疲劳破坏的一般规律

1、疲劳的定义

材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。

2、变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。

变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值

分为：规则周期变动应力和无规则随机变动应力

3、循环载荷（应力）的表征

①最大循环应力：σmax

②最小循环应力：σmin

③平均应力： σm=（σmax +σmin）/2

④应力幅σa或应力范围Δσ：Δσ=σmax-σmin  σa=Δσ/2=（σmax-σmin）/2

⑤应力比（或称循环应力特征系数）： r= σmin/σmax

4、循环应力分类

按平均应力、应力幅、应力比的不同，循环应力分为

① 对称循环σm=（σmax + σmin）/2=0     r=-1

属于此类的有：大多数旋转轴类零件。

② 不对称循环

σm≠0

如：发动机连杆、螺栓

（a）σa> σm>0，-1<r<0

（b）σa> 0，σm<0，r<-1

③ 脉动循环

σm=σa>0，r=0（σmin=0）如：齿轮的齿根、压力容器。

σm=σa<0，r=∞（σmax=0）如：轴承（压应力）

④ 波动循环

σm> σa  0<r<1   σmin>0   如：发动机气缸盖、螺栓。

⑤ 随机变动应力

应力大小、方向随机变化，无规律性。  如：汽车、飞机零件、轮船。

二、疲劳破坏的特点

在变动载荷作用下，材料薄弱区域，逐渐发生损伤，损伤累积到一定程度→产生裂纹，裂纹不断扩展→失稳断裂。

特点：从局部区域开始的损伤，不断累积，最终引起整体破坏。

1、潜藏的突发性破坏，脆性断裂（即使是塑性材料）。

2、属低应力循环延时断裂（滞后断裂）。

3、对缺陷十分敏感（可加速疲劳进程）。

三、疲劳破坏的分类

1、按应力状态：    

弯曲疲劳

扭转疲劳

拉压疲劳

接触疲劳

复合疲劳

2、按应力大小和断裂寿命

N>105，б<бs     高周疲劳→低应力疲劳

N=102～105，б≥бs     低周疲劳→高应力疲劳

四、疲劳破坏的表征—疲劳寿命

疲劳寿命：材料疲劳失效前的工作时间，即循环次数N。

疲劳曲线: 应力б↑，N↓

五、疲劳断口的宏观特征

典型疲劳断口具有3个特征区：疲劳源  疲劳裂纹扩展区  瞬断区

1、疲劳源

疲劳裂纹萌生区，多出现在零件表面，与 加工刀痕、缺口、裂纹、蚀坑等相连。

     特征：光亮，因为疲劳源区裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多。

疲劳源可以是一个，也可以有多个。如：单向弯曲，只有一个疲劳源；双向弯曲，可出现两个疲劳源。

2、疲劳裂纹扩展区（亚临界扩展区）

特征：断口较光滑并分布有贝纹线或裂纹扩展台阶。

贝纹线是疲劳区最典型的特征，是一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向，近疲劳源区贝纹线较细密（裂纹扩展较慢），远疲劳源区贝纹线较稀疏、粗糙（裂纹扩展较快）。

贝纹线（海滩花样）

贝纹线区的大小取决于过载程度及材料的韧性，高名义应力或材料韧性较差时，贝纹线区不明显；反之，低名义应力或高韧性材料，贝纹线粗且明显，范围大。

名义载荷

根据额定功率用力学公式计算出作用在零件上的载荷。即机器平稳工作条件下作用于零件上的载荷。

计算载荷=载荷系数*名义载荷

3、瞬断区

裂纹失稳扩展形成的区域

断口特征：

断口粗糙，脆性材料断口呈结晶状；韧性材料断口在心部平面应变区呈放射状或人字纹状；表面平面应力区则有剪切唇区存在。

瞬断区一般在疲劳源对侧

瞬断区大小与名义应力、材料性质有关

高名义应力或脆性材料，瞬断区大；反之，瞬断区小。