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第10章 金屬材料的疲勞 材料或元件在交變應力（隨時間作周期性改變的應力）作用下，經過一段時期后，在內部缺陷或應力集中的部位，局部產生細微的裂紋，裂紋逐漸擴展以致在應力遠小于屈服點或強度極限的情況下，突然發生脆性斷裂，這種現象稱為疲勞，例如頻繁進料、出料的周期性間歇操作的設備，往復式壓縮機氣缸，應考慮其疲勞失效的可能性． 疲勞分類： （1） 高周疲勞 低應力，高循環次數。最常見 （2） 低周疲勞 高應力，低循環次數。 （3）
熱疲勞 溫度變化引起的熱應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共同作用下引起的破壞。 （5） 接觸疲勞 機件的接觸表面在接觸應力反復作用下出現表面剝落。 10.1 交變載荷特性 大小或方向或兩者同時隨時間發生周期性變化的載荷。 交變載荷的特性可用幾個參數來表示： 應力循環：交變應力在兩個應力極值之間變化一次的過程。 最大應力（σmax）：循環中代數值最大的應力。 最小應力（σmin）：循環中代數值最小的應力。 平均應力：（σmax+σmax）/2 應力幅：（σmax-σmin）/2 不對稱系數：r=（σmin/σmax）;r=-1對稱，r=0脈動；-1<r<1不對稱 10.2.1
應力-應變曲線 隨著循環次數的增加，應力幅值不變，應變量在減小。這是因為發生的冷作硬化。應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） 用旋轉彎曲疲勞試驗法進行高周疲勞試驗。應力幅值與交變循環周數。鋼鐵材料Nf>107曲線呈水平,對于鋁合金等有色金屬則沒有明顯水平部分。 10.2.3 疲勞斷裂的斷口特征 脆性斷裂，斷口無明顯塑性變形，貝殼狀紋路。 對缺口敏感（材料外緣和芯部紋擴散速度不同），對缺口不敏感。 10.2.4
金屬材料的疲勞抗力指標 10.2.4.1 疲勞極限 材料經無限多次應力循環不斷裂的交變應力幅值。對于鋁合金取Nf>=105～107的應力幅值作為條件疲勞極限。 同一材料，對稱循環疲勞極限也不同，彎曲疲勞極限（σ-1）>拉壓疲勞極限（σ-1p）>扭轉疲勞極限（τ-1n）。 10.2.4.2 疲勞缺口的敏感度 應力集中程度用應力集中系數 缺口對疲勞強度的影響，用疲勞有效應力集中系數Kf 缺口敏感度 10.3.1 疲勞裂紋的產生 金屬所受交變應力大于疲勞極限，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力集中，形成裂紋源。 10.3.2 疲勞裂紋的擴展 第1階段：從金屬表面的駐留滑移帶，擠入溝或夾雜物開始，沿最大切應力方向（與主應力呈45℃方向）向內部發展。速度慢，每1次循環0.1nm數量級 第2階段：裂紋擴展方向逐漸轉為和主應力垂直的方向，速度快，每1次循環微米數量級。 10.3.3 疲勞裂紋的擴展速率 每次應力循環裂紋的擴展量 典型疲勞裂紋擴展速率曲線圖 如下：
分3階段： 第1階段： 第2階段：穩定擴展區或亞臨界擴展區。 第3階段：快速擴展， 材料疲勞裂紋擴展速率 主要研究亞臨界擴展速率 Barsom方程 鐵素體鋼：
馬氏體鋼： 奧氏體鋼： 10.4.1 化學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） 細化晶粒有利于裂紋改向。 10.4.3 應力集中的影響 疲勞裂紋總是出現在應力集中處，應力集中越嚴重，疲勞強度下降越多。 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始產生。表面粗糙度越低，疲勞強度越高。 10.4.6 溫度的影響 溫度升高，疲勞強度降低。 反復塑性變形造成的破壞。循環應力高，接近或超過材料的屈服極限。 10.5.1 低周疲勞時的應力-應變曲線 第1階段出現硬化或軟化。 循環硬化：形變抗力在應力循環中增加。（退火鋼） 循環軟化：形變抗力在應力循環中減小。（冷加工硬化） 第2階段0.2～0.5倍總壽命循環次數后，應變曲線穩定。 應變量含彈性應變和塑性應變 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變幅值。圖9-33 把 Nf>NT，高周疲勞，提高強度以提高抗疲勞能力；反之，保持一定強度基礎上，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計曲線 鍋爐及壓力容器在啟停過程中會發生壓力和溫度波動，使材料產生低周疲勞。當以下各項預期的循環次數總和超過100次，才需對部件進行低周疲勞設計。 （1） 設計的預計壓力循環（啟停）次數 （2） 壓力變化超過設計壓力20%的預計壓力循環次數。 （3）
部件上距離 （4）
部件的焊烽位于線膨脹系數不同的材料之間，以 一些國家均在其設計規范中提出了鍋爐壓力容器用鋼的疲勞設計曲線。 下圖為美國ASME規范的疲勞設計曲線圖。
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，易產生塑性變形，使應力得到重新分布。因此抵抗低周疲勞性能較好。 10.5.4.2 加載頻率和保持時間 加載頻率降低和保持時間增加會降低材料壽命。 10.5.4.3 晶粒大小 隨著晶粒變細，材料的低周疲勞壽命增加。 10.5.4.4 環境介質 高溫下，裂紋尖端發生氧化，加速裂紋擴展。 10.6.1 熱疲勞現象 材料在加熱，冷卻的循環作用下，由交變熱應力引起的破壞。
E——材料的彈性模量 10.6.2 材料在承受熱疲勞時的應力-應變曲線 熱疲勞是塑性變形積累損傷的結果，與低周疲勞具有相似的應變——壽命規律，其破壞特征是相同的。但伴有松馳。 10.6.3 熱疲勞與機械疲勞的區別 （1） 除了熱應力，還有內部組織變化，使強度和塑性降低。 （2） 溫度分布不均，溫度梯度大塑性變形大。 （3） 溫度高時，穿晶斷裂會向晶間斷裂過渡。 在相同的塑性變形范圍內，熱疲勞壽命一般比機械疲勞低。 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 高溫保溫時間與加熱冷卻速度 Tmax保持時間越長，熱疲勞循環壽命下越多，應力松馳越明顯，塑性變形增加。 加熱，冷卻速度越快，壽命越短 10.6.4.3 環境氣氛 氧化性 氣氛和燃氣中熱疲勞壽命明顯降低。 10.6.4.4 材料物理性能 線膨脹系數和彈性模量越大，產生的熱應力越大；材料的導熱系數越小，在材料中產生的溫度梯度越大。這些都將導致材料的抗熱疲勞能力降低。 10.6.4.5 材料顯微組織 細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展，降低了熱疲勞強度。 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，裂紋內部往往充滿灰色腐蝕物，裂紋擴展過程中產生的氧化或腐蝕。 石油貯罐 10.7.1 腐蝕疲勞特性 在任何腐蝕介質中均會發生。 材料的條件腐蝕疲勞極限與其靜強度之間不存在直接關系。 10.7.2 腐蝕疲勞機理 滑移-溶解型：在交變應力上升期，滑移臺階露出新鮮表面，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，在一定載荷周期數內，材料與腐蝕介質接觸時間越長，腐蝕作用越大，材料的腐蝕疲勞強度越低。 10.7.3.2 平均應力 平均應力增大使腐蝕疲勞裂紋擴展速度增加。 10.7.3.3 組織狀態 電化學穩定性，具有馬氏體組織碳互鋼，對腐蝕疲勞敏感。 10.7.3.4 合金元素 超過5%合金元素，提高耐蝕性 10.8.1 接觸疲勞的類型和破壞過程 類型： （1） 麻點剝落，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生明顯的應力集中，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量分數 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。 10.9.1 合理的疲勞設計 減小應力集中 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度。 10.9.2.2 細化晶粒 細化晶粒能顯著提高高周疲勞強度和低周疲勞壽命； 但在較高的溫度下（如在0.5Tf，Tf為材料熔點）時，則適當粗的晶粒更為有利。 10.9.2.3 強度，塑性和韌性的合理配合 在不同工作條件下，材料的強度、塑性和韌性都具有相應的最佳配合。 10.9.3 表面強化 10.9.3.1 表面熱處理強化 鋼經滲碳、氮化和碳氮共滲等化學表面熱處理，或高、中頻表面感應淬火，提高表面硬度及抗疲勞強度。 10.9.3.2 表面冷加工硬化 利用機械的方法使表面產生很大的壓縮殘余應力，從而使其疲勞強度得到顯著提高。常方法有：噴丸和滾壓強化。
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