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第5章 材料在交变载荷下的力学行为 5.1 金属疲劳破坏的特点 零件在交变应力作用下损坏叫做疲劳破坏。据统计，在机械零件失效中有80％以上属于疲劳破坏。例如大多数轴类零件，通常受到的交变应力为对称循环应力，这种应力可以是弯曲应力、扭转应力、或者是两者的复合。 如火车的车轴，是弯曲疲劳的典型，汽车的传动轴、后桥半轴主要是承受扭转疲劳，柴油机曲轴和汽轮机主轴则是弯曲和扭转疲劳的复合。再如齿轮在啮合过程中，所受的负荷在零到某一极大值之间变化；连杆不同于螺栓，始终处在小拉大压的负荷中，这类情况叫做拉-压疲劳。 5.1.1 疲劳破坏的特点 ??? 尽管疲劳载荷有各种类型，但它们都有一些共同的特点。 第一， 断裂时并无明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显的预兆，而是突然地破坏。 第二， 引起疲劳断裂的应力很低，常常低于静载时的屈服强度。 第三， 疲劳破坏能清楚地显示出裂纹的发生、扩展和最后断裂三个组成部份。 5.1.2 疲劳断口分析 一个典型的疲劳断口总是由疲劳源，疲劳裂纹扩展区和最终断裂区三部份构成。 ??? 疲劳断口有各种型式，它取决于载荷的类型，即所受应力为弯曲应力、扭转应力还是拉-压应力，同时与应力的大小和应力集中程度有关。 1、疲劳源 裂纹的萌生地；裂纹处在亚稳扩展过程中。 由于应力交变，断面摩擦而光亮。  随应力状态及其大小的不同，可有一个或几个疲劳源。 2、疲劳区（贝纹区） 断面比较光滑，并分布有贝纹线。 循环应力低，材料韧性好，疲劳区大，贝纹线细、明显。 有时在疲劳区的后部，还可看到沿扩展方向的疲劳台阶（高应力作用）。 3、瞬断区 一般在疲劳源的对侧。 脆性材料为结晶状断口；韧性材料有放射状纹理；边缘为剪切唇。 如图是弯曲疲劳的断口。在承受低名义应力时，对于应力集中较小的，疲劳裂纹扩展区占的面积相对说比较大，而且最终断裂区并不正好位于疲劳源的对侧，而是以逆旋转方向偏离一个位置。 对扭转疲劳断口，可有三种型式：(1)和轴内成45。，即沿最大拉应力作用的平面断裂，横断面呈星状。当应力集中较大时呈锯齿状。(2)和轴向垂直，横断面呈阶梯状。(3)和轴向平行，横断面呈阶梯状。 对第二、第三种情形，都是沿着最大切应力平面断裂。从理论上看，一般材料的剪切强度都低于材料自身的拉断强度。而对扭转轴，在表面上的拉应力和剪切力在数值上相等。之所以出现第一种断裂型式，是由于零件表面存在刀痕或损伤以及材料内部有缺陷而造成的。对扭转疲劳，一般看不到成贝壳状或海滩状的裂纹前沿线。 5．2 S-N曲线和疲劳缺口敏感度 对疲劳寿命的估算可以有三种方法：应力-寿命法即S-N 法；应变-寿命法即ε -N 法；断裂力学方法。S-N 法主要要求零件有无限寿命或者寿命很长，因而应用在零件受到很低的应力幅或变幅，零件的破断周次很高，一般大于105周次，零件主要只发生弹性变形，亦即所谓高周疲劳的情况。 一般的机械零件如传动轴、汽车弹簧和齿轮都是属于此种类型。对于这类零件是以S-N 曲线获得的疲劳极限为基准，再考虑零件的尺寸影响，表面质量的影响等，打一安全系数，便可确定许用应力了。 5.2.1 S-N曲线和疲劳极限 通常的S-N 曲线是仿照火车轮轴的失效，用旋转弯曲疲劳试验方法测得的。这种方法比较简单，求出的疲劳极限，能和拉-压疲劳，扭转疲劳乃至和静拉伸时的抗拉强度能建立一定的关系，并且能推广得知不对称循环的疲劳强度。 进行这种试验是在以下条件得出的：(1)纯弯曲；(2)完全对称循环；(3)应力幅恒定；(4)频率在3000-104次／分；(5)小试样有足够大的过渡圆角，表面经过抛光。 在不断降载时，试样的破断周次不断增加，若在某应力下旋转107次仍不断裂，即可认为此应力低于疲劳极限，再选取一较高的应力，若在旋转107次的过程中发生断裂，然后在这两个应力之间进行内插，缩小范围，直到试样在旋转107次过程中发生断裂或不断之间的应力差小于10MPa，便可求出材料的疲劳极限 。 对一般低、中强度钢，当 σb1400MN/m2,如能经受住107周次旋转弯曲而不发生疲劳断裂，就可凭经验认为永不断裂，相应的不发生断裂的最高应力称为疲劳极限。 而对高强度钢，在S-logN曲线上，即使达到107周次,曲线仍未出现水平的转折，这就是说，不存在一个可承受无限周次的循环而永不断裂的应力，这样，要求的疲劳寿命越高，工作应力越低。因此，对高强度钢，我们人为地规定在