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疲劳和磨损 老师：华林 王华君 学生：周青 变动载荷和循环应力 1.变动载荷 变动载荷是引起疲劳破坏的外力，它是指载荷大小，甚至方向均随时间变化的载荷。下图1-1是应力-时间曲线。 图1-1 变动应力示意图 金属的疲劳 a)应力大小变化 b)、c)应力大小及方向都变化 d)应力大小及方向无规则变化 2.循环应力 循环应力的波形有正弦波、矩形波和三角形波等，其中最常见者为正弦波，如图1-2所示。 图1-2 循环应力的类型 a)、e)交变应力 b)、c)、d)重复循环应力 循环应力可用下列几个参量来表示： 最大应力σmax 最小应力σmin 平均应力σm σm=1/2（σmax+σmin） 应力幅σa σa=1/2（σmax-σmin） 应力比r r=σmin/σmax 疲劳的现象及特点 1.分类 疲劳：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。 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；按照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、接触疲劳等；按照疲劳的断裂寿命和应力高低不同，可分为高周疲劳和低周疲劳。 2.特点 疲劳断裂具有以下特点： （1） 疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂 （2） 疲劳是脆性断裂 （3） 疲劳对缺陷 （缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感 疲劳宏观断口特征 疲劳断裂和其他断裂一样，其断口也保留了整个断裂过程的所有痕迹，记载着很多断裂信息，具有明显的形貌特征。如图1-3所示，典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域：疲劳源、疲劳区及瞬断区。 图1-3 疲劳宏观断口 疲劳曲线和疲劳图 疲劳曲线 疲劳曲线是疲劳应力与疲劳寿命的关系曲线，即S-N曲线，它是确定疲劳极限、建立疲劳应力判据的基础。典型的金属材料疲劳曲线如图1-4所示。 图1-4 几种材料的疲劳曲线 图中纵坐标为循环应力的最大应力σmax；横坐标为断裂循环周次N。可以看出，S-N曲线由高应力和低应力段组成。前者寿命长，后者短。 疲劳图 疲劳图是各种循环疲劳极限的集合图，也是疲劳曲线的另一种表达形式。由图1-5可知，由最大循环应力σmax表示的疲劳极限σr是随应力比r（或平均应力σm）的增大而升高的。 图1-5 不同应力比的疲劳曲线 因此，可根据平均应力对疲劳极限σr（σmax或σa）的影响规律建立疲劳图。 σa-σm疲劳图 如下图1-6所示。 图1-6 σa-σm疲劳图 由图可见，A点：σm=0，r=-1，σa=σ-1；C点，σm=σb ，r=1，σa=0；ABC曲线其余各点的纵、横坐标各代表每一r下疲劳极限之σa和σm，σr=σa+σm。 图中纵坐标以σa表示，横坐标以σm表示。然后，在不同应力比r条件下将σmax表示的疲劳极限σr分解为σa和σm，并在该坐标中作ABC曲线，即为σa-σm疲劳图。 疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 1.疲劳裂纹扩展曲线 图1-7为疲劳裂纹扩展曲线 图1-7 疲劳裂纹扩展曲线 由图1-7所见，在一定循环应力条件下，疲劳裂纹扩展时其长度a是不断增长的。曲线的斜率表示疲劳裂纹扩展速率da/dN。当加载循环次数达到Np时，a长大到临界尺寸ac。da/dN增大到无限大，裂纹失稳扩展，试样最后断裂。 2.疲劳裂纹扩展速率 （一）疲劳裂纹扩展速率曲线 材料的疲劳裂纹扩展速率da/dN不仅与应力水平有关，而且与当时的裂纹尺寸也有关系，将应力范围△ σ和a复合为应力强度因子范围△K， △K=Kmax-Kmin。如果认为疲劳裂纹扩展的每一微小过程类似是裂纹体小区域的断裂过程，则△K就是在裂纹尖端控制裂纹扩展的复合力学参量，从而可以建立由△K起控制作用的da/dN—△K曲线，即疲劳裂纹扩展速率曲线，如图1-8所示。 图1-8 疲劳裂纹扩展速率曲线 I区是疲劳裂纹初始扩展阶段，da/dN值很小，从△Kth开始， da/dN快速提高，但△K变化范围小，所占扩展寿命不长。 II区是疲劳裂纹扩展的主要阶段， da/dN较大，扩展寿命长。 III区是疲劳裂纹扩展最后阶段， da/dN很大，只需扩展