材料性能學(xué)5章電子教案名師優(yōu)質(zhì)課賽課一等獎(jiǎng)市公開課獲獎(jiǎng)?wù)n件

第五章材料疲勞性能

概述：

工程中許多機(jī)件和構(gòu)件都承受交變載荷作用，如曲軸、連桿、齒輪、葉片和軸承等等，這些構(gòu)件主要破壞形式是疲勞破壞，據(jù)統(tǒng)計(jì)，斷裂中有80％以上是疲勞破壞，因而造成了重大經(jīng)濟(jì)損失。疲勞失效是機(jī)件主要失效形式。研究疲勞失效有主要實(shí)際意義。研究主要表達(dá)在兩個(gè)方面：定壽和延壽。第1頁1第一節(jié)交變載荷與疲勞破壞普通規(guī)律

一、

交變載荷及其描述1、概念：交變載荷是指大小、方向或大小和方向都隨時(shí)間作周期性改變或非周期性改變一類載荷.

交變應(yīng)力是單位面積上平均載荷.

第2頁2

一、

交變載荷及其描述

第3頁3一、交變載荷及其描述C脈動(dòng)循環(huán):σm=σa>0,r＝0;σm=σa<0,r＝-∞D(zhuǎn)波動(dòng)循環(huán):σm>σa,0＜r＜1E隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力:應(yīng)力大小、方向都作無規(guī)則改變第4頁4二、疲勞破壞概念和特點(diǎn)

1．疲勞概念

材料在循環(huán)載荷長(zhǎng)久作用下，即使受到應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，也會(huì)因?yàn)閾p傷積累而引發(fā)斷裂現(xiàn)象叫做疲勞。

疲勞過程是指材料在小于屈服強(qiáng)度變動(dòng)載荷作用下，經(jīng)過長(zhǎng)久運(yùn)轉(zhuǎn)而逐步發(fā)生損傷累積和開裂，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到達(dá)一定程度后發(fā)生突然斷裂過程。2.疲勞曲線（1）疲勞壽命概念和兩種定義疲勞壽命:機(jī)件疲勞失效前工作時(shí)間第5頁5二、疲勞破壞概念和特點(diǎn)兩種定義:A.按循環(huán)次數(shù)B.到破壞所需時(shí)間

（2）疲勞曲線（S-N曲線）

A.底循環(huán)疲勞區(qū)：高應(yīng)力,顯著塑變,應(yīng)力超出彈性極限,循環(huán)次數(shù)低于105

B.高循環(huán)疲勞區(qū)：低應(yīng)力,無顯著塑變,應(yīng)力未超出彈性極限,循環(huán)次數(shù)高于105C.無限壽命區(qū)（安全區(qū)）:應(yīng)力低于材料疲勞強(qiáng)度.第6頁6

3．疲勞破壞特點(diǎn)疲勞破壞與靜載或一次性沖擊加載破壞比較含有以下特點(diǎn)：（1）該破壞是一個(gè)潛藏突發(fā)性破壞在靜載下顯示韌性或脆性破壞材料，在疲勞破壞前均不會(huì)發(fā)生顯著塑性變形，呈脆性斷裂，易引發(fā)安全事故和造成經(jīng)濟(jì)損失．（2）

疲勞破壞屬低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂對(duì)于疲勞壽命預(yù)測(cè)就顯得十分主要和必要(訂壽)．二、疲勞破壞概念和特點(diǎn)第7頁7二、疲勞破壞概念和特點(diǎn)（３）疲勞對(duì)缺點(diǎn)（缺口、裂紋及組織）十分敏感，即對(duì)缺點(diǎn)含有高度選擇性．因?yàn)槿笨诨蛄鸭y會(huì)引發(fā)應(yīng)力集中，加大對(duì)材料損傷作用；組織缺點(diǎn)（夾雜、疏松、白點(diǎn)、脫碳等），將降低材料局部強(qiáng)度，二者綜合愈加速疲勞破壞起始與發(fā)展．（４）可按不一樣方法對(duì)疲勞形式分類按應(yīng)力狀態(tài)分，有彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞及復(fù)合疲勞；按應(yīng)力高低和斷裂壽命分，有高周疲勞（N＞105）和低周疲勞（N=102～105）

第8頁8三、疲勞斷口宏觀特征疲勞斷口保留了整個(gè)斷裂過程全部痕跡，記載著很多斷裂信息，含有顯著形貌特征，而這些特征又受材料性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力大小及環(huán)境原因影響，所以對(duì)疲勞斷口分析是研究疲勞過程、分析疲勞失效原因一個(gè)主要方法．如圖5－4所表示，經(jīng)典疲勞斷口含有3個(gè)特征區(qū)——疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)．第9頁9三、疲勞斷口宏觀特征

三、疲勞斷口宏觀特征第10頁10三、疲勞斷口宏觀特征

疲勞源是疲勞裂紋萌生策源地，多出現(xiàn)在機(jī)件表面，常和缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺點(diǎn)相連．但若材料內(nèi)部存在嚴(yán)重冶金缺點(diǎn)（夾雜、縮孔、偏析、白點(diǎn)等），也會(huì)因局部材料強(qiáng)度降低而在機(jī)件內(nèi)部引發(fā)出疲勞源．疲勞源能夠是一個(gè)也能夠是多個(gè)，其多少與工程應(yīng)力狀態(tài)及過載程度相關(guān)。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)：是疲勞裂紋亞晶界擴(kuò)展形成區(qū)域．第11頁11三、疲勞斷口宏觀特征其宏觀特征：斷口較光滑并分布有貝紋線（或海灘花樣），有時(shí)還有裂紋擴(kuò)展臺(tái)階．?dāng)嗫诠饣瞧谠磪^(qū)延續(xù)，其程度隨裂紋向前擴(kuò)展逐步減弱，反應(yīng)裂紋擴(kuò)展快慢、擠壓摩擦程度上差異．貝紋線是疲勞區(qū)最經(jīng)典特征，普通認(rèn)為是因載荷變動(dòng)引發(fā)，因?yàn)闄C(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不可防止地常有開啟、停歇、偶然過載等，均要在裂紋擴(kuò)展前沿線留下弧狀貝紋線痕跡．疲勞區(qū)每組貝紋線好像一簇以疲勞源為圓心平行弧線，凹側(cè)指向疲勞源，凸側(cè)指向裂紋擴(kuò)展方向．第12頁12三、疲勞斷口宏觀特征瞬斷區(qū)是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成區(qū)域．在疲勞亞臨界擴(kuò)展階段，隨應(yīng)力循環(huán)增加，裂紋不停增加，當(dāng)增加到臨界尺寸時(shí)，裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI到達(dá)材料斷裂韌性KIc時(shí)，裂紋就失穩(wěn)快速擴(kuò)展，造成機(jī)件瞬時(shí)斷裂．該區(qū)斷口比疲勞區(qū)粗糙，宏觀特征如同靜載，隨材料性質(zhì)而變．脆性材料斷口呈結(jié)晶狀；韌性材料斷口，在心部平面應(yīng)變區(qū)呈放射狀或人字紋狀，邊緣平面應(yīng)力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在．

第13頁13

第二節(jié)疲勞破壞機(jī)理

材料疲勞失效過程大致能夠分為三個(gè)主要階段：疲勞裂紋形成，疲勞裂紋擴(kuò)展，和斷裂。一、金屬材料疲勞破壞機(jī)理1、疲勞裂紋萌生金屬材料疲勞過程也是裂紋萌生和擴(kuò)展過程．因變動(dòng)應(yīng)力循環(huán)作用，裂紋萌生往往在材料微弱區(qū)或高應(yīng)力區(qū)，經(jīng)過不均勻滑移、微裂紋形成及長(zhǎng)大而完成．當(dāng)前尚無統(tǒng)一尺度標(biāo)準(zhǔn)確定裂紋萌生期，低應(yīng)力時(shí)，疲勞萌生期可占整個(gè)壽命大半以上．大量研究表明：疲勞微裂紋由不均勻滑移和顯微開裂引發(fā)．且通常形成于試件或零件表面。第14頁14一、金屬材料疲勞破壞機(jī)理

主要方式有：（1）表面滑移帶開裂；（2）第二相、夾雜物與基體界面或夾雜物本身開裂；（3）晶界或亞晶界處開裂．如圖5－5所表示．第15頁15一、金屬材料疲勞破壞機(jī)理

駐留滑移帶：在循環(huán)載荷作用下，即使循環(huán)應(yīng)力未超出材料屈服強(qiáng)度，也會(huì)在試件表面形成循環(huán)滑移帶，它與靜拉伸形成均勻滑移帶不一樣．循環(huán)滑移帶集中于一些局部區(qū)域（高應(yīng)力或微弱區(qū)），用電解拋光法也極難將其去除，即使去除了，再重新循環(huán)加載后，還會(huì)在原處再現(xiàn)．故稱這種永留或再現(xiàn)循環(huán)滑移帶為駐留滑移帶（持久滑移帶PersistSlipBand）．駐留滑移帶普通只在表面形成，深度較淺．伴隨加載循環(huán)次數(shù)增加，循環(huán)滑移帶會(huì)不停地加寬．駐留滑移帶在表面加寬過程中，還會(huì)出現(xiàn)擠出脊和侵人溝，于是就在這些地方引發(fā)應(yīng)力集中，經(jīng)過一定循環(huán)后會(huì)引發(fā)微裂紋．第16頁16一、金屬材料疲勞破壞機(jī)理

2．疲勞裂紋擴(kuò)展疲勞裂紋萌生后便開始擴(kuò)展，其擴(kuò)展普通分為兩個(gè)階段，如圖5－8所表示．第1階段是沿著最大切應(yīng)力方向向內(nèi)擴(kuò)展．其中多數(shù)微裂紋并不繼續(xù)擴(kuò)展，成為不擴(kuò)展裂紋，只有個(gè)別微裂紋可延伸幾十μm（即2—5個(gè)晶粒）長(zhǎng)．而且伴隨名義應(yīng)力范圍生高而減小。隨即疲勞裂紋便入第2階段，沿垂直拉應(yīng)力方向向前擴(kuò)展形成主裂紋，直至最終形成剪切唇為止．此過程在顯微鏡下能夠顯示出疲勞帶第17頁17一、金屬材料疲勞破壞機(jī)理

第18頁18

二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理

因?yàn)樘沾?、高分子、?fù)合材料等結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用遠(yuǎn)不如金屬材料來得廣泛和久遠(yuǎn)，所以對(duì)其疲勞破壞過程研究還很局限及浮淺，以下僅作普通概述．1．陶瓷材料疲勞破壞機(jī)理常溫下陶瓷材料疲勞與金屬有所不一樣，其含義更廣，分為：靜態(tài)疲勞、循環(huán)疲勞和動(dòng)態(tài)疲勞．循環(huán)疲勞：與金屬疲勞含有相同含義，同屬長(zhǎng)久變動(dòng)應(yīng)力作用下，材料破壞行為；靜態(tài)疲勞:相當(dāng)于金屬中延遲斷裂，即在一定載荷作用下，材料耐用應(yīng)力隨時(shí)間下降現(xiàn)象；動(dòng)態(tài)疲勞:是在恒定速率加載條件下研究材料斷裂失效對(duì)加載速率敏感性．第19頁19

二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理

陶瓷材料疲勞破壞還有特征：（1）、常溫時(shí)，在應(yīng)力作用下不發(fā)生或極難發(fā)生塑性變形，裂紋尖端根本不存在循環(huán)應(yīng)力疲勞效應(yīng)，所以金屬材料損傷累積及疲勞機(jī)理對(duì)陶瓷材料并不適用．不過：疲勞破壞也一樣經(jīng)歷了裂紋萌生、疲勞裂紋擴(kuò)展、瞬時(shí)斷裂過程；（2）、疲勞裂紋萌生對(duì)表面材料缺點(diǎn)或裂縫大小十分敏感；（3）、陶瓷材料疲勞裂紋對(duì)裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子不敏感，而是強(qiáng)烈依賴裂紋尖端最大應(yīng)力強(qiáng)度因子；第20頁20二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理

（4）、裂紋擴(kuò)展速率還顯著依賴于環(huán)境、材料成份、組織結(jié)構(gòu)等，其程度遠(yuǎn)比金屬材料高，擴(kuò)展壽命過程遠(yuǎn)比金屬材料要短，并呈龜裂狀；（5）、在陶瓷材料斷口上不易觀察到疲勞貝紋和疲勞條帶，循環(huán)疲勞斷口與快速斷裂斷口形貌之間差異十分微小，均展現(xiàn)脆性斷口特征．第21頁21二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理

2．高分子聚合物疲勞破壞機(jī)理在拉應(yīng)力作用下，因?yàn)榉蔷B(tài)聚合物表面和內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)銀紋，所以，不一樣結(jié)構(gòu)聚合物疲勞破壞機(jī)理也有差異．易產(chǎn)生銀紋非晶態(tài)聚合物疲勞破壞過程主要決定于外加名義應(yīng)力．（1）高循環(huán)應(yīng)力時(shí)：應(yīng)力很快便到達(dá)或超出材料銀紋引發(fā)應(yīng)力，產(chǎn)生銀紋，并隨之轉(zhuǎn)變成裂紋，擴(kuò)展后造成材料疲勞破壞；

第22頁22二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理

（2）中應(yīng)力循環(huán)時(shí)：也會(huì)引發(fā)銀紋，并轉(zhuǎn)變?yōu)榱鸭y，裂紋擴(kuò)展速度比高應(yīng)力區(qū)低；（3）低應(yīng)力循環(huán)時(shí)：因難以引發(fā)銀紋，由材料微損傷累積及微觀結(jié)構(gòu)改變產(chǎn)生微孔洞及微裂紋，并造成宏觀破壞．第23頁23二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理

對(duì)于因應(yīng)力低或本身不易產(chǎn)生銀紋結(jié)晶態(tài)聚合物，其疲勞過程可出現(xiàn)以下現(xiàn)象：

①整個(gè)過程，疲勞應(yīng)變軟化而不出現(xiàn)硬化；

②分子鏈間剪切滑移，分子鏈斷裂，結(jié)晶損傷及晶體精細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變；

③產(chǎn)生顯微孔洞，微孔洞聚合成微裂紋，并擴(kuò)展成宏觀裂紋；

第24頁24二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理

（4）、熱疲勞：因?yàn)榫酆衔餅檎硰椥圆牧?，含有較大面積應(yīng)力滯后環(huán)，所以在應(yīng)力循環(huán)過程中部分機(jī)械能會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，使導(dǎo)熱性差試樣本身溫度急劇上升，甚至高于熔點(diǎn)溫度或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，從而發(fā)生熱疲勞．所以與金屬材料不一樣，熱疲勞常是聚合物疲勞失效主要原因．熱疲勞益處：疲勞循環(huán)產(chǎn)生熱量，有時(shí)也可用來修補(bǔ)高分子微結(jié)構(gòu)損傷．如聚乙烯晶片中鑲嵌晶塊在疲勞早期會(huì)變小，隨即疲勞可使其得到修復(fù)及穩(wěn)定．

第25頁25二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理

聚合物疲勞斷口上可有兩種特征條紋：疲勞輝紋：對(duì)應(yīng)是每七天期變動(dòng)應(yīng)力作用時(shí)裂紋擴(kuò)展值；疲勞斑紋：對(duì)應(yīng)著不連續(xù)、跳躍式裂紋擴(kuò)展．需要指明是：高分子聚合物疲勞過程并不總有疲勞輝紋和斑紋出現(xiàn)．它們形成與高分子聚合物相對(duì)分子質(zhì)量、相對(duì)分子質(zhì)量分布及加載條件相關(guān)．第26頁26二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理

3．復(fù)合材料疲勞破壞機(jī)理與金屬材料比較，復(fù)合材料含有良好疲勞性能，如圖5－13．第27頁27二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理

疲勞破壞有以下特點(diǎn)．（1）

有各種疲勞損傷形式如界面脫粘、分層、纖維斷裂、空隙增加等．實(shí)際上，每種損傷模型都是由各種微觀裂紋（或微觀破壞）組成；因?yàn)樵鰪?qiáng)纖維牽制，裂紋擴(kuò)展可減緩或停頓，以及疲勞損傷緩解了切口（裂紋和缺點(diǎn)）附近應(yīng)力集中，而使復(fù)合材料疲勞較金屬材料有較大安全壽命．第28頁28二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理

（2）復(fù)合材料不會(huì)發(fā)生瞬時(shí)疲勞破壞，經(jīng)常難以確認(rèn)破壞是否，故不能沿用金屬材料判斷準(zhǔn)則．常以疲勞過程中材料彈性模量下降百分?jǐn)?shù)（以下降1％～2％）、共振頻率改變（如1～2Hz）作為破壞依據(jù)；第29頁29二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理

（3）復(fù)合材料疲勞性能對(duì)加載頻率敏感聚合物基復(fù)合材料承受循環(huán)應(yīng)力時(shí)，因材料導(dǎo)熱性能差，吸收機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，且不易逸散，所以溫度顯著升高，造成材料性能下降；（4）復(fù)合材料疲勞性能對(duì)應(yīng)變尤其壓縮應(yīng)變尤其敏感．與金屬材料不一樣，較大應(yīng)變會(huì)使纖維與基體變形不協(xié)調(diào)引發(fā)纖維與基體界面開裂形成疲勞源，壓縮應(yīng)變會(huì)使復(fù)合材料縱向開裂而提前破壞；

第30頁30二、非金屬材料疲勞破壞機(jī)理（5）復(fù)合材料疲勞性能與纖維取向相關(guān)．纖維是主要承載組分，抗疲勞性能又好，故沿纖維方向含有很好疲勞強(qiáng)度．第31頁31

第三節(jié)疲勞抗力指標(biāo)

概述：在機(jī)械設(shè)計(jì)中，疲勞應(yīng)力判據(jù)和斷裂疲勞判據(jù)是疲勞設(shè)計(jì)基本依據(jù)，其中作為材料疲勞抗力指標(biāo)疲勞強(qiáng)度、過載持久值、疲勞缺口敏感度等都是材料基本力學(xué)性能指標(biāo)．長(zhǎng)久以來，人們對(duì)它們與材料及工藝間關(guān)系研究，積累了大量數(shù)據(jù)和規(guī)律，有利于指導(dǎo)材料疲勞設(shè)計(jì)

第32頁32一、疲勞曲線1、

疲勞曲線

在交變載荷下，金屬所承受最大交變應(yīng)力（σmax或S）與斷裂循環(huán)周次（N）之間關(guān)系曲線稱為疲勞曲線，以下列圖所表示。

第33頁33一、疲勞曲線

循環(huán)應(yīng)力高時(shí)，經(jīng)歷疲勞壽命短；循環(huán)應(yīng)力低時(shí)，經(jīng)歷疲勞壽命就長(zhǎng)

σmax

σ1

σ2

σrN1N2NｏN第34頁34一、疲勞曲線有水平線無水平線σlogNσ

σ-1N0Nσσ-1logNN0第35頁35一、疲勞曲線2、疲勞曲線種類大量試驗(yàn)表明，金屬材料疲勞曲線有兩種類型：一類有水平線，如普通結(jié)構(gòu)鋼和球墨鑄鐵疲勞曲線，據(jù)此可標(biāo)定出無限壽命疲勞強(qiáng)度σ－1；另一類無水平線，如有色合金、不銹鋼和高強(qiáng)鋼疲勞曲線，只能依據(jù)材料使用要求測(cè)定有限壽命N0＝106、107或108條件疲勞強(qiáng)度。

第36頁36一、疲勞曲線3、疲勞強(qiáng)度或疲勞極限(σr

或σ-1)當(dāng)σmax低于σr時(shí)，應(yīng)力交變到無數(shù)次也不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，則稱σr為材料疲勞強(qiáng)度或疲勞極限。對(duì)于對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)，r為-1，σr→σ-1第37頁37二、疲勞極限測(cè)定方法

1、設(shè)備慣用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)原理如圖5－15所表示．第38頁38二、疲勞極限測(cè)定方法

2、測(cè)試原理第39頁39二、疲勞極限測(cè)定方法

對(duì)一定材料，N0取定值，對(duì)若干組試樣，第一組：σ1＝0.6σb，測(cè)得N＝N1第二組：σ2＝0.6σb－0.2σb，測(cè)得N＝N2第三組：σ3＝0.6σb－0.4σb,測(cè)得N＝N3若N3＞N0

時(shí)未斷，說明σ3取太低，則取第四組，第40頁40二、疲勞極限測(cè)定方法

第四組：σ4在（σ2～σ3）之間進(jìn)行取值試驗(yàn)，測(cè)得N＝N4若N4＜N0，說明σ4取大了，再于（σ3～σ4）之間取第五組第五組：σ5在（σ3～σ4）之間再取值，這么，不停地插入下去，直到斷與不停應(yīng)力差為1kgf/mm2,此時(shí)不停應(yīng)力即為材料疲勞極限（σ－1）第41頁41三、過載（負(fù)荷）持久值及過載（負(fù)荷）損傷界

過去認(rèn)為按疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)機(jī)械零件是安全，但實(shí)際上服役過程中機(jī)件不可避兔要受到偶然過載作用，如設(shè)備緊急剎車、突然起動(dòng)等；又有機(jī)件并不要求無限壽命，常在高于疲勞強(qiáng)度應(yīng)力下進(jìn)行有限壽命服役．顯然僅依據(jù)材料疲勞強(qiáng)度并不能評(píng)定上述兩種情況下材料抗疲勞性能，為此提出過載持久值和過載損傷界概念．第42頁42三、過載（負(fù)荷）持久值及過載（負(fù)荷）損傷界

1．過負(fù)荷持久值

過負(fù)荷持久值：材料在高于疲勞強(qiáng)度一定應(yīng)力下工作，發(fā)生疲勞斷裂應(yīng)力循環(huán)周次稱為材料過載持久值，也稱為有限疲勞壽命．過載持久值表征了材料對(duì)過載荷疲勞抗力，該值可由疲勞曲線傾斜部分確定．曲線傾斜得愈陡直，持久值就愈高，表明材料在相同過載條件（縱坐標(biāo)值）下能經(jīng)受應(yīng)力循環(huán)周次愈多，材料對(duì)過載荷抗力愈高．過載應(yīng)力又稱為材料耐久強(qiáng)度．

第43頁43三、過載（負(fù)荷）持久值及過載（負(fù)荷）損傷界

2．過載損傷界實(shí)際上，機(jī)件往往預(yù)先受短期過載，而后再在正常工作應(yīng)力下運(yùn)行．這種短期過載對(duì)材料性能是否產(chǎn)生影響，取決于過載應(yīng)力及過載周次．試驗(yàn)證實(shí)，材料在過載應(yīng)力水平下只有運(yùn)轉(zhuǎn)一定周次后，疲勞強(qiáng)度或疲勞壽命才會(huì)降低，造成過載損傷．過載損傷界：把在每個(gè)過載應(yīng)力下運(yùn)行能引發(fā)損傷最少循環(huán)周次連接起來就得到該材料過載損傷界．如圖5－20。第44頁44三、過載（負(fù)荷）持久值及過載（負(fù)荷）損傷界過負(fù)荷持久值第45頁45三、過載（負(fù)荷）持久值及過載（負(fù)荷）損傷界

３、過載損傷區(qū)：載損傷區(qū):過載損傷界到疲勞曲線間影線區(qū)，稱為材料過載損傷區(qū)．

凡是機(jī)件過載運(yùn)轉(zhuǎn)到這個(gè)區(qū)內(nèi)都會(huì)不一樣程度地降低材料疲勞壽命（疲勞強(qiáng)度），離疲勞曲線愈近，降低程度越厲害．過載應(yīng)力越大，開始發(fā)生過載損傷循環(huán)周次愈少，能造成過載損傷區(qū)周次范圍就越廣．材料過載損傷界越陡直，損傷區(qū)愈窄，則其抵抗疲勞過載能力就愈強(qiáng)．

第46頁46第四節(jié)影響材料及機(jī)件疲勞強(qiáng)度原因

一、工作條件影響1、載荷條件（1）應(yīng)力狀態(tài)和平均應(yīng)力（2）在過載損傷區(qū)內(nèi)過載將降低材料疲勞強(qiáng)度或壽命．（3）次載鍛煉：材料尤其是金屬在低于疲勞強(qiáng)度應(yīng)力先運(yùn)轉(zhuǎn)一定周次，即經(jīng)過次載鍛煉，能夠提升材料疲勞強(qiáng)度，如圖5－24所表示．第47頁47一、

工作條件影響

第48頁48一、工作條件影響

次載應(yīng)力越靠近材料疲勞強(qiáng)度，鍛煉效果越顯著，次載鍛煉循環(huán)期越長(zhǎng)，鍛煉效果越好，但過分鍛煉效果就不顯著了．新安裝機(jī)器，按次載鍛煉作用，?？蛰d或低載運(yùn)行一段時(shí)間，既能跑合機(jī)器，又能提升機(jī)件疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)疲勞壽命

（4）間歇效應(yīng)試驗(yàn)表明，對(duì)應(yīng)變時(shí)效材料，在循環(huán)加載運(yùn)行中，若間歇空載一段時(shí)間或間隙時(shí)適當(dāng)加溫，可提升疲勞強(qiáng)度，并延長(zhǎng)疲勞壽命．第49頁49一、工作條件影響（5）載荷頻率①在一定頻率范圍（170～1000Hz）內(nèi)，材料疲勞強(qiáng)度會(huì)隨加載頻率增加而提升．②在慣用頻率間（50～170Hz），材料疲勞強(qiáng)度基本不受頻率改變影響,③低于1Hz加載，疲勞強(qiáng)度有所降低．第50頁50一、

工作條件影響

2．溫度溫度對(duì)材料疲勞強(qiáng)度影響和靜強(qiáng)度影響規(guī)律相同，即隨溫度降低，疲勞強(qiáng)度升高，溫度升高，疲勞強(qiáng)度降低，但在一些溫度范圍因時(shí)效、熱脆等現(xiàn)象，疲勞強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)峰值或谷值．如：結(jié)構(gòu)鋼在400℃以上時(shí)，疲勞強(qiáng)度急劇下降．耐熱鋼在550～650℃以上溫度時(shí)疲勞強(qiáng)度才會(huì)顯著下降，當(dāng)溫度繼續(xù)升高超出材料再結(jié)晶溫度，材料失效方式轉(zhuǎn)變?yōu)槿渥兤诼?lián)合作用．高溫時(shí)材料疲勞曲線沒有水平段，疲勞強(qiáng)度只能按要求循環(huán)周次確定．

第51頁51一、

工作條件影響

3．腐蝕介質(zhì)

腐蝕性介質(zhì)因使材料表面腐蝕產(chǎn)生蝕坑，而降低材料疲勞強(qiáng)度造成腐蝕疲勞．普通腐蝕疲勞曲線無水平段，只能按要求循環(huán)周次確定疲勞強(qiáng)度。腐蝕疲勞強(qiáng)度與材料靜強(qiáng)度之間無正比關(guān)系．第52頁52二、表面狀態(tài)及尺寸原因影響

1．表面狀態(tài)機(jī)件表面缺口因應(yīng)力集中往往是疲勞策源地，引發(fā)疲勞斷裂。且這種影響隨材料強(qiáng)度增高而愈加顯著．所以，受循環(huán)應(yīng)力作用機(jī)件選取高強(qiáng)材料制造時(shí)，表面須經(jīng)過仔細(xì)加工，不允許有刀痕、擦傷或大缺點(diǎn)，不然材料疲勞強(qiáng)度會(huì)顯著降低。

第53頁53二、表面狀態(tài)及尺寸原因影響2．尺寸原因在變動(dòng)載荷作用下，隨機(jī)件尺寸增大使疲勞強(qiáng)度下降現(xiàn)象，稱為尺寸效應(yīng)。第54頁54三、表面強(qiáng)化及殘余應(yīng)力影響

第55頁55三、表面強(qiáng)化及殘余應(yīng)力影響

提升機(jī)件表面塑變抗力（硬度和強(qiáng)度），降低表面有效拉應(yīng)力，即可抑制材料表面疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展，有效地提升承受彎曲與扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷下材料疲勞強(qiáng)度，如圖前圖.因?yàn)楸韺悠趶?qiáng)度提升及表面殘余壓應(yīng)力作用，使表層總應(yīng)力降低至強(qiáng)化層疲勞強(qiáng)度以下，便會(huì)阻止疲勞斷裂．這種表面強(qiáng)化處理產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，因在表面缺口處產(chǎn)生壓應(yīng)力集中，可有效地降低缺口根部拉應(yīng)力集中，對(duì)帶缺口機(jī)件有利影響更為顯著．第56頁56三、表面強(qiáng)化及殘余應(yīng)力影響表面強(qiáng)化方法有表面噴丸和滾壓、表面淬火及表面化學(xué)熱處理等．1．表面噴丸及滾壓

表面噴丸可使金屬機(jī)件表面形變強(qiáng)化，并在塑變層內(nèi)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力．既提升了表層材料強(qiáng)度；又能抵消部分表層工作拉應(yīng)力；還可降低缺口應(yīng)力集中系數(shù)和疲勞缺口敏感度，降低疲勞損傷，提升材料疲勞抗力．

表面滾壓與噴丸作用相同，其壓應(yīng)力層深更大，適于大工件．普通來說，形狀復(fù)雜機(jī)件采取噴丸強(qiáng)化；形狀簡(jiǎn)單回轉(zhuǎn)機(jī)件采取表面滾壓強(qiáng)化．如經(jīng)滾壓加工螺栓較切削制造螺栓疲勞壽命可提升1～5倍．第57頁57三、表面強(qiáng)化及殘余應(yīng)力影響2．表面熱處理和化學(xué)熱處理表面淬火及表面化學(xué)熱處理，既能取得表硬心韌綜協(xié)力學(xué)性能，