材料性能与测试第五章-材料的疲劳性能课件.ppt

材料性能与测试材料性能与测试()231998年年6月月3日上午日上午11时，一辆由德国慕尼黑开往汉堡的时，一辆由德国慕尼黑开往汉堡的ICE1型型884次高速列车，在行驶至距莱比锡东北方约次高速列车，在行驶至距莱比锡东北方约60公里公里的小镇埃舍德（的小镇埃舍德（Eschede)附近时，列车脱轨并以附近时，列车脱轨并以200公里时速公里时速撞断一座立交桥后解体，事故造成撞断一座立交桥后解体，事故造成101人死亡，人死亡，88人重伤，人重伤，酿成世界高速铁路历史上最为惨重的事故。酿成世界高速铁路历史上最为惨重的事故。德国铁路机构经过调查后认为：事故因列车第一节车厢后部德国铁路机构经过调查后认为：事故因列车第一节车厢后部的一个车轮轮箍由于的一个车轮轮箍由于金属疲劳断裂金属疲劳断裂引起，轮箍在断裂后变形引起，轮箍在断裂后变形成一根弧形钢条，一头戳破车厢地板，另一头随着成一根弧形钢条，一头戳破车厢地板，另一头随着200公里公里时速高速运行的列车，与钢轨产生剧烈摩擦，并发出刺耳的时速高速运行的列车，与钢轨产生剧烈摩擦，并发出刺耳的尖啸。尖啸。3分钟后，列车在行经一个道岔钢轨接口处时，轮箍分钟后，列车在行经一个道岔钢轨接口处时，轮箍钢条又铲断一组道岔护轨，使之插入车厢。巨大的冲击力导钢条又铲断一组道岔护轨，使之插入车厢。巨大的冲击力导致第一节车厢后轮脱轨，并与车头脱钩，连带着将后面两节致第一节车厢后轮脱轨，并与车头脱钩，连带着将后面两节车厢甩离轨道。虽然列车采取了紧急制动措施，但强大的惯车厢甩离轨道。虽然列车采取了紧急制动措施，但强大的惯性依然推动车厢向前滑行，最终在撞断了性依然推动车厢向前滑行，最终在撞断了300多米外的一座多米外的一座混凝土立交桥墩后完全解体。就这样，一个并不起眼的轮箍混凝土立交桥墩后完全解体。就这样，一个并不起眼的轮箍夺走了上百条人命。夺走了上百条人命。引 言 41850-1860，Whler先生用试验方法研究了车轴的断裂事故，提先生用试验方法研究了车轴的断裂事故，提出了应力出了应力-寿命图（寿命图（S-N)和疲劳极限概念。和疲劳极限概念。1870-1890，Gerber研究了平均应力对寿命的影响，研究了平均应力对寿命的影响，Goodman提提出了完整的平均应力影响理论。出了完整的平均应力影响理论。1920，Griffith用能量法研究了含裂纹体的有关材料强度理论，用能量法研究了含裂纹体的有关材料强度理论，初步奠定了事隔初步奠定了事隔20年后由年后由Irwin发展起来的断裂力学理论基础。发展起来的断裂力学理论基础。1945年年，由由Miner提出提出的线性累计损伤理论问世的线性累计损伤理论问世。1960年，年，Manson-Coffin提出了塑性应变与疲劳寿命的关系提出了塑性应变与疲劳寿命的关系。1961年，年，Paris提出了疲劳裂纹扩展速率的概念。提出了疲劳裂纹扩展速率的概念。1974年美国军方采用了损伤容损设计方法年美国军方采用了损伤容损设计方法。目前，材料的疲劳研究方兴未艾，断裂力学、损伤力学和材料目前，材料的疲劳研究方兴未艾，断裂力学、损伤力学和材料物理学结合，已从宏观、细观和微观领域对疲劳问题进行着物理学结合，已从宏观、细观和微观领域对疲劳问题进行着广泛的研究。广泛的研究。65.1 疲劳破坏的一般规律疲劳破坏的一般规律5.2 疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理5.3 疲劳性能指标和测试疲劳性能指标和测试5.4 影响疲劳断裂的因素影响疲劳断裂的因素目 录 5.5 热疲劳热疲劳7R工件在变动载荷和应变长期作用下，因累计损伤而引工件在变动载荷和应变长期作用下，因累计损伤而引起的断裂现象。起的断裂现象。R变动载荷：载荷大小方向随时间变化；变动载荷：载荷大小方向随时间变化；R变动应力变动应力：变动载荷除以单位面积的平均值；分为循：变动载荷除以单位面积的平均值；分为循环应力和随机应力；环应力和随机应力；R循环应力循环应力：周期性变化的应力，变化的波形有正弦波、：周期性变化的应力，变化的波形有正弦波、矩形波、三角波等矩形波、三角波等；R循环应力分为对称循环循环应力分为对称循环(旋转轴旋转轴)、不对称循环、不对称循环(发动机发动机连杆、螺栓连杆、螺栓)、脉动循环、脉动循环(齿轮齿根、压力容器齿轮齿根、压力容器)、波动、波动循环循环(发动机气缸盖、螺栓发动机气缸盖、螺栓)；R随机应力随机应力：随机变化，如因道路气候因素，运行时的：随机变化，如因道路气候因素，运行时的汽车、拖拉机、飞机的零件，工作应力随时间随机变汽车、拖拉机、飞机的零件，工作应力随时间随机变化。化。5.1 疲劳破坏的一般规律一、疲劳破坏的变动应力一、疲劳破坏的变动应力8图图5-1应力循环特性表征参数应力循环特性表征参数表征应力循环特征的参量表征应力循环特征的参量最大循环应力最大循环应力max，最小循环应力最小循环应力min；平均应力平均应力m(max+min)/2；应力幅应力幅或应力范围或应力范围：=/2=(max-min)/2；应力比应力比rmin/max。载荷谱：载荷谱：载荷载荷-时间历程曲线时间历程曲线103、疲劳破坏的特点：、疲劳破坏的特点：(1)一种潜藏的突发性破坏，呈脆性断裂。一种潜藏的突发性破坏，呈脆性断裂。(2)疲劳破坏属低应力循环延时断裂疲劳破坏属低应力循环延时断裂,是具有寿命的断裂。是具有寿命的断裂。(3)对缺陷对缺陷(缺口、裂纹等缺口、裂纹等)具有高度的敏感性。具有高度的敏感性。(4)疲劳断裂也是裂纹萌生和扩展过程，但因应力水平低，疲劳断裂也是裂纹萌生和扩展过程，但因应力水平低，故有明显的裂纹萌生和缓慢亚稳扩展阶段，相应的断口上故有明显的裂纹萌生和缓慢亚稳扩展阶段，相应的断口上有明显的有明显的疲劳源和疲劳扩展区疲劳源和疲劳扩展区，这是疲劳断裂的主要断口，这是疲劳断裂的主要断口特征。特征。111)、典型疲劳断口具有、典型疲劳断口具有3个特征区个特征区疲劳源、疲劳裂纹扩展区疲劳源、疲劳裂纹扩展区(疲劳区疲劳区)、瞬断区。、瞬断区。2)、疲劳源特点疲劳源特点：多出现在机件表面，常和缺口、裂纹等缺陷及内部冶金缺陷多出现在机件表面，常和缺口、裂纹等缺陷及内部冶金缺陷(夹夹杂、白点等杂、白点等)有关。有关。疲劳源区比较光亮，该区表面硬度有所提高。疲劳源区比较光亮，该区表面硬度有所提高。疲劳源可以是一个，也可以是多个。疲劳源可以是一个，也可以是多个。图图5-2疲劳断口的示意图和旋转弯曲疲劳断口形貌疲劳断口的示意图和旋转弯曲疲劳断口形貌4、疲劳宏观断口分析、疲劳宏观断口分析131)KKc时，裂纹就失稳快速扩展，时，裂纹就失稳快速扩展，导致机件瞬时断裂断口粗糙，脆性断导致机件瞬时断裂断口粗糙，脆性断口呈结晶状；韧性断口在心部平面应变口呈结晶状；韧性断口在心部平面应变区呈放射状或人字纹状，边缘平面应力区呈放射状或人字纹状，边缘平面应力区则有剪切唇区存在。区则有剪切唇区存在。2)瞬断区一般应在疲劳源对侧。瞬断区一般应在疲劳源对侧。瞬断区特点瞬断区特点图图5-4疲劳断口的瞬断区和形貌疲劳断口的瞬断区和形貌151 1、疲劳微裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起。、疲劳微裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起。表面滑移带开裂；第二相、夹杂物与基体相界面或夹杂物表面滑移带开裂；第二相、夹杂物与基体相界面或夹杂物本身断裂；晶界或亚晶界处开裂。本身断裂；晶界或亚晶界处开裂。在环载荷作用下在环载荷作用下,即使循环应力不超过屈服强度，也会在试即使循环应力不超过屈服强度，也会在试件表面形成滑移带件表面形成滑移带,称为循环滑移带。称为循环滑移带。拉伸时形成的滑移带分布较均匀，而循环滑移带则集中于拉伸时形成的滑移带分布较均匀，而循环滑移带则集中于某些局部区域。而且在循环滑移带中会出现挤出与挤入，从而某些局部区域。而且在循环滑移带中会出现挤出与挤入，从而在试件表面形成微观切口。在试件表面形成微观切口。5.2 疲劳破坏的机理一、金属材料疲劳破坏的机理一、金属材料疲劳破坏的机理疲劳裂纹的萌生和扩展疲劳裂纹的萌生和扩展Crack Initiation and Propagation 162、疲劳裂纹的扩展、疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹扩展可分为两个阶段：疲劳裂纹扩展可分为两个阶段：第第I I阶阶段段，裂裂纹纹沿沿着着最最大大切切应应力力方方向向向向内内扩扩展展，即即在在切切应应力力最最大大的的滑滑移面内扩展。移面内扩展。第第I I阶阶段段裂裂纹纹扩扩展展的的距距离离一一般般都都很很小，约为小，约为2 23 3个晶粒。个晶粒。第第IIII阶段，裂纹沿垂直拉应力方阶段，裂纹沿垂直拉应力方向向前扩展形成。在电子显微镜下向向前扩展形成。在电子显微镜下可显示出可显示出疲劳条带疲劳条带。疲劳带是每次。疲劳带是每次循环加载形成的。循环加载形成的。F 疲劳条带和贝纹线区别疲劳条带和贝纹线区别疲劳条带是微观形貌，贝纹线是宏观形貌，在相邻贝疲劳条带是微观形貌，贝纹线是宏观形貌，在相邻贝纹线间可能有成千上万条疲劳条带，二者既可在断口纹线间可能有成千上万条疲劳条带，二者既可在断口上同时出现，也可不同时出现。上同时出现，也可不同时出现。图图5-6疲劳裂纹扩展和疲劳条带疲劳裂纹扩展和疲劳条带18图图5-7Zr-basedBMG的疲劳断口和疲劳条带的疲劳断口和疲劳条带19三、高分子材料疲劳破坏的机理三、高分子材料疲劳破坏的机理 高分子材料在拉应力作用下，由于非高分子材料在拉应力作用下，由于非晶态聚合物的表面和内部出现银纹晶态聚合物的表面和内部出现银纹(craze),高循环应力时，银纹转变为裂纹，高循环应力时，银纹转变为裂纹，扩展导致材料疲劳破坏；对于低应力或者扩展导致材料疲劳破坏；对于低应力或者不产生银纹的晶态聚合物，疲劳过程特点不产生银纹的晶态聚合物，疲劳过程特点是疲劳应变软化而不硬化；分子链间剪切是疲劳应变软化而不硬化；分子链间剪切滑移分子链断裂结晶损伤产生显微滑移分子链断裂结晶损伤产生显微孔洞孔洞-微孔洞聚合成微裂纹宏观裂纹；微孔洞聚合成微裂纹宏观裂纹；由于聚合物为粘弹性材料，具有较大的由于聚合物为粘弹性材料，具有较大的应力滞后环，所以在应力循环中部分机械应力滞后环，所以在应力循环中部分机械能转化为热能，温度升高，产生热疲劳失能转化为热能，温度升高，产生热疲劳失效。效。聚合物疲劳断口有两种特征条纹：疲劳聚合物疲劳断口有两种特征条纹：疲劳辉纹辉纹(fatiguestriation10微米左右微米左右),疲劳疲劳斑纹斑纹(fatiguemarking50微米左右微米左右)；图图5-8高分子材料的疲劳断口高分子材料的疲劳断口20四、复合材料疲劳破坏的机理四、复合材料疲劳破坏的机理图图5-9复合材料的疲劳断口复合材料的疲劳断口 和金属材料相比，复合材料具有良好的和金属材料相比，复合材料具有良好的疲劳性能，有以下特点：疲劳性能，有以下特点：1)有多种疲劳损伤形式：如界面脱粘、分有多种疲劳损伤形式：如界面脱粘、分层、纤维断裂等；层、纤维断裂等；2)不会发生瞬时的疲劳破坏：常用疲劳过不会发生瞬时的疲劳破坏：常用疲劳过程中材料弹性模量下降的百分数等判据程中材料弹性模量下降的百分数等判据3)较大的应变会使纤维基体变形不协调引较大的应变会使纤维基体变形不协调引起纤维基体界面开裂形成疲劳源，对应变起纤维基体界面开裂形成疲劳源，对应变尤其是压缩应变特别敏感；尤其是压缩应变特别敏感；4)疲劳性能和纤维取向有关：沿纤维方向疲劳性能和纤维取向有关：沿纤维方向好。好。21一、旋转弯曲疲劳试验一、旋转弯曲疲劳试验(GB4337-84)：(1)四点弯曲，四点弯曲，对称循环对称循环(m0，r-1)。(2)测定方法：测定方法：试样（若干），试样（若干），旋转弯曲疲劳试验机；旋转弯曲疲劳试验机；选择最大循环应力选择最大循环应力max(0.67b0.4b)（1，2，3 n）；）；对每个试样进行循环加载试验对每个试样进行循环加载试验直至断裂；直至断裂；测定应力循环数测定应力循环数N,；(1,N1),(2,N2)绘制绘制(max)-N(lgN)曲线。曲线。5.3 疲劳性能指标和测试-1图图5-10旋转弯曲疲劳试验机和曲线旋转弯曲疲劳试验机和曲线22图图5-11旋转弯曲疲劳试验机的示意图旋转弯曲疲劳试验机的示意图试样受铅垂力作用而承受纯弯矩，当电机拖动试样高速旋转时，试样上的应力值拉压对称交变，使材料承受对称应力疲劳考验。24电液伺服疲劳实验机电液伺服疲劳实验机用电信号控制电液伺服阀，并利用精密的负荷、变形、位移等测量和反馈信息，实现对试样的载荷、变形、位移等的数值、波形和频率控制，可以进行常幅、变幅和随机疲劳试验，是科研工作中理想的力学设备。25(3)、疲劳、疲劳S-N曲线曲线其他不对称循环应力也可作出相应的疲劳曲线，其他不对称循环应力也可作出相应的疲劳曲线，它们统称为它们统称为S-N曲线，曲线，(4)(4)、金属材料疲劳曲线类型：、金属材料疲劳曲线类型：一类有水平线一类有水平线-1-1；(材料的疲劳强度材料的疲劳强度)无限寿命疲劳应力判据：无限寿命疲劳应力判据：-1-1 一类无水平线一类无水平线条件疲劳强度，条件疲劳强度，条件寿命下的疲劳强度。条件寿命下的疲劳强度。图图5-12常用材料的疲劳曲线常用材料的疲劳曲线261 1、疲劳强度、疲劳强度：定义：定义：在指定疲劳寿命下，材料能承受的上限循环应力。在指定疲劳寿命下，材料能承受的上限循环应力。常用的对称循环常用的对称循环(r=-1)(r=-1)疲劳强度可以分为：疲劳强度可以分为：弯曲弯曲(-1-1)、扭转、扭转(-1-1)、拉压、拉压(-1p-1p)等。等。二、疲劳性能指标二、疲劳性能指标282 2、过载持久值、过载持久值(长久过载、有限疲劳寿命长久过载、有限疲劳寿命)：(1)(1)材料在高于疲劳强度的一定应力材料在高于疲劳强度的一定应力(-1-1)下工作，下工作，发生疲劳断裂的应力循环周次。发生疲劳断裂的应力循环周次。(2)(2)由疲劳曲线倾斜部分确定。由疲劳曲线倾斜部分确定。(3)(3)材料耐久强度：材料耐久强度：即过载应力。即过载应力。293 3、过载损伤界和过载损伤区、过载损伤界和过载损伤区（偶然过载）（偶然过载）(1)(1)过载损伤界过载损伤界:短期过载对材料性能的影响，取决于过载应力及过载周次。短期过载对材料性能的影响，取决于过载应力及过载周次。实验证明，材料在过载应力水平下只有运转一定周次后，疲实验证明，材料在过载应力水平下只有运转一定周次后，疲劳强度或疲劳寿命才会降低，造成过载损伤。劳强度或疲劳寿命才会降低，造成过载损伤。把在每个过载应力下运行能引起损伤的最少循环周次连接起把在每个过载应力下运行能引起损伤的最少循环周次连接起来就得到该材料的过载损伤界来就得到该材料的过载损伤界(2)(2)过载损伤区：过载损伤区：过载损伤界到疲劳曲线间的影线区。过载损伤界到疲劳曲线间的影线区。(3)(3)材料的过载损伤界越陡直，损伤区材料的过载损伤界越陡直，损伤区愈窄，则其抵抗疲劳过载能力就愈强。愈窄，则其抵抗疲劳过载能力就愈强。图图5-12疲劳过载损伤界疲劳过载损伤界311)1)疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率(da/dN):(da/dN):用有裂纹的试样模拟实际机件的裂纹用有裂纹的试样模拟实际机件的裂纹扩展情况，在疲劳试验机上测定疲扩展情况，在疲劳试验机上测定疲劳扩展曲线。先预制疲劳裂纹，随劳扩展曲线。先预制疲劳裂纹，随后在试验机上，观察裂纹长度后在试验机上，观察裂纹长度a a随随N N循环扩展情况。裂纹的长度可用显循环扩展情况。裂纹的长度可用显微镜法测量，每循环一定周次微镜法测量，每循环一定周次N,N,测测量量a a，直到断裂为止。，直到断裂为止。作出裂纹长度作出裂纹长度a a和循环周次和循环周次N N的关系曲线：曲线斜率就是疲的关系曲线：曲线斜率就是疲劳扩展速率，当裂纹长度劳扩展速率，当裂纹长度a a接近临界尺寸接近临界尺寸a ac c时，时，da/dNda/dN无限增无限增大，裂纹将失稳扩展，试样断裂。大，裂纹将失稳扩展，试样断裂。5、疲劳裂纹扩展速率、疲劳裂纹扩展速率前面所述的疲劳强度是用小试样测定的，未能反映裂纹的前面所述的疲劳强度是用小试样测定的，未能反映裂纹的亚稳扩展问题，不能全面体现实际机件的结构疲劳强度，疲亚稳扩展问题，不能全面体现实际机件的结构疲劳强度，疲劳裂纹扩展性能是对疲劳强度的重要补充。劳裂纹扩展性能是对疲劳强度的重要补充。图图5-14疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展aN曲线曲线322)应力强度因子幅应力强度因子幅(K)：K=Kmax-Kmin=Ymaxa1/2-Ymina1/2=Ya1/2da/dN-K（lgda/dN-lgK）曲）曲线线将将a-N曲线上各点的曲线上各点的dadN 值用值用图解微分法或递增多项式计算法图解微分法或递增多项式计算法计算出来计算出来;利用应力强度因子幅利用应力强度因子幅(K)公式公式将相应各点的将相应各点的K值求出，值求出，在双对数坐标系上描点连接即得在双对数坐标系上描点连接即得lgda/dN-lgK曲线。反应了应曲线。反应了应力循环时裂纹长度力循环时裂纹长度a和应力的关系。和应力的关系。图图5-14疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展lg(da/dN)lgK关系曲线关系曲线33I区是疲劳裂纹的初始扩展阶段区是疲劳裂纹的初始扩展阶段:da/dN=10-810-6；区是疲劳裂纹扩展的主要阶段区是疲劳裂纹扩展的主要阶段:da/dN=10-510-2;Paris公式公式：da/dN=C(K)n=C(Ya1/2)nC、n是材料常数；是材料常数；区是疲劳裂纹扩展的最后阶段。区是疲劳裂纹扩展的最后阶段。3)疲劳裂纹扩展门槛值疲劳裂纹扩展门槛值(Kth)：代表疲劳裂纹不扩展的代表疲劳裂纹不扩展的K临界值。临界值。da/dN=04)条件疲劳裂纹扩展门槛值条件疲劳裂纹扩展门槛值(Kth)：工程上规定在平面应变，工程上规定在平面应变，da/dN=10-610-7mm/周次对应的周次对应的K34表表1常用工程合金的疲劳裂纹扩展数据常用工程合金的疲劳裂纹扩展数据35表表2部分工程合金的疲劳裂纹扩展门槛值部分工程合金的疲劳裂纹扩展门槛值Kth36含裂纹件不发生疲劳断裂的校核公式：含裂纹件不发生疲劳断裂的校核公式：K=Ya1/2KthKth/Ya1/2大多数金属的大多数金属的Kth值很小，约为值很小，约为0.05-0.1KC，如钢，如钢Kth9MPam1/2;铝合金铝合金Kth4MPam1/25)疲劳剩余寿命疲劳剩余寿命：初始裂纹长初始裂纹长a0扩展到临界长扩展到临界长ac所需的循环周次所需的循环周次N。无损探伤确定无损探伤确定a0、形状、位置、取向、形状、位置、取向确定确定K；已知已知KC及及确定确定ac；裂纹扩展速率表达式裂纹扩展速率表达式da/dN=C(K)nN。37例题：疲劳寿命估计例题：疲劳寿命估计例例1假定一很宽的冷轧钢板受到恒幅轴向交变载荷，名义应假定一很宽的冷轧钢板受到恒幅轴向交变载荷，名义应力力max200MPa，min50MPa，这种钢的静强度，这种钢的静强度s630MPa，b670MPa，E207GPa，KC104MPam1/2，如果钢板的原始裂纹不大于如果钢板的原始裂纹不大于0.5mm，试问疲劳寿命是多少？，试问疲劳寿命是多少？解解首先要弄清楚几个问题：首先要弄清楚几个问题：(1)对这种零件和载荷，可用的应力场强度因对这种零件和载荷，可用的应力场强度因子表达式是什么？子表达式是什么？(2)用什么方程表达裂纹的扩展？用什么方程表达裂纹的扩展？(3)如何积分这个方程？如何积分这个方程？(4)多大的多大的K值会引起断裂？值会引起断裂？(5)腐蚀和温度的影响如何？腐蚀和温度的影响如何？现在我们首先假设不涉及腐蚀环境，钢板主要在室温下工作，裂纹扩展现在我们首先假设不涉及腐蚀环境，钢板主要在室温下工作，裂纹扩展速率采用速率采用Paris方程；因为裂纹很短，有限宽板单边直裂纹，板宽远远大于方程；因为裂纹很短，有限宽板单边直裂纹，板宽远远大于裂纹长度，其应力场强度因子表达式为裂纹长度，其应力场强度因子表达式为38本题计算应注意本题计算应注意K的计算，当应力比的计算，当应力比r0时，时，KKmaxKmin；当；当r0时，时，KKmax，因为在压缩载荷时，因为在压缩载荷时K值无意义，其裂纹面闭合，值无意义，其裂纹面闭合，裂纹不会扩展。本题裂纹不会扩展。本题max200MPa，min50MPa，起始裂纹长度，起始裂纹长度a0.5mm，则，则查表查表2，可知计算的，可知计算的K值大于临界疲劳裂纹扩展门槛值，疲劳裂纹值大于临界疲劳裂纹扩展门槛值，疲劳裂纹处于扩展阶段，可用处于扩展阶段，可用Paris方程。最终的裂纹长度方程。最终的裂纹长度ac可设定在可设定在KmaxKC时得到。因为时得到。因为39根据根据Paris方程，假设方程，假设n2，则把数据代入上式，沿用铁素体，则把数据代入上式，沿用铁素体-珠光体珠光体钢裂纹扩展经验方程，取钢裂纹扩展经验方程，取C6.910-12,n=3，即得：，即得：40讨论讨论(1)假定假定KC增加到增加到2倍或者减小到二分之一，即倍或者减小到二分之一，即KC208MPam1/2，或者，或者KC52MPam1/2，代入上面得计算方，代入上面得计算方程，计算可知最终裂纹长度程，计算可知最终裂纹长度ac分别为分别为270mm和和17mm，最终，最终疲劳寿命疲劳寿命NC分别分别198000周次和周次和171000周次。可以看到，当周次。可以看到，当KC增加增加1倍或者减小倍或者减小1倍时，最终裂纹长度将增加到四倍或倍时，最终裂纹长度将增加到四倍或减小到四分之一，但疲劳寿命却只改变不到减小到四分之一，但疲劳寿命却只改变不到10。(2)假定板材中原始裂纹增至假定板材中原始裂纹增至2.5mm，则疲劳寿命将减少到，则疲劳寿命将减少到75000周次，这说明初始裂纹对疲劳寿命得影响很大，而断周次，这说明初始裂纹对疲劳寿命得影响很大，而断裂韧度的影响没有初始裂纹得大，因此在材料设计时，减小裂韧度的影响没有初始裂纹得大，因此在材料设计时，减小初始裂纹长度，增加断裂韧度，是提高材料疲劳寿命的主要初始裂纹长度，增加断裂韧度，是提高材料疲劳寿命的主要措施。措施。415.4 疲劳强度的影响因素因素因素内容内容因素因素内容内容工作条件工作条件载荷条件；载荷条件；环境温度；环境温度；环境介质；环境介质；表面处理表面处理喷丸滚轧；喷丸滚轧；热处理；热处理；涂层；涂层；表面状态表面状态尺寸；尺寸；粗糙度；粗糙度；缺口效应；缺口效应；材料内因材料内因化学成分；化学成分；组织结构；组织结构；缺陷；缺陷；42 1 1、载荷条件：、载荷条件：F 应力的影响见前述公式；应力的影响见前述公式；F 在过载损伤区内降低疲劳强度；在过载损伤区内降低疲劳强度；F 次载锻炼次载锻炼：载低于疲劳强度的应力先运转一定周次，：载低于疲劳强度的应力先运转一定周次，可提高疲劳强度；可提高疲劳强度；F 间歇效应间歇效应：对于应变时效材料，在循环加载中间歇空：对于应变时效材料，在循环加载中间歇空 载一段时间可提高疲劳强度；载一段时间可提高疲劳强度；F 在一定的载荷频率内在一定的载荷频率内(170(1701000Hz)1000Hz)，疲劳强度随加，疲劳强度随加 载频率增加而增加；载频率增加而增加；一、工作条件一、工作条件43 2 2、温度：、温度：F 温度升高，疲劳强度降低，如耐热钢在温度升高，疲劳强度降低，如耐热钢在550550650650以以 上时疲劳强度下降，当温度超过再结晶温度时，蠕变上时疲劳强度下降，当温度超过再结晶温度时，蠕变 疲劳联合作用；疲劳联合作用；3 3、腐蚀介质：、腐蚀介质：F 产生蚀坑，降低疲劳强度，导致腐蚀疲劳；产生蚀坑，降低疲劳强度，导致腐蚀疲劳；44 1 1、表面状态：、表面状态：F 缺口应力集中往往是疲劳策源地，引起疲劳断裂，用缺口应力集中往往是疲劳策源地，引起疲劳断裂，用疲劳缺口系数疲劳缺口系数K Kf f和疲劳缺口敏感度和疲劳缺口敏感度q qf f表示，越大，疲劳强度表示，越大，疲劳强度降低。因此受循环作用的机件选用材料时，表面必须经仔细降低。因此受循环作用的机件选用材料时，表面必须经仔细加工，不允许有刀痕、擦伤、大缺陷；加工，不允许有刀痕、擦伤、大缺陷；2 2、尺寸影响：、尺寸影响：F 在变动载荷下，随机件尺寸增大疲劳强度下降现象。在变动载荷下，随机件尺寸增大疲劳强度下降现象。可用尺寸效应系数可用尺寸效应系数表示表示:(1)d/-1(1 1)d d 直径为直径为d d的机件疲劳强度；的机件疲劳强度；1 1为小试样在疲劳强度；为小试样在疲劳强度；二、表面状态二、表面状态45三、表面处理三、表面处理 提高表面的硬度和强度可有效材料表面疲劳裂纹萌生和提高表面的硬度和强度可有效材料表面疲劳裂纹萌生和扩展，提供外加表面残余压应力，降低表面拉应力集中，可扩展，提供外加表面残余压应力，降低表面拉应力集中，可提高材料承受弯曲、扭转循环载荷下的疲劳强度。提高材料承受弯曲、扭转循环载荷下的疲劳强度。F 表面强化方法有：表面强化方法有：喷丸喷丸：将无数小圆形钢丸高速且连续喷射到零件表面，：将无数小圆形钢丸高速且连续喷射到零件表面，捶出小压痕或凹陷。表层下，压缩的晶粒试图将表面恢复到捶出小压痕或凹陷。表层下，压缩的晶粒试图将表面恢复到原来形状，产生一个高度压缩力作用下均匀的残余压应力层。原来形状，产生一个高度压缩力作用下均匀的残余压应力层。可提高疲劳强度几倍。可提高疲劳强度几倍。表面热处理表面热处理：表面淬火、渗碳渗氮等，既能获得表硬：表面淬火、渗碳渗氮等，既能获得表硬心韧综合力学性能，又能在机件表面获得残余压应力，提高心韧综合力学性能，又能在机件表面获得残余压应力，提高疲劳强度和寿命。疲劳强度和寿命。复合强化复合强化：将上述工艺复合；如渗碳淬火；渗碳：将上述工艺复合；如渗碳淬火；渗碳喷丸；碳氮共渗等；喷丸；碳氮共渗等；46图图5-15 喷丸处理设备和处理零件喷丸处理设备和处理零件4748 渗碳渗碳：将工件装在密封的渗碳将工件装在密封的渗碳炉中，加热到炉中，加热到900950，向炉内滴入煤油、苯、甲，向炉内滴入煤油、苯、甲醇等有机液体，或直接通入醇等有机液体，或直接通入煤气、石油液化气等气体，煤气、石油液化气等气体，通过化学反应产生活性碳原通过化学反应产生活性碳原子，使钢件表面渗碳。渗碳子，使钢件表面渗碳。渗碳使低碳使低碳(0.150.30%)钢件表钢件表面获得高碳浓度（约面获得高碳浓度（约1.0%）。之后加上淬火回）。之后加上淬火回火处理。火处理。固体包埋渗碳固体包埋渗碳 渗碳渗氮工艺渗碳渗氮工艺图图5-16 井式渗碳炉井式渗碳炉49图图5-17 钢渗碳后组织钢渗碳后组织表面高硬表面高硬的碳化物的碳化物含量高含量高50 渗氮渗氮：氨被加热分解出活性氮原子（氨被加热分解出活性氮原子（2NH33H2+2N),氮原子被氮原子被钢吸收并溶入表面钢吸收并溶入表面,在保温过程中向内扩散在保温过程中向内扩散,形成渗氮层。形成渗氮层。温温度一般为度一般为500600。氮化时间为。氮化时间为20h50h，钢件氮化后，钢件氮化后硬度高硬度高(1000HV1100HV),且在且在600650下保持不下降。下保持不下降。氮化后，工件的最外层为一白色氮化后，工件的最外层为一白色或或相的氮化物薄层，很脆。相的氮化物薄层，很脆。常用精磨磨去；中间是暗黑色含氮共析体常用精磨磨去；中间是暗黑色含氮共析体()层；心部为层；心部为原始回火索氏体组织。原始回火索氏体组织。离子渗氮离子渗氮是以工件为阴极，炉体为阳极，在真空内充入少量是以工件为阴极，炉体为阳极，在真空内充入少量氨气氨气(或氮、氢混合气体或氮、氢混合气体)，然后在高压直流电场下稀薄气体发，然后在高压直流电场下稀薄气体发生电离产生辉光放电现象，氮离子以极高的速度轰击工件表生电离产生辉光放电现象，氮离子以极高的速度轰击工件表面，达到渗氮目的。面，达到渗氮目的。离子渗氮离子渗氮最大特点是渗层组织结构、厚度可调节、控制，最大特点是渗层组织结构、厚度可调节、控制，可以获得由韧度高的可以获得由韧度高的单相组成的化合物层。离子渗氮后表面单相组成的化合物层。离子渗氮后表面硬度比气体渗氮要高些，硬度梯度也比较平稳。硬度比气体渗氮要高些，硬度梯度也比较平稳。51 碳氮共渗碳氮共渗:同时向零件表面渗入碳和氮的化学热处理工艺，也同时向零件表面渗入碳和氮的化学热处理工艺，也称氰化。一般采用高温或低温两种气体碳氮共渗。低称氰化。一般采用高温或低温两种气体碳氮共渗。低温碳氮共渗以氮为主，实质为软氮化。高温碳氮共渗温碳氮共渗以氮为主，实质为软氮化。高温碳氮共渗将工件放入密封炉内，加热到共渗温度将工件放入密封炉内，加热到共渗温度830850，向炉内滴入煤油，同时通以氨气，经保温，向炉内滴入煤油，同时通以氨气，经保温1h2h后，后，共渗层可达共渗层可达0.2mm0.5mm。碳氮共渗后淬火。碳氮共渗后淬火,再低温再低温回火。碳氮共渗后得到的是含氮马氏体回火。碳氮共渗后得到的是含氮马氏体,耐磨性比渗耐磨性比渗碳更好。共渗层具有比渗碳层更高的压应力碳更好。共渗层具有比渗碳层更高的压应力,因而疲因而疲劳强度更高劳强度更高,耐蚀性也较好。耐蚀性也较好。52图图5-18 钢渗氮后组织钢渗氮后组织白亮层白亮层扩散层扩散层基体基体放大后的白亮层放大后的白亮层53四、材料内因四、材料内因 1 1、合金成分：、合金成分：提高硬度的合金成分，比如碳，既可以间隙固溶强化，提高硬度的合金成分，比如碳，既可以间隙固溶强化，又可以弥散碳化物强化，可以提高疲劳强度，但是有一个峰又可以弥散碳化物强化，可以提高疲劳强度，但是有一个峰值区；提高表面的硬度和强度可有效材料表面疲劳裂纹萌生值区；提高表面的硬度和强度可有效材料表面疲劳裂纹萌生和扩展，提供外加表面残余压应力，降低表面拉应力集中，和扩展，提供外加表面残余压应力，降低表面拉应力集中，可提高材料承受弯曲、扭转循环载荷下的疲劳强度。可提高材料承受弯曲、扭转循环载荷下的疲劳强度。2 2、非金属夹杂和冶金缺陷：、非金属夹杂和冶金缺陷：脆性夹杂易产生疲劳裂纹，降低疲劳强度；冶金缺陷如脆性夹杂易产生疲劳裂纹，降低疲劳强度；冶金缺陷如气孔、缩孔、偏析、白点、折叠、裂纹等缺陷可能是疲劳源，气孔、缩孔、偏析、白点、折叠、裂纹等缺陷可能是疲劳源，降低疲劳强度；降低疲劳强度；3 3、晶粒大小：、晶粒大小：符合符合HallHallPetchPetch关系关系i为位错在晶格中的运动摩擦阻力；为位错在晶格中的运动摩擦阻力；k为材料常数；为材料常数；d为晶粒直径为晶粒直径545.5 热疲劳定义：机件在由温度循环变化时产生的循环热应力及热应变定义：机件在由温度循环变化时产生的循环热应力及热应变作用下，发生的疲劳。高温服役机件作用下，发生的疲劳。高温服役机件:热轧辊、叶轮、热模具热轧辊、叶轮、热模具等。等。1、热应力：温度变化产生膨胀变形，变形受约束产生的应力。、热应力：温度变化产生膨胀变形，变形受约束产生的应力。TE(E(膨胀系数膨胀系数)2、热震性：材料经受急冷急热变化产生的冲击热应力而不失、热震性：材料经受急冷急热变化产生的冲击热应力而不失效的能力。效的能力。3、热疲劳抗力：通常以一定温度下产生一定尺寸疲劳裂纹的、热疲劳抗力：通常以一定温度下产生一定尺寸疲劳裂纹的循环次数或在规定循环次数下产生疲劳裂纹的长度来表示。循环次数或在规定循环次数下产生疲劳裂纹的长度来表示。基本概念基本概念55提高热疲劳抗力的主要途径是：减少线膨胀系数；提提高热疲劳抗力的主要途径是：减少线膨胀系数；提高高温强度；减少应力、应变集中；提高局部塑性，以高高温强度；减少应力、应变集中；提高局部塑性，以迅速消除应力集中。迅速消除应力集中。热疲劳指标热疲劳指标抗热震性参数：抗热震性参数：式中，式中，Tc材料热震断裂的临界温度；材料热震断裂的临界温度；f断裂强度；断裂强度；E弹性模量、泊淞比弹性模量、泊淞比(Poissonsratio)、热膨胀系数、热膨胀系数提高热疲劳途径提高热疲劳途径56图图5-19 TMF热疲劳试验机热疲劳试验机57附录 疲劳失效的分析举例 例例22柴油机气缸盖螺栓，直柴油机气缸盖螺栓，直径约径约67mm67mm，全长约，全长约1200 mm1200 mm，材料系，材料系CrNiMoCrNiMo钢，经锻造钢，经锻造及调质处理。使用中，在距及调质处理。使用中，在距尾端约尾端约400mm400mm处发生断裂。处发生断裂。一、宏观分析一、宏观分析 断裂发生在螺栓的尾段非螺纹的杆部，断裂发生在螺栓的尾段非螺纹的杆部，见外观图所示。断口基本平整，与轴线垂直，见外观图所示。断口基本平整，与轴线垂直，呈灰色。其左半较光滑，右半较粗糙呈纤维呈灰色。其左半较光滑，右半较粗糙呈纤维状；粗糙区上还可看到弧形推进线由中心向状；粗糙区上还可看到弧形推进线由中心向边缘扩展，最终以边缘扩展，最终以45450 0方向发展至外圆，形成方向发展至外圆，形成剪切唇；在断口左边缘区有一个斜向丘状平剪切唇；在断口左边缘区有一个斜向丘状平台，其中也可看到较密的海滩花样，呈现断台，其中也可看到较密的海滩花样，呈现断裂起始区形貌，见图断口宏观形貌所示。裂起始区形貌，见图断口宏观形貌所示。疲疲劳形貌劳形貌58二、扫描电镜分析二、扫描电镜分析断口经超声波清洗后，各断口区域置扫描电镜下进行断口微观分析。在断口经超声波清洗后，各断口区域置扫描电镜下进行断口微观分析。在断口起始区，可看到开裂始于表面，并与缺陷相关。在断口平坦光滑区，断口起始区，可看到开裂始于表面，并与缺陷相关。在断口平坦光滑区，在高倍下可看到准解理花样以及隐约的疲劳辉纹。在纤维区，断口呈现韧在高倍下可看到准解理花样以及隐约的疲劳辉纹。在纤维区，断口呈现韧窝花样，并有撕裂岭。在剪切唇区，断口上均为韧窝花样，其窝花样，并有撕裂岭。在剪切唇区，断口上均为韧窝花样，其“窝窝”更为更为大些。大些。59三、金相分析三、金相分析在断口下方截面上发现有多条在断口下方截面上发现有多条由表及里的横向裂纹，裂纹呈曲由表及里的横向裂纹，裂纹呈曲线状，长约线状，长约0.060.12mm，有的，有的在近表面处呈钩状弯曲，同时可在近表面处呈钩状弯曲，同时可看到，断口起始区与轴线不垂直。看到，断口起始区与轴线不垂直。在断口附近表层，可看到大开在断口附近表层，可看到大开口状裂缝，以及沿表面金属流线口状裂缝，以及沿表面金属流线发展的裂纹凹坑，在裂缝表面及发展的裂纹凹坑，在裂缝表面及部分裂纹缝内可看到白色异种金部分裂纹缝内可看到白色异种金属。这种属。这种“异金属异金属”在部分区域在部分区域较厚，有的已开裂。经显微维氏较厚，有的已开裂。经显微维氏硬度测定，基体上压痕明显大于硬度测定，基体上压痕明显大于“异金属异金属”上压痕，表明上压痕，表明“异金异金属属”硬度高出基体很多。基体组硬度高出基体很多。基体组织为较均匀的索氏体。织为较均匀的索氏体。60四、分析四、分析 由金相分析及硬度测定可知，来样的热处理调质工艺由金相分析及硬度测定可知，来样的热处理调质工艺质量基本正常。由断口的宏观及微观分析表明，来样气缸质量基本正常。由断口的宏观及微观分析表明，来样气缸盖螺栓属盖螺栓属疲劳断裂疲劳断裂。疲劳的启动与表面缺陷有关，在安装。疲劳的启动与表面缺陷有关，在安装拉应力及运行中振动作用下裂纹不断扩展，直至断裂。拉应力及运行中振动作用下裂纹不断扩展，直至断裂。由金相分析中所看到断口附近螺栓表面裂纹及缺陷的由金相分析中所看到断口附近螺栓表面裂纹及缺陷的形态可能为锻造或生产过程中形成的折叠及凹坑类缺陷形态可能为锻造或生产过程中形成的折叠及凹坑类缺陷（未能在机加工中去除）；这些表面缺陷在热处理或安装（未能在机加工中去除）；这些表面缺陷在热处理或安装使用中极易诱发裂纹，并使原裂纹扩展。某些裂纹在一定使用中极易诱发裂纹，并使原裂纹扩展。某些裂纹在一定条件下会成为疲劳断裂的源区。条件下会成为疲劳断裂的源区。61 例例33 破碎机主轴，长约破碎机主轴，长约1600mm1600mm。在运行中，距轴端约。在运行中，距轴端约370mm370mm处的支承