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1、 材料的疲劳损伤与断裂 朱明亮华东理工大学机械与动力工程学院mlzhu EngineeringFractureMechanics 2014 主要内容 1 2 3 4 工程中的疲劳现象 1954年1月 英国慧星 Comet 号喷气客机坠入地中海 机身舱门拐角处开裂 工程中的疲劳现象 工程中的疲劳现象 工程中的疲劳现象 二次大战期间 400余艘全焊接舰船断裂 工程中的疲劳现象 2005 4 25 上午9 20 日本兵库县尼崎市列车脱轨 死亡106人 伤400人 1998 6 3 德国埃舍德小镇 高速列车脱轨 101人死亡 200人受伤 88人重伤 预防疲劳失效 是轨道交通的核心科技问题之一 工程中
2、的疲劳现象 转子轴 工程中的疲劳现象 整机结构强度试验 机翼破坏试验 工程中的疲劳现象 上海东方明珠电视塔高300m球径45m 工程中的疲劳现象 Case1 simplysupportedcranegirder Serviceconditioins LoadW constantTwocranepasses hr 12hr day 240days yr40yearsofservicelife 2 12 240 40 230 400cyclesofbendingmomentWL 4 LowerflangeatA A 行车大梁 工程中的疲劳现象 Case2 rotatingshaftwithover
3、hungflywheel Serviceconditions LoadW constantShaftrotatesat250rev min 8hr day 300days yrInaservicelifeof40yearstheshaftaccumulates250 60 8 300 40 1 44 109cyclesofbendingmoment WL 工程中的疲劳现象 疲劳失效是工程中最重要 最常见的失效模式 疲劳的核心问题 疲劳研究的主要范畴 环境疲劳 疲劳损伤 疲劳断裂 材料的疲劳 疲劳的发展历史 疲劳的发展历史 十九世纪的疲劳发展 1829 1839 1860 德国矿业工程师Albe
4、rt 金属疲劳的最初研究 巴黎大学教授JU Poncelet提出金属疲劳的概念 德国工程师W hler提出了应力 寿命曲线 S N曲线 和疲劳极限的概念 1890 1 Gerber研究了平均应力对疲劳寿命的影响 2 Goodman提出了考虑平均应力影响的简单理论 3 Bauschinger提出了应力 应变滞后回线的概念 经验 试验 1871年 Wohler首先对铁路车轴进行了系统的疲劳研究 发展了旋转弯曲疲劳试验 S N曲线及疲劳极限概念 疲劳的发展历史 1910s 1960s疲劳发展 1910 1950 1960 Basquin提出了S与N的关系式 Bairstow给出了形变滞后与疲劳破坏的
5、关系 1 光镜和电子显微镜的发展促进了人们对传统疲劳破坏机制的研究 2 电液伺服疲劳试验机的出现 3 疲劳发展成为重要的学科领域 1 Manson Coffin关系 2 1963年Paris提出da dN K关系 提出了PSB的概念 观察到了疲劳辉纹 P M累积损伤理论 损伤容限设计 疲劳与断裂力学融合 理论 工程运用 机理 疲劳的发展历史 1970s 今疲劳发展 1970 1980 2000 损伤容限方法运用到具体的设计规范中 断裂力学开始在疲劳研究中发挥重要作用 1 传统疲劳研究领域进一步拓展 蠕变疲劳 热机械疲劳 微动疲劳 多轴疲劳 2 随着分析手段的提高 新材料和传统材料疲劳破坏的微观
6、机制得到进一步发展 3 疲劳模拟技术的发展成为研究疲劳的重要方法 使人们对疲劳的认识进一步深入 4 超高周疲劳的研究逐渐成为研究的热点 低周疲劳高周疲劳超高周疲劳 疲劳的发展历史 疲劳的基本概念 疲劳的基本概念 在某点或某些点承受交变应力 且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程 称为疲劳 Whatisfatigue Theprocessofprogressivelocalizedpermanentstructuralchangeoccurringinamaterialsubjectedtoconditionswhichproducefluctu
7、atingstressesandstrainsatsomepointorpointsandwhichmayculminateincrackorcompletefractureafterasufficientnumberoffluctuations ASTME206 72 疲劳的分类 重要的学科体系 疲劳的基本概念 疲劳的基本概念 交变应力 是指随时间变化的应力 也可更一般地称为交变载荷 载荷可以是力 应力 应变 位移等 疲劳的基本概念 平均应力Sm Smax Smin 2 1 应力幅Sa Smax Smin 2 2 应力范围 S Smax Smin 3 应力比R Smin Smax 恒幅循环参
8、数 设计 用Smax Smin 直观 试验 用Sm Sa 便于加载 分析 用Sa R 突出主要控制参量 便于分类讨论 疲劳的基本概念 应力比R R 2 0 R 2 1 2 疲劳的基本概念 波形 频率f N t f 100Hz t 100h N ft 3 6 107 cycles 材料的疲劳性能 材料的疲劳性能 材料的疲劳性能 材料的循环变形特性 载荷寿命关系 relationship Ncurve Ncurve 疲劳裂纹扩展特性 da dNcurve 材料的疲劳性能 拉伸应力 应变关系 单调拉伸和单调压缩曲线关于原点O对称 在屈服极限A点以内是直线 S e 单调 曲线 材料的疲劳性能 Baus
9、chingereffect 在一定量的正向拉伸或压缩塑性变形之后进行反方向加载 材料的屈服强度会低于连续正向变形的屈服强度 材料的疲劳性能 滞后回线 迟滞回线 一个完整的循环所对应的应力 应变曲线形成的封闭曲线 总应变幅 弹性应变幅 塑性应变幅 材料的疲劳性能 材料的循环硬化与循环软化 Cyclichardening Cyclicsoftening 材料的屈强比 s b0 8 循环软化材料 材料的疲劳性能 A为循环强化系数 为循环硬化指数 循环应力 应变曲线 材料的疲劳性能 在恒幅应力控制下 应变不断提升的现象叫做循环蠕变 循环蠕变和循环松弛对于非金属材料比较明显 金属材料在高温下需考虑 循环
10、蠕变和循环松弛 在恒幅应变控制下 应力不断下滑的现象叫做循环松弛 材料的疲劳性能 Basquin sequation Manson Coffinrelationship Transitionfatiguelife 材料的疲劳性能 材料的疲劳性能 材料的疲劳性能 S N曲线 表示S 或者logS 和Nf 或者logNf 关系的曲线 疲劳极限Sf 某一应力比条件下 对应循环次数下不发生断裂的应力 疲劳强度的影响因素 疲劳强度的影响因素 有利 有害 拉伸平均应力降低疲劳强度 压缩平均应力提高疲劳强度 疲劳强度的影响因素 平均应力 m 横坐标 与应力幅 a 纵坐标 之间的关系曲线 由实验数据获得 反映
11、相同材料在不同应力循环特性时疲劳极限的差异 塑性材料的疲劳极限应力图如下图所示 曲线近似呈抛物线分布 曲线上A点的坐标表示对称循环点 B点的坐标表示脉动循环点 C点的坐标表示静应力点 疲劳极限应力图 疲劳强度的影响因素 ModifiedGoodmanline GerberParabola 疲劳强度的影响因素 等效应力幅 疲劳强度的影响因素 疲劳裂纹通常起始于零件表面表面状况对疲劳寿命有很大的影响表面光洁度越高 形成疲劳裂纹的时间越长 疲劳强度的影响因素 表面经过冷轧 coldrolling 渗氮 nitriding 喷丸 shotpeening 激化冲击 lasershockpeening 处
12、理等都可以在表面引入残余压应力 从而延缓高周疲劳裂纹的萌生 疲劳强度的影响因素 缺口应力集中系数Kt疲劳缺口系数Kf疲劳缺口敏感性q 疲劳强度的影响因素 加载方式 疲劳强度的影响因素 弯曲载荷下 尺寸影响试样承载面的应力梯度 尺寸增大 应力梯度减小 但表面局部的平均应力增大 疲劳强度下降 轴向载荷下 应力梯度较小 试样的尺寸效应不明显 疲劳强度的影响因素 疲劳与损伤 损伤的概念 损伤的概念 损伤 Damage 是材料和工程构件中细微 结构 的变化 引起微裂纹的萌生 成长与合并 导致材料的变质和恶化 损伤积累的结果往往产生宏观裂纹 导致最终断裂 1958年 Kachanov在研究蠕变断裂问题时
13、第一个引入了一个新的本构方程 损伤演变方程 同时第一个引入了一个描述材料内部损伤的内变量 连续性变量 1969年 Rabatnov改进了Kachanov的工作 在蠕变本构方程中引入了损伤变量以描述损伤对材料本构行为的影响 损伤的概念 损伤变量 微观的或物理的 宏观的或唯象的 疲劳损伤区内微观裂纹的密度 空洞体积 面积 比 声发射量 电阻抗变化 显微硬度变化等 Miner疲劳损伤D 1 N 剩余刚度E D 1 E E0 剩余强度 循环耗散能 阻尼系数 滞后能等 损伤的概念 损伤力学主要研究三方面内容 1 研究材料中微裂纹和微孔洞及外在条件对本身演变的影响及其发展规律 2 研究损伤对材料本构关系的
14、影响 3 研究工程构件中宏观裂纹形成寿命的估算方法 构件受载条件 本构方程和演变方程的确定 弹性和塑性的 疲劳与蠕变的 损伤的 应力 应变和损伤的演变 构件力学分析和损伤力学分析 临界状态 损伤力学分析步骤 疲劳累积损伤理论 疲劳累积损伤理论 疲劳损伤D 疲劳累积损伤理论 Palmgren Miner理论 简称Miner理论 一个循环造成的损伤 D 1 Nn个循环造成的损伤 临界疲劳损伤Dcr Dcr 1 缺点 没有考虑载荷次序的影响 疲劳累积损伤理论 疲劳损伤的微观机制 疲劳损伤的微观机制 拉伸试样表面形成滑移台阶 循环变形试样表面出现 挤出 与 侵入 试样内部的位错密度高 形成驻留滑移带
15、PSB 循环变形的特点 Coarseslip Fineslip Stressconcentration 疲劳损伤的微观机制 104cycles 5 104cycles 2 7 105cycles Sliplinesintensified 永久滑移带 PSB 的形成 Earlystagesoffatigueareprimarilyasurfacephenomenon 疲劳损伤的微观机制 疲劳损伤的微观机制 CyclicSlip initialarrangements CyclicHardening 疲劳损伤的微观机制 Surfacerelief Shearcracksformation 疲劳损伤
16、的微观机制 Crackinitiation 疲劳损伤的微观机制 疲劳裂纹的萌生位置 材料表面 PSB 表面缺陷 腐蚀坑等 材料内部 1 内部PSB 2 内部不连续的组织处 夹杂物 气孔 相界 晶界 孪晶界 二次相颗粒 孔洞等 疲劳损伤的微观机制 Crackinitiationatpores 疲劳损伤的微观机制 Cracksinitiatedinmicrostructures 疲劳损伤的微观机制 inclusions Interiormicrostructures 疲劳损伤的微观机制 Processoffatigue 疲劳与断裂 裂纹扩展规律及其运用 疲劳裂纹扩展过程 疲劳裂纹扩展过程 疲劳裂纹扩展的两阶段 StageI controlledbyshearstressorshearstrain StageII controlledbymaximumtensilestressrange Intergranularortransgranular Itdepends Shortcrack Loadingdirection Cyclicplasticzonesize 疲劳裂纹扩展过程 Stage
