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1、第二讲 疲劳强度及影响因素,一、基本概念：1、疲劳破坏的特征（1）疲劳的定义材料在循环应力或循环应变的作用下，由于产生了局部永久性结构变化，从而在一定循环次数以后形成裂纹或发生断裂的过程。（2）交变载荷（循环载荷、疲劳载荷）载荷的大小、方向随时间作周期性或不规则、随机性的变化。疲劳载荷包括随机载荷和确定性载荷,（3）疲劳破坏的特征a、交变应力水平低：应力远小于强度极限或屈服极限，破坏就又可能发生。b、脆性断裂：C、具有局部性：d、疲劳过程是一个累计损伤的过程：裂纹形成裂纹扩展失稳断裂e、疲劳断口在宏观和微观上有特征：2、疲劳寿命（1）概念疲劳失效以前所经历的应力或应变的循环次数叫疲劳寿命。用N
2、表示,（2）计算表达式 N=N0+Np其中，N-总寿命 N0裂纹起始寿命 Np裂纹扩展寿命二、金属疲劳破坏机制金属的疲劳破坏可分为疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展和失稳断裂三个阶段。1、疲劳裂纹的萌生疲劳裂纹的萌生都是由局部塑性应变集中所引起。常见的裂纹萌生方式有：滑移带开裂、晶界和孪晶界开裂、夹杂物或第二相与基体的界面开裂。,（1）滑移带开裂（裂纹产生的基本方式）纯金属和单相金属的疲劳裂纹萌生方式多为滑移带开裂。滑移带开裂过程：金属在循环载荷作用下 在薄弱的晶粒间沿着晶面产生塑性应变金属晶粒产生滑移（不可恢复）金属表面产生滑移线随着循环次数的增加而汇集成表面滑移带发展成驻留滑移带形成裂纹（2）晶界
3、开裂：（3）夹杂物或第二相与基体的界面开裂疲劳裂纹一般在金属表面萌生。,2、疲劳裂纹的扩展：分两个阶段（1）第一阶段：沿剪应力最大的活性面向内扩展，形成很多微裂纹。（2）第二阶段：裂纹沿拉伸应力垂直方向扩展3、失稳断裂：三、疲劳破坏断口分析（一）、宏观分析：疲劳源：很小，宏观看不到。在显微镜下可见疲劳断裂扩展区：细晶粒，深色、平滑，海滩状失稳断裂区：粗晶粒，凹凸不平，白色，撕裂或台阶状,（二）、微观分析：1、疲劳裂纹的形成：a、一般发生在表面b、结构受交变载荷的影响c、塑性变形的积累d、表面缺陷2、疲劳裂纹的形貌第一阶段，断口光滑，具有结晶性质。第二阶段疲劳裂纹扩展区有如下特征：a、疲劳区宏观
4、赏平坦光滑，微观凹凸不平。b、具有疲劳条文c、轮胎压痕和脊骨压痕特征d、在疲劳裂纹扩展时，还可能出现二次裂纹，往往成扫帚状。,（三）、构件的断口分析现场调查断口宏观分析,四、疲劳试验试样及其制备,（一）、试样类型根据施加载荷的类型，试样形状可分为弯曲试样、轴向加载试样和扭转试样。同时它们又有光滑试样和缺口试样之分。如书中图2-4-2-10（p19-20）,旋转弯曲光滑圆柱形试样尺寸,轴向加载光滑试样尺寸见表2-2（p21）（二）、试样制备试样的制备对所测材料的疲劳性能有直接影响，从切取毛坯到进行试验要经过取样、机械加工、热处理、尺寸测量、探伤检验及贮存等工序。1、取样（p2223）2、机加工3
5、、热处理4、测量、探伤与贮存,五、材料的S-N曲线（一）应力循环,a,m,max,min,T,m-平均应力 a 应力幅 max最大应力min最小应力它们之间的关系:max=m+a min=m-a,应力循环特征用应力比R表示 R=min/max R在1-之间载荷可变系数:A=a/m A=(1-R)/(1+R)R=(1-A)/(1+A)几种典型的应力循环特征.(p24表)(二)描述材料疲劳性能的SN曲线概念:表示外加应力水平和标准试样疲劳寿命之间关系的曲线称为材料的SN曲线.它是由实验测定的.1、试样种类：试样由三部分组成：试验段、夹持段、过渡段。2、SN曲线：用一组标准试件在一定平均应力（或一定
6、循环特征应变）下，施加不同的应力幅，测出试件断裂时的循环次数。3、SN曲线形状和表达式,（1）SN曲线的形状当N较大时近似为水平直线，它对应的应力为持久应力。（2）SN曲线的简化（3）SN曲线的表达式（4）疲劳破坏的三个阶段（如图）,a,b,LCF,HCF,SF,-1,LCF段，低循环疲劳段，宏观屈服。HCF段，高循环疲劳段，线性段，N=1万百万次。疲劳极限段SF段，N10的7次方。（三）SN曲线的测定方法1、单点法：一个应力水平下只测一根试样，然后将缩测得的点连成一条关画的曲线，称为SN曲线。2、成组法：应力水平一般取46级，可在0.6b与1之间选取，每一应力水平下用48根试样进行试验和数据
7、处理。取其对数寿命的平均值。曲线的绘制用描点法或直线拟合法。,六、材料的疲劳极限（一）定义1、疲劳极限：疲劳寿命无穷大时的中值疲劳强度。2、条件疲劳极限：在S-N曲线上，与非水平段对应的最大应力max称为条件疲劳极限。3、疲劳极限的表示方法材料的对称弯曲疲劳极限用1表示。对称拉压疲劳极限用1t表示。对称扭转疲劳极限用1表示。符号中的1表示应力比R1（min/max）我们常用对称弯曲疲劳极限来表征材料的基本疲劳性能,（二）材料疲劳极限的测定方法（三）材料疲劳极限与强度极限及其它机械性能的关系一般疲劳极限与强度极限之间有如下关系：1a+b b我国对国产材料一般是：圆柱光滑试样：10.44b漏斗形试
8、样：10.52b珠光体球墨铸铁：10.34b铁素体球墨铸铁：10.48b疲劳极限与强度极限的关系见表25（p34）,七、对数疲劳寿命的正态分布由于金属是多晶体，各个晶体的位向和性质及其所受的应力各不相同，而疲劳破坏是在应力最大的薄弱晶粒或缺陷处起始，并逐渐积累损伤的过程。疲劳寿命是一个随机变量，会受到各种因素的影响，但其分布规律符合正态分布。（一）统计分析基础知识1、母体、个体、子样、子样容量母体：研究对象的整体个体：母体中的一个单元子样：从母体中抽取的一部分个体子样容量：子样所包含的个体数量。,子样也是一个随机变量，为了根据子样观察的结果推断母体的特性，子样必须：（1）、具有代表性（2）、具
9、有独立性2、试验数据的特征值（1）均值：平均数（2）中值中位数（3）子样偏差：di=xix x:平均值（4）子样方差：（5）子样标准差：子样方差的均方根（二）、对数疲劳寿命的正态分布1、对数疲劳寿命 2、成活率为P时的疲劳寿命计算公式：,八、材料的P-S-N曲线将各级应力水平下疲劳寿命分布曲线上存活率相等的点用曲线连接起来，就得到存活率的一组S-N曲线，称为P-S-N曲线。,中值,寿命为99%,P-S-N曲线的测定方法,以书中40页为例：讲述数据的处理方法和公式的应用。1、列表,2、均值、标准差、变异系数：,均值的计算：标准差（均方根差）：变异系数：vxi=sxi/xi xi:均值计算具有指定成活率P的对数疲劳寿命：p42,
