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第10章 金屬材料的疲勞 材料或元件在交變應(yīng)力（隨時(shí)間作周期性改變的應(yīng)力）作用下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)期后，在內(nèi)部缺陷或應(yīng)力集中的部位，局部產(chǎn)生細(xì)微的裂紋，裂紋逐漸擴(kuò)展以致在應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服點(diǎn)或強(qiáng)度極限的情況下，突然發(fā)生脆性斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞，例如頻繁進(jìn)料、出料的周期性間歇操作的設(shè)備，往復(fù)式壓縮機(jī)氣缸，應(yīng)考慮其疲勞失效的可能性． 疲勞分類： （1） 高周疲勞 低應(yīng)力，高循環(huán)次數(shù)。最常見(jiàn) （2） 低周疲勞 高應(yīng)力，低循環(huán)次數(shù)。 （3）
熱疲勞 溫度變化引起的熱應(yīng)力作用下引起的疲勞破壞。 （4） 腐蝕疲勞 交變載荷與腐蝕介質(zhì)共同作用下引起的破壞。 （5） 接觸疲勞 機(jī)件的接觸表面在接觸應(yīng)力反復(fù)作用下出現(xiàn)表面剝落。 10.1 交變載荷特性 大小或方向或兩者同時(shí)隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的載荷。 交變載荷的特性可用幾個(gè)參數(shù)來(lái)表示： 應(yīng)力循環(huán)：交變應(yīng)力在兩個(gè)應(yīng)力極值之間變化一次的過(guò)程。 最大應(yīng)力（σmax）：循環(huán)中代數(shù)值最大的應(yīng)力。 最小應(yīng)力（σmin）：循環(huán)中代數(shù)值最小的應(yīng)力。 平均應(yīng)力：（σmax+σmax）/2 應(yīng)力幅：（σmax-σmin）/2 不對(duì)稱系數(shù)：r=（σmin/σmax）;r=-1對(duì)稱，r=0脈動(dòng)；-1<r<1不對(duì)稱 10.2.1
應(yīng)力-應(yīng)變曲線 隨著循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)力幅值不變，應(yīng)變量在減小。這是因?yàn)榘l(fā)生的冷作硬化。應(yīng)力幅值是表征材料高周疲勞的主要參量。 10.2.2 金屬材料的疲勞特性曲線 （圖） 用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)法進(jìn)行高周疲勞試驗(yàn)。應(yīng)力幅值與交變循環(huán)周數(shù)。鋼鐵材料Nf>107曲線呈水平,對(duì)于鋁合金等有色金屬則沒(méi)有明顯水平部分。 10.2.3 疲勞斷裂的斷口特征 脆性斷裂，斷口無(wú)明顯塑性變形，貝殼狀紋路。 對(duì)缺口敏感（材料外緣和芯部紋擴(kuò)散速度不同），對(duì)缺口不敏感。 10.2.4
金屬材料的疲勞抗力指標(biāo) 10.2.4.1 疲勞極限 材料經(jīng)無(wú)限多次應(yīng)力循環(huán)不斷裂的交變應(yīng)力幅值。對(duì)于鋁合金取Nf>=105～107的應(yīng)力幅值作為條件疲勞極限。 同一材料，對(duì)稱循環(huán)疲勞極限也不同，彎曲疲勞極限（σ-1）>拉壓疲勞極限（σ-1p）>扭轉(zhuǎn)疲勞極限（τ-1n）。 10.2.4.2 疲勞缺口的敏感度 應(yīng)力集中程度用應(yīng)力集中系數(shù) 缺口對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，用疲勞有效應(yīng)力集中系數(shù)Kf 缺口敏感度 10.3.1 疲勞裂紋的產(chǎn)生 金屬所受交變應(yīng)力大于疲勞極限，在金屬表面，晶界及非金屬夾雜物處形成滑移帶，滑移帶中的缺陷或擠入溝處形成應(yīng)力集中，形成裂紋源。 10.3.2 疲勞裂紋的擴(kuò)展 第1階段：從金屬表面的駐留滑移帶，擠入溝或夾雜物開(kāi)始，沿最大切應(yīng)力方向（與主應(yīng)力呈45℃方向）向內(nèi)部發(fā)展。速度慢，每1次循環(huán)0.1nm數(shù)量級(jí) 第2階段：裂紋擴(kuò)展方向逐漸轉(zhuǎn)為和主應(yīng)力垂直的方向，速度快，每1次循環(huán)微米數(shù)量級(jí)。 10.3.3 疲勞裂紋的擴(kuò)展速率 每次應(yīng)力循環(huán)裂紋的擴(kuò)展量 典型疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線圖 如下：
分3階段： 第1階段： 第2階段：穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)或亞臨界擴(kuò)展區(qū)。 第3階段：快速擴(kuò)展， 材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率 主要研究亞臨界擴(kuò)展速率 Barsom方程 鐵素體鋼：
馬氏體鋼： 奧氏體鋼： 10.4.1 化學(xué)成分和夾雜物的影響 含碳量，合金元素，夾雜 10.4.2 熱處理和顯微組織的影響 屈氏體（斷裂抗力大）>馬氏體（脆性在，抗力小）>索氏體（斷裂抗力小） 細(xì)化晶粒有利于裂紋改向。 10.4.3 應(yīng)力集中的影響 疲勞裂紋總是出現(xiàn)在應(yīng)力集中處，應(yīng)力集中越嚴(yán)重，疲勞強(qiáng)度下降越多。 10.4.4 試件尺寸的影響 尺寸大，缺陷多。 10.4.5 表面加工的影響 疲勞裂紋常從零件表面開(kāi)始產(chǎn)生。表面粗糙度越低，疲勞強(qiáng)度越高。 10.4.6 溫度的影響 溫度升高，疲勞強(qiáng)度降低。 反復(fù)塑性變形造成的破壞。循環(huán)應(yīng)力高，接近或超過(guò)材料的屈服極限。 10.5.1 低周疲勞時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 第1階段出現(xiàn)硬化或軟化。 循環(huán)硬化：形變抗力在應(yīng)力循環(huán)中增加。（退火鋼） 循環(huán)軟化：形變抗力在應(yīng)力循環(huán)中減小。（冷加工硬化） 第2階段0.2～0.5倍總壽命循環(huán)次數(shù)后，應(yīng)變曲線穩(wěn)定。 應(yīng)變量含彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變 10.5.2 材料的低周疲勞特性曲線 在低周疲勞條件下，影響材料疲勞壽命的主要參量是應(yīng)變幅值。圖9-33 把 Nf>NT，高周疲勞，提高強(qiáng)度以提高抗疲勞能力；反之，保持一定強(qiáng)度基礎(chǔ)上，提高材料塑性和韌性。 10.5.3 鍋爐與壓力容器用鋼的疲勞設(shè)計(jì)曲線 鍋爐及壓力容器在啟停過(guò)程中會(huì)發(fā)生壓力和溫度波動(dòng)，使材料產(chǎn)生低周疲勞。當(dāng)以下各項(xiàng)預(yù)期的循環(huán)次數(shù)總和超過(guò)100次，才需對(duì)部件進(jìn)行低周疲勞設(shè)計(jì)。 （1） 設(shè)計(jì)的預(yù)計(jì)壓力循環(huán)（啟停）次數(shù) （2） 壓力變化超過(guò)設(shè)計(jì)壓力20%的預(yù)計(jì)壓力循環(huán)次數(shù)。 （3）
部件上距離 （4）
部件的焊烽位于線膨脹系數(shù)不同的材料之間，以 一些國(guó)家均在其設(shè)計(jì)規(guī)范中提出了鍋爐壓力容器用鋼的疲勞設(shè)計(jì)曲線。 下圖為美國(guó)ASME規(guī)范的疲勞設(shè)計(jì)曲線圖。
10.5.4 影響低周疲勞的主要因素 10.5.4.1 塑性 塑性好的材料，易產(chǎn)生塑性變形，使應(yīng)力得到重新分布。因此抵抗低周疲勞性能較好。 10.5.4.2 加載頻率和保持時(shí)間 加載頻率降低和保持時(shí)間增加會(huì)降低材料壽命。 10.5.4.3 晶粒大小 隨著晶粒變細(xì)，材料的低周疲勞壽命增加。 10.5.4.4 環(huán)境介質(zhì) 高溫下，裂紋尖端發(fā)生氧化，加速裂紋擴(kuò)展。 10.6.1 熱疲勞現(xiàn)象 材料在加熱，冷卻的循環(huán)作用下，由交變熱應(yīng)力引起的破壞。
E——材料的彈性模量 10.6.2 材料在承受熱疲勞時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 熱疲勞是塑性變形積累損傷的結(jié)果，與低周疲勞具有相似的應(yīng)變——壽命規(guī)律，其破壞特征是相同的。但伴有松馳。 10.6.3 熱疲勞與機(jī)械疲勞的區(qū)別 （1） 除了熱應(yīng)力，還有內(nèi)部組織變化，使強(qiáng)度和塑性降低。 （2） 溫度分布不均，溫度梯度大塑性變形大。 （3） 溫度高時(shí)，穿晶斷裂會(huì)向晶間斷裂過(guò)渡。 在相同的塑性變形范圍內(nèi)，熱疲勞壽命一般比機(jī)械疲勞低。 10.6.4 影響熱疲勞的主要因素 10.6.4.1 溫度 溫度變化幅： 10.6.4.2 高溫保溫時(shí)間與加熱冷卻速度 Tmax保持時(shí)間越長(zhǎng)，熱疲勞循環(huán)壽命下越多，應(yīng)力松馳越明顯，塑性變形增加。 加熱，冷卻速度越快，壽命越短 10.6.4.3 環(huán)境氣氛 氧化性 氣氛和燃?xì)庵袩崞趬勖黠@降低。 10.6.4.4 材料物理性能 線膨脹系數(shù)和彈性模量越大，產(chǎn)生的熱應(yīng)力越大；材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小，在材料中產(chǎn)生的溫度梯度越大。這些都將導(dǎo)致材料的抗熱疲勞能力降低。 10.6.4.5 材料顯微組織 細(xì)小的晶粒度有利于抵抗熱疲勞；晶界是否有第二相析出，則裂紋易于沿析出相擴(kuò)展，降低了熱疲勞強(qiáng)度。 10.6.5 熱疲勞破壞的斷口特征 10.6.5.1 宏觀 熱疲勞引起的斷裂為脆性斷裂，伴有少量塑性變形。 10.6.5.2 微觀 穿晶或晶間 斷裂，裂紋內(nèi)部往往充滿灰色腐蝕物，裂紋擴(kuò)展過(guò)程中產(chǎn)生的氧化或腐蝕。 石油貯罐 10.7.1 腐蝕疲勞特性 在任何腐蝕介質(zhì)中均會(huì)發(fā)生。 材料的條件腐蝕疲勞極限與其靜強(qiáng)度之間不存在直接關(guān)系。 10.7.2 腐蝕疲勞機(jī)理 滑移-溶解型：在交變應(yīng)力上升期，滑移臺(tái)階露出新鮮表面，被腐蝕。 10.7.3 影響腐蝕疲勞的主要因素 10.7.3.1 加載頻率 頻率越低，在一定載荷周期數(shù)內(nèi)，材料與腐蝕介質(zhì)接觸時(shí)間越長(zhǎng)，腐蝕作用越大，材料的腐蝕疲勞強(qiáng)度越低。 10.7.3.2 平均應(yīng)力 平均應(yīng)力增大使腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速度增加。 10.7.3.3 組織狀態(tài) 電化學(xué)穩(wěn)定性，具有馬氏體組織碳互鋼，對(duì)腐蝕疲勞敏感。 10.7.3.4 合金元素 超過(guò)5%合金元素，提高耐蝕性 10.8.1 接觸疲勞的類型和破壞過(guò)程 類型： （1） 麻點(diǎn)剝落，深度0.1～0.2mm （3） 淺層剝落，深度0.2～0.4mm （2） 深層剝落，裂紋起源在硬化層 10.8.2 影響材料接觸疲勞抗力的因素 10.8.2.1 材料中非金屬夾雜物 在它們與基體金屬的交界處將產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，在該處形成微裂紋，降低了材料的接觸疲勞壽命。 10.8.2.2 鋼的馬氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 有最佳含量 10.8.2.3 鋼中碳化物的影響 裂紋在碳化物中形成，含量有最佳值。 10.8.2.4 鋼的硬度影響 一方面提高強(qiáng)度，塑性變形抗力的增加。另一方面，一旦裂紋源形成，硬度高材料裂紋敏感性強(qiáng)。 10.9 提高材料與機(jī)件疲勞強(qiáng)度的途徑 10.9.1 合理的疲勞設(shè)計(jì) 減小應(yīng)力集中 10.9.2 高疲勞抗力材料的選擇 10.9.2.1 提高純度 減少夾雜物將大大提高疲勞強(qiáng)度。 10.9.2.2 細(xì)化晶粒 細(xì)化晶粒能顯著提高高周疲勞強(qiáng)度和低周疲勞壽命； 但在較高的溫度下（如在0.5Tf，Tf為材料熔點(diǎn)）時(shí)，則適當(dāng)粗的晶粒更為有利。 10.9.2.3 強(qiáng)度，塑性和韌性的合理配合 在不同工作條件下，材料的強(qiáng)度、塑性和韌性都具有相應(yīng)的最佳配合。 10.9.3 表面強(qiáng)化 10.9.3.1 表面熱處理強(qiáng)化 鋼經(jīng)滲碳、氮化和碳氮共滲等化學(xué)表面熱處理，或高、中頻表面感應(yīng)淬火，提高表面硬度及抗疲勞強(qiáng)度。 10.9.3.2 表面冷加工硬化 利用機(jī)械的方法使表面產(chǎn)生很大的壓縮殘余應(yīng)力，從而使其疲勞強(qiáng)度得到顯著提高。常方法有：噴丸和滾壓強(qiáng)化。
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