6材料的疲勞

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疲勞通常指材料在受到變動(dòng)（載荷）應(yīng)力（一般低于屈服應(yīng)力）作用下的行為。在變動(dòng)載荷下工作的機(jī)件，如軸、齒輪和彈簧等，其主要的破壞形式是疲勞斷裂。疲勞斷裂是指機(jī)件在變動(dòng)載荷作用下經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間工作發(fā)生的斷裂現(xiàn)象。在各類機(jī)件破壞中有80-90%是疲勞斷裂，而且疲勞斷裂多是在沒(méi)有征兆的情況下突然發(fā)生的，所以危害性很大。金屬的疲勞斷裂是材料科學(xué)的重要領(lǐng)域之一，一直受到材料科學(xué)工作者的極大關(guān)注。

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RAL6.1疲勞現(xiàn)象

6.1.1變動(dòng)載荷

機(jī)件承受的變動(dòng)載荷（應(yīng)力）是指載荷大小或大小和方向隨時(shí)間按一定規(guī)律變化或呈無(wú)規(guī)則隨機(jī)變化的載荷，前者稱為周期變動(dòng)載荷，后者稱為隨即變動(dòng)載荷。

周期變動(dòng)載荷又分交變載荷和重復(fù)載荷兩類。交變載荷是大小、方向均隨時(shí)間作周期變化的變動(dòng)載荷；重復(fù)載荷是載荷大小作周期變化，但載荷方向不變的變動(dòng)載荷。

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6.1.1變動(dòng)載荷

周期變動(dòng)載荷又稱為循環(huán)應(yīng)力。它可以看成是由恒定的平均應(yīng)力sm和變動(dòng)的應(yīng)力半幅sa疊加而成，即在應(yīng)力變化過(guò)程中，應(yīng)力s與時(shí)間t存在如下關(guān)系：

s=sm+saf(t)最大應(yīng)力smax——循環(huán)應(yīng)力中數(shù)值最大的應(yīng)力；最小應(yīng)力smin——循環(huán)應(yīng)力中數(shù)值最小的應(yīng)力；平均應(yīng)力sm——循環(huán)應(yīng)力中的應(yīng)力不變部分：sm=（smax+smin）/2應(yīng)力半幅sa——循環(huán)應(yīng)力中的應(yīng)力變動(dòng)部分的幅值:sa=（smax－smin）/2應(yīng)力循環(huán)對(duì)稱系數(shù)（應(yīng)力比）r——應(yīng)力循環(huán)的部對(duì)稱程度:r=smin/smax

6.1疲勞現(xiàn)象

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6.1.2疲勞斷裂的特點(diǎn)

1、疲勞斷裂是低應(yīng)力脆性斷裂，一般是在低于屈服應(yīng)力之下發(fā)生的，斷裂是突然的，沒(méi)有預(yù)先征兆，看不到宏觀塑性變形，危害性比較大。2、疲勞破壞是長(zhǎng)期的過(guò)程，在交變應(yīng)力作用下，金屬材料往往要經(jīng)過(guò)幾百次，甚至幾百萬(wàn)次循環(huán)才能產(chǎn)生破壞。在疲勞斷裂過(guò)程中，金屬材料的內(nèi)部組織在局部區(qū)域內(nèi)逐漸發(fā)生變化。這種變化使材料受到損傷，并逐漸積累起來(lái)，當(dāng)其達(dá)到一定程度后便發(fā)生疲勞斷裂。因此疲勞斷裂是一個(gè)損傷積累過(guò)程，并且損傷是從局部區(qū)域開始的。3、當(dāng)應(yīng)力循環(huán)對(duì)稱系數(shù)一定時(shí)，金屬材料所受的最大交變應(yīng)力(或交變應(yīng)力半幅)愈大，則斷裂前所能承受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)愈少。當(dāng)應(yīng)力循環(huán)中的最大應(yīng)力(或交變應(yīng)力半幅)降到某一數(shù)值時(shí)，金屬材料可以經(jīng)受無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂6.1疲勞現(xiàn)象

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6.1.2疲勞斷裂的特點(diǎn)

4、疲勞斷裂也包括裂紋形成和擴(kuò)展兩個(gè)階段，但是由于承受的應(yīng)力小，并且是循環(huán)應(yīng)力，故疲勞裂紋的裂紋在未達(dá)到臨界尺寸之前擴(kuò)展很慢，這就是我們熟知的裂紋亞臨界擴(kuò)展階段。疲勞裂紋的亞臨界擴(kuò)展期很長(zhǎng)。當(dāng)疲勞裂紋尺寸達(dá)到臨界值后，便迅速失穩(wěn)擴(kuò)展而斷裂?？梢姡诹鸭y擴(kuò)展包括亞臨界擴(kuò)展期和失穩(wěn)擴(kuò)展期。5、金屬的疲勞按照機(jī)件所受應(yīng)力的大小可分為高周疲勞和低周疲勞。所受應(yīng)力較低、斷裂時(shí)應(yīng)力循環(huán)周次很多的情況下產(chǎn)生的疲勞斷裂稱為高周疲勞。所受應(yīng)力較高、斷裂時(shí)應(yīng)力循環(huán)周次較少的情況下產(chǎn)生的疲勞斷裂稱為低周疲勞。6.1疲勞現(xiàn)象

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6.1.3疲勞宏觀斷口

疲勞斷口有其些獨(dú)特的特征，是研究疲勞斷裂過(guò)程和進(jìn)行機(jī)件疲勞失效分析的基礎(chǔ)。疲勞斷口的宏觀結(jié)構(gòu)取決于材料的性質(zhì)、加載方式、載荷大小等因素。高周疲勞斷口從宏觀來(lái)看，一般可以分為三個(gè)區(qū)，即疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)（疲勞斷裂區(qū)）和瞬時(shí)斷裂區(qū)（靜斷區(qū)）。6.1疲勞現(xiàn)象

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6.1.3疲勞宏觀斷口

疲勞源區(qū):

即疲勞裂紋策源地，是疲勞破壞的起始點(diǎn)。疲勞源一般在機(jī)件的表面，因?yàn)楸砻娉３４嬖诟鞣N缺陷及臺(tái)階，例如加工痕跡，非金屬夾雜，淬火裂紋等應(yīng)力集中點(diǎn)比較多。如果機(jī)件內(nèi)部存在有夾雜、孔洞或成分偏析等缺陷時(shí)，它們也可能成為內(nèi)部或亞表面的疲勞源。疲勞裂紋形成后，由于經(jīng)受反復(fù)擠壓摩擦，疲勞源區(qū)比較光亮。

6.1疲勞現(xiàn)象

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6.1.3疲勞宏觀斷口

疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū):

疲勞裂紋亞臨界擴(kuò)展部分。它的典型特征是具有“貝殼”一樣的花樣，一般稱為貝殼線，也稱為疲勞輝紋、海灘狀條紋、疲勞停歇線或疲勞線。一個(gè)疲勞源的貝殼線是以疲勞源為中心的近于平行的一簇向外凸的同心圓。它們是疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí)前沿線的痕跡。貝紋線是由于載荷大小或應(yīng)力狀態(tài)變化、頻率變化或機(jī)器運(yùn)行中停車起動(dòng)等原因，裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生相應(yīng)的微小變化所造成的。因此，這種花樣常出現(xiàn)在機(jī)件的疲勞斷口上，并且多數(shù)是高周疲勞。貝紋線從疲勞源向四周推進(jìn)，與裂紋擴(kuò)展方向垂直，因而在與貝紋線垂直的相反方向，對(duì)著同心圓的圓心可以找到疲勞源所在地。通常在疲勞源附近，貝紋線較密集，而遠(yuǎn)離疲勞源區(qū)，由于有效面積減少，實(shí)際應(yīng)力增加，裂紋擴(kuò)展速率增加，故貝紋線較為稀疏。

6.1疲勞現(xiàn)象

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6.1.3疲勞宏觀斷口

瞬時(shí)斷裂區(qū):

疲勞裂紋快速擴(kuò)展直至斷裂的區(qū)域。隨著應(yīng)力循環(huán)周次增加，疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，當(dāng)其尺寸達(dá)到相應(yīng)載荷下的臨界值時(shí)，裂紋將失穩(wěn)快速擴(kuò)展，從而形成瞬時(shí)斷裂區(qū)。瞬時(shí)斷裂區(qū)的斷口形狀:靠近中心為平面應(yīng)變狀態(tài)的平滑斷口，與疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)處于同一個(gè)平面上；邊緣處則變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀態(tài)的剪切唇。韌性材料斷口為纖維狀，暗灰色；脆性材料為結(jié)晶狀。6.1疲勞現(xiàn)象

RAL6.2疲勞斷裂過(guò)程及其機(jī)理

6.2.1疲勞裂紋的萌生

駐留滑移帶處形成疲勞裂紋

RAL在低應(yīng)力的交變載荷作用下，金屬表面局部區(qū)域首先出現(xiàn)一些滑移線；在交變載荷作用下，平行滑移線上的螺型位錯(cuò)能改變滑移面，發(fā)生交滑移，于是異號(hào)位錯(cuò)將在交滑移面上相遇，隨后相互抵消，便使原滑移面上的位錯(cuò)源重新被激活，許多滑移線發(fā)展就表現(xiàn)為滑移帶向兩側(cè)不斷加寬。這樣就造成在交變載荷下，滑移帶變寬加深，滑移集中在局部地區(qū)，乃至最終形成駐留滑移帶并發(fā)展為疲勞裂紋。S1S2（a）(b)S3駐留滑移帶的形成（a）形成細(xì)滑移線；（b）細(xì)滑移線發(fā)展

6.2.1疲勞裂紋的萌生

擠出峰和擠入溝處形成疲勞裂紋6.2疲勞斷裂過(guò)程及其機(jī)理

RAL在拉應(yīng)力的半周期內(nèi)，S1被激活，位錯(cuò)滑動(dòng)到表面，便在處留下一個(gè)滑移臺(tái)階；在同一個(gè)半周期內(nèi)，另一個(gè)滑移面上的位錯(cuò)源S2也被激活，它增值的位錯(cuò)滑動(dòng)到表面，在Q處也留下一個(gè)滑移臺(tái)階；與此同時(shí)，后一個(gè)滑移面上位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使第一個(gè)滑移面錯(cuò)開。在壓應(yīng)力半周期內(nèi)，S1又被激活，位錯(cuò)向滑移向相反方向滑動(dòng)，在晶體表面留下一個(gè)反向滑移臺(tái)階，于是在處形成一個(gè)侵入溝；同一半周期內(nèi)，隨著壓應(yīng)力增加，位錯(cuò)源S2又被激活，位錯(cuò)沿相反方向運(yùn)動(dòng)，滑出表面后留下一個(gè)反向的滑移臺(tái)階，于是在此形成一個(gè)擠出峰。

6.2.2疲勞裂紋的擴(kuò)展

疲勞裂紋擴(kuò)展是一個(gè)不連續(xù)的過(guò)程，可分為兩個(gè)階段。第一個(gè)階段是從個(gè)別擠入溝（擠出峰）處開始，沿最大切應(yīng)力方向（和主應(yīng)力方向成）的晶面向內(nèi)發(fā)展，裂紋擴(kuò)展方向逐漸轉(zhuǎn)向與最大拉應(yīng)力垂直。第二階段是裂紋沿垂直于最大拉應(yīng)力方向擴(kuò)展的過(guò)程，直到未斷裂部分不足以承擔(dān)所加載荷，裂紋開始失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)為止。6.2疲勞斷裂過(guò)程及其機(jī)理

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6.2.2疲勞裂紋的擴(kuò)展

在疲勞裂紋擴(kuò)展第一階段，裂紋擴(kuò)展速率很慢，每一個(gè)應(yīng)力循環(huán)大約只有0.1mm數(shù)量級(jí)，擴(kuò)展深度約為2～5個(gè)晶粒大小。

當(dāng)?shù)谝浑A段擴(kuò)展的裂紋遇到晶界時(shí)便逐漸改變方向轉(zhuǎn)到與最大拉應(yīng)力相垂直的方向，此時(shí)便達(dá)到第二階段。在此階段內(nèi)，裂紋擴(kuò)展的途徑是穿晶的，其擴(kuò)展速率較快，每一個(gè)應(yīng)力循環(huán)大約擴(kuò)展微米數(shù)量級(jí)。在電子顯微鏡下觀察到的某些金屬和合金的疲勞輝紋主要是在這一階段內(nèi)形成的。6.2疲勞斷裂過(guò)程及其機(jī)理

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6.2.3疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制與斷口微觀特征

疲勞斷口上疲勞裂紋擴(kuò)展第二階段最顯著的微觀特征是在電子顯微鏡下可以觀察到疲勞輝紋。通常疲勞輝紋分韌性和脆性兩類。6.2疲勞斷裂過(guò)程及其機(jī)理

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6.2.3疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制與斷口微觀特征

韌性疲勞輝紋的形成:6.2疲勞斷裂過(guò)程及其機(jī)理

RAL（a）應(yīng)力為零，裂紋閉合狀態(tài)；（b）受拉應(yīng)力，裂紋張開，由于應(yīng)力集中，沿45o方向滑移；（c）應(yīng)力達(dá)到最大值，滑移區(qū)擴(kuò)大，裂紋尖端變?yōu)榘雸A形，塑性鈍化；（d）受壓應(yīng)力，相反方向滑移，形成耳狀切口；（e）壓應(yīng)力達(dá)到最大值，裂紋閉合，裂紋擴(kuò)展一個(gè)條帶的距離。

6.2.3疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制與斷口微觀特征

脆性疲勞輝紋的形成:6.2疲勞斷裂過(guò)程及其機(jī)理

RAL（a）應(yīng)力為零，裂紋閉合狀態(tài)；（b）受拉應(yīng)力，裂紋前端解理裂紋向前擴(kuò)展；（c）很小的范圍內(nèi)產(chǎn)生局部塑性變形；（d）裂紋張開，發(fā)生鈍化；（e）受壓應(yīng)力，裂紋閉合，裂紋擴(kuò)展一個(gè)條帶的距離。

6.2.3疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制與斷口微觀特征

韌性輝紋與脆性輝紋的差別6.2疲勞斷裂過(guò)程及其機(jī)理

RAL脆性輝紋像是把解理（臺(tái)階）和疲勞輝紋（似為很平滑的條帶）兩種特征結(jié)合在一起。脆性輝紋的特點(diǎn)在于裂紋擴(kuò)展不是塑性變形，而主要是解理斷裂。因此斷口上有細(xì)小的晶面，它是裂紋尖端發(fā)生解理斷裂時(shí)形成的解理平面。解理平面的走向與裂紋擴(kuò)展方向一致，而和疲勞輝紋垂直。這些解理平面常常有解理斷口的特點(diǎn)，存在河流花樣，同時(shí)裂紋尖端又有塑性鈍化，因之又具有輝紋特征。故在脆性輝紋中常常在看到條帶的同時(shí)，還有和裂紋擴(kuò)展反向一致的河流花樣，河流花樣的放射線和輝紋近似垂直相交。

6.2.3疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制與斷口微觀特征

貝紋線與輝紋的差別6.2疲勞斷裂過(guò)程及其機(jī)理

RAL在疲勞斷口上肉眼看到的貝紋線和在電子顯微鏡下看到的輝紋不是一回事，相鄰貝紋線之間可能有成千上萬(wàn)條輝紋。

貝紋線－

宏觀特征，是交變應(yīng)力振幅變化或載荷大小改變等原因，在宏觀斷口上遺留的裂紋前沿痕跡。有時(shí)在宏觀斷口上看不到貝紋線，但在顯微鏡下卻看到了疲勞輝紋。

疲勞輝紋－微觀特征，是用來(lái)判斷是否由疲勞所引起的斷裂的主要依據(jù)之一。但是沒(méi)有輝紋不能說(shuō)就是不是疲勞斷裂，因?yàn)橛行┙饘僭谀承l件下疲勞斷裂時(shí)并不形成疲勞輝紋。

疲勞輝紋總是沿著局部裂紋擴(kuò)展方向往外凸。但用這種特征來(lái)表示宏觀的擴(kuò)展方向并不可靠，因?yàn)樵谝粋€(gè)斷口上的疲勞輝紋可以指出裂紋是在幾個(gè)不同方向上擴(kuò)展的。疲勞輝紋是相互平行的，且是等距的，沒(méi)有分枝與交叉，依次可以與其它輝紋花樣區(qū)別開來(lái)。輝紋間距表示裂紋擴(kuò)展速率，間距愈寬，則裂紋擴(kuò)展速率愈大。

6.3.1疲勞裂紋擴(kuò)展速率

6.3疲勞裂紋擴(kuò)展速率與門檻值

RAL疲勞壽命：金屬疲勞總壽命Nf由無(wú)裂紋壽命

N0(疲勞裂紋形核壽命)和裂紋擴(kuò)展壽命Np組成。一般來(lái)說(shuō)，疲勞裂紋擴(kuò)展壽命Np占總壽命的絕大部分。疲勞裂紋擴(kuò)展速率：疲勞裂紋在亞臨界擴(kuò)展階段內(nèi)，每一個(gè)應(yīng)力循環(huán)裂紋沿垂直于拉應(yīng)力方向擴(kuò)展的距離，稱為疲勞裂紋擴(kuò)展速率，以da/dN表示。決定da/dN的主要力學(xué)參量是應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子差值ΔK。

6.3.1疲勞裂紋擴(kuò)展速率

6.3疲勞裂紋擴(kuò)展速率與門檻值

RAL第Ⅰ區(qū)：又稱為疲勞裂紋不擴(kuò)展區(qū)，直線很陡。將直線外延到相當(dāng)于da/dN=10-6～10-7次所對(duì)應(yīng)的KⅠ值，稱為疲勞裂紋不擴(kuò)展的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子幅門檻值，以ΔKth表示。小于ΔKth時(shí)，疲勞裂紋不發(fā)生擴(kuò)展。第Ⅱ區(qū)：疲勞裂紋亞臨界擴(kuò)展階段或裂紋線性擴(kuò)展階段。在這個(gè)區(qū)里，da/dN與ΔKⅠ之間的關(guān)系可以用Paris公式表示。第Ⅲ區(qū)：疲勞裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)。在C點(diǎn)以后，裂紋擴(kuò)展速率隨應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子幅增加急劇增大。當(dāng)裂紋尖端附近的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KⅠmax或Kmax達(dá)到材料的斷裂韌性KⅠc或Kc時(shí)，裂紋迅速失穩(wěn)擴(kuò)展，并引起最后斷裂。

6.3.2疲勞裂紋擴(kuò)展速率的數(shù)學(xué)表達(dá)式

6.3疲勞裂紋擴(kuò)展速率與門檻值

RAL電子顯微鏡觀察表明，第Ⅰ區(qū)的疲勞斷口上常?？吹骄哂蓄愃平饫硇∑矫娴奶卣鳌Ｆ谳x紋則主要是在第Ⅱ區(qū)內(nèi)的斷口上發(fā)展。第Ⅲ區(qū)斷口上出現(xiàn)了大量的韌窩。第Ⅱ區(qū)是疲勞裂紋擴(kuò)展的重要階段，也是帕里斯公式適用的區(qū)域。帕里斯公式的表達(dá)式為

da/dN=c(ΔKⅠ)n

式中n——直線的斜率；

c——直線的截距。

n和c均為材料常數(shù)，可由實(shí)驗(yàn)確定。許多材料的n值在2～7之間，并且多數(shù)在2～4之間變化。常數(shù)n和c對(duì)金屬材料的顯微組織不敏感，不同顯微組織的材料，n和c值的變化并不顯著。疲勞裂紋擴(kuò)展速率主要決定于應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子差值ΔKⅠ，只要測(cè)出材料常數(shù)n和c，根據(jù)裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子差值ΔKⅠ，便可計(jì)算材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，進(jìn)而估算出機(jī)件的疲勞壽命。

6.4.1S－N曲線與疲勞極限6.4疲勞強(qiáng)度指標(biāo)

RAL當(dāng)應(yīng)力循環(huán)對(duì)稱系數(shù)一定時(shí)，金屬材料斷裂前所能承受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)與所受的最大交變應(yīng)力σmax(或交變應(yīng)力半幅σa)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種σmax(或σa)以對(duì)疲勞斷裂周次N作圖繪成的曲線，稱為疲勞曲線，經(jīng)常簡(jiǎn)寫為S－N曲線，因?yàn)樗堑聡?guó)人維勒(Wholer)在1860年首先發(fā)現(xiàn)的，故又稱為維勒曲線。

6.4.1S－N曲線與疲勞極限6.4疲勞強(qiáng)度指標(biāo)

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疲勞極限是材料能經(jīng)受無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最大應(yīng)力，通常用σr表示，注角r表示應(yīng)力循環(huán)對(duì)稱系數(shù)。對(duì)稱循環(huán)旋轉(zhuǎn)彎曲的疲勞極限用σ-1表示。對(duì)于曲線上沒(méi)有水平部分的材料，要根據(jù)機(jī)件的工作條件和使用壽命，規(guī)定一個(gè)疲勞極限循環(huán)基數(shù)，并以循環(huán)基數(shù)值所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為“規(guī)定疲勞極限”，以σr(N0)表示。σr(N0)也叫“條件疲勞極限”。如對(duì)于鑄鐵材料，規(guī)定N0＝107次；對(duì)有色金屬，規(guī)定N0＝108次等。由于材料成分和組織不均勻性、試樣加工和試驗(yàn)條件等因素波動(dòng)都對(duì)疲勞試驗(yàn)結(jié)果有很大影響，所以疲勞試驗(yàn)結(jié)果離散性很大，因而S－N曲線可靠性較差，只能用于考察普通機(jī)件的疲勞強(qiáng)度，或者作為比較復(fù)雜試驗(yàn)的預(yù)備性試驗(yàn)。對(duì)于重要機(jī)件的設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行處理。

6.4.2過(guò)載持久值與過(guò)載損傷界6.4疲勞強(qiáng)度指標(biāo)

RAL過(guò)載持久值：金屬材料在高于疲勞極限的應(yīng)力下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán)周次，稱為材料的過(guò)載持久值，也稱有限疲勞壽命。過(guò)載持久值表征材料對(duì)過(guò)載荷的抗力。根據(jù)疲勞曲線傾斜部分可以確定過(guò)載持久值，疲勞曲線傾斜部分愈陡直，則持久值愈高，說(shuō)明材料在相同過(guò)載下能經(jīng)受的應(yīng)力循環(huán)周次愈多，即材料對(duì)過(guò)載荷抗力愈高。疲勞曲線傾斜部分上與一定持久值相應(yīng)的應(yīng)力，稱為材料的耐持久極限。倘若金屬在高于疲勞極限的應(yīng)力水平下運(yùn)轉(zhuǎn)一定周次后其疲勞極限降低或疲勞壽命減少，這就造成了過(guò)載損傷。

6.5.1載荷因素6.5影響疲勞性能的因素

RAL（1）載荷頻率頻率影響金屬材料在每一周期中的塑性變形量，因而影響材料所受的疲勞損傷。頻率高，材料所受總損傷少，所以，疲勞極限提高。頻率過(guò)低，除影響材料所受疲勞損傷外，還因空氣腐蝕時(shí)間長(zhǎng)，故疲勞極限降低。

6.5.1載荷因素6.5影響疲勞性能的因素

RAL（2）次載鍛煉金屬在低于或者接近于疲勞極限的應(yīng)力下運(yùn)轉(zhuǎn)一定循環(huán)次數(shù)后，會(huì)使其疲勞極限提高，這種現(xiàn)象稱為次載鍛煉。次載鍛煉效果與加載應(yīng)力和周次有關(guān)。通常認(rèn)為，當(dāng)次載鍛煉周次一定時(shí)，塑性大的材料，次載鍛煉的下限應(yīng)力值要高些；而強(qiáng)度高塑性低的材料（如低溫回火狀態(tài)）只需要較少的鍛煉周次，但調(diào)質(zhì)狀態(tài)卻需要較長(zhǎng)的鍛煉周次。在相同次載鍛煉條件下，不同材料的疲勞性能變化不同，這種事實(shí)在選材時(shí)也應(yīng)考慮。有些新制成的機(jī)器在空載及不滿載條件下跑合一段時(shí)間，一方面可以使運(yùn)動(dòng)配合部分嚙合得更好；另一方面可以利用上述規(guī)律提高機(jī)件的疲勞極限，延長(zhǎng)使用壽命。

6.5.1載荷因素6.5影響疲勞性能的因素

RAL（3）間歇具有強(qiáng)應(yīng)變時(shí)效的20、45及40Cr鋼在零載下間歇的疲勞壽命表明，每隔25000周次周期不加載間歇5min后的疲勞曲線與連續(xù)試驗(yàn)相比，向右上方移動(dòng)，即疲勞壽命提高。試驗(yàn)表明，當(dāng)在應(yīng)力接近或低于疲勞極限的低應(yīng)力下不加載間歇，可顯著提高間歇疲勞壽命。在一定過(guò)載范圍內(nèi)間歇，對(duì)壽命無(wú)明顯影響，甚至使其降低。因?yàn)樵诖屋d條件下，疲勞強(qiáng)化占主要地位，間歇產(chǎn)生時(shí)效強(qiáng)化，因而提高壽命；而一定程度過(guò)載時(shí)，疲勞弱化起主要作用，此時(shí)間歇無(wú)益，甚至使壽命降低。在次載下間歇，存在一個(gè)最佳的間歇時(shí)間，隨應(yīng)力增大，最佳時(shí)間縮短。與此相似，間歇間隔周次也有最佳值。用合適的間歇時(shí)間和間隔周次進(jìn)行間歇，可相應(yīng)得到最高的疲勞壽命。

6.5.1載荷因素6.5影響疲勞性能的因素

RAL（4）溫度溫度升高，材料的疲勞極限下降。溫度由+20℃下降到-180℃時(shí)，結(jié)構(gòu)鋼的疲勞強(qiáng)度增加一倍。當(dāng)溫度升高到300℃以上后，每升高100℃鋼的疲勞強(qiáng)度降低15～20%。若疲勞強(qiáng)度有反常變化，即溫度升高，疲勞強(qiáng)度增加的話，這就與材料內(nèi)部的某些物理化學(xué)過(guò)程有關(guān)。

6.5.2表面狀態(tài)與尺寸因素6.5影響疲勞性能的因素

RAL（1）表面狀態(tài)在交變載荷作用下，金屬的不均勻滑移主要集中在金屬的表面，疲勞裂紋也常常產(chǎn)生在表面上，所以機(jī)件的表面狀態(tài)對(duì)疲勞極限影響很大。表面的幾何形狀、刀具和研磨產(chǎn)生的擦痕、打記號(hào)、磨裂等都可能象微小而鋒利的缺口一樣，引起應(yīng)力集中，使疲勞極限降低。表面光潔程度愈高，材料的疲勞極限愈高；表面加工愈粗糙，疲勞極限愈低。材料強(qiáng)度愈高，表面光潔程度對(duì)疲勞極限的影響愈顯著。表面加工方法不同，所得到的光潔程度不同，因而，同一材料的疲勞極限也不一樣?？估瓘?qiáng)度愈高的材料，加工方法對(duì)其疲勞極限的影響愈大。因此，用高強(qiáng)度材料制造在交變載荷下服役的機(jī)件，其表面必須經(jīng)過(guò)更好仔細(xì)的加工，不允許有碰傷或者大的缺陷，否則會(huì)使疲勞極限顯著降低。表面粗糙不僅降低疲勞極限，而且使疲勞曲線左移，即減少過(guò)載持久值，降低疲勞壽命。

6.5.2表面狀態(tài)與尺寸因素6.5影響疲勞性能的因素

RAL（2）尺寸因素彎曲疲勞和扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)時(shí)，隨試樣尺寸增加，疲勞極限下降；強(qiáng)度愈高，疲勞極限下降愈多。這種現(xiàn)象稱為疲勞極限的“尺寸效應(yīng)”。它是因?yàn)樵谠嚇颖砻嫔侠瓚?yīng)力相等的情況下，尺寸大的試樣，從表面到中心的應(yīng)力梯度小，處于高應(yīng)力區(qū)的體積大，在交變載荷下受到損傷的區(qū)域大，存在缺陷的幾率也高，因而疲勞極限下降。在拉壓疲勞時(shí)，尺寸效應(yīng)不明顯。應(yīng)力分布不均勻性增大，尺寸效應(yīng)的影響也增大。

6.5.3組織因素6.5影響疲勞性能的因素

RAL（1）晶粒大小

細(xì)化晶?？梢蕴岣咂跇O限。這是由于晶粒細(xì)化之后，在交變應(yīng)力下可以減少不均勻滑移的程度，從而推遲疲勞裂紋形成。電子顯微斷口分析表明，由于晶界兩側(cè)晶粒位向不同，當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到晶界時(shí)，被迫改變擴(kuò)展方向，并使疲勞條帶間距改變，可見晶界是疲勞裂紋擴(kuò)展的一種障礙。因此，細(xì)化晶粒便延長(zhǎng)了疲勞壽命。但有研究結(jié)果表明晶粒細(xì)化使缺口敏感度增加。

6.5.3組織因素6.5影響疲勞性能的因素

RAL（2）顯微組織

以40Cr鋼為對(duì)象進(jìn)行的研究結(jié)果表明，回火屈氏體的疲勞極限最高，淬火馬氏體次之。結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理得到含有球狀碳化物組織，與片狀碳化物組織相比，前者的疲勞極限高。硬度相同時(shí)，等溫淬火處理比淬火回火的疲勞極限高。電子顯微觀察表明，HRC>40的鋼中，淬火馬氏體回火時(shí)析出碳化物薄膜，起應(yīng)力集中的不良作用，故使淬火回火鋼的疲勞極限不如等溫處理的高。淬火組織中由于加熱或保溫不足而殘留的未溶鐵素體，或熱處理不當(dāng)而存在過(guò)多的殘余奧氏體，都使鋼的疲勞極限降低。鋼中含有10%的殘余奧氏體，可使降低10～15%。這是因?yàn)槲慈荑F素體和殘余奧氏體是交變應(yīng)力下產(chǎn)生集中滑移的區(qū)域，因而過(guò)早形成疲勞裂紋。硬度相同時(shí)，淬火鋼中非馬氏體組織的含量對(duì)也有很大影響，含有5%非馬氏體組織，疲勞極限下降10%，含量大于20%，降低速度變慢。

6.6.1低周疲勞的特點(diǎn)6.6低周疲勞

RAL低周疲勞時(shí)，由于機(jī)件設(shè)計(jì)的循環(huán)許用應(yīng)力比較高，加上實(shí)際機(jī)件不可避免地存在應(yīng)力集中，因而局部區(qū)域會(huì)產(chǎn)生宏觀塑性變形，致使應(yīng)力應(yīng)變之間不呈直線關(guān)系，形成回線。開始加載時(shí)，曲線沿OAB進(jìn)行；卸載后反向加載時(shí)，由于包申格效應(yīng)，在較低的壓應(yīng)力下屈服；至D點(diǎn)卸載后再次拉伸，曲線沿DE進(jìn)行。經(jīng)過(guò)一定周次（通常不超過(guò)100次）循環(huán)后，就達(dá)到圖

所示的穩(wěn)定狀態(tài)的滯后回線。

6.6.2低周疲勞的De-N曲線

6.6低周疲勞

RAL因?yàn)楫?dāng)循環(huán)周次N小于10