晶粒间沿晶面产生塑性应变-晶粒产生滑移(不可恢复)-金属表面产生滑移线-滑移线随循环次数增加汇集成表面滑移带-发展成驻留滑移带-形成裂纹裂纹萌生方式之二裂纹萌生方式之二:晶界和孪晶界开裂晶界和孪晶界开裂q对于密排六方晶系,因滑移较少,当滑移困难时,孪晶变形较为常见.例如:铋,锆,锑,铜,锌,金,铁等金属.q常温下,裂纹多为穿晶.高温下

5、,一般为晶间、晶界表面相接处出现裂纹.q晶界结合力比晶粒内部弱,在低于晶内滑移应力下,在晶界上萌生裂纹.裂纹萌生方式之三裂纹萌生方式之三:夹杂物或第二相与基体的界面开裂夹杂物或第二相与基体的界面开裂q在高强度合金中,粗大的夹杂物和其他第二相质点的存在,对裂纹萌生起重要作用.q合金材料的屈服强度一般很高,只有在很高的应力幅下,才能产生滑移带.但是由于在夹杂物或第二项质点处产生了很高的应力集中,从而在较低的名义应力下也能出现局部的塑性变形,这样便导致在夹杂物和基体界面上萌生裂纹,或由于夹杂物成脆性第2质点的断裂导致裂纹萌生.疲劳裂纹经常在金属表面发生疲劳裂纹经常在金属表面发生?q在实际零件中在实际

6、零件中,表面应力往往比内部高表面应力往往比内部高q内部晶粒的四周内部晶粒的四周,完全为其他晶粒所包围完全为其他晶粒所包围,而表面晶粒所受的而表面晶粒所受的约束少约束少,因而比内部晶粒易于滑移因而比内部晶粒易于滑移.q表面晶粒与大气或其他环境介质直接接触表面晶粒与大气或其他环境介质直接接触,有腐蚀作用有腐蚀作用.q表面上往往留有加工痕迹或划伤表面上往往留有加工痕迹或划伤,使其疲劳强度降低使其疲劳强度降低.q当零件表面经强化处理后当零件表面经强化处理后,表面强度比内部高时表面强度比内部高时,疲劳裂纹则疲劳裂纹则一般在硬化层下面一般在硬化层下面.疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展q阶段阶段v 裂纹首先沿剪应力

7、最大的活性面向内部扩展,滑移面趋向大致与主应力轴线成45度.(这个阶段扩展缓慢)v 滑移带上往往萌生有多条裂纹,绝大多数很早就停止扩展.随着循环载荷的继续继续,少数裂纹互相连接超过几十微米长度.这时的裂纹很少,断口形貌研究困难.q阶段阶段v 由于晶粒滑移困难,裂纹扩展方向由开始与外力方向成45度逐渐转向与拉伸应力成90度,这种拉伸型式的裂纹扩展,称为阶段裂纹扩。v 从阶段向阶段转变的裂纹长度，决定于材料和应力幅。一般不超过十分之几毫米。v 阶段裂纹扩展速率比阶段快，常常有“疲劳条带”的显微特征（叫疲劳条纹）。疲劳破坏阶段之三疲劳破坏阶段之三: 失稳断裂失稳断裂q失稳断裂是疲劳破坏的最终阶段。q

8、瞬间发生。q失稳断裂是损伤积累到临界值时的一种表现,裂纹扩展到临界尺寸,裂纹尖端的应力强度因子达到临界值的结果。q失稳断裂的机制与静载断裂相同,只是由于两者的加载速率不同,因此其临界应力强度因子值与静载下的断裂塑性值有差别。第2章 材料的疲劳强度 2.3 疲劳破坏断口分析疲劳破坏断口分析q宏观分析宏观分析(全局性初步分析全局性初步分析)v 用肉眼和用肉眼和25倍以下的放大镜分析断口倍以下的放大镜分析断口q微观分析微观分析v 光学显微镜、电子显微镜研究断口光学显微镜、电子显微镜研究断口q金相组织、化学成分和机械性能的检查金相组织、化学成分和机械性能的检查断口的宏观分析断口的宏观分析q典型疲劳破坏

9、断口按照断裂过程典型疲劳破坏断口按照断裂过程分成三个区域。分成三个区域。v 疲劳源很小，宏观上看不到，放大疲劳源很小，宏观上看不到，放大500倍以上可以看出明显的疲劳裂倍以上可以看出明显的疲劳裂纹，可以判断宏观缺陷的性质和事纹，可以判断宏观缺陷的性质和事故发生的原因。故发生的原因。v 疲劳裂纹扩展区为细晶粒，深色、疲劳裂纹扩展区为细晶粒，深色、平滑、海滩状。平滑、海滩状。v 快速断裂区为粗晶粒，凹凸不平、快速断裂区为粗晶粒，凹凸不平、白色、撕裂或台阶状。白色、撕裂或台阶状。断口的微观分析断口的微观分析q微观分析的目的：了解金属疲劳破坏过程的本质微观分析的目的：了解金属疲劳破坏过程的本质从金属从

10、金属微观组织研究疲劳机理。微观组织研究疲劳机理。q疲劳裂纹的形成疲劳裂纹的形成（1）裂纹一般发生在表面。在应力小于屈服极限时，疲劳试样表面出现滑移带-随着N增加，滑移线变粗变宽-当应力大于疲劳极限时，出现“驻留滑移线”-形成微观裂纹。（2）结构受交变载荷作用-试件挤出挤入-挤出滑移再严重-金属内部产生孔洞-出现裂纹。（3）塑性变形积累-出现错位（晶体中的特殊缺陷）-出现疲劳裂纹。（4）表面缺陷（气孔、夹渣、第2相质点）-存在尖锐缺口-疲劳裂纹产生。q疲劳裂纹的形貌疲劳裂纹的形貌v 第第1阶段疲劳裂纹扩展，断口光滑，具有一定的结晶性质，无其他明阶段疲劳裂纹扩展，断口光滑，具有一定的结晶性质，无其

11、他明显特征。显特征。v 第第2阶段疲劳裂纹扩展区有阶段疲劳裂纹扩展区有4个特征：个特征：（1）疲劳区宏观上平坦光滑，微观上仍凹凸不平。每个断口由若干凹凸不平的小片段连接而成，小片段结合处形成台阶。（2）具有疲劳条纹。包括塑性疲劳条纹（常见）和脆性疲劳条纹（较少）。（3）轮胎压痕和脊骨压痕特征。由于相匹配断口的反复挤压、相互嵌入与脱离造成的。（4）在疲劳裂纹扩展时，还可能出现二次裂纹，往往成扫帚状。构件断口分析构件断口分析q现场调查现场调查v检查工作条件、运行情况、周围环境等检查工作条件、运行情况、周围环境等v收集碎片，保护断口收集碎片，保护断口v了解破裂部分的材料、牌号、加工工艺了解破裂部分的