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1、疲劳断裂2疲劳断裂讲义疲劳断裂讲义 结构材料与机械零件失效案例中，其破坏有别于静载破坏，破坏时外观没有明显的征兆，大多是在且不可预期的情况下发生，损伤严重。1998年德国高铁出轨事故年德国高铁出轨事故（200Km，近百人亡，伤300余人）交变应力是导致疲劳破坏产生的重要交变应力是导致疲劳破坏产生的重要条件！工程中的许多载荷是随时间而发生变条件！工程中的许多载荷是随时间而发生变化的，而其中有相当一部分载荷是随时间作化的，而其中有相当一部分载荷是随时间作周期性变化的。例如火车的轮轴。周期性变化的。例如火车的轮轴。构件中点的应力状态随时间而作周期性变化的应力。齿轮传动齿轮啮合点处的应力随齿轮传动齿轮

2、啮合点处的应力随 时间作周期性变化。时间作周期性变化。从构件的应力时间曲线中可看出 在承受交变应力的构件中，轴中的弯曲应力每转一周就要从最大值max变到最小值min，然后又恢复到最大值，即轴每转一周，应力就完成一次循环,称为一个应力循环。max=min 为对称循环，否则为非对称循环。交变应力的几个名词术语:交变应力的几种模式交变应力的几种模式：变动于零到某一最大值之间的交变应力循环，称为脉动循环。（3）稳定交变应力 交变应力的最大应力和最小应力的值，在工作过程中始终保持不变，否则称不稳定交变应力。不稳定交变应力任意振幅、应力（4）静应力也可以看成是交变应力的一种特性）静应力也可以看成是交变应力

3、的一种特性:构件在交变应力下，当最大应力低构件在交变应力下，当最大应力低于屈服极限时，就可能发生疲劳破坏。于屈服极限时，就可能发生疲劳破坏。即使是塑性较好的材料断裂前也无即使是塑性较好的材料断裂前也无明显的塑性变形。明显的塑性变形。疲劳破坏过程依先后疲劳破坏过程依先后次序可区分为三个主要阶次序可区分为三个主要阶段，即：段，即：l疲劳裂缝形成疲劳裂缝形成l疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展l最终失效断裂。最终失效断裂。屈服极限或强度极限等屈服极限或强度极限等已不能作为疲劳已不能作为疲劳破坏的强度指标。故在交变应力下，材料的强度指标应破坏的强度指标。故在交变应力下，材料的强度指标应重新设定。重新设定。实际上

4、，试验不可能无限期的进行下去，实际上，试验不可能无限期的进行下去，一般规定一个循环次数一般规定一个循环次数N0来代替无限长的来代替无限长的，这个规定的循环次数，这个规定的循环次数N0称为称为。与与N0对应的就是持久极限。对应的就是持久极限。持久极限持久极限疲劳寿命持久极限旋转梁疲劳试验机旋转梁疲劳试验机l通常钢铁材料（除铸铁外）具有明显的疲劳限特性对应SN曲线图随着应力l 降低而呈现水平状态。l通常都无真正的水平疲劳限。耐久比：依疲劳寿命依疲劳寿命N f 来分类来分类 许多应用的工程零件无需承受数万次循环许多应用的工程零件无需承受数万次循环（即（即Nf105），如汽车启动器上的弹簧零件、热），

5、如汽车启动器上的弹簧零件、热交换管及涡轮转子和叶片等。交换管及涡轮转子和叶片等。依此循环寿命进行零件设计，依此循环寿命进行零件设计，可大可大 量减轻零件质量，降低生产成本。量减轻零件质量，降低生产成本。Basquin提出关系式：提出关系式：疲劳强度系数近似于抗拉强度疲劳强度系数近似于抗拉强度 b值介于值介于-0.05 -0.12之间。之间。且疲劳裂纹前端因局部塑性变形而产生新表面，亦会因为氧化而导致疲劳裂纹扩展速度加快，此情况下疲劳裂纹以穿晶模式破坏为主。疲劳裂纹扩展时,裂纹前端应力集中越来越明显,故应力强度因子(K)会增加。材料本身的特性也会使应变-寿命曲线有所不同！表面上最大局部应力或最小

6、截面积处，或因材料差异导致的强度最弱的地方。相同的应力振幅a下,平均应力 m 的增加将导致疲劳限Nf的下降。疲劳裂纹的起始区域,其成长缓慢,每循环周期由于变形而使疲劳裂纹表面前后相互摩擦而得到类似磨亮抛光的表面。第II阶段 疲劳裂缝垂直应力方向进行表面越粗糙则应力集中处越低，疲劳寿命越低。完全反向循环的疲劳限e典型低周疲劳的应力-应变迟滞曲线第II区域:疲劳裂纹扩展速率随K增加而增加,但斜率降低,此区域S曲线的变化呈线性.典型低周疲劳的应力-应变迟滞曲线疲劳破坏过程依先后次序可区分为三个主要阶段，即：因结构上的原因，难以加大过渡圆角的半径时，可以在直径较大的部分轴上开减薄槽或退刀槽。即便无外加

7、循环应力，因尺寸热胀冷缩且受限也会产生热应力。时疲劳寿命更高。故在交变应力下，材料的强度指标应重新设定。典型的应变寿命关系曲线截面尺寸突然改变处（如阶梯轴的轴肩），采用半径足够大的过渡圆角，以减轻应力集中。临界应力强度因子时进入该区。典型的应变寿命关系曲线典型的应变寿命关系曲线 Coffin与与Manson提提出材料塑性变形与疲劳寿出材料塑性变形与疲劳寿命之间的关系式命之间的关系式C值介于值介于-0.05 -0.7之间。之间。Basquin与Coffin-Manson关系式合并，得到完整的应力、应变关系式合并，得到完整的应力、应变与疲劳寿命关系式：与疲劳寿命关系式：材料本身的特性也会使应变材料

8、本身的特性也会使应变-寿命曲线有所不同！寿命曲线有所不同！应变范围固定，则应力范围越来越小。循环稳定循环稳定多种材料的单向拉伸应力与循环应力的应力-应变曲线循环硬化循环硬化循环软化循环软化 疲劳破坏过程依先后次序可区分为疲劳破坏过程依先后次序可区分为三个主要阶段，即三个主要阶段，即 疲劳微裂缝形成疲劳微裂缝形成 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展 最终失效断裂最终失效断裂A.疲劳微裂缝形成l表面上最大局部应力或最小截面积处，或因材料差异导致的的地方。如：表面刮痕、缺口等。，如夹杂物、晶界、双晶界等之处。循环应力作用几千次后，某些晶粒循环应力作用几千次后，某些晶粒中发生位错滑移，滑移线增多将形成永中发生位

9、错滑移，滑移线增多将形成永久滑移带（久滑移带（PSB,含含5000余条滑移线余条滑移线)，导致材料表面上出现挤出与挤入，此两导致材料表面上出现挤出与挤入，此两者均会沿着永久滑移带平行发展，最终者均会沿着永久滑移带平行发展，最终形成疲劳微裂缝。形成疲劳微裂缝。铜单晶中铜单晶中PSB上的挤上的挤出与挤入区实际照片出与挤入区实际照片B.疲劳微裂缝成长 成长速率与成长方向为局部应力集中的状况及裂缝尖端的材料性质所控制。疲劳裂缝成长，依先后顺序分成 第I阶段疲劳裂缝沿PSB方向进行 第II阶段垂直应力方向进行第第I阶段阶段 疲劳裂缝沿疲劳裂缝沿PSB方向进行方向进行l疲劳裂缝沿着（即PSB）成长，使初期

10、疲劳裂缝加深，其成长速率相对缓慢，且为单一滑移单一滑移。l若在低应力低应力下，或试片方向具有优选方向（即邻近晶粒的滑移平面几乎相等邻近晶粒的滑移平面几乎相等），则疲劳裂缝可延伸甚至跨越晶粒而都在单一平面上滑移，将有利于第有利于第I阶段的成长阶段的成长。第第II阶段阶段 疲劳裂缝垂直应力方向进行疲劳裂缝垂直应力方向进行 当疲劳裂缝前端的塑性变形由单一滑移进入或是时会进入第II阶段,且成长速度加快,成长方向改变为垂直于应力方向进行.疲劳,逐渐生长成宏观疲劳裂纹,而达到临界裂纹长度.C.最终失效断裂 当疲劳裂纹达到临界长度临界长度时,则材料本身剩下的截面积将无法承受所施加的负荷,会突然进入最终失效断

11、裂阶段而产生异常快速且具有毁灭性的材料失效.(Macroscopic Character)疲劳破坏的发展模式导致断口在宏观上分成两个表面形态完全不同的区域.第II阶段 疲劳裂缝垂直应力方向进行表面上最大局部应力或最小截面积处，或因材料差异导致的强度最弱的地方。成长速率与成长方向为局部应力集中的状况及裂缝尖端的材料性质所控制。特例：碳钢250-350测得的疲劳限比较低温时更高最后疲劳破坏的阶段,当试样无法承受所施加的载荷而突然断裂时,因没有经过摩擦阶段,故其表面将出现粗糙而不规则的特征,亦有人称其为粒状表面。截面尺寸突然改变处（如阶梯轴的轴肩），采用半径足够大的过渡圆角，以减轻应力集中。第I区域

12、:扩展速率随K下降而急速下降,当小于应力强度范围的门槛值Kth时,疲劳裂纹几乎不扩展。临界应力强度因子时进入该区。应根据疲劳条纹的密度、疲劳源区的光亮度和台阶情况来确定疲劳源的起始次序。C原子扩散速率与位错滑移速率接近，故C原子在位错附近聚集产生拖曳应力，位错不易滑移堆积。固溶强化将使疲劳寿命提高；压缩应力会使疲劳裂缝开口闭合,一般研究平均应力m0或应力比值R 1的循环应力对材料疲劳破坏的影响。铜单晶中PSB上的挤出与挤入区实际照片若材料内部颗粒以夹杂物形式在表面出现（如空气中熔炼的钢，非金属夹杂物又大又多），则疲劳裂纹易于此处成核，使疲劳寿命下降。当疲劳裂纹达到临界长度时,则材料本身剩下的截

13、面积将无法承受所施加的负荷,会突然进入最终失效断裂阶段而产生异常快速且具有毁灭性的材料失效.若析出强化的析出物小、圆、硬且均匀分布，则使疲劳寿命提高。故在交变应力下，材料的强度指标应重新设定。第II阶段垂直应力方向进行典型低周疲劳的应力-应变迟滞曲线量减轻零件质量，降低生产成本。因结构上的原因，难以加大过渡圆角的半径时，可以在直径较大的部分轴上开减薄槽或退刀槽。疲劳裂纹的起始区域疲劳裂纹的起始区域,其成长缓慢其成长缓慢,每循每循环周期由于变形而使疲劳裂纹表面前后相互摩环周期由于变形而使疲劳裂纹表面前后相互摩擦而得到类似擦而得到类似的表面。的表面。有时光滑平整的疲劳破坏区会出现有时光滑平整的疲劳

14、破坏区会出现(常近似同心半圆，圆心即裂纹源常近似同心半圆，圆心即裂纹源),其成因是其成因是(低应力时疲劳裂纹减缓或停低应力时疲劳裂纹减缓或停止成长止成长,高应力时疲劳裂纹继续或加速成长高应力时疲劳裂纹继续或加速成长)。贝纹线贝纹线 应根据疲劳条纹的密度、疲劳源区的光亮度和台阶情况来确定疲劳源的起始次序。最初疲劳源区经历交变负荷作用的时间长，疲劳条纹密度大，同时比较光泽明亮。缺口敏感性对疲劳断口形态的影响缺口敏感性对疲劳断口形态的影响若材料对缺口不敏感，则疲劳条纹绕着裂纹源或为向外成为凸起的同心形状，若材料对缺口敏感，则疲劳条纹绕着裂源外开始较为平坦，向前扩展一定距离即以反弧形向前扩展。l与构件

15、的形状、尺寸有关；l与材料性质（极限强度）有关，静载抗拉强度越高则有效应力集中系数越大，即。11dkKK或l凹凸不平的最后破断区凹凸不平的最后破断区 最后疲劳破坏的阶段,当试样无法承受所施加的载荷而突然断裂时,因没有经过摩没有经过摩擦阶段擦阶段,故其表面将出现粗糙而不规则的特征,亦有人称其为粒状表面。该材料对缺口敏感该材料对缺口敏感!B.微观特征微观特征 借助借助SEM可发现断口存在微细间隔的平行纹路可发现断口存在微细间隔的平行纹路(宽约宽约2.5105mm),称疲劳条纹称疲劳条纹(fatigue striation)。疲劳条纹垂直于疲劳裂纹的延伸方向,其每条代表的是经一次应力循环后疲劳裂纹前

16、端前进的距离.材料塑性越佳,疲劳条纹越明显;应力范围越大,疲劳条纹越宽。疲劳条纹与贝纹线外观相似但尺度不同,单一的贝纹线内可能包含数千条以上的疲劳条纹。该理论中,疲劳裂纹成长最重要的区域是从可无损检测到的最小裂纹长度最小裂纹长度(d)至临界裂纹长度临界裂纹长度(c)之间。疲劳裂纹成长最重要的区域 曲线斜率即为。初始扩展时的成长速率很慢,而当疲劳裂纹越来越长则扩展速率加快。应力大小对疲劳裂纹扩展的影响应力大小对疲劳裂纹扩展的影响 对于一固定长度的疲劳裂纹而言,施加应力越大应力越大则疲劳裂纹。第I阶段,每经一次循环疲劳裂纹扩展约0.1nm;第II阶段成长速率增加数万倍,每经一次循环扩展达1m左右。

17、疲劳裂纹扩展时,应力集中越来越明显,故(K)会增加。此此S曲线依其斜率可曲线依其斜率可分为三个区域讨论。分为三个区域讨论。:扩展速率随K下降而急速下降,当小于应力强度范围的门槛值Kth时,疲劳裂纹几乎不扩展。只有安全要求极为严格的核能电厂机件设备设计时KKth:疲劳裂纹扩展速率随K增加而增加,但斜率降低,此区域S曲线的变化呈线性变化呈线性.该区对应材料有用的疲劳寿命,疲劳裂纹呈稳定扩展:当K中K max 趋近于临界应力强度因子时进入该区。S曲线斜率再次增加,此区域疲劳裂纹属于相当不稳定的快速扩展不稳定的快速扩展,故进入此区域至破坏所经历循环次数很少,分析意义不大。实际上，试验不可能无限期的进行

18、下去，一般规定一个循环次数N0来代替无限长的持久寿命，这个规定的循环次数N0称为循环基数。第三节 疲劳破坏的宏观与微观特征临界应力强度因子时进入该区。Basquin提出关系式：疲劳条纹与贝纹线外观相似但尺度不同,单一的贝纹线内可能包含数千条以上的疲劳条纹。5105mm),称疲劳条纹(fatigue striation)。第II区域:疲劳裂纹扩展速率随K增加而增加,但斜率降低,此区域S曲线的变化呈线性.针对欲在疲劳环境使用的构件可施加抛光处理。疲劳裂缝成长，依先后顺序分成高温氧化的影响 氧化膜偏脆，位错滑移时易造成应力集中而产生疲劳裂纹，使疲劳寿命减少；多种材料的单向拉伸应力与循环应力的应力-应

19、变曲线压缩应力会使疲劳裂缝开口闭合,一般研究平均应力m0或应力比值R 1的循环应力对材料疲劳破坏的影响。成长速率与成长方向为局部应力集中的状况及裂缝尖端的材料性质所控制。疲劳裂缝尖端反复地塑性钝化和尖锐化,逐渐生长成宏观疲劳裂纹,而达到临界裂纹长度.最后疲劳破坏的阶段,当试样无法承受所施加的载荷而突然断裂时,因没有经过摩擦阶段,故其表面将出现粗糙而不规则的特征,亦有人称其为粒状表面。负荷方向与晶粒方向平行疲劳破坏过程依先后次序可区分为三个主要阶段，即若材料内部颗粒以夹杂物形式在表面出现（如空气中熔炼的钢，非金属夹杂物又大又多），则疲劳裂纹易于此处成核，使疲劳寿命下降。随着应力比值R 的增加,材

20、料的疲劳极限亦上升。大部分材料的应力振幅a与平均应力 m间有线性关系 Goodman经验方程式:少部分材料的应力振幅 a与平均应力 m间呈现抛物线关系 Gerber经验方程式:完全反向循环的疲劳限e极限抗拉强度uts 测量不同应力振幅a与平均应力 m 下的疲劳限Nf,并作图 相同的应力振幅a下,平均应力 m 的增加将导致疲劳限Nf的下降。B.表面效应表面效应l工程应用中机件的最大应力集中处在表面，故使疲劳裂纹于其表面成核扩展直至失效，设计中应尽量避免或减少不连续的表面（如凹痕、沟槽、螺纹等）。l表面越粗糙则应力集中处越低，疲劳寿命越低。针对欲在疲劳环境使用的构件可施加。曲率半径越小，曲率半径越

21、小，应力集中越明显应力集中越明显C.环境效应环境效应 常见加速腐蚀破坏的环境因素有温度变动（热疲劳）和存在腐蚀介质（腐蚀疲劳）。l零件处于腐蚀环境中会出现造成应力集中，使疲劳裂纹成核扩展，从而缩短疲劳寿命。防止腐蚀疲劳的方法很多，根本在于尽量降低腐蚀速率（如：使用保护性被覆层、降低或隔离环境的腐蚀性及使用较耐腐蚀的材料等）。D.温度影响温度影响 温度升高时，材料疲劳行为趋于复杂（潜变、氧化现象、循环应力频率会造成相当大的影响）。氧化膜偏脆，位错滑移时易造成应力集中而产生疲劳裂纹，使疲劳寿命减少；且疲劳裂纹前端因局部塑性变形而产生新表面，亦会因为氧化而导致疲劳裂纹扩展速度加快，此情况下疲劳裂纹以

22、穿晶模式破坏为主。l高温时材料屈服强度降低，而使位错较易滑移而塑性变形易于发生，有利于PSB的形成而使表面的疲劳裂纹成核处增加，故疲劳限或疲劳强度会下降。C原子扩散速率与位错滑移速率接近，故C原子在位错附近聚集产生拖曳应力，位错不易滑移堆积。E.晶粒大小与方向晶粒大小与方向l晶内与晶界的等强度温度（ECT)以下，晶粒越细则疲劳寿命会增加，归因于（晶界阻碍了位错的运动）。l若材料因塑性加工而致使 晶粒拉长、变形，则疲劳 负荷方向与晶粒 时疲劳寿命更高。F.固溶合金元素与析出颗粒固溶合金元素与析出颗粒l固溶强化将使疲劳寿命提高；若析出强化的析出物小、圆、硬且均匀分布，则使疲劳寿命提高。l若材料内部

23、颗粒以夹杂物形式在表面出现（如空气中熔炼的钢，非金属夹杂物又大又多），则疲劳裂纹易于此处成核，使疲劳寿命下降。若固溶强化原子、析出硬化或弥散强化的第二相颗粒和母材料产生明显的，而使金属产生电偶腐蚀，将会加速腐蚀裂缝的成核与扩展，使疲劳寿命反而减少。一般难以改变零件的使用条件，需尽量改善零件设计，如从表面效应着手。只要防止结构材料与机械零件表面应力集中、阻碍位错滑移堆积、抑制塑性变形，则疲劳裂纹不易成核亦难以扩展，将使疲劳限或疲劳强度增加。l减缓应力集中l提高表面光洁度l增强表层强度A.减缓应力集中减缓应力集中的的措施措施l设计中要避免出现方形或带有尖角的孔和槽。设计中要避免出现方形或带有尖角的

24、孔和槽。l截面尺寸突然改变处（如阶梯轴的轴肩），采用半截面尺寸突然改变处（如阶梯轴的轴肩），采用半径足够大的过渡圆角，以减轻应力集中。径足够大的过渡圆角，以减轻应力集中。l因结构上的原因，难以加大过渡圆角的半径时，可因结构上的原因，难以加大过渡圆角的半径时，可以在直径较大的部分轴上开减薄槽或退刀槽。以在直径较大的部分轴上开减薄槽或退刀槽。l紧配合的轮毂与轴的配合面边缘处，有明显的应力紧配合的轮毂与轴的配合面边缘处，有明显的应力集中。集中。若在轮毂上开减荷槽，并加粗轴的配合部分，若在轮毂上开减荷槽，并加粗轴的配合部分，以缩小轮毂与以缩小轮毂与 轴之间的刚度差距，便可改善配合面轴之间的刚度差距，便

25、可改善配合面边缘处应力集中的情况边缘处应力集中的情况l在角焊缝处，采用坡口焊接，应力集中程度要比无在角焊缝处，采用坡口焊接，应力集中程度要比无坡口焊接改善的多。坡口焊接改善的多。B.增增高表层强度高表层强度 用机械法强化表层（如滚压、喷丸等），使构件表用机械法强化表层（如滚压、喷丸等），使构件表面形成预压应力层，减弱易引起裂纹的表面拉应力，从面形成预压应力层，减弱易引起裂纹的表面拉应力，从而提高疲劳强度。而提高疲劳强度。或或采用热处理和化学处理采用热处理和化学处理，如，如高频高频淬火淬火、渗碳、氮化等。、渗碳、氮化等。喷丸处理 采用直径0.1-1mm小钢珠以高速冲击试样表面，以去除表面锐角、毛边等易应力集中处，且使表面压缩至钢珠直径的14-12深度，使零件表面产生残余应力而抑制疲劳裂纹的扩展。