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材料的疲劳性能 一.本章的教学目的与要求 本章主要介绍材料的疲劳性能，要求学生掌握疲劳破坏的定义和特点，疲劳断口的宏观特征，金属以及非金属材料疲劳破坏的机理，各种疲劳抗力指标，例如疲劳强度，过载持久值，疲劳缺口敏感度，疲劳裂纹扩展速率以及裂纹扩展门槛值，影响材料疲劳强度的因素和热疲劳损伤的特征及其影响因素，目的是为疲劳强度设计和选用材料建立基本思路。 二．教学重点与难点 三．主要外语词汇 疲劳强度：fatigue strength 断口：fracture 过载持久值：overload of lasting value疲劳缺口敏感度：fatigue notch sensitivity 疲劳裂纹扩展速率：fatigue crack growth rate 裂纹扩展门槛值：threshold of crack propagation 热疲劳：thermal fatigue 四. 参考文献 2.束德林.金属力学性能.北京：机械工业出版社，1995 3.石德珂，金志浩等.材料力学性能.西安：西安交通大学出版社，1996 4.郑修麟.材料的力学性能.西安：西北工业大学出版社，1994 5.姜伟之，赵时熙等.工程材料力学性能.北京：北京航空航天大学出版社，19916.朱有利等.某型车辆扭力轴疲劳断裂失效分析[J]. 装甲兵工程学院学报，2010,24（5）：78-81 五．授课内容 第五章 材料的疲劳性能 第一节 疲劳破坏的一般规律 1、疲劳的定义 材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。 2、变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。 变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值 分为：规则周期变动应力和无规则随机变动应力 3、循环载荷（应力）的表征 ①最大循环应力：σmax ②最小循环应力：σmin ③平均应力： σm=（σmax +σmin）/2 ④应力幅σa或应力范围Δσ：Δσ=σmax-σmin σa=Δσ/2=（σmax-σmin）/2 ⑤应力比（或称循环应力特征系数）： r= σmin/σmax 5、循环应力分类 按平均应力、应力幅、应力比的不同，循环应力分为 ① 对称循环σm=（σmax + σmin）/2=0 r=-1 属于此类的有：大多数旋转轴类零件。 ② 不对称循环 σm≠0 如：发动机连杆、螺栓 a）σa σm0，-1r0 （b）σa 0，σm0，r-1 ③ 脉动循环 σm=σa0，r=0（σmin=0）如：齿轮的齿根、压力容器。 σm=σa0，r=∞（σmax=0）如：轴承（压应力） ④ 波动循环 σm σa 0r1 σmin0 如：发动机气缸盖、螺栓。 ⑤ 随机变动应力 应力大小、方向随机变化，无规律性。 如：汽车、飞机零件、轮船。 二、疲劳破坏的特点 在变动载荷作用下，材料薄弱区域，逐渐发生损伤，损伤累积到一定程度→产生裂纹，裂纹不断扩展→失稳断裂。 特点：从局部区域开始的损伤，不断累积，最终引起整体破坏。 1、潜藏的突发性破坏，脆性断裂（即使是塑性材料）。 2、属低应力循环延时断裂（滞后断裂）。 3、对缺陷十分敏感（可加速疲劳进程）。 三、疲劳破坏的分类 1、按应力状态 弯曲疲劳 扭转疲劳 拉压疲劳 接触疲劳 复合疲劳 2、按应力大小和断裂寿命 N105，ббs 高周疲劳→低应力疲劳 N=102～105，б≥бs 低周疲劳→高应力疲劳 四、疲劳破坏的表征—疲劳寿命 疲劳寿命：材料疲劳失效前的工作时间，即循环次数N。 疲劳曲线: 应力б↑，N↓ 五、疲劳断口的宏观特征 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 1、疲劳源 疲劳裂纹萌生区，多出现在零件表面，与 加工刀痕、缺口、裂纹、蚀坑等相连。 特征：光亮，因为疲劳源区裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多。 疲劳源可以是一个，也可以有多个。如：单向弯曲，只有一个疲劳源；双向弯曲，可出现两个疲劳源。 2、疲劳裂纹扩展区（亚临界扩展区） 特征：断口较光滑并分布有贝纹线或裂纹扩展台阶。 贝纹线是疲劳区最典型的特征，是一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向，近疲劳源区贝纹线较细密（裂纹扩展较慢），远疲劳源区贝纹线较稀疏、粗糙（裂纹扩展较快）。 贝纹线（海滩花样） 贝纹线区的大小取决于过载程度及材料的韧性，高名义应力或材料韧性较差时，贝纹线区不明显；反之，低名义应力或高韧性材料，贝纹线粗且明显，范围大。 名义载荷 根据额定功率用力学公式计算出作用在零件上的载荷。即机器平稳工作条件下作用于零件上的载荷