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材料的疲劳性能

一、疲劳破坏的变动应力

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。变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。变动载荷在单位面积上的平均值称为变动应力，分为规则周期变动应力（或称循环应力）和无规则随机变动应力两种。

1、表征应力循环特征的参量有：

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。

2、按平均应力和应力幅的相对大小，循环应力分为：

①对称循环：σm=（σmax+σmin）/2=0，r=-1，大多数旋转轴类零件承受此类应力；

②不对称循环：σm≠0，-1r1。发动机连杆或结构中某些支撑杆、螺栓承受此类应力，σaσm0，-1r0；

③脉动循环：σm=σa0，r=0，齿轮的齿根及某些压力容器承受此类应力。σm=σa0，r=∞，轴承承受脉动循环压应力；

④波动循环：σmσa，0r1，发动机气缸盖、螺栓承受此种应力；

⑤随机变动应力：循环应力呈随机变化，无规律性，如运行时因道路或者云层的变化，汽车、拖拉机及飞机等的零件，工作应力随时间随机变化。

二、疲劳破坏的概念和特点

疲劳破坏概念

在变动应力作用下，材料内部薄弱区域的组织逐渐发生变化和损伤累积、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂的过程，是一个从局部区域开始的损伤积累，最终引起整体破坏的过程。

疲劳破坏是循环应力引起的延时断裂，其断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至低于其屈服强度。机件疲劳失效前的工作时间称为疲劳寿命，疲劳断裂寿命随循环应力不同而改变。应力高，寿命短；应力低，寿命长。当应力低于材料的疲劳强度时，寿命可无限长。

疲劳断裂也经历了裂纹萌生和扩展过程。由于应力水平较低，因此具有较明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段，相应的断口上也显示出疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂区的特征。

疲劳破坏的特点

（1）疲劳破坏与静载或一次性冲击加载破坏比较具有以下特点：

①该破坏为一种潜藏的突发性破坏，在静载下显示韧性或脆性破坏的材料，在疲劳破坏前均不会发生明显的塑性变形，呈脆性断裂，易引起事故造成经济损失；

②疲劳破坏属于低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命的预测显得十分重要和必要；

③疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织）十分敏感，即对缺陷具有高

②实际构件表面多存在类裂纹缺陷，如缺口，台阶，键槽，加工划痕等，这些部位极易由应力集中而成为疲劳裂纹萌生地。

③相比于晶粒内部，自由表面晶粒受约束较小，更易发生循环塑性变形。

④自由表面与大气直接接触，因此，如果环境是破坏过程中的一个因素，则表面晶粒受影响较大。

2、疲劳裂纹的扩展

疲劳裂纹萌生后开始扩展，第Ⅰ阶段沿着最大切应力方向向内扩展。大多数微裂纹不继续扩展，成为不扩展裂纹，个别微裂纹可延伸几十μm长。随即疲劳裂纹进入第Ⅱ阶段，沿垂直拉应力方向向前扩展形成主裂纹，直至最后形成剪切唇为止。

在室温及无腐蚀条件下，第Ⅱ阶段呈穿晶扩展，扩展速率da/dN随N的增加而增大。在多数韧性材料的第Ⅱ阶段，断口用电子显微镜可看到韧性条带而脆性材料中可看到脆性条带。疲劳条带（辉纹）呈略弯曲并相互平行的沟槽状花样，与裂纹扩展方向垂直。与贝纹线不同,疲劳条带是疲劳断口的微观特征。

疲劳条带形成的原因：裂纹尖端的塑性张开，钝化和闭合钝化，使裂纹向前延续扩展疲劳裂纹的形成与扩展模型。

五、非金属材料疲劳破坏机理

1、陶瓷材料的疲劳破坏机理

静态疲劳相当于金属中的延迟断裂，即在一定载荷作用下，材料耐用应力随时间下降的现象。动态疲劳在恒定加载条件下，研究材料断裂失效对加载速率的敏感性。循环疲劳在长期变动应力作用下，材料的破坏行为。陶瓷材料断口呈现脆性断口的特征。

高分子聚合物的疲劳破坏机理

（1）非晶态聚合物

①高循环应力时，应力很快达到或超过材料银纹的引发应力，产生银纹，随后转变成裂纹，扩展后导致材料疲劳破坏。

②中循环应力也会引发银纹，形成裂纹，但裂纹扩展速率较低（机理相同）。

③低循环应力，难以引发银纹，由材料微损伤累积及微观结构变化产生微孔及微裂纹，最终裂纹扩展导致宏观破坏。

（2）结晶态高聚合物或低应力循环的非晶态高聚合物，疲劳过程有以下现象：

①整个过程，疲劳应变软化而不出现硬化。

②分子链间剪切滑移，分子链断裂，结晶损伤，晶体结构变化。

③产生显微孔洞，微孔洞合并成微裂纹，并扩展成宏观裂纹。

④断口呈裂纹扩展形成的肋状形态，断口呈丛生簇状结构（拉拔）。

（3）高聚物的热疲劳

由于聚合物为粘弹性材料，具有较大面积的应力滞后环，所以在应力循环过程中，外力所做的功有相当一部分转化为热能；而聚合物导热性能差，