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1、第五章金屬疲勞ChapterFiveFatigueofMetals5.1概述(BriefIntroduction)㈠定義(Definition)疲勞破壞——指材料在低于抗拉強度的交變應力作用下,經過一定循環(huán)后所發(fā)生的突然斷裂,即在斷裂前沒有明顯的宏觀塑性變形。疲勞破壞過程雖然有突然性，但仍然是一個逐漸發(fā)展的過程。它是由疲勞裂紋核心的萌生、擴展及斷裂三個階段組成的，因而相應的研究領域包括：疲勞微觀機理（包括疲勞斷裂的成因、裂紋核心的萌生、擴展、斷口形貌及組織的變化）;疲勞宏觀理論（包括疲勞累計損失理論、裂紋擴展理論、疲勞
2、強度理論及疲勞設計理論）;疲勞實驗（包括機器的設計、載荷的測定、數據的統(tǒng)計與分析以及疲勞壽命的計算）。一、交變載荷及循環(huán)應力(Alternativeloadsandcirculativestress)5.2金屬疲勞的基本現象與規(guī)律(Basicphenomenonandregulationofmetalfatigue)定義：交變載荷：指載荷大小、方向均隨時間發(fā)生變化的載荷。交變載荷又可分為規(guī)則周期變動應力（稱為循環(huán)應力）和無規(guī)隨機變動應力兩種（見圖5-1）。規(guī)則變化應力（即循環(huán)應力）有：a)正方形波b)矩形波c)三角形波
3、循環(huán)應力可用幾個特征參量來表示，即：最大應力σmax、最小應力σmin及平均應力σm、應力振幅σa。σa＝（σmax－σmin）?2應力比γ:γ＝σmin/σmax幾種常見的循環(huán)應力見圖5－2。對于圖5-3的復雜載荷，可以經過傅立葉變化成幾種循環(huán)應力，再進行相關分析，比較復雜，所以在此不涉及。二、疲勞種類及特點(Typesandcharacteristicoffatigue)1、分類(Classification)1）按應力狀態(tài)分有：a）彎曲疲勞b）扭轉疲勞c）拉壓疲勞d）復合疲勞2）按環(huán)境分有：a）大氣疲勞b）腐蝕疲
4、勞c）高溫疲勞d）接觸疲勞e）熱疲勞3）按斷裂壽命及應力高低分：a）高周疲勞（低應力疲勞）Nf>105次σ<σs；b）低周疲勞（高應力疲勞）Nf＝102～105次σ≥σs2、特點(Characteristic)與靜載荷或一次沖擊載荷斷裂相比，疲勞斷裂具有下列特點：低應力循環(huán)延時斷裂；脆性斷裂（不管是塑性還是脆性材料）；對缺陷（缺口、裂紋及組織缺陷）十分敏感；疲勞斷裂也是裂紋萌生與擴展的過程。三、疲勞宏觀斷口形貌(Macro-fracturemorphologyoffatigue)疲勞斷口形貌是研究疲勞過程和失效的重要方
5、法之一。典型疲勞斷口具有三個形貌不同的區(qū)域(見P110,圖5-3)：疲勞源（疲勞裂紋萌生的源地，一般位于斷口表面，常與缺陷引起的應力集中相關）；疲勞區(qū)（疲勞區(qū)是疲勞裂紋亞穩(wěn)擴展所組成的斷口區(qū)域，是測定疲勞斷裂重要特征）瞬斷區(qū)（裂紋最后失穩(wěn)、快速擴展所形成的斷口區(qū)域）。1、疲勞源該區(qū)最光亮（因該斷面經多次摩擦擠壓之故）；疲勞源位于疲勞區(qū)的貝紋弧線凹向一側的焦點位置；疲勞源可以一個或多個（與應力狀態(tài)有關）；對于有數個疲勞源，可根據疲勞源的光亮度，疲勞區(qū)的大小及貝紋線的密蔬程度可以確定多個源產生的先后次序，一般源區(qū)越亮，疲勞
6、區(qū)越大，貝紋線越密，則該源越早產生。具體特征：斷口宏觀特征。斷口比較光滑并分布有紋線（或海灘花樣），有時還有裂紋擴展臺階；貝紋線是載荷變動引起的，如機器的開停，而在實驗室由于載荷變動較小，所以貝紋較淺而細??；貝紋線是一簇以疲勞源為圓心的平行弧線，近源處則貝紋線距越密，遠離源處則貝紋線距越疏。2、疲勞區(qū)：該斷口區(qū)比疲勞區(qū)粗糙，與靜載的斷口相似；如脆性材料，則為結晶狀斷口；如韌性材料，則中間平面應變區(qū)為放射狀或人字紋斷口，邊緣平面應力區(qū)為剪切唇；一般在疲勞源的對側；瞬斷區(qū)大小。若名義應力較高或材料韌性較差，則瞬斷區(qū)較大，反
7、之，則瞬斷區(qū)較小。3、瞬斷區(qū)(一)疲勞曲線（Fatiguecurves）5.2疲勞曲線及疲勞抗力(Fatiguecurvesandresistance)試驗表明：金屬疲勞曲線有兩大類（如圖5－5所示）。一類是有水平線段（即有疲勞極限）的曲線。如一般結構鋼及球墨鑄鐵的疲勞曲線即為該類型。另一類是無水平線段（即無疲勞極限）的曲線，如有色金屬，不銹鋼，高強度鋼的疲勞曲線則為該類型。（二）疲勞極限及其測量（Fatiguelimitandmeasurement）1、定義：疲勞極限是指材料抵抗無限次應力循環(huán)而不斷裂的強度指標（見圖
8、5-7）。條件疲勞極限：是指材料抵抗有限次應力循環(huán)而不斷裂的強度指標。二者統(tǒng)稱為疲勞強度。2、種類對稱循環(huán)載荷是一種常規(guī)載荷，有對稱彎曲、對稱扭轉及對稱拉壓等。其對應的疲勞極限稱為σ－1、τ－1、σ－1p.其中σ－1是最常用的對稱循環(huán)疲勞極限。三、疲勞極限和靜強度之間的關系(Relationshipbetweenfatigueli
