一个 疲劳问题引发的讨论
本帖最后由 德榜 于 2012-7-14 21:50 编辑在网上偶然看见以为楼关于疲劳问题的提问，结果引发下边激烈的讨论，总结下来部分有用的信息，希望对你有所帮助
问题决定材料的疲劳极限的物理本质是一个至今为止仍然没有解决的问题我是做疲劳研究的。当然了通常认为材料的强度越高，疲劳极限也越高；但是高强钢的出现，这个规则被打破：随着强度增加，但是疲劳极限没有增加或者反而降低。当然了，很多学者也作了很多努力，如对于高强钢的超高周疲劳的疲劳极限的研究表明，这个夹杂物的尺寸有关系。但是对于没有夹杂的单相材料，它们的疲劳极限的物理本质是什么？
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通常测试材料的力学性能都是通过单向加载得到的比如拉伸得到屈服强度、抗拉强度、均匀延伸率和断裂延伸率！但是材料如果要进入应用环节，材料的断裂韧性、疲劳性能等都与材料的综合性能或者说强塑性匹配有关系。你说的韧性是指的断裂韧性还是仅仅指塑性？循环周次当然很重要，对于您说的周次的作用我想肯定和材料的韧性有关系，这涉及到损伤的程度。我们对于周次的作用有两个。第一对应于不同的载荷：如低周疲劳一般循环载荷比较大；高周或超高周疲劳一般循环载荷比较小;第二：疲劳周次有一个累计的效果。
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首先，我觉得疲劳极限跟材料是单相的还是多相的没有必然的联系。因为疲劳极限只是材料的一项力学性能指标的名字而已。至于楼主说疲劳极限的物理本质，我没明白。如果说疲劳极限的意义的话，那就是在低于fatigue limite的应力水平下，试件的疲劳寿命趋于无穷。我觉得楼主其实是想问：“是什么决定了一种材料的疲劳极限？”其实，影响疲劳极限的因素很多，很复杂。比如，材料的晶体类型，内部晶粒的尺寸和晶界的取向，晶界偏析，固溶强化的作用，甚至是不同的疲劳载荷谱的形式等等，这些都会造成疲劳极限的变化。我个人认为疲劳极限不是一种物理现象，它仅仅是人们为了表征材料的疲劳性能所提出并建立的概念，因而其根本没有所谓的物理意义。对于疲劳破坏本身而言，我还是觉得大家把损伤力学和断裂力学结合起来，加上材料学知识，从微观到宏观地来透彻地了解疲劳行为这才是王道。以上只是个人愚见。
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请问一下，晶粒细化或者在晶粒内弥散析出不共格的第二相颗粒，能否提高材料的疲劳极限？
通常细化晶粒的程度比如到纳米级别还是亚微米级别影响材料的屈服和抗拉强度，相应的其疲劳极限有一定的提高，但是材料不同，细化晶粒的方式不同，对疲劳极限的提高是有影响的！如果想要深入探讨这个问题，需要确定您的材料是什么材料，fcc还是bcc？单相还是多相？析出第二相颗粒，需要知道这个颗粒相对于基体的性质，是硬质颗粒还是软相？除此之外还需要了解析出第二相后您的基体的性能如何变化？？！！其实这个命题看起来挺简单，其实里面的机理还是需要仔细探讨的！！希望对您有所帮助！
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对上面问的问题比较好！一般情况下，对于工程材料来说，屈服强度比较低，塑性比较好，并且材料的抗拉强度误差棒比较小，数据比较稳定。对于抗拉强度/屈服强度比值一般大于1.4的粗晶材料（通常工程材料都是粗晶材料），研究也表明疲劳极限和抗拉强度更容易建立关系。我们常说的在一定条件下，材料的强度越高，相应其疲劳极限也越高。教材上材料的疲劳极限和抗拉强度一般有系数关
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你好，研究高疲劳周期钢的夹杂物，但是重点是在夹杂物上。首先夹杂物肯定是跟疲劳周期有很大关系的，这在国内外都有很多报道，然后你说的强度跟疲劳肯定是不完全对应的，要不然就不会出现两个概念，只能说强度和疲劳在一定范围内是成正比。我个人觉得可能高强钢的疲劳周期是不是很韧性也有关系
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探讨其物力本质话题很精彩，这个话题已经进入金属物理的层面上了。所谓强度关系说、韧性关系说等等还在工程层面，究其原因都要到物理本质说。由于对疲劳表征手段的限制，制约了对疲劳本质和疲劳效果的对应。疲劳的本质是损伤，在特定的条件下损伤机制也不同。对单晶材料的损伤应该是变形，大于最低变形功（能）就会产生损伤。单相材料包含多晶，就会有晶界的参与，晶体的变形功、晶界的物理性质都会作用于疲劳极限了.
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我感觉抗拉强度之于疲劳强度，完全的相互对应肯定是不可能的，因为强度高了，一般规律导致脆性增大。一旦有疲劳裂纹产生，裂纹扩展阻力就小了吧。所以，绝对的关系肯定不存在。只能说有关联。而且，个人觉得，学习金属材料也有些时间了，好多影响因素往往相互影响，有些东西往往针对具体的例子来说才适用，不能生搬硬套，否则就会被教科书限制了思路。当然，老师也说，基础研究是很重要的。想把一个十分基础的问题搞透彻却又是非常困难的，就像1+1=2，为什么呢？有感而发…………
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通常测试材料的力学性能都是通过单向加载得到的比如拉伸得到屈服强度、抗拉强度、均匀延伸率和断裂延伸率！但是材料如果要进入应用环节，材料的断裂韧性、疲劳性能等都与材料的综合性能或者说强塑性匹配有关系。你说的韧性是指的断裂韧性还是仅仅指塑性？循环周次当然很重要，对于您说的周次的作用我想肯定和材料的韧性有关系，这涉及到损伤的程度。我们对于周次的作用有两个。第一对应于不同的载荷：如低周疲劳一般循环载荷比较大；高周或超高周疲劳一般循环载荷比较小;第二：疲劳周次有一个累计的效果。
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微观机理 搞不懂推荐你看看《损伤力学》非常好的一本书！我们的主题是探索决定疲劳极限的物理本质！类似于材料的抗强度一般满足Hall- petch 关系。当然疲劳研究了200年尤其是近一百年里对材料的损伤行为已经比较清楚。但是疲劳极限的物理本质这个问题仍然没有回答。仅仅探索一下损伤微观机制当然可以搞懂 我们是把疲劳极限这个性能参数和微观建立联系的关系搞明白。
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您好！谢谢您的关注！您说的我感觉抗拉强度之于疲劳强度，完全的相互对应肯定是不可能的，因为强度高了，一般规律导致脆性增大。一旦有疲劳裂纹产生，裂纹扩展阻力就小了吧。所以，绝对的关系肯定不存在。只能说有关联。对于您的回答我建议您看看材料疲劳极限的定义！当然探讨裂纹扩展需要断裂力学的很多知识。对于高周疲劳，理想情况下，裂纹萌生的周次占寿命的90%，扩展占10%。所以您说的高强材料裂纹脆性大，裂纹扩展阻力小由此推断抗拉强度和疲劳强度的绝对关系不存在。论据是不恰当的。您可以随便在web of science 上搜一下看看高强材料抗拉强度和疲劳强度不是正置关系的原因。
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关于疲劳极限与抗拉强度的关系我查到了，在工程材料力学性能（束德林第二版）第100页，当抗拉强度较低时，有近似正相关，当强度过高，比如大于1400 Mpa，就偏离了。关于您说的“对于高周疲劳，理想情况下，裂纹萌生的周次占寿命的90%，扩展占10%”我想问一下，您有没有依据？有的话，请注明参考资料。同样出自工程材料力学性能（束德林第二版）第104页，图5-15左侧的那段话，好像与您上述说的不相符。
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谢谢你的问题！首先表示一下歉意，刚才看到了你有关交流的一些想法！以后我会附上文献的出处。当时没有放！这是因为现在讨论的疲劳裂纹萌生占90%这个概念在一般的疲劳相关的书上都会找到！上面说的主要是高周疲劳的时候，理想情况下，裂纹萌生占寿命的主要部分。文献比较多。你可以看一下材料的疲劳（第二版）王中光翻译的suresh s 的书P159；或者P. Luka′sˇ ∗, L. Kunz International Journal of Fatigue 25(2003) 855–862。或者你从简单的裂纹萌生和扩展的速度去估算都可以。至于你说的工程材料力学行为 第二版 图左边与我说的不符合的事情。因为我只有第一版的书。如果你有第二版的电子书的话发给我我看一下。或者你说一下大概的意思！
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工程材料力学性能（束德林 第二版），104页内容：从疲劳宏观断口分析可知，疲劳过程是由裂纹萌生、裂纹亚稳扩展和最后失稳扩展所组成的。其中，裂纹失稳扩展占有很大比例，是决定整个疲劳寿命的重要组成部分。我仔细读了一下，为什么这儿不说：裂纹萌生占有很大比例？
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材料中总免不了一些微小缺陷（微裂纹），成为疲劳源。是不是我们在研究问题时，往往是在疲劳裂纹存在的基础上，进行所谓疲劳裂纹扩展寿命的研究的？我们工程上所说的疲劳寿命，确切的说应该是疲劳裂纹扩展寿命？
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您问的这个问题比较好！在工程上来说里面是有一些缺陷，但是实际应用的材料如果不是直接铸造出来的（因为直接铸造出来可能有一些缩孔等比较大的缺陷），一般里面的缺陷都比较小，或者说材料再用的时候，当然我说的是近似理想一点的情况，特别是在关键受力部件，他们会对工件进行探伤的，有大的缺陷的工件是不会用的。另外一点就是对于工程材料（只能指受力部件，有很多不是受力部件），材料的临界裂纹（根据断裂力学里面可以进行计算）比较大，即使微小裂纹存在的话，变成临界裂纹也需要微小裂纹长大等，这也算是裂纹萌生。裂纹从很小变到临界裂纹尺度都算裂纹萌生。当然以上都是值得是高周疲劳。
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第一我不清楚 这个疲劳宏观断口是经过低周疲劳还是高周疲劳得到的？因为一般情况下我们说的裂纹萌生占主要部分是高周疲劳阶段第二一般在讲高周疲劳寿命组成的时候会说这点，另一个是在裂纹扩展的时候也可能讲一点。至于104页为何不说我就不知道了呵呵对于疲劳研究来说，这本书不是“圣经”。不可能都会讲到您想要的东西。有时间的话，建议看看 fatigue of metallic materials by Lukas p or Fatigue of materials Suresh S
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回答的挺好 学习！这位是一直怀疑 高周疲劳为何裂纹萌生占寿命的大部分！至于这个问题！建议看一下paris 理论里面裂纹萌生前裂纹扩展的速度（第一阶段即裂纹萌生阶段）和裂纹稳态扩展阶段时的扩展速度。对比一下你会发现高周时为何裂纹萌生占绝大部分。
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andylelon :能否请教个问题?奥氏体不锈钢在给定的应力状态下，循环加载，材料的应变会不会一直变化？因为之间产生了应变强化，所以是不是一定循环后，应变就不会变化了？求解 回答：
你做的是应力控制下的疲劳，是拉压对称的还是拉拉疲劳？如果是拉压对称的，，根据你的描述，不锈钢是经过变形处理的得到的是变形结构！然后进行循环加载，肯定会发生循环硬化或软化，或者循环饱和。您可能认为已经应变硬化了再疲劳可能不会发生硬化或软化了。其实这是不对了。对于你的样品，即使通过CR、HPT变形到饱和状态，因为得到的组织是变形态组织，当然也有很大的内应力！疲劳的时候，这些结构会发生变化（加载方向和你变形时的加载方向不一致），会形成疲劳所对应的特殊的结构；即使加载方向和你变形时的加载方向一致，也会有类似的包申格效应，并且组织也会变化。总之应变肯定有变化。如果可能您可以传过来数据，我可以帮你看看
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wxqtjw [求助]电解铜的性质是各向同性吗
刚买了一块电解铜，不知道各个方向的性能是一样的，因为我要切成不同的小片，万一在不同方向上性能不一样，那就会对实验有影响，希望大家帮忙解答。 answer:我想提醒一下，各向异性这个概念联系这结构和性能。在组织上，最好用EBSD解析一下确定是否存在织构！在性能上，是否有明显的各向异性要看比较的是什么性能。比如对于一个具有织构的材料，在A性能上可能有很大个各向异性，但是在B性能测试的时候可能各向异性不一定很明显。就看你所要求的性能和材料的取向性的关联有多
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问六方晶体结构金属与立方金属在断裂过程中的有什么差别，引起差别的因素是什么？有什么资料可以查阅？请各位大神指教：！
回答：HCP：拉伸和疲劳，主要容易产生孪晶。拉伸的文献比较多，疲劳的建议看一下，F. Lv, F. Yang, S.X. Li, Z.F. Zhang, Scripta Materialia, 65 (2011)53-56.以及Lv F.; Yang F.; Duan Q. Q.;INTERNATIONAL JOURNAL OF FATIGUE卷: 33 期: 5 页: 672-682FCC，拉伸和疲劳，变形主要是位错来承担。拉伸的文献也比较多；疲劳可以看一下mughrabiH;laird C； lucas P 的文献。主要区别是晶体结构不同！HCP容易出现变形孪晶的缘故；但是FCC一般变形都是位错来承担，除非低温大应变下会出现孪晶
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我看有的帖子询问疲劳条带（条纹）的问题！下面回答一下：疲劳条纹是样品疲劳第二阶段的断口特征，一般认为是根据 laird 和smith的塑性钝化模型去解释。还有一个概念是贝纹线。他们的区别是：条带是疲劳断口的微观特征，高倍下可以看到；而贝纹线是疲劳断口的宏观特征，需要在低倍下观察，最好能看到裂纹源，这样容易分析！更细节的问题可以继续探讨
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首先，我觉得疲劳极限跟材料是单相的还是多相的没有必然的联系。因为疲劳极限只是材料的一项力学性能指标的名字而已。至于楼主说疲劳极限的物理本质，我没明白。如果说疲劳极限的意义的话，那就是在低于fatigue limite的应力水平下，试件的疲劳寿命趋于无穷。我觉得楼主其实是想问：“是什么决定了一种材料的疲劳极限？”其实，影响疲劳极限的因素很多，很复杂。比如，材料的晶体类型，内部晶粒的尺寸和晶界的取向，晶界偏析，固溶强化的作用，甚至是不同的疲劳载荷谱的形式等等，这些都会造成疲劳极限的变化。我个人认为疲劳极限不是一种物理现象，它仅仅是人们为了表征材料的疲劳性能所提出并建立的概念，因而其根本没有所谓的物理意义。对于疲劳破坏本身而言，我还是觉得大家把损伤力学和断裂力学结合起来，加上材料学知识，从微观到宏观地来透彻地了解疲劳行为这才是王道。影响因素非常多，但是作为基础研究，我们需要抓住主要矛盾，从材料入手。材料的什么因素是决定某个材料的疲劳极限？？这个问题已经有很多人再进行尝试？！至于您说的仅仅是一个只是材料的一项力学性能指标的名字。我完全不同意！至于力学性能指标，您可以发现几乎没有一个是没有物理意义的！
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好吧，楼主，我找了一圈，也没找到“物理意义”的具体定义...但是通过阅读文献我发现，人们对于fatigue limite的物理意义的理解就是“fatigue limite的定义是什么”，或者说“怎样定义fatigue limite才是对的”。因而，我个人认为其定义就是：低于其便可达到无限疲劳寿命的循环应力幅值。至于你说的“材料学方面的决定性因素”，那我只能说是“材料的种类”了。铁和钛的合金具有确定的fatigue limite，而铝和铜根本不具有严格意义上的fatigue limite，归根结底是因为它们的晶格类型的差别。在其他条件相同时，谁的滑移系多，易于在循环载荷下被发动，谁就更容易在材料表面形成缺陷，并最终累积成为微裂纹，继而形成宏观裂纹。
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谢谢你的讨论！给您举个例子,Hall-petch关系很好了说明了材料的微观结构尺寸效应所决定的材料的屈服强度和抗拉强度，反映位错的运动、增殖（加工硬化）与围观结构的关系。但是对于疲劳极限，我们是想探讨疲劳极限与微观结构之间的关系？？不知道您是否做疲劳，教科书上还很少涉及到这方面！如果您感兴趣可以先看一高强钢的疲劳极限与夹杂物之间的关系！如果您对这方面感兴趣，您可以仔细看看前面我们讨论的感念！至于您上面说的，我觉得有道理，但是您可以具体某一个简单的材料如超纯铜、超纯钛、某一个成分的低碳钢（理想组织），然后再去探讨我们的话题！希望继续探讨
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疲劳极限就是：
位错能够发生可逆滑移的最大应力
说这句话我下了很大的决心。。。。。
回复25
你好，我做了一段时间的疲劳试验，一般认为非金属夹杂物的数量、分布、尺寸、形态和成分对疲劳性能有很大的影响，例如钢中夹杂物对疲劳性能的影响一方面取决于夹杂物的类型、数量、尺寸、形状和分布；另一方面受钢基体组织和性质制约，与基体结合力弱的尺寸大的脆性夹杂物和球形不变形夹杂物的危害最大。而且，钢的强度水平越高，夹杂物对疲劳极限的有害影响也越显著。一般情况下，疲劳极限随抗拉强度或者维氏硬度值（HV）的增加数据更加分散，此时试样的疲劳断裂通常由非金属夹杂物等内部缺陷引起，即高强度钢的疲劳行为对微小缺陷和非金属夹杂物十分敏感。对于维氏硬度值小于或者等于400的中、低强度钢，光滑试样旋转弯曲或轴向疲劳极限与抗拉强度或HV之间有良好的线性关系，此时试样的疲劳断裂通常由表面破坏引起。
回复26
我个人认为这个与材料是否是单相还是多相没有必然的联系吧，夹杂物在高强的情况下还是主要的影响因素。
回复27
我个人认为，疲劳所产生的失效，也是由裂纹开始的，那么裂纹的产生，应该是由于应力集中。如果是单向载荷的话，各个晶粒在载荷方向都会产生形变硬化，也就是说每个晶粒都在载荷方向产生了硬化，所以尽管硬化的程度不同，但是每个晶粒都能多分担一些载荷了，导致材料的强度较高。 而在交变载荷下，会有两种滑移系发生滑移，一种是随着交变载荷的变化，滑移的方向也随之变化，就是说正向载荷下向正方向滑移，反向载荷下向反方向滑移，这样的滑移系不会产生位错塞积，也不会增加晶格畸变，所吸收的能量全部转化为热量而不能提高系统的自由能，也不发生硬化。还有一种滑移系，在正向（或者反向）载荷的作用下发生滑移了，但是当载荷方向变化时，由于种种原因（比如取向不利或者产生割阶），不能向反方向滑移，于是这种滑移就被保留了下来，滑移到晶界或者阻碍物处或者产生了割阶就塞积起来了，产生了应力集中，增加了晶格畸变，发生了硬化。而同一个材料，较硬的区域比较软的区域承受的外加应力更大（如果把一硬一软两根棒子沾在一起，然后施加拉力，绝大部分拉力将由较硬的棒子承担，较软的棒子只承担较少的拉力）。这样一来，大部分的载荷将由硬化的部位承担，载荷也在硬化部位产生了应力集中
回复28
60楼: 如果没有联系的话，同一个成分的单相或者多相。举个简单的例子对于某一个成分的钢，如果处理之后得到均匀单相和两相的两种组织，一个为纯的珠光体一个为珠光体加渗碳体，他们的疲劳极限一样吗？
我觉得单相与多相的fatiguelimite必然是有差别的。只是这种差别的来源有几种可能：可能是由于不同相自身的强度的差别带来的；也可能不同相无明显的力学差别，但是不同的相的分布和取向却存在差异，这种差异也能引起最终整个疲劳极限的差别；对于铝合金，疲劳裂纹扩展的过程中还存在裂纹闭合效应，因而，不同的相的塑性和韧性的差别同样会导致最终fatigue limite的差别。
回复29
首先，感谢楼主提出这么好的问题。在此我谈谈自己的看法：疲劳极限与钢中的缺陷密切相关。与金属基体相比，夹杂物可认为是一种“缺陷”，因此夹杂物对疲劳极限有重要影响。在没有夹杂物的钢中（当然这是不太可能的，准确说应该是夹杂物水平极低情况下），钢中仍然存在多种点缺陷、线缺陷、甚至是面缺陷，它们对金属的疲劳极限仍会产生重要影响。假使可以制得无缺陷的疲劳试样进行研究，那一定会对金属疲劳理论产生重要推进作用。但反过来，通常所谓的“疲劳极限”并不排除上述缺陷的存在，所以缺陷对其产生的影响本身也可以认为是疲劳现象的本质之一。
回复30
请问一下，晶粒细化或者在晶粒内弥散析出不共格的第二相颗粒，能否提高材料的疲劳极限？
通常细化晶粒的程度比如到纳米级别还是亚微米级别影响材料的屈服和抗拉强度，相应的其疲劳极限有一定的提高，但是材料不同，细化晶粒的方式不同，对疲劳极限的提高是有影响的！如果想要深入探讨这个问题，需要确定您的材料是什么材料，fcc还是bcc？单相还是多相？析出第二相颗粒，需要知道这个颗粒相对于基体的性质，是硬质颗粒还是软相？除此之外还需要了解析出第二相后您的基体的性能如何变化？？！！其实这个命题看起来挺简单，其实里面的机理还是需要仔细探讨的！！希望对您有所帮助！
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你做疲劳研究，请教你一个问题。束德林教材中第一章包申格效应部分中，讲到包申格应变与低轴疲劳的寿命关系如何理解您这个问题非常好！包申格效应对于疲劳研究具有奠基性的贡献！正是由于包申格效应的发现，正向反向加载过程中有滞后效应。当然书中所说的仅仅是从一个很简单的假设出发：材料疲劳失效钱具有一定量的总的储存能和。在低周疲劳阶段，在总的储存滞后能一定的前提下，单周循环滞后能（滞后环面积表示）越大，寿命就越短；反之越长
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很强大........
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