疲勞斷裂講義第一節(jié)交變應(yīng)力與疲勞破壞現(xiàn)象第二節(jié)疲勞破壞機(jī)制第三節(jié)疲勞破壞的宏觀與微觀特征第四節(jié)疲勞斷裂力學(xué)第五節(jié)影響材料疲勞極限或疲勞強(qiáng)度的因素第六節(jié)改善材料疲勞極限或疲勞強(qiáng)度的方法1疲勞斷裂講義第一節(jié)交變應(yīng)力與疲勞破壞現(xiàn)象結(jié)構(gòu)材料與機(jī)械零件失效案例中，疲勞破壞占＞50%，其破壞有別于靜載破壞，破壞時外觀沒有明顯的征兆，大多是在無預(yù)警且不可預(yù)期的情況下發(fā)生，損傷嚴(yán)重?！孪阮A(yù)防是關(guān)鍵！1998年德國高鐵出軌事故（200Km，近百人亡，傷300余人）2疲勞斷裂講義

交變應(yīng)力是導(dǎo)致疲勞破壞產(chǎn)生的重要條件！工程中的許多載荷是隨時間而發(fā)生變化的，而其中有相當(dāng)一部分載荷是隨時間作周期性變化的。例如：火車的輪軸。交變應(yīng)力→構(gòu)件中點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)隨時間而作周期性變化的應(yīng)力。A.交變應(yīng)力3疲勞斷裂講義齒輪傳動：齒輪嚙合點(diǎn)處的應(yīng)力隨

時間作周期性變化。4疲勞斷裂講義從構(gòu)件的應(yīng)力-時間曲線中可看出：

在承受交變應(yīng)力的構(gòu)件中，軸中的彎曲應(yīng)力每轉(zhuǎn)一周就要從最大值σmax變到最小值σmin，然后又恢復(fù)到最大值，即：軸每轉(zhuǎn)一周，應(yīng)力就完成一次循環(huán),稱為一個應(yīng)力循環(huán)。∣σmax∣=∣σmin

∣

為對稱循環(huán)，否則為非對稱循環(huán)。05疲勞斷裂講義交變應(yīng)力的幾個名詞術(shù)語:6疲勞斷裂講義交變應(yīng)力的幾種模式：7疲勞斷裂講義脈動循環(huán)：

變動于零到某一最大值之間的交變應(yīng)力循環(huán)，稱為脈動循環(huán)。08疲勞斷裂講義（3）穩(wěn)定交變應(yīng)力：

交變應(yīng)力的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力的值，在工作過程中始終保持不變，否則稱不穩(wěn)定交變應(yīng)力。不穩(wěn)定交變應(yīng)力任意振幅、應(yīng)力（4）靜應(yīng)力也可以看成是交變應(yīng)力的一種特性:9疲勞斷裂講義

構(gòu)件在交變應(yīng)力下，當(dāng)最大應(yīng)力低于屈服極限時，就可能發(fā)生疲勞破壞。

即使是塑性較好的材料斷裂前也無明顯的塑性變形。

疲勞破壞過程依先后次序可區(qū)分為三個主要階段，即：疲勞裂縫形成疲勞裂紋擴(kuò)展最終失效斷裂。10疲勞斷裂講義B.疲勞破壞的分類

屈服極限或強(qiáng)度極限等靜強(qiáng)度指標(biāo)已不能作為疲勞破壞的強(qiáng)度指標(biāo)。故在交變應(yīng)力下，材料的強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)重新設(shè)定。應(yīng)力-壽命曲線

實際上，試驗不可能無限期的進(jìn)行下去，一般規(guī)定一個循環(huán)次數(shù)N0來代替無限長的持久壽命，這個規(guī)定的循環(huán)次數(shù)N0稱為循環(huán)基數(shù)。與N0對應(yīng)的就是持久極限。持久極限疲勞壽命持久極限旋轉(zhuǎn)梁疲勞試驗機(jī)11疲勞斷裂講義通常鋼鐵材料（除鑄鐵外）具有明顯的疲勞限特性→對應(yīng)S-N曲線圖隨著應(yīng)力降低而呈現(xiàn)水平狀態(tài)。通常非鐵材料（如：Al、Cu合金）都無真正的水平疲勞限。耐久比：條件持久極限12疲勞斷裂講義依疲勞壽命Nf來分類：13疲勞斷裂講義許多應(yīng)用的工程零件無需承受數(shù)萬次循環(huán)（即Nf＜105），如：汽車啟動器上的彈簧零件、熱交換管及渦輪轉(zhuǎn)子和葉片等。

→依此循環(huán)壽命進(jìn)行零件設(shè)計，可大量減輕零件質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。低周疲勞的特點(diǎn)典型低周疲勞的應(yīng)力-應(yīng)變遲滯曲線Basquin提出關(guān)系式：

疲勞強(qiáng)度系數(shù)近似于抗拉強(qiáng)度

b值介于-0.05—-0.12之間。14疲勞斷裂講義典型的應(yīng)變-壽命關(guān)系曲線Coffin與Manson提出材料塑性變形與疲勞壽命之間的關(guān)系式：C值介于-0.05—-0.7之間。Basquin與Coffin-Manson關(guān)系式合并，得到完整的應(yīng)力、應(yīng)變與疲勞壽命關(guān)系式：材料本身的特性也會使應(yīng)變-壽命曲線有所不同！15疲勞斷裂講義→不同性質(zhì)材料的應(yīng)變-壽命曲線當(dāng)循環(huán)應(yīng)力繼續(xù)作用，材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀會產(chǎn)生變化，代表其材質(zhì)對應(yīng)力-應(yīng)變反應(yīng)的改變。根據(jù)遲滯曲線形狀變化的不同，可分為四種：①循環(huán)硬化16疲勞斷裂講義應(yīng)變范圍固定，則應(yīng)力范圍越來越小。

②循環(huán)軟化③混合行為17疲勞斷裂講義④循環(huán)穩(wěn)定←應(yīng)變范圍和塑性變形皆不明顯多種材料的單向拉伸應(yīng)力與循環(huán)應(yīng)力的應(yīng)力-應(yīng)變曲線循環(huán)硬化循環(huán)軟化18疲勞斷裂講義第二節(jié)疲勞破壞機(jī)制疲勞破壞過程依先后次序可區(qū)分為三個主要階段，即：疲勞微裂縫形成疲勞裂紋擴(kuò)展最終失效斷裂19疲勞斷裂講義A.疲勞微裂縫形成表面上最大局部應(yīng)力或最小截面積處，或因材料差異導(dǎo)致的強(qiáng)度最弱的地方。如：表面刮痕、缺口等。內(nèi)部缺陷，如夾雜物、晶界、雙晶界等強(qiáng)度較低之處。20疲勞斷裂講義循環(huán)應(yīng)力作用幾千次后，某些晶粒中發(fā)生位錯滑移，滑移線增多將形成永久滑移帶（PSB,含5000余條滑移線)，導(dǎo)致材料表面上出現(xiàn)擠出與擠入，此兩者均會沿著永久滑移帶平行發(fā)展，最終形成疲勞微裂縫。21疲勞斷裂講義銅單晶中PSB上的擠出與擠入?yún)^(qū)實際照片22疲勞斷裂講義B.疲勞微裂縫成長成長速率與成長方向為局部應(yīng)力集中的狀況及裂縫尖端的材料性質(zhì)所控制。疲勞裂縫成長，依先后順序分成：

第I階段：疲勞裂縫沿PSB方向進(jìn)行

第II階段：垂直應(yīng)力方向進(jìn)行23疲勞斷裂講義第I階段：

疲勞裂縫沿PSB方向進(jìn)行疲勞裂縫沿著高剪切應(yīng)力平面（即PSB）成長，使初期疲勞裂縫加深，其成長速率相對緩慢，且為單一滑移。若在低應(yīng)力下，或試片方向具有優(yōu)選方向（即鄰近晶粒的滑移平面幾乎相等），則疲勞裂縫可延伸甚至跨越晶粒而都在單一平面上滑移，將有利于第I階段的成長。24疲勞斷裂講義第II階段：

疲勞裂縫垂直應(yīng)力方向進(jìn)行當(dāng)疲勞裂縫前端的塑性變形由單一滑移進(jìn)入多重滑移或是疲勞裂縫成長被障礙物阻擋時會進(jìn)入第II階段,且成長速度加快,成長方向改變?yōu)榇怪庇趹?yīng)力方向進(jìn)行.疲勞裂縫尖端反復(fù)地塑性鈍化和尖銳化,逐漸生長成宏觀疲勞裂紋,而達(dá)到臨界裂紋長度.25疲勞斷裂講義C.最終失效斷裂當(dāng)疲勞裂紋達(dá)到臨界長度時,則材料本身剩下的截面積將無法承受所施加的負(fù)荷,會突然進(jìn)入最終失效斷裂階段而產(chǎn)生異?？焖偾揖哂袣缧缘牟牧鲜?26疲勞斷裂講義第三節(jié)疲勞破壞的宏觀與微觀特征A.宏觀特征(MacroscopicCharacter)

疲勞破壞的發(fā)展模式導(dǎo)致斷口在宏觀上分成兩個表面形態(tài)完全不同的區(qū)域.27疲勞斷裂講義光滑平整的疲勞破壞區(qū)

疲勞裂紋的起始區(qū)域,其成長緩慢,每循環(huán)周期由于變形而使疲勞裂紋表面前后相互摩擦而得到類似磨亮拋光的表面。

有時光滑平整的疲勞破壞區(qū)會出現(xiàn)貝紋線(常近似同心半圓，圓心即裂紋源),其成因是應(yīng)力振幅的大小不同(低應(yīng)力時疲勞裂紋減緩或停止成長,高應(yīng)力時疲勞裂紋繼續(xù)或加速成長)。貝紋線28疲勞斷裂講義應(yīng)根據(jù)疲勞條紋的密度、疲勞源區(qū)的光亮度和臺階情況來確定疲勞源的起始次序。

最初疲勞源區(qū)經(jīng)歷交變負(fù)荷作用的時間長，疲勞條紋密度大，同時比較光澤明亮。29疲勞斷裂講義缺口敏感性對疲勞斷口形態(tài)的影響若材料對缺口不敏感，則疲勞條紋繞著裂紋源或為向外成為凸起的同心形狀，若材料對缺口敏感，則疲勞條紋繞著裂源外開始較為平坦，向前擴(kuò)展一定距離即以反弧形向前擴(kuò)展。30疲勞斷裂講義有效應(yīng)力集中系數(shù)與構(gòu)件的形狀、尺寸有關(guān)；與材料性質(zhì)（極限強(qiáng)度）有關(guān)，靜載抗拉強(qiáng)度越高則有效應(yīng)力集中系數(shù)越大，即對應(yīng)力集中就越敏感。31疲勞斷裂講義凹凸不平的最后破斷區(qū)最后疲勞破壞的階段,當(dāng)試樣無法承受所施加的載荷而突然斷裂時,因沒有經(jīng)過摩擦階段,故其表面將出現(xiàn)粗糙而不規(guī)則的特征,亦有人稱其為粒狀表面。該材料對缺口敏感!粒狀表面32疲勞斷裂講義B.微觀特征借助SEM可發(fā)現(xiàn)斷口存在微細(xì)間隔的平行紋路(寬約2.5×10-5mm),稱疲勞條紋(fatiguestriation)。疲勞條紋垂直于疲勞裂紋的延伸方向,其每條代表的是經(jīng)一次應(yīng)力循環(huán)后疲勞裂紋前端前進(jìn)的距離.材料塑性越佳,疲勞條紋越明顯;應(yīng)力范圍越大,疲勞條紋越寬。疲勞條紋與貝紋線外觀相似但尺度不同,單一的貝紋線內(nèi)可能包含數(shù)千條以上的疲勞條紋。33疲勞斷裂講義34疲勞斷裂講義第四節(jié)疲勞斷裂力學(xué)該理論中,疲勞裂紋成長最重要的區(qū)域是從可無損檢測到的最小裂紋長度(

d)至臨界裂紋長度(

c)之間。疲勞裂紋成長最重要的區(qū)域曲線斜率即為疲勞裂紋成長速率。初始擴(kuò)展時的成長速率很慢,而當(dāng)疲勞裂紋越來越長則擴(kuò)展速率加快。35疲勞斷裂講義應(yīng)力大小對疲勞裂紋擴(kuò)展的影響

對于一固定長度的疲勞裂紋而言,施加應(yīng)力越大則疲勞裂紋擴(kuò)展速率越快。第I階段,每經(jīng)一次循環(huán)疲勞裂紋擴(kuò)展約0.1nm;第II階段成長速率增加數(shù)萬倍,每經(jīng)一次循環(huán)擴(kuò)展達(dá)1μm左右。36疲勞斷裂講義疲勞裂紋擴(kuò)展時,裂紋前端應(yīng)力集中越來越明顯,故應(yīng)力強(qiáng)度因子(K)會增加。此S曲線依其斜率可分為三個區(qū)域討論。37疲勞斷裂講義第I區(qū)域:擴(kuò)展速率隨△K下降而急速下降,當(dāng)小于應(yīng)力強(qiáng)度范圍的門檻值△Kth時,疲勞裂紋幾乎不擴(kuò)展。只有安全要求極為嚴(yán)格的核能電廠機(jī)件設(shè)備設(shè)計時△K＜△Kth第II區(qū)域:疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨△K增加而增加,但斜率降低,此區(qū)域S曲線的變化呈線性.該區(qū)對應(yīng)材料有用的疲勞壽命,疲勞裂紋呈穩(wěn)定擴(kuò)展第III區(qū)域:當(dāng)△K中Kmax

趨近于臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子時進(jìn)入該區(qū)。S曲線斜率再次增加,此區(qū)域疲勞裂紋屬于相當(dāng)不穩(wěn)定的快速擴(kuò)展,故進(jìn)入此區(qū)域至破壞所經(jīng)歷循環(huán)次數(shù)很少,分析意義不大。38疲勞斷裂講義第五節(jié)影響材料疲勞限或疲勞強(qiáng)度的因素A.平均應(yīng)力的影響

壓縮應(yīng)力會使疲勞裂縫開口閉合,一般研究平均應(yīng)力

m＞0或應(yīng)力比值R

＞-1的循環(huán)應(yīng)力對材料疲勞破壞的影響。隨著應(yīng)力比值R

的增加,材料的疲勞極限亦上升。39疲勞斷裂講義大部分材料的應(yīng)力振幅

a與平均應(yīng)力

m間有線性關(guān)系→Goodman經(jīng)驗方程式:少部分材料的應(yīng)力振幅

a與平均應(yīng)力

m間呈現(xiàn)拋物線關(guān)系→Gerber經(jīng)驗方程式:完全反向循環(huán)的疲勞限

e極限抗拉強(qiáng)度

uts40疲勞斷裂講義測量不同應(yīng)力振幅

a與平均應(yīng)力

m下的疲勞限Nf,并作圖相同的應(yīng)力振幅

a下,平均應(yīng)力

m的增加將導(dǎo)致疲勞限Nf的下降。41疲勞斷裂講義B.表面效應(yīng)工程應(yīng)用中機(jī)件的最大應(yīng)力集中處在表面，故使疲勞裂紋于其表面成核擴(kuò)展直至失效，設(shè)計中應(yīng)盡量避免或減少不連續(xù)的表面（如：凹痕、溝槽、螺紋等）。表面越粗糙則應(yīng)力集中處越低，疲勞壽命越低。針對欲在疲勞環(huán)境使用的構(gòu)件可施加拋光處理。曲率半徑越小，應(yīng)力集中越明顯42疲勞斷裂講義C.環(huán)境效應(yīng)常見加速腐蝕破壞的環(huán)境因素有溫度變動（熱疲勞）和存在腐蝕介質(zhì)（腐蝕疲勞）。熱疲勞當(dāng)零件受循環(huán)應(yīng)力且溫度變動環(huán)境中使用，會產(chǎn)生熱應(yīng)力加速疲勞破壞；即便無外加循環(huán)應(yīng)力，因尺寸熱脹冷縮且受限也會產(chǎn)生熱應(yīng)力。熱疲勞常見于環(huán)境變動的結(jié)構(gòu)件及不同材料鎖合處，設(shè)計時應(yīng)盡量減少尺寸限制的來源或選擇熱膨脹系數(shù)相近材料。熱應(yīng)力的計算：43疲勞斷裂講義零件處于腐蝕環(huán)境中會出現(xiàn)小蝕孔造成應(yīng)力集中，使疲勞裂紋成核擴(kuò)展，從而縮短疲勞壽命。腐蝕疲勞疲勞極限消失防止腐蝕疲勞的方法很多，根本在于盡量降低腐蝕速率（如：使用保護(hù)性被覆層、降低或隔離環(huán)境的腐蝕性及使用較耐腐蝕的材料等）。44疲勞斷裂講義D.溫度影響

溫度升高時，材料疲勞行為趨于復(fù)雜（潛變、氧化現(xiàn)象、循環(huán)應(yīng)力頻率會造成相當(dāng)大的影響）。高溫氧化的影響氧化膜偏脆，位錯滑移時易造成應(yīng)力集中而產(chǎn)生疲勞裂紋，使疲勞壽命減少；且疲勞裂紋前端因局部塑性變形而產(chǎn)生新表面，亦會因為氧化而導(dǎo)致疲勞裂紋擴(kuò)展速度加快，此情況下疲勞裂紋以穿晶模式破壞為主。高溫時材料屈服強(qiáng)度降低，而使位錯較易滑移而塑性變形易于發(fā)生，有利于PSB的形成而使表面的疲勞裂紋成核處增加，故疲勞限或疲勞強(qiáng)度會下降。特例：碳鋼250-350℃測得的疲勞限比較低溫時更高

C原子擴(kuò)散速率與位錯滑移速率接近，故C原子在位錯附近聚集產(chǎn)生拖曳應(yīng)力，位錯不易滑移堆積。45疲勞斷裂講義E.晶粒大小與方向晶內(nèi)與晶界的等強(qiáng)度溫度（ECT)以下，晶粒越細(xì)則疲勞壽命會增加，歸因于細(xì)晶強(qiáng)化（晶界阻礙了位錯的運(yùn)動）。若材料因塑性加工而致使晶粒拉長、變形，則疲勞負(fù)荷方向與晶粒方向平行時疲勞壽命更高。46疲勞斷裂講義F.固溶合金元素與析出顆粒固溶強(qiáng)化將使疲勞壽命提高；若析出強(qiáng)化的析出物小、圓、硬且均勻分布，則使疲勞壽命提高。若材料內(nèi)部顆粒以夾雜物形式在表面出現(xiàn)（如：空氣中熔煉的鋼，非金屬夾雜物又大又多），則疲勞裂紋易于此處成核，使疲勞壽命下降。

若固溶強(qiáng)化原子、析出硬化或彌散強(qiáng)化的第二相顆粒和母材料產(chǎn)生明顯的電位差，而使金屬產(chǎn)生電偶腐蝕，將會加速腐蝕裂縫的成核與擴(kuò)展，使疲勞壽命反而減少。47疲勞斷裂講義第六節(jié)改善材料疲勞限或疲勞強(qiáng)度的方法一般難以改變零件的使用條件，需盡量改善零件設(shè)計，如從表面效應(yīng)著手。只要防止結(jié)構(gòu)材料與機(jī)械零件表面應(yīng)力集中、阻礙位錯滑移堆積、抑制塑性變形，則疲勞裂紋不易成核亦難以擴(kuò)展，將使疲勞限或疲勞強(qiáng)度增加。減緩應(yīng)力集中提高表面光潔度增強(qiáng)表層強(qiáng)度48疲勞斷裂講義A.減緩應(yīng)力集中的措施設(shè)計中要避免出現(xiàn)方形或帶有尖角的