什么是材料的疲勞

　　篇一：疲勞強(qiáng)度分析

　　疲勞的定義：材料在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下，由于某點(diǎn)或某些點(diǎn)產(chǎn)生了局部的永久結(jié)構(gòu)變化，從而在一定的循環(huán)次數(shù)以后形成裂紋或發(fā)生斷裂的過(guò)程稱(chēng)為疲勞。 疲勞的分類(lèi)：

　　(1) 按研究對(duì)象:材料疲勞和結(jié)構(gòu)疲勞 (2) 按失效周次:高周疲勞和低周疲勞 (3) 按應(yīng)力狀態(tài):單軸疲勞和多軸疲勞

　　(4) 按載荷變化情況:恒幅疲勞、變幅疲勞、隨機(jī)疲勞

　　(5) 按載荷工況和工作環(huán)境:常規(guī)疲勞、高低溫疲勞、熱疲勞、熱—機(jī)械疲勞、腐蝕疲勞、接觸疲勞、微動(dòng)磨損疲勞和沖擊疲勞。

　　第一章 疲勞破壞的特征和斷口分析

　　1-1 疲勞破壞的特征

　　疲勞破壞的特征和靜力破壞有著本質(zhì)的不同，主要有五大特征：

　　（1）在交變裁荷作用下，構(gòu)件中的交變應(yīng)力在遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限（b）的情況下，破壞就可能發(fā)生。

　　（2）不管是脆性材料或塑性材料，疲勞斷裂在宏觀上均表現(xiàn)為無(wú)明顯塑性變形的突然斷裂，故疲勞斷裂常表現(xiàn)為低應(yīng)力類(lèi)脆性斷裂。

　　（3）疲勞破壞常具有局部性質(zhì)，而并不牽涉到整個(gè)結(jié)構(gòu)的所有材料，局部改變細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)或工藝措施，即可較明顯地增加疲勞壽命。

　�。�4）疲勞破壞是一個(gè)累積損傷的過(guò)程，需經(jīng)歷一定的時(shí)間歷程，甚至是很長(zhǎng)的時(shí)間歷程。實(shí)踐已經(jīng)證明，疲勞斷裂由三個(gè)過(guò)程組成，即(I)裂紋(成核)形成，(II)裂紋擴(kuò)展，(III)裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)的快速(不穩(wěn)定)斷裂。

　　（5）疲勞破壞斷口在宏觀和微觀上均有其特征，特別是其宏觀特征在外場(chǎng)目視撿查即能進(jìn)行觀察，可以幫助我們分析判斷是否屬于疲勞破壞等。圖1-1及圖l-2所示為磨床砂輪軸及一個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片的典型斷口。圖中表明了疲勞裂紋起源點(diǎn)(常稱(chēng)疲勞源)，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)(常稱(chēng)光滑區(qū))及快速斷裂區(qū)(也稱(chēng)瞬時(shí)破斷區(qū)，常呈粗粒狀)。 1-2 疲勞破壞的斷口分析

　　宏觀分析：用肉眼或低倍(如二十五倍以下的)放大鏡分析斷口。 微觀分析：用光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡(包括透射型及掃描型)

　　研究斷口。

　　1、斷口宏觀分析：

　　(I) 疲勞源：是疲勞破壞的起點(diǎn)，常發(fā)生在表面，特別是應(yīng)力集中嚴(yán)重的地方。如果內(nèi)部存在缺陷(如脆性?shī)A雜物、空洞、化學(xué)成份偏析等)，也可在表皮下或內(nèi)部發(fā)生。另外，零件間相互擦傷的地方也常是疲勞破壞開(kāi)始的地方。

　　(II)光滑區(qū)：是疲勞斷口最重要的特征區(qū)域，常呈貝殼狀或海灘波紋狀。這是疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中留下的痕跡，它多見(jiàn)于低應(yīng)力高周疲勞破壞斷口。

　　(Ⅲ)瞬斷區(qū)：其大小常和材料、應(yīng)力高低、有無(wú)應(yīng)力集中等因素有關(guān)。一般應(yīng)力較高、材料較脆時(shí)，快速斷裂區(qū)面積較大；反之，應(yīng)力較低、材料韌性較大時(shí)，快速斷裂區(qū)面積就較小。

　　2、斷口微觀分析

　�。�1）裂紋的形成：在疲勞載荷的作用下，塑性應(yīng)變的累積與疲勞裂紋的形成有著密切的關(guān)系，而由位錯(cuò)造成的滑移帶是產(chǎn)生疲勞裂紋的最根本的原因。表面缺陷或材料內(nèi)部缺陷起著尖銳缺口的作用，促進(jìn)疲勞裂紋的形成。 （2）疲勞裂紋的擴(kuò)展：

　　從疲勞核心開(kāi)始沿著滑移帶的主滑移面向金屬內(nèi)部擴(kuò)展，滑移面的取向大致與主應(yīng)力軸成 45角。這個(gè)階段裂紋擴(kuò)展很慢，每個(gè)應(yīng)力循環(huán)擴(kuò)展速度為埃（10米）數(shù)量級(jí)。

　　90，這一階段每個(gè)應(yīng)力循環(huán)的擴(kuò)展速率為微米（10米）數(shù)量級(jí)。這階段最重要的特征是疲勞條紋的存在。疲勞條紋有兩種典型類(lèi)型，即塑性條紋和脆性條紋。每一條疲勞條紋代表一次載荷循環(huán)，而且條紋間距隨外加載荷而變化，載荷大，間距寬；載荷小，間距窄。

　�。�3）塑性疲勞裂紋的形成機(jī)理模型：塑性鈍化模型

　　未加載時(shí)裂紋形態(tài)如圖1-6(a)所示。逐浙增加載荷時(shí)，裂紋張開(kāi)，裂紋前端二小切口使滑移集中于 45角的滑移帶上，兩個(gè)滑移帶互相垂直(如圖1-6(b))。當(dāng)載荷最大時(shí)，裂紋張開(kāi)得最大，裂紋前端的滑移帶變寬，且裂紋前端“鈍化”呈半圓狀，如圖1-6(c)。在此過(guò)程中裂紋向前推進(jìn)，產(chǎn)生了新的裂紋表面。當(dāng)載荷變小時(shí)，滑移方向也相反，裂紋前端則互相擠壓、折疊而形成新的切口(見(jiàn)圖l-6(d))。最后，形成了一個(gè)新的疲勞條

　　紋，向前擴(kuò)展了一個(gè)間距(見(jiàn)圖l-6(e))。 （4）脆性疲勞裂紋的形成機(jī)理模型：解理模型

　　假定裂紋初始狀態(tài)如圖1-7(a)，載荷增加，裂紋前端因解理斷裂向前擴(kuò)展一段距離(圖1-7(b))，然后塑性鈍化，停止解理。由于解理材料的充分硬化，所以形變集中在裂紋前端非常狹窄的滑移帶內(nèi)(如圖1-7(c)的虛線所示)。當(dāng)裂紋前端在載荷作用下充分張開(kāi)時(shí)，其裂紋前端形狀如圖1—7(d)所示。進(jìn)入卸載或壓縮載荷階段時(shí)，裂紋閉合，裂紋前端重新變得尖銳而形成與圖1—7(a)相似的形狀(如圖1-7(e))。

　　圖1-6 塑性鈍化過(guò)程

　　圖1-7 解理疲勞裂紋的形成過(guò)程

　　圖1-5塑性條紋和脆性條紋

　　第二章 金屬材料疲勞強(qiáng)度

　　2-1 疲勞應(yīng)力與持久極限

　　變化周期：應(yīng)力由某一數(shù)值開(kāi)始，經(jīng)過(guò)變化又回到這一數(shù)值所經(jīng)過(guò)的時(shí)間間隔稱(chēng)為變化周期，習(xí)慣上以符號(hào)T表示(參閱圖2—1)。 應(yīng)力循環(huán)：在一個(gè)周期中，應(yīng)力的變化過(guò)程稱(chēng)為一個(gè)應(yīng)力循環(huán)，應(yīng)力循環(huán)一般可用循環(huán)中的最大應(yīng)力Smax，最小應(yīng)力Smin和周期T (或它的例數(shù)即頻率f)來(lái)描述。

　　應(yīng)力循環(huán)的性質(zhì)是由循環(huán)應(yīng)力的平均應(yīng)力Sm和交變的應(yīng)力幅Sa所決定的。 平均應(yīng)力Sm：應(yīng)力循環(huán)中不變的靜態(tài)分量，它的大小是：Sm應(yīng)力幅Sa：應(yīng)力循環(huán)中變化的分量，它的大小是：Sm應(yīng)力范圍：S2SaSmaxSmin 應(yīng)力比R（循環(huán)特征）：R

　　SmaxSmin

　　2

　　SmaxSmin

　　2

　　Smin

　　Smax

　　載荷可變性系數(shù)A：A

　　Sa1RSm1R

　　利用上述的概念和符號(hào)，可以把循環(huán)應(yīng)力作為時(shí)間的'函數(shù)，寫(xiě)出循環(huán)應(yīng)力的一般表達(dá)式：

　　SSmSaF(t)

　　式中F(t)代表應(yīng)力幅Sa隨時(shí)間的變化規(guī)律。 循環(huán)應(yīng)力的分類(lèi)：

　�。�1）單向循環(huán)：應(yīng)力僅改變大小，不改變符號(hào)。這類(lèi)循環(huán)常稱(chēng)為脈動(dòng)循環(huán)，如脈動(dòng)拉伸、脈動(dòng)壓縮等。單向循環(huán)中的特殊情況是零到拉伸的循環(huán)（Smin0）和零到壓縮的循環(huán)（Smax0）。

　　（2）雙向循環(huán)：應(yīng)力的大小和方向都發(fā)生變化。雙向循環(huán)中的特殊情況是完全反復(fù)的循環(huán)（R1，

　　Smax|Smin|），稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)循環(huán)。

　　疲勞極限（持久極限）Se：在一定的循環(huán)特征下，材料可以承受無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生破壞的最大應(yīng)力稱(chēng)為在這一循環(huán)特征下的“持久極限”或“疲勞極限”。通常，R1時(shí)，持久極限的數(shù)值最小。習(xí)慣上，如果不加說(shuō)明的話，所謂材料的持久極限都是指R1時(shí)的最大應(yīng)力。這時(shí)，最大應(yīng)力值就是應(yīng)力幅的值，用S1表示。在工程應(yīng)用中，傳統(tǒng)的方法是規(guī)定一個(gè)足夠大的有限循環(huán)次數(shù)NL，在一定的循環(huán)特征下，材料承受NL次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生破壞的最大應(yīng)力就作為材料在該循環(huán)特征下的持久極限。為了與前面所說(shuō)的持久極限加以區(qū)別，有時(shí)也稱(chēng)為“條件持久極限”或“實(shí)用持久極限”。對(duì)結(jié)構(gòu)鋼和其它鐵基臺(tái)金是10，對(duì)非鐵基臺(tái)金是10。

　　2-2 描述材料疲勞性能的SN曲線

　　8

　　7

　　SN曲線是用若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件，在一定的平均應(yīng)力Sm（或在一定的循環(huán)特征R），不同的應(yīng)力幅S

　　a（或不

　　同的最大應(yīng)力Smax）下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，測(cè)出試件斷裂時(shí)的循環(huán)次數(shù)N，然后把試驗(yàn)結(jié)果畫(huà)在以Sa（或Smax）為縱坐標(biāo)，以N為橫坐標(biāo)的圖紙上，連接這些點(diǎn)就得到相應(yīng)于該Sm（或該R）時(shí)的一條SN曲線。右圖為 LC4鋁合金板材在不同平均應(yīng)力下光滑試件的SN曲線 較常見(jiàn)的描述SN曲線的經(jīng)驗(yàn)公式： (1)指數(shù)函數(shù)公式： Ne

　　S

　　C

　　式中和C取決于材料性能的材料常數(shù)。 上式兩邊取對(duì)數(shù)，可改寫(xiě)成 SlgNb (2)冪函數(shù)公式：SNC 式中和C是取決于材料性能的待定常數(shù)。 上式兩邊取對(duì)數(shù)，可改寫(xiě)成 lgSlgNb （3）三參數(shù)模型： NN0CS 上述的公式中都含待定系數(shù)，這些系數(shù)都要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。

　　2—3 不同應(yīng)力狀況下的疲勞強(qiáng)度

　　工程實(shí)際中，常常需用對(duì)應(yīng)于一定應(yīng)力狀態(tài)下材料的疲勞特性，因此常通過(guò)試驗(yàn)作出材料在

　　不同應(yīng)力狀況下的等壽命曲線（也稱(chēng)古德曼Goodman圖）。

　　由圖2-10可以看出平均應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。通常，若要求的壽命（即到破壞的循環(huán)數(shù)）不變，則應(yīng)力幅Sa隨平均應(yīng)力Sm的增加而減少，而最大應(yīng)力Smax的值(由圖可以看到)是有所增加的。圖中曲線ABC所包圍的區(qū)域，表示在規(guī)定的壽命（該圖是107）內(nèi)，材料不會(huì)發(fā)生破壞。

　　等壽命圖還常常繪制成圖2-11

　　所示的曲線的形式。這

　　篇二：汽車(chē)材料疲勞分析

　　汽車(chē)材料疲勞分析

　　作者：胡錦達(dá)

　　來(lái)源：《中國(guó)機(jī)械》

　　摘 要：本文首先簡(jiǎn)要介紹疲勞破壞，然后對(duì)汽車(chē)材料疲勞破壞進(jìn)行分析討論，給出幾種有效估算疲勞壽命的分析方法。

　　關(guān)鍵詞：材料疲勞、汽車(chē)、疲勞壽命預(yù)測(cè)

　　疲勞破壞涉及面之廣幾乎涵括汽車(chē)、鐵路、航空航天、能源、軍事國(guó)防、海洋油氣工程及一般機(jī)器制造等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，這說(shuō)明了其問(wèn)題嚴(yán)重性。對(duì)疲勞研究尤其是金屬材料是和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有密切聯(lián)系的學(xué)科。汽車(chē)作為人類(lèi)出行密不可分的工具，對(duì)其疲勞分析研究尤為重要。

　　1.疲勞的基本理論

　　1.1.疲勞定義和特點(diǎn)

　　許多機(jī)械零件和工程構(gòu)件，是承受交變載荷工作的。當(dāng)材料或結(jié)構(gòu)在在交變載荷的作用下，雖然應(yīng)力水平低于材料的屈服極限，甚至比彈性極限還低的情況下就可能發(fā)生破壞，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力反復(fù)循環(huán)作用以后，也會(huì)發(fā)生突然脆性斷裂，這種現(xiàn)象叫做疲勞破壞。其具有受交變力、作用時(shí)間長(zhǎng)、斷裂瞬時(shí)發(fā)生且疲勞斷裂區(qū)都是脆性等特點(diǎn)。

　　1.2.疲勞破壞過(guò)程和類(lèi)別

　　疲勞破壞的過(guò)程為：在循環(huán)交變載荷作用下，在零部件局部最高應(yīng)力處的晶粒上形成微裂紋，然后發(fā)展成宏觀裂紋，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致疲勞斷裂經(jīng)歷了疲勞成核-微觀裂紋生長(zhǎng)-最后斷裂三個(gè)階段。

　　金屬材料的疲勞現(xiàn)象，按條件不同可分為：高周疲勞、低周疲勞、熱疲勞、腐蝕疲勞和接觸疲勞等。

　　2.汽車(chē)材料疲勞

　　2.1.汽車(chē)材料疲勞破壞

　　汽車(chē)長(zhǎng)期運(yùn)行中所承受的外部載荷是循環(huán)動(dòng)態(tài)交變載荷，在這種載荷作用下，汽車(chē)的許多零構(gòu)件上都產(chǎn)生動(dòng)態(tài)應(yīng)力，引起疲勞損傷，其疲勞破壞形式多為疲勞斷裂。

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