信阳师范大学：《材料科学基础》课程教学资源（PPT课件）第九章 疲劳与断裂

第九章》 疲劳与断裂 结构材料以强调力学性能为其突出特征。许多结 构材料在使用中会受到交变应力（循环载荷）的作用， 在循环载荷下，材料表现出疲劳断裂特征

第九章 疲劳与断裂 结构材料以强调力学性能为其突出特征。许多结 构材料在使用中会受到交变应力（循环载荷）的作用， 在循环载荷下，材料表现出疲劳断裂特征

在特定外界条件下工作的构件，虽然所受应力低于材料屈 服强度，但服役一定时间后，也可能发生突然脆断。这种与时 间有关的低应力脆断称为延滞断裂。 由交变应力引起的延滞断裂，就是疲劳断裂： 而在静载荷与环境联合作用下引起的延滞断裂，叫做静载 延迟断裂，或称静疲劳； 疲劳与断裂是材料、构件和机械最常见的失效方式，约占 构件全部失效的50%~90%

在特定外界条件下工作的构件，虽然所受应力低于材料屈 服强度，但服役一定时间后，也可能发生突然脆断。这种与时 间有关的低应力脆断称为延滞断裂。 由交变应力引起的延滞断裂，就是疲劳断裂； 而在静载荷与环境联合作用下引起的延滞断裂，叫做静载 延迟断裂，或称静疲劳； 疲劳与断裂是材料、构件和机械最常见的失效方式，约占 构件全部失效的50％~90％

9.1疲劳 9.2低温断裂与疲劳 9.3高温蠕变与疲劳 9.4环境断裂—氢脆

9.1 疲劳 9.2 低温断裂与疲劳 9.3 高温蠕变与疲劳 9.4 环境断裂—氢脆

9.1疲劳 一、疲劳概念 1、疲劳 2、疲劳失效的特点 二、疲劳裂纹扩展的物理模型 1、疲劳失效过程 2、几种物理模型 3、疲劳裂纹扩展的力学行为与特征

9.1 疲 劳 一、疲劳概念 1、疲劳 2、疲劳失效的特点 二、疲劳裂纹扩展的物理模型 1、疲劳失效过程 2、几种物理模型 3、疲劳裂纹扩展的力学行为与特征

在循环载荷下，材料或结构经历着局部性的损伤积 累过程，一旦达到足够的应力或应变循环后，材料产 生裂纹，并随着循环次数的递增，出现裂纹的稳定扩 展，最后达到失稳扩展或断裂。 疲劳与断裂是研究在交变载荷作用下材料与结构中 裂纹的萌生、扩展与断裂的力学行为、微观机理及其 工程应用，包括研究带裂纹的材料与结构的剩余强度、 寿命估算和延寿措施等

在循环载荷下，材料或结构经历着局部性的损伤积 累过程，一旦达到足够的应力或应变循环后，材料产 生裂纹，并随着循环次数的递增，出现裂纹的稳定扩 展，最后达到失稳扩展或断裂。 疲劳与断裂是研究在交变载荷作用下材料与结构中 裂纹的萌生、扩展与断裂的力学行为、微观机理及其 工程应用，包括研究带裂纹的材料与结构的剩余强度、 寿命估算和延寿措施等

9.1.1疲劳概念 1、疲劳 材料或构件在交变应力（应变）作用下发生的破坏称 为疲劳破坏或疲劳失效。 影响构件疲劳行为的因素很多，可以分为四类：材 料、外载荷、环境条件和构件的形状和尺寸。 按外载荷的大小，疲劳可分为高周疲劳和低周疲劳。 对于金属材料，通常把疲劳失效周次N>104~105的疲 劳称为高周疲劳，反之称为低周疲劳；

9.1.1 疲劳概念 1、疲劳 材料或构件在交变应力(应变)作用下发生的破坏称 为疲劳破坏或疲劳失效。 影响构件疲劳行为的因素很多，可以分为四类：材 料、外载荷、环境条件和构件的形状和尺寸。 按外载荷的大小，疲劳可分为高周疲劳和低周疲劳。 对于金属材料，通常把疲劳失效周次Nf＞104~105的疲 劳称为高周疲劳，反之称为低周疲劳；

若每个周期内的载荷参量不随时间而变化，称为恒幅疲劳， 否则则为变幅疲劳； 由变动的外载荷与腐蚀介质共同作用的疲劳为腐蚀疲劳； 温度高于再结晶温度或高于(0.50.6)Tm时的疲劳，属于高温 疲劳，Tm为金属的熔点； 由于温度的变化形成的变动热应力引起的疲劳，称为热疲劳； 应变速率大于102s的疲劳问题属于冲击疲劳

若每个周期内的载荷参量不随时间而变化，称为恒幅疲劳， 否则则为变幅疲劳； 由变动的外载荷与腐蚀介质共同作用的疲劳为腐蚀疲劳； 温度高于再结晶温度或高于(0.5~0.6)Tm时的疲劳，属于高温 疲劳，Tm为金属的熔点； 由于温度的变化形成的变动热应力引起的疲劳，称为热疲劳； 应变速率大于102 /s的疲劳问题属于冲击疲劳

9.1.1.2疲劳失效的特点 (1)疲劳断裂表现为低应力下的破坏断裂 疲劳失效在远低于材料的静载极限强度甚至远低于材料屈服强 度下发生。 (2)疲劳破坏宏观上无塑性变形 与静载荷作用下材料的破坏相比，具有更大的危险性。 (3)疲劳是与时间有关的一种失效方式，具有多阶段性 疲劳失效过程是累积损伤的过程。由交变应力（应变）作用引起 的损伤是随着载荷次数逐次增加的

9.1.1.2 疲劳失效的特点 (1) 疲劳断裂表现为低应力下的破坏断裂 疲劳失效在远低于材料的静载极限强度甚至远低于材料屈服强 度下发生。 (2) 疲劳破坏宏观上无塑性变形 与静载荷作用下材料的破坏相比，具有更大的危险性。 (3) 疲劳是与时间有关的一种失效方式，具有多阶段性 疲劳失效过程是累积损伤的过程。由交变应力(应变)作用引起 的损伤是随着载荷次数逐次增加的

(4)与单向静载断裂相比，疲劳失效对材料的微观组织和缺陷 更加敏感 这是因为疲劳有极大的选择性，几乎总是在构件材料表面 的缺陷处发生。 (⑤)疲劳失效受载荷历程的影响 过载损伤会导致疲劳强度的下降

(4) 与单向静载断裂相比，疲劳失效对材料的微观组织和缺陷 更加敏感 这是因为疲劳有极大的选择性，几乎总是在构件材料表面 的缺陷处发生。 (5) 疲劳失效受载荷历程的影响 过载损伤会导致疲劳强度的下降

图12.4为钢的拉伸应 力应变曲线，加载到A点 卸载再重新加载，其抗拉 强度σb与末卸载的相同， 即未受到载荷史的影响。 应变e 图12.4工程应力应变曲线

图12.4为钢的拉伸应 力应变曲线，加载到A点 卸载再重新加载，其抗拉 强度b与末卸载的相同， 即未受到载荷史的影响。 图12.4 工程应力应变曲线