第五章金属疲劳

第五章第五章 金属疲劳金属疲劳 Chapter Five Fatigue of Metals5.1 概述概述(Brief Introduction)定义定义(Definition)疲劳破坏指材料在低于抗拉强度的交变应力作用下,经过一定循环后所发生的突然断裂,即在断裂前没有明显的宏观塑性变形。疲劳破坏过程虽然有突然性，但仍然是一个逐渐发展的过程。它是由疲劳裂纹核心的萌生、扩展及断裂三个阶段组成的，因而相应的研究领域包括：1.疲劳微观机理（包括疲劳断裂的成因、裂纹核心的萌生、扩展、断口形貌及组织的变化）;2.疲劳宏观理论（包括疲劳累计损失理论、裂纹扩展理论、疲劳强度理论及疲劳设计理论）;3.疲劳实验（包括机器的设计、载荷的测定、数据的统计与分析以及疲劳寿命的计算）。一、交变载荷及循环应力一、交变载荷及循环应力(Alternative loads and circulative stress)5.2 金属疲劳的基本现象与规律金属疲劳的基本现象与规律(Basic phenomenon and regulation of metal fatigue)定义：交变载荷：指载荷大小、方向均随时间发生变化的载荷。交变载荷又可分为规则周期变动应力（称为循环应力）和无规随机变动应力两种（见图5-1）。规则变化应力（即循环应力）有：a)正方形波b)矩形波c)三角形波循环应力可用几个特征参量来表示，即：最大应力max、最小应力min 及平均应力m、应力振幅a。a（maxmin）2 应力比:min/max几种常见的循环应力见图52。对于图5-3的复杂载荷，可以经过傅立叶变化成几种循环应力，再进行相关分析，比较复杂，所以在此不涉及。二、疲劳种类及特点二、疲劳种类及特点(Types and characteristic of fatigue)1、分类分类(Classification)1）按应力状态分有：a）弯曲疲劳b）扭转疲劳c）拉压疲劳d）复合疲劳2）按环境分有：a）大气疲劳b）腐蚀疲劳c）高温疲劳d）接触疲劳e）热疲劳3）按断裂寿命及应力高低分：a）高周疲劳（低应力疲劳）Nf105次 0,表示裂纹才扩展因此Kth称为疲劳裂纹扩展门槛值，单位为Mpa.m1/2 Kth和疲劳极限1均表示无限寿命的疲劳性能值。1指无裂纹的光滑试样，而Kth则指有裂纹的试样。影响疲劳裂纹扩展因素有如下几种：1.K（应力强度因子范围）的影响（应力强度因子范围）的影响 K则da/dN2.应力比应力比（或平均应力（或平均应力m）的影响）的影响 由于压应力使裂纹闭合而不扩展，所以只研究0,m0对da/dN的影响当0，则da/dN，Kth（三）（三）疲劳裂纹扩展的影响因素（疲劳裂纹扩展的影响因素（Factors of affecting fatigue crack propagation）3 过载峰影响过载峰影响当交变应力的振幅不恒定，而有偶然增大及过载时，则疲劳裂纹扩展缓慢或停滞一段时间，即发生过载停滞现象（原因是在交变应力正半周过载，即过载拉应力，则产生较大塑性区，并阻碍循环负半周时弹性变形的恢复，从而产生残余压应力，则裂纹尖端闭合，即K，则da/dN）4 组织影响 晶粒越粗大，则Kth,da/dN(正好与屈服强度变化规律相反)；当组织中存在一定量的韧性相（如残奥，贝氏体等），则Kth,da/dN；喷丸则Kth,da/dN（产生压应力）(四四)疲劳裂纹扩展速率表达式疲劳裂纹扩展速率表达式(Formula of fatigue crack propagation rate)1、Paris 公式 对于区，Paris 建立了如下经验公式：da/dN=c(K)n式中，n、c为材料常数，n在24之间变化。具体有：铁素体珠光体：da/dN=6.910-12K3.0奥氏体不锈钢：da/dN=5.610-12K3.25马氏体不锈钢：da/dN=1.3510-10K2.25注：Paris公式一般适用于多周疲劳（即低应力疲劳）Forman考虑了应力比和断裂韧度KIC（或KC）对da/dN的影响，具体如下：da/dNc（K）n/(1)KCK3、综合式、综合式 根据以上的讨论，可以得到以下的综合公式：da/dNc（KKth）n/(1)KCK从上式可见：当KKth，da/dN0，即疲劳裂纹不扩展。2、Forman 公式公式 当已知构件中的裂纹长度（可用无损探伤法测定）以及构件所承受的应力状态。则可从下式：da/dNc（Ya1/2）n来计算疲劳寿命N。dNda/c（Ya1/2）n当n2时，有：当n=2时，则有：具体例子见P.127。（五）（五）疲劳裂纹扩展寿命的估算（疲劳裂纹扩展寿命的估算（Evaluation of fatigue crack propagation life）5.5 疲劳过程及机理疲劳过程及机理(Fatigue process and mechanism)疲劳破坏包括裂纹萌生，亚稳扩展及失稳扩展等三个阶段，每阶段扩展过程及其机理如下：一、疲劳裂纹萌生过程及其机理一、疲劳裂纹萌生过程及其机理(Process and mechanism of fatigue crack origin)宏观疲劳裂纹是由微观裂纹的形成、长大及连接而成。在确定裂纹萌生期时尚无统一的裂纹长度标准。常将0.050.1mm长的裂纹作为疲劳裂纹核，对应的时间则作为裂纹萌生期。研究表明，疲劳微观裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂等引起的，主要方式有：表面滑移带的开裂(下面要具体图示）；第二相、夹杂物或其晶界等处的开裂；晶界或亚晶界处的开裂。图510 低碳钢在交变应力（=200MPa）下滑移带的形成过程a)N=1105次；b)5105次；c)15105次图5-12 金属表面“挤出”、“侵入”，并形成裂纹（二）疲劳裂纹扩展过程及其机理（二）疲劳裂纹扩展过程及其机理(Process and mechanism of fatigue crack Propagation)疲劳微裂纹萌生后，即进入裂纹扩展阶段，根据裂纹扩展方向，可分为两个阶段（见图513所示）。图5-13 疲劳裂纹内扩展的几个过程第一阶段：第一阶段：从个别侵入沟（或挤出脊）先形成微裂纹，再沿最大切应力方向向内扩展（45）。在众多微裂纹中，只有个别裂纹会扩展到25个晶粒。da/dN很小。断口形貌特征不明显。Laird提出塑性钝化理论（见图5-14）；Cell提出的理论是：反复移动造成高位错密度，就有高应变能，从而形成新表面（见图5-14）。图5-14 疲劳裂纹扩展第一阶段的两种模型 a)塑性钝化；b)位移模型2、第二阶段：第二阶段：由于晶界的阻碍作用，裂纹沿垂直拉应力方向扩展，直到最后形成剪切唇为止。da/dN较大，与da/dk曲线的第二阶段符合。电镜下，断口形貌为略弯曲并相互平行的沟槽花样，称为疲劳条纹（条带）（见图515）。图5-15 疲劳条带 a)韧性条带10000；b)脆性条带6000 3、疲劳带形成机理、疲劳带形成机理（Mechanism of fatigue bands formulation）关于疲劳带的形成有多种机理，其中比较流行的有塑性钝化模型和再生核模型。塑性钝化模型（见图516）,对塑性材料适合;再生核模型,Forsyth和Ryderl（FR模型）认为疲劳扩展是断续的，通过至裂纹前方萌生为裂纹核，且长大和裂纹连接来实现裂纹扩张。（见图517）图516 塑性钝化模型图517 再生核模型由于疲劳断裂一般是从零件表面应力集中处或材料缺陷处发生的，因此影响疲劳强度因素有内因（材料成分、组织结构、表面状况）及外因（温度、介质、载荷及其加载方式等）。具体参见P133表53 可见影响因素多而复杂。5.6 影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素(Effecting Factors of fatigue strength)一、外因（一、外因（External factors）1、载荷频率大约在1001000Hz范围内，随着频率f的增大，1增大。而在50170Hz（3000次/min10000次/min）（大多数疲劳试验机加载的范围内），则频率f对1没什么影响。2、次载锻炼、次载锻炼定义：低于疲劳极限的应力称为次载。金属载低于疲劳极限（1）的应力下运行一定次数后，可以提高疲劳极限，这现象也称为次载锻炼（可能是由于次载锻炼可以产生硬化和松弛应力集中）。3、间隙实际工件工作大多是非连续的（有间隙）当1上运行，间隙会提高14、温度 一般规律：T降低，1增大但对某些钢，由于时效硬化温度在200400，或耐热钢，500650之间，所以该范围内1有峰值。5、平均应力和应力状态 当m0时，m增大，1减小。不对称系数min/max增大，1增大。6、过载损伤：同P124裂纹扩展过载停滞现象条件7、腐蚀介质：对疲劳强度有害二、内因（二、内因（Internal factors）1、表面状态凡是能引起表面应力集中的（如：表面粗糙度、表面材料缺陷、表面机器缺陷）均降低疲劳强度(1)。2、构件尺寸一般规律，尺寸增大，疲劳强度(1)减小。3、表面强化凡是能强化表面（如：喷丸增加表面压应力，表面淬火、表面化学热处理（增加表面强度）均提高疲劳强度(1)。4、合金成分 影响比较复杂，凡是能提高钢强韧性的合金元素（如v、Cr、Mo）均可以提高疲劳寿命。5、晶粒尺寸实验得出：晶粒大小对疲劳强度的影响也存在HallPetch关系，即：1ikd1/2式中i位错运动摩擦阻力 d晶粒平均直径。6、夹杂及缺陷夹杂及缺陷（气孔、偏析、白点、过烧、过热等）降低疲劳强度(1).5.7 低周疲劳低周疲劳(Fatigue of short life)一一、概述、概述(Brief introduction)定义：疲劳寿命在102105次的疲劳断裂称为低周疲劳。低周疲劳的循环应力较高，往往大于s而发生塑性变形，直到断裂，所以也称塑性疲劳或应变疲劳。如飞机、舰船、桥梁等的断裂有时是低周疲劳造成的二、特点二、特点(Characteristic)1、应力应变之间不再呈直线关系（类似拉伸时塑性段不是直线关系），而产生回线（见图5-18）。2、低周疲劳时，因塑变较大，不能用N曲线而改用tN曲线来描述。3、疲劳源有多个；4、低周疲劳寿命取决于塑性应变振幅，而高周疲劳寿命取决于应力振幅或应力强度因子范围，但两者都是循环塑性变形累积损失的结果。图5-18 低周疲劳应力应变曲线二、低周疲劳的应变寿命（二、低周疲劳的应变寿命（N）曲线曲线（N Curve of fatigue with short life）1、tN曲线（见图5-19）S.S Manson通过对多种金属材料的低周疲劳试验得出 t3.5(b/E)Nf0.12ef0.6 Nf0.6 式中：b抗拉强度 E弹性模量 ef断裂真实伸长率 ef（100/(100)）端面收缩率 Nf断裂寿命 t总应变振幅等式右侧第一项为e，第二项为p。图5-19 tNf曲线高、低周疲劳的主要区别在于 e和p 的相对比例不同，高周疲劳时，弹性振幅e 起主导作用，而在低周疲劳时，则塑性振幅p 起主导作用。若材料属于高周疲劳，应主要考虑强度。若材料属于低周疲劳，在保证一定强度的基 础上，应尽量提高材料的塑性和韧性。2、pN曲线由于决定低周疲劳寿命主要是塑性振幅p，所以pN曲线变化为:pNfzC式中：z、C为常数 z0.20.7 C0.51（ef）ef：材料断裂的真实伸长率该式是低周疲劳的基本公式，也是估算材料低周疲劳下的寿命主要公式。注：塑性是提高低周疲劳寿命的关键，而各种表面强化效果不明显。四、热疲劳（四、热疲劳（Thermal fatigue）1、定义：构件在由温度变化而产生的循环应力或循环热应力作用下，所发生的疲劳称为热疲劳。若温度与受力综合作用引起的疲劳则称为热机械疲劳。2、机理：温度差T，造成工件的膨胀（t），从而产生热应力（）：Et 当s为塑性变形，应变累积疲劳损伤。热疲劳基本上服从低周应变疲劳规律:热疲劳裂纹是沿表面热应变最大的区域形成的，裂纹源有多个。在循环过程中，有些裂纹源形成主裂纹，垂直表面向深扩展。3、热疲劳抗力定义：以一定温度振幅下产生一定尺寸裂纹的循环次数或在规定循环次数下疲劳裂纹的长度来表示热疲劳抗力。4、提高热疲劳抗力的方法减小线膨胀系数提高材料的高温强度尽可能消除应力集中或应变集中提高材料的塑性 a)b)图5-20 国产H13模具钢的热疲劳裂纹形成过程a)裂纹萌生阶段；b)裂纹扩展阶段作业：P145：1（1）、（2）、（3）、（5）、（6）、（7）、（10）、（11）、（12）；2（1）、（4）；5；7；10；11。