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第五章 材料的疲劳性能 * 第五章 材料的疲劳性能 §5-1疲劳破坏的一般规律 §5-2疲劳破坏的机理 §5-3疲劳抗力指标 §5-4影响材料及机件疲劳强度的因素 §5-5热疲劳 工件在变动载荷和应变长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。 由于变动载荷和应变是导致疲劳破坏的外动力，所以应该先对其进行了解。变动载荷是指载荷大小，甚至方向随时间变化的载荷。变动载荷在单位面积上的平均值称为变动应力，可分为规则周期变动应力(或称循环应力)和无规则随机变动应力两种，可用应力-时间曲线描述，如图5-l所示。 一般机件承受的变动应力多为循环应力。循环应力是周期性变化的应力，变化的波形有正弦波、矩形波和三角波等。其中最常见的为正弦波。 表征应力循环特征的参量有： 一、疲劳破坏的变动应力 按照应力幅和平均应力的相对大小，循环应力有以下几种类型，如图5-2所示： 一般机件承受的变动应力多为循环应力，是周期性变化的应力。表征应力循环特征的参量有： 1. 疲劳破坏的概念 疲劳破坏过程是材料内部薄弱区域的组织在变动应力作用下，逐渐发生变化和损伤累积、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂的过程，是一个从局部区域开始的损伤累积，最终引起整体破坏的过程。 疲劳破坏是循环应力引起的延时断裂，其断裂应力水平往往低于材料的抗拉强度，甚至低于其屈服强度。机件疲劳失效前的工作时间称为疲劳寿命，疲劳断裂寿命随循环应力不同而改变。 应力高，机件寿命短；应力低，寿命长。当应力低于材料的疲劳强度时，寿命可无限长。 2. 疲劳破坏的特点 疲劳破坏与静载或一次性冲击加载破坏相比较，具有以下特点： (1)该破坏是一种潜藏的突发性破坏，在静载下显示韧性或脆性破坏的材料，在疲劳破坏前均不会发生明显的塑性变形，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。 (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)，将降低材料的局部强度，二者综合更加速疲劳破坏的起始与发展。 (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。 三、疲劳断口的宏观特征 如图5-4所示，典型疲劳断口具有3个特征区-疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区。 疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地，多出现在机件表 面，常和缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相连。但若材料内部存在严重冶金缺陷，也会因局部材料强度降低而在机件内部引发出疲劳源。因疲劳源区裂纹表面受反复挤压，摩擦次数多，疲劳源区比较光亮，而且因加工硬化，该区表面硬度会有所提高。 疲劳区是疲劳裂纹亚临界扩展形成的区域。其宏观特征是：断口较光滑并分布有贝纹线(或海滩花样)，有时还有裂纹扩展台阶。 断口光滑是疲劳源区的延续，其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱，反映裂纹扩展快慢、挤压摩擦程度上的差异。贝纹线是疲劳区的最典型特征，一般认为是因载荷变动引起的，因为机器运转时不可避免地常有启动、停歇、偶然过载等，均要在裂纹扩展前沿线留下弧状贝纹线痕迹。 瞬断区是裂纹失稳扩展形成的区域。该区的断口比疲劳区粗糙，宏观特征如同静载，随材料性质而变。 脆性材料断口呈结晶状；韧性材料断口，在心部平面应变区呈放射状或人字纹状，边缘平面应力区则有剪切唇区存在。 § 5-2疲劳破坏的机理 一、金属材料疲劳破坏机理 1.疲劳裂纹的萌生 金属材料的疲劳过程也是裂纹萌生和扩展的过程。因变动应力的循环作用，裂纹萌生往往在材料薄弱区或高应力区，通过不均匀滑移、微裂纹形成及长大而完成。 疲劳微裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起。主要方式有：表面滑移带开裂；第二相、夹杂物与基体界面或杂质本身开裂；晶界或亚晶界处开裂。 2.疲劳裂纹的扩展 疲劳裂纹萌生后便开始扩展。 第Ⅰ阶段是沿着最大切应力方向向内扩展。其中多数微裂纹并不继续扩展，成为不扩展裂纹，只有个别微裂纹可延伸几十um(即2—5个晶粒)长。 随即疲劳裂纹便进入第Ⅱ阶段，沿垂直拉应力方向向前扩展形成主裂纹，宜至最后形成剪切唇为止。 二、非金属材料疲劳破坏机理 1.陶瓷材料的疲劳破坏机理 常温下陶瓷材料的疲劳与金