5.第五章 材料在变动载荷下的力学性能

第五章 材料在变动载荷下的 力学性能

主讲 朱协彬

目录5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 金属疲劳现象及特点 高周疲劳 疲劳裂纹扩展 疲劳过程及机理 低周疲劳 疲劳强度的影响因素和改善措施 聚合物的疲劳* 陶瓷材料的疲劳*

5.1 金属疲劳现象及特点* 材料的设计： 材料力学： 断裂力学： 一次加载的安全性；多次或长期加载的安全性如 何？ * 实例： 铁丝的多次弯曲断裂；人体的长期加班工作等。 * 上章是关于裂纹试件的静力学问题，本章是 裂纹扩展的动力学问题。

5.1.1 变动载荷和循环应力变动载荷(应力)是指载荷大小或方向 随时间按一定规律呈周期性变化或无规 则随机变化的载荷，前者称为周期变动 载荷(应力)或循环载荷(应力),后 者称为随机变动载荷。 当然，实际机器部件承受的载荷一般多 属后者，但就工程材料的疲劳特性分析 和评定而言，为简化讨论，主要还是针 对循环载荷(应力)而言的。

图5-1 循环应力的特征

循环应力的特征参数(1) 最大应力σmax和最小应力σmin (2) 应力幅σa或应力范围 σ (3) 平均应力σm或应力比R (4)加载频率f,单位为Hz。 (5)加载波形，如正弦波，三角波以及 其它波形等。

循环应力的几种典型情况(1)对称循环，σm =0,R=-1,如图51(a)所示。 大多数轴类零件，通常受到交变对 称循环应力的作用；这种应力可能是弯 曲应力、扭转应力、或者是两者的复合。 (2) 不对称循环，R ≠-1 ,如图5-1(b,c,d,e)。 有时把循环中既出现正(拉)又出 现负(压)应力的循环谓之交变应力循 环(图5-1(a),(e))。

(3) 脉动循环，σm =σa,R=0,如图5-1(b)。 齿轮的齿和某些压力容器受到这种脉动循 环应力的作用。 (4) 波动循环，σm >σa,0<R<1,如图5-1(d)。 飞机机翼下翼面、钢梁的下翼缘以及预紧 螺栓等，均承受这种循环应力的作用。 (5) 脉动压缩循环( R=∝)、大压小拉循环( R<0) 等，如图5c,5e。 滚珠轴承受到脉动压缩循环应力，内燃机 连杆受到大压小拉循环(不对称交变)应力的作 用。

5.1.2 疲劳的现象及特点 工程结构在服役过程中，由于承受变动 载荷而导致裂纹萌生和扩展以至断裂失效 的全过程称为疲劳。 统计分析显示，在机械失效总数中，疲 劳失效约占80%以上，如曲轴、连杆、齿 轮、弹簧、轧辊等都是在变动载荷下工作 的。 疲劳断裂，一般不发生明显的塑性变形， 难以检测和预防，因而机件的疲劳断裂会 造成很大的经济以至生命的损失。

*疲劳的分类(1) 按应力状态分类 弯曲、扭转、拉压、复合疲劳等。 (2)按环境和接触情况分类 大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、

热 疲劳、接触疲劳、冲击疲劳等。 (3)按应力大小和寿命分类 高周疲劳：寿命长(105次以上),应力 水平小，也称低应力疲劳或应力疲劳。 低周疲劳：寿命短(102~105次),应力 高，有塑性变形，也称应变疲劳。

* 研究疲劳的意义研究材料在变动载荷作用下的力学响应、 裂纹萌生和扩展特性，对于评定工程材 料的疲劳抗力，进而为工程结构部件的 抗疲劳设计、评估构件的疲劳寿命以及 寻求改善工程材料的疲劳抗力的途径等 都是非常重要的。

*疲劳断裂特点与静载荷或一次冲击载荷下的断裂相比，疲 劳断裂有如下的特点： (1)低应力循环延时断裂，即有寿命的断裂。断裂 应力往往低于抗拉强度甚至屈服强度，且寿命与 应力大小有关。应力高，则寿命短；应力小，则 寿命长。 (2)是脆性断裂，断裂时没有发生塑性变形，是突 发性的，无预兆。 (3)对缺陷(缺口、裂纹及组织缺陷),尤其是表 面缺陷十分敏感。裂纹往往从局部的破坏处开始。 (4)清楚显示裂纹的发生、扩展和最后断裂三个组 成部分，即疲劳源+疲劳裂纹扩展区+断裂区。

5.1.3 疲劳宏观断口特征断口特征：保留了整个断裂过程的痕迹， 是研究疲劳过程和失效原因的重要方法。 疲劳断口的三个典型形貌区域： (1)疲劳源：裂纹萌生的地方，常处于机 件的表面或缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺 陷处，或机件截面尺寸不连续的区域(有 应力集中)。 *当材料内部存在严重冶金缺陷(夹杂、缩 孔、偏析、白点)时，因局部强度的降低， 也会在材料内部产生疲劳源。 *形貌特点：光亮度大，扩展速小，断面不 断摩擦挤压，且有加工硬化发生。

(2) 疲劳扩展区：裂纹亚稳扩展所形成 的。 *特 征：比较光滑并分布有贝纹线(海滩 花样),有时还有裂纹扩展台阶。 *贝纹线：平行弧线，间距不同；在裂纹 源附近，线条细密、扩展较慢；在远离 裂纹处，线条稀疏、扩展较快。 (3)瞬时断裂区：裂纹失稳扩展形成的。 *特 征：表面粗糙；脆性材料为结晶状， 塑性材料为纤维区。

图5-2 典型疲劳断口形貌

图5-3 疲劳条纹示意图