第八章 金属疲劳试验 8—1
第八章 金属疲劳试验
1、实际工作中的许多机件均是在变动载荷下工作的。 2、失效形式：主要为疲劳断裂，占80％以上。
3、表现为突然断裂，危害极大。无论材料为韧材还是脆材均表现为突然断裂。
第一节 金属疲劳现象及特点
一、 变动载荷和循环应力
变动载荷是引起疲劳破坏的外力，所以有必要在研究疲劳时首先研究变动载荷的特点和表示方法。
1、定义：是指载荷大小，甚至方向均随时间变化的载荷。
2、分类：分 循环应力：大小或大小和方向随时间变化按一定规律呈周期性变化。
交变应力：载荷大小、方向均随时间作周期性变化。
重复载荷：载荷大小呈周期性变化，但方向不变。
随机变动应力：载荷大小、方向呈无规则随机变化。
3、循环应力表示的表示方法：常用以下几个参量来表示：最大应力；最小应力；平均应力；应力半幅；应力循环对称系数（应力比）r(R)。见上图。
4、常见的几种循环应力有：对称循环应力（r=-1）；脉动应力（r＝0；r＝－∞）；波
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动应力（0 二、 疲劳试验的分类及特点 1、分类 金属机件或构件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象称为疲劳。 可以按不同方法进行分类： 按照应力状态不同可分为：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳及复合疲劳。 按环境和接触情况不同可分为：大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳。 按断裂寿命和应力高低不同可分为（经常采用此方法）： 高周疲劳：循环周次（Nf）>105，属低应力疲劳。 低周疲劳：循环周次102～105， 高应力疲劳或应变疲劳 2、疲劳断裂的特点 疲劳断裂与静载荷断裂或一次冲击加载断裂相比，具有以下特点： ① 疲劳断裂是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂。 ② 疲劳断裂是突然断裂，即脆性断裂。断裂前没有明显的征兆。 ③对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感。 三、 疲劳宏观断口特征 疲劳断裂和其它断裂一样，其断口上保留了整个断裂过程的所有痕迹，记载着很多断裂信息，具有明显的特征；这些特征还受材料性质、应力状态、应力大小及环境因素影响。因此，疲劳断口分析是研究疲劳过程和失效原因的重要方法之一。 典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区。 第八章 金属疲劳试验 8—2 第八章 金属疲劳试验 8—3 1、 疲劳源： 是疲劳裂纹萌生的策源地。 ① 特征：一般在表面；光亮；一个或几个 ② 形成原因 经常在机件表面缺陷处：缺口、裂纹、刀痕、台肩、键槽等；脱碳、夹杂物、软点。 光亮：形成裂纹后的断面，在应力循环过程中不断摩擦挤压的结果（光亮、平滑）。 一个或多个：与应力状态有关。例单向弯曲有一个；双向弯曲有二个。 2、 疲劳裂纹扩展区： ① 特征： 贝纹线（海滩花样） 贝纹线是以疲劳源为圆心的一簇同心圆弧；间距不同，近源者密，远源者疏。 贝纹线的宽窄不同。与过载程度、材质有关，过载大、韧性差的线粗而不明显。 垂线为裂纹扩展方向。 ② 形成原因：载荷变化引起的。如：开启和停歇、改变频率、偶然过载等。（实验室的断口因载荷平稳而难以看到）。 ③ 影响： 拉压变动载荷：无应力集中时，裂纹等速扩展，平行的圆弧 有应力集中时，贝纹线沿表面扩展快。 弯曲循环载荷：因表面应力高，贝纹线与缺口机件类似。 当材料脆性增加时，贝纹线不明显，甚至消失。 第八章 金属疲劳试验 8—3 第八章 金属疲劳试验 8—4 3、 瞬时断裂区： ① 特征：同静载断口。脆材为结晶状，韧材为纤维状、暗灰色、边沿有剪切唇。 ② 形成原因：随裂纹扩展，当a＝ac时，KⅠ= KⅠC,裂纹将失稳扩展，形成瞬断区。 ③ 影响： 一般在疲劳源对侧 旋转弯曲时，瞬断区的位置沿逆旋转方向偏转一定角度。 应力大，瞬断区便大。 材质韧性差，为结晶状断口；韧性好则在中间平面应变区为放射状或人字纹， 边沿为剪切唇。 扭转循环载荷：均看不见贝纹线 正断：与轴线呈45°角，锯齿状或星形状。 切断：┴轴向 综上所述，对于韧性材料，一般三个区均可较明显；脆性材料，整个断口齐平光亮，三个区用肉眼难以观察到。 四、疲劳断口的微观特征 —— 疲劳辉纹（疲劳条带、疲劳条纹） ①疲劳辉纹主要有：塑性辉纹和脆性辉纹（解理辉纹）两种。 ②两种辉纹的区别：脆性辉纹出现在解理平面上，河流花样的放射线和辉纹相交并近似垂直。 ③有些疲劳断口上看不到疲劳辉纹。 ④贝纹线和疲劳辉纹的区别： 贝纹线是交变应力的频率、幅度变化或载荷停歇等原因造成的。 形成原因不同。 疲劳辉纹是一次交变应力循环使裂纹尖端塑性钝化形成的。 二者可以同时出现，也可以不同时出现。 有时在宏观断口上看不到贝纹线； 在电子显微镜下也不一定看到疲劳辉纹。 第八章 金属疲劳试验 8—4 第八章 金属疲劳试验 8—5 第二节 高周疲劳试验 疲劳抗力指标主要有：疲劳极限、过载持久值、过载损伤界、疲劳缺口敏感度。 一、 疲劳曲线和对称循环疲劳极限 （一）疲劳曲线和疲劳极限 金属承受的最大交变应力与断裂时应力交变次数（循环次数，即疲劳寿命）有直接关系。为此用σ max －logN之间的关系曲线，称为疲劳曲线。是疲劳应力与疲劳寿命之间的关 系曲线，即S-N曲线。又称维勒曲线。 第八章 金属疲劳试验 8—5
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