什麼是材料的疲勞

篇一：疲勞強度分析

疲勞的定義：材料在循環應力或循環應變作用下，由於某點或某些點產生了局部的永久結構變化，從而在一定的循環次數以後形成裂紋或發生斷裂的過程稱為疲勞。 疲勞的分類：

(1) 按研究對象:材料疲勞和結構疲勞 (2) 按失效周次:高周疲勞和低周疲勞 (3) 按應力狀態:單軸疲勞和多軸疲勞

(4) 按載荷變化情況:恆幅疲勞、變幅疲勞、隨機疲勞

(5) 按載荷工況和工作環境:常規疲勞、高低温疲勞、熱疲勞、熱—機械疲勞、腐蝕疲勞、接觸疲勞、微動磨損疲勞和衝擊疲勞。

第一章 疲勞破壞的特徵和斷口分析

1-1 疲勞破壞的特徵

疲勞破壞的特徵和靜力破壞有着本質的不同，主要有五大特徵：

（1）在交變裁荷作用下，構件中的交變應力在遠小於材料的強度極限（b）的情況下，破壞就可能發生。

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

（3）疲勞破壞常具有局部性質，而並不牽涉到整個結構的所有材料，局部改變細節設計或工藝措施，即可較明顯地增加疲勞壽命。

（4）疲勞破壞是一個累積損傷的過程，需經歷一定的時間歷程，甚至是很長的時間歷程。實踐已經證明，疲勞斷裂由三個過程組成，即(I)裂紋(成核)形成，(II)裂紋擴展，(III)裂紋擴展到臨界尺寸時的快速(不穩定)斷裂。

（5）疲勞破壞斷口在宏觀和微觀上均有其特徵，特別是其宏觀特徵在外場目視撿查即能進行觀察，可以幫助我們分析判斷是否屬於疲勞破壞等。圖1-1及圖l-2所示為磨牀砂輪軸及一個航空發動機壓氣機葉片的典型斷口。圖中表明瞭疲勞裂紋起源點(常稱疲勞源)，疲勞裂紋擴展區(常稱光滑區)及快速斷裂區(也稱瞬時破斷區，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，常發生在表面，特別是應力集中嚴重的地方。如果內部存在缺陷(如脆性夾雜物、空洞、化學成份偏析等)，也可在表皮下或內部發生。另外，零件間相互擦傷的地方也常是疲勞破壞開始的地方。

(II)光滑區：是疲勞斷口最重要的特徵區域，常呈貝殼狀或海灘波紋狀。這是疲勞裂紋擴展過程中留下的痕跡，它多見於低應力高周疲勞破壞斷口。

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

2、斷口微觀分析

（1）裂紋的形成：在疲勞載荷的作用下，塑性應變的累積與疲勞裂紋的形成有着密切的關係，而由位錯造成的滑移帶是產生疲勞裂紋的最根本的原因。表面缺陷或材料內部缺陷起着尖鋭缺口的作用，促進疲勞裂紋的形成。 （2）疲勞裂紋的擴展：

從疲勞核心開始沿着滑移帶的主滑移面向金屬內部擴展，滑移面的取向大致與主應力軸成 45角。這個階段裂紋擴展很慢，每個應力循環擴展速度為埃（10米）數量級。

90，這一階段每個應力循環的擴展速率為微米（10米）數量級。這階段最重要的特徵是疲勞條紋的存在。疲勞條紋有兩種典型類型，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，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理模型：塑性鈍化模型

未加載時裂紋形態如圖1-6(a)所示。逐浙增加載荷時，裂紋張開，裂紋前端二小切口使滑移集中於 45角的滑移帶上，兩個滑移帶互相垂直(如圖1-6(b))。當載荷最大時，裂紋張開得最大，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)。在此過程中裂紋向前推進，產生了新的裂紋表面。當載荷變小時，滑移方向也相反，裂紋前端則互相擠壓、摺疊而形成新的切口(見圖l-6(d))。最後，形成了一個新的疲勞條

紋，向前擴展了一個間距(見圖l-6(e))。 （4）脆性疲勞裂紋的形成機理模型：解理模型

假定裂紋初始狀態如圖1-7(a)，載荷增加，裂紋前端因解理斷裂向前擴展一段距離(圖1-7(b))，然後塑性鈍化，停止解理。由於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(如圖1-7(c)的虛線所示)。當裂紋前端在載荷作用下充分張開時，其裂紋前端形狀如圖1—7(d)所示。進入卸載或壓縮載荷階段時，裂紋閉合，裂紋前端重新變得尖鋭而形成與圖1—7(a)相似的形狀(如圖1-7(e))。

圖1-6 塑性鈍化過程

圖1-7 解理疲勞裂紋的形成過程

圖1-5塑性條紋和脆性條紋

第二章 金屬材料疲勞強度

2-1 疲勞應力與持久極限

變化週期：應力由某一數值開始，經過變化又回到這一數值所經過的時間間隔稱為變化週期，習慣上以符號T表示(參閲圖2—1)。 應力循環：在一個週期中，應力的變化過程稱為一個應力循環，應力循環一般可用循環中的最大應力Smax，最小應力Smin和週期T (或它的例數即頻率f)來描述。

應力循環的性質是由循環應力的平均應力Sm和交變的應力幅Sa所決定的。 平均應力Sm：應力循環中不變的靜態分量，它的大小是：Sm應力幅Sa：應力循環中變化的分量，它的大小是：Sm應力範圍：S2SaSmaxSmin 應力比R（循環特徵）：R

SmaxSmin

2

SmaxSmin

2

Smin

Smax

載荷可變性係數A：A

Sa1RSm1R

利用上述的概念和符號，可以把循環應力作為時間的'函數，寫出循環應力的一般表達式：

SSmSaF(t)

式中F(t)代表應力幅Sa隨時間的變化規律。 循環應力的分類：

（1）單向循環：應力僅改變大小，不改變符號。這類循環常稱為脈動循環，如脈動拉伸、脈動壓縮等。單向循環中的特殊情況是零到拉伸的循環（Smin0）和零到壓縮的循環（Smax0）。

（2）雙向循環：應力的大小和方向都發生變化。雙向循環中的特殊情況是完全反覆的循環（R1，

Smax|Smin|），稱為對稱循環。

疲勞極限（持久極限）Se：在一定的循環特徵下，材料可以承受無限次應力循環而不發生破壞的最大應力稱為在這一循環特徵下的“持久極限”或“疲勞極限”。通常，R1時，持久極限的數值最小。習慣上，如果不加説明的話，所謂材料的持久極限都是指R1時的最大應力。這時，最大應力值就是應力幅的值，用S1表示。在工程應用中，傳統的方法是規定一個足夠大的有限循環次數NL，在一定的循環特徵下，材料承受NL次應力循環而不發生破壞的最大應力就作為材料在該循環特徵下的持久極限。為了與前面所説的持久極限加以區別，有時也稱為“條件持久極限”或“實用持久極限”。對結構鋼和其它鐵基台金是10，對非鐵基台金是10。

2-2 描述材料疲勞性能的SN曲線

8

7

SN曲線是用若干個標準試件，在一定的平均應力Sm（或在一定的循環特徵R），不同的應力幅S

a（或不

同的最大應力Smax）下進行疲勞試驗，測出試件斷裂時的循環次數N，然後把試驗結果畫在以Sa（或Smax）為縱座標，以N為橫座標的圖紙上，連接這些點就得到相應於該Sm（或該R）時的一條SN曲線。右圖為 LC4鋁合金板材在不同平均應力下光滑試件的SN曲線 較常見的描述SN曲線的經驗公式： (1)指數函數公式： Ne

S

C

式中和C取決於材料性能的材料常數。 上式兩邊取對數，可改寫成 SlgNb (2)冪函數公式：SNC 式中和C是取決於材料性能的待定常數。 上式兩邊取對數，可改寫成 lgSlgNb （3）三參數模型： NN0CS 上述的公式中都含待定係數，這些係數都要通過實驗確定。

2—3 不同應力狀況下的疲勞強度

工程實際中，常常需用對應於一定應力狀態下材料的疲勞特性，因此常通過試驗作出材料在

不同應力狀況下的等壽命曲線（也稱古德曼Goodman圖）。

由圖2-10可以看出平均應力對疲勞強度的影響。通常，若要求的壽命（即到破壞的循環數）不變，則應力幅Sa隨平均應力Sm的增加而減少，而最大應力Smax的值(由圖可以看到)是有所增加的。圖中曲線ABC所包圍的區域，表示在規定的壽命（該圖是107）內，材料不會發生破壞。

等壽命圖還常常繪製成圖2-11

所示的曲線的形式。這

篇二：汽車材料疲勞分析

汽車材料疲勞分析

作者：胡錦達

來源：《中國機械》

摘 要：本文首先簡要介紹疲勞破壞，然後對汽車材料疲勞破壞進行分析討論，給出幾種有效估算疲勞壽命的分析方法。

關鍵詞：材料疲勞、汽車、疲勞壽命預測

疲勞破壞涉及面之廣幾乎涵括汽車、鐵路、航空航天、能源、軍事國防、海洋油氣工程及一般機器製造等各個工業領域，這説明了其問題嚴重性。對疲勞研究尤其是金屬材料是和國民經濟發展有密切聯繫的學科。汽車作為人類出行密不可分的工具，對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

許多機械零件和工程構件，是承受交變載荷工作的。當材料或結構在在交變載荷的作用下，雖然應力水平低於材料的屈服極限，甚至比彈性極限還低的情況下就可能發生破壞，但經過長時間的應力反覆循環作用以後，也會發生突然脆性斷裂，這種現象叫做疲勞破壞。其具有受交變力、作用時間長、斷裂瞬時發生且疲勞斷裂區都是脆性等特點。

1.2.疲勞破壞過程和類別

疲勞破壞的過程為：在循環交變載荷作用下，在零部件局部最高應力處的晶粒上形成微裂紋，然後發展成宏觀裂紋，裂紋繼續擴展，最終導致疲勞斷裂經歷了疲勞成核-微觀裂紋生長-最後斷裂三個階段。

金屬材料的疲勞現象，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.汽車材料疲勞

2.1.汽車材料疲勞破壞

汽車長期運行中所承受的外部載荷是循環動態交變載荷，在這種載荷作用下，汽車的許多零構件上都產生動態應力，引起疲勞損傷，其疲勞破壞形式多為疲勞斷裂。