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第10章 金属材料的疲劳 疲劳分类： （1） 高周疲劳：低应力，高循环次数。最常见 （2） 低周疲劳：高应力，低循环次数。 （3） 热疲劳：温度变化引起的热应力作用下引起的疲劳破坏。 （4） 腐蚀疲劳：交变载荷与腐蚀介质共同作用下引起的破坏。 （5） 接触疲劳；机件的接触表面在接触应力反复作用下出现表面剥落。 10.1 交变载荷特性 大小或方向或两者同时随时间发生周期性变化的载荷。 交变载荷的特性可用几个参数来表示： 应力循环：交变应力在两个应力极值之间变化一次的过程。 最大应力（σmax）：循环中代数值最大的应力。 最小应力（σmin）：循环中代数值最小的应力。 平均应力：（σmax+σmax）/2 应力幅：（σmax-σmin）/2 不对称系数：r （σmin/σmax）;r -1对称，r 0脉动；-1 r 1不对称 10.2 高周疲劳特点 10.2.1 应力-应变曲线 随着循环次数的增加，应力幅值不变，应变量在减小。这是因为发生的冷作硬化。应力幅值是表征材料高周疲劳的主要参量。 10.2.2 金属材料的疲劳特性曲线 （图） 用旋转弯曲疲劳试验法进行高周疲劳试验。应力幅值与交变循环周数。钢铁材料Nf 107曲线呈水平,对于铝合金等有色金属则没有明显水平部分。 10.2.3 疲劳断裂的断口特征 脆性断裂，断口无明显塑性变形，贝壳状纹路。 对缺口敏感（材料外缘和芯部纹扩散速度不同），对缺口不敏感。 10.2.4 金属材料的疲劳抗力指标 10.2.4.1 疲劳极限 材料经无限多次应力循环不断裂的交变应力幅值。对于铝合金取Nf 105～107 同一材料，对称循环疲劳极限也不同，弯曲疲劳极限（σ-1） 拉压疲劳极限（σ-1p） 扭转疲劳极限（τ-1n）。 10.2.4.2 疲劳缺口的敏感度 应力集中程度用应力集中系数 缺口对疲劳强度的影响，用疲劳有效应力集中系数Kf 缺口敏感度 ，图，相同缺口半径，材料强度越高，q值越大。 10.3 疲劳断裂机理 10.3.1 疲劳裂纹的产生 金属所受交变应力大于疲劳极限，在金属表面，晶界及非金属夹杂物处形成滑移带，滑移带中的缺陷或挤入沟处形成应力集中，形成裂纹源。 10.3.2 疲劳裂纹的扩展 第1阶段：从金属表面的驻留滑移带，挤入沟或夹杂物开始，沿最大切应力方向（与主应力呈45℃方向）向内部发展。速度慢，每1次循环0.1nm数量级 第2阶段：裂纹扩展方向逐渐转为和主应力垂直的方向，速度快，每1次循环微米数量级。 10.3.3 疲劳裂纹的扩展速率 每次应力循环裂纹的扩展量 ，称为疲劳扩散速率。 典型疲劳裂纹扩展速率曲线图 如下： 3阶段： 第1阶段： 随 降低迅速降低，至 为0，门槛值 1～3*107mm 2阶段：稳定扩展区或亚临界扩展区。 第3阶段：快速扩展， 接近材料Kc（断裂韧性）值，断裂。 材料疲劳裂纹扩展速率 主要研究亚临界扩展速率 Barsom方程 铁素体钢： （疲劳裂纹亚临界扩展区中特性最好） 马氏体钢： 奥氏体钢： 10.4 影响材料疲劳抗力的因素 10.4.1 化学成分和夹杂物的影响 含碳量，合金元素，夹杂 10.4.2 热处理和显微组织的影响 屈氏体（断裂抗力大） 马氏体（脆性在，抗力小） 索氏体（断裂抗力小） 细化晶粒有利于裂纹改向。 10.4.3 应力集中的影响 疲劳裂纹总是出现在应力集中处，应力集中越严重，疲劳强度下降越多。 10.4.4 试件尺寸的影响 尺寸大，缺陷多。 10.4.5 表面加工的影响 疲劳裂纹常从零件表面开始产生。表面粗糙度越低，疲劳强度越高。 10.4.6 温度的影响 温度升高，疲劳强度降低。 10.5 低周疲劳特性 反复塑性变形造成的破坏。循环应力高，接近或超过材料的屈服极限。 10.5.1 低周疲劳时的应力-应变曲线 第1阶段出现硬化或软化。 循环硬化：形变抗力在应力循环中增加。（退火钢） 循环软化：形变抗力在应力循环中减小。（冷加工硬化） 第2阶段0.2～0.5 应变量含弹性应变和塑性应变 10.5.2 材料的低周疲劳特性曲线 在低周疲劳条件下，影响材料疲劳寿命的主要参量是应变幅值。图9-33 把 时疲劳寿命称为过渡疲劳寿命 ，重要，是材料疲劳损伤关键指标。 Nf NT，高周疲劳，提高强度以提高抗疲劳能力；反之，保持一定强度基础上，提高材料塑性和韧性。 10.5.3 锅炉与压力容器用钢的疲劳设计曲线 锅炉及压力容器在启停过程中会发生压力和温度波动，使材料产生低周疲劳。当以下各项预期的循环次数总和超过100次，才需对部件进行低周疲劳设计。 （1） 设计的预计压力循环（启停）次数 （2） 压力变化超过设计压力20%的预计压力循环次数。 （3） 部件上距离 两点温度变化有效次数计的循环次数。 （4） 部件的焊烽位于线膨胀系数不同的材料