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第五章 金属的疲劳 材料在交变应力的作用下，经过一段时间，而发生断裂的现象，叫疲劳。 疲劳破坏时的最大应力σb，甚至σs； 不产生明显的塑性变形，呈现脆性的突然断裂。 ∴疲劳断裂是一种非常危险的断裂。 ∴要研究疲劳的规律、机理、力学性能指标、影响因素等。 §5.1 金属疲劳现象及特点 一、变动载荷和循环应力 1、变动载荷 大小、方向或者大小和方向均随时间而变化。 变化分为周期性，无规则性， 相对应的应力，称为变动应力 2、循环应力 循环应力的波形一般近似为正弦波、矩形波和三角形波等。 （1）循环应力的描叙 σmax，σmin； 平均应力σm=1/2（σmax+σmin） 应力幅σa=1/2（σmax-σmin） 应力比γ=σmin/σmax （2）循环应力的种类 对称交变应力；脉动应力；波动应力；不对称交变应力。 二、疲劳分类及特点 1、分类 （1）按应力状态 弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、复合疲劳等。 （2）按环境 腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳等。 （3）按循环周期 高周疲劳、低周疲劳。 （4）按破坏原因 机械疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳等。 2、特点 （1）断裂应力σb，甚至σs； （2）出现脆性断裂； （3）对材料的缺陷十分敏感； （4）疲劳破坏能清楚显示裂纹的萌生和扩展，断裂。 三、疲劳宏观断口的特征 断口拥有三个形貌不同的区域：疲劳源、疲劳区、瞬断区。 随材质、应力状态的不同，三个区的大小和位置不同。（表5-1） 1、疲劳源 裂纹的萌生地；裂纹处在亚稳扩展过程中。 由于应力交变，断面摩擦而光亮。 加工硬化。 随应力状态及应力大小的不同，可有一个或几个疲劳源。 2、疲劳区（贝纹区） 断面比较光滑，并分布有贝纹线。 循环应力低，材料韧性好，疲劳区大，贝纹线细、明显。 有时在疲劳区的后部，还可看到沿扩展方向的疲劳台阶（高应力作用）。 3、瞬断区 一般在疲劳源的对侧。 脆性材料为结晶状断口； 韧性材料有放射状纹理，边缘为剪切唇。 §5.2 疲劳曲线及疲劳性能 一、疲劳曲线 1、对称循环疲劳曲线（σ~N曲线） （1）有水平段的疲劳曲线（钢、QT） （2）无水平段的疲劳曲线（有色金属，不锈钢等） 2、σ~N曲线的测定 常用旋转弯曲疲劳试验机，有效试样13根以上。 用升降法测定σ-1。 再用概率统计方法处理数据。（取可信度） 最后确定点的位置、联线。 二、疲劳极限 1、对称疲劳极限 循环载荷，一般取周期N=107。 σ-1，τ-1，σ-1P（对称拉压） 2、不同应力状态下的疲劳极限 根据大量的实验结果，弯曲与拉压、扭转疲劳极限之间的关系： 钢：σ-1P=0.85σ-1，铸铁σ-1P=0.65σ-1 铜及轻合金：τ-1=0.55σ-1，铸铁τ-1=0.8σ-1 σ-1σ-1Pτ-1 3、疲劳极限与静强度之间的关系 钢：σ-1P=0.23（σs+σb） σ-1=0.27（σs+σb） 铸铁：σ-1P=0.4σb σ-1=0.45σb 铝合金：σ-1P=σb/6+7.5(MPa) σ-1P=σb/6-7.5(MPa) 4、不对称循环疲劳极限（σr） 利用已知的对称循环疲劳极限，用工程作图法求得各种不对称循环疲劳极限。 或者采用回归的公式求得。 （1）应力幅σa~平均应力σm图 y轴上的边界点为0和σ-1 x轴上的边界点为0和σb 将σmax分解成不同应力比r时的σa和σm，作图。 运用时，已知r，σr=σa+σm。 （2）σmax~σm 图 y轴上的边界点为σ-1和-σ-1，x轴则同前图。 σmax=σb ，利用不同的应力比r来作图。若为韧性材料σmax=σ0..2 （3）公式法 上两图中的曲线可用数学公式表示 可以很方便利用σb ，σ-1， σ0..2和r，求得σr 三、抗疲劳过载能力 过载持久值 材料在高于疲劳极限的应力下运行，发生疲劳断裂的应力循环周次，称为过载持久值，也称有限疲劳寿命。 （图） 疲劳曲线倾斜部分越陡直，即损伤区窄，则持久值越高，抗疲劳过载的能力越好。 过载损伤界由实验测定。 疲劳过载损伤是由裂纹的亚稳扩展造成。 四、疲劳缺口敏感性 疲劳缺口敏感度 0q1 Kt为理论应力集中系数，决定于缺口的几何形状与尺寸。Kf为有效应力集中系数，,和分别为光滑与缺口试样的疲劳极限，Kf的大小也和材料特性有关。 ???q0，表示对缺口完全不敏感q=1则表示对缺口十分敏感。 疲劳裂纹的扩展是断续的。 主裂纹前方是弹塑性交界点（三向拉应力区）可形成新裂纹核。主裂纹和裂纹核之间发生相向长大、桥接，使主裂纹向前扩展。 强度高的材料，可形成解理裂纹。 §5.5 影响疲劳强度的因素 一、材料内因 1、化学成分 成分决定组织和强化效果。 2、显微组织 相、相间交互作用、夹杂物、晶粒大小等。 3、治金缺陷 夹杂、疏松、偏析、