《材料的疲劳损伤与断裂参考文档课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料的疲劳损伤与断裂参考文档课件（112页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、材料的疲劳损伤与断裂材料的疲劳损伤与断裂朱明亮朱明亮华东理工大学机械与动力工程学院华东理工大学机械与动力工程学院Engineering Fracture Mechanics -201412主要内容工程中的疲劳现象疲劳研究的主要范畴疲劳与损伤疲劳与断裂123422022/4/22工程中的疲劳现象32022/4/221954年年1月月, 英国慧星英国慧星(Comet)号号喷喷气客机气客机坠坠入地中海（机身入地中海（机身舱门舱门拐角拐角处处开裂）开裂）工程中的疲劳现象42022/4/22工程中的疲劳现象52022/4/22工程中的疲劳现象二次大战期间，二次大战期间，400400余艘全焊接舰船断裂余艘
2、全焊接舰船断裂62022/4/22工程中的疲劳现象2005.4.25, 2005.4.25, 上午上午9 9：20, 20, 日本兵库县尼崎日本兵库县尼崎市列车脱轨：死亡市列车脱轨：死亡106106人，伤人，伤400400人人 1998.6.31998.6.3，德国埃舍德小镇，高速列，德国埃舍德小镇，高速列车脱轨：车脱轨：101101人死亡，人死亡，200200人受伤，人受伤，8888人重伤人重伤预防疲劳失效！是轨道交通的核心科技问题之一预防疲劳失效！是轨道交通的核心科技问题之一72022/4/22工程中的疲劳现象转子轴转子轴82022/4/22工程中的疲劳现象整机结构强度试验整机结构强度试验
3、: :机翼破坏试验机翼破坏试验92022/4/22工程中的疲劳现象上海上海 东方明珠电视塔高东方明珠电视塔高300m 300m 球径球径45m45m102022/4/22工程中的疲劳现象Case 1: simply supported crane girderService conditioins:Load W, constantTwo crane passes/hr, 12hr/day,240 days/yr40 years of service life:21224040=230,400 cycles of bending moment WL/4.Lower flange at A-A 行
4、车大梁112022/4/22工程中的疲劳现象Case 2: rotating shaft with overhung flywheelService conditions:Load W, constantShaft rotates at 250 rev/min, 8hr/day, 300 days/yrIn a service life of 40 years the shaft accumulates25060830040=1.44109 cycles of bending moment, WL122022/4/22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疲疲疲劳劳劳劳的的
5、的的核核核核心心心心问问问问题题题题1疲劳性能的影响因素有哪些？2 材料疲劳的宏微观损伤机制？3疲劳裂纹的扩展特性？4 结构抗疲劳破坏的控制参数是什么？5 如何预测结构的疲劳寿命？132022/4/22疲劳研究的主要范畴疲劳断裂力学损伤力学化学材料科学环境疲劳疲劳损伤疲劳断裂材料的疲劳142022/4/22疲劳的发展历史疲劳的发展历史152022/4/22疲劳的发展历史十九世纪的疲劳发展182918391860德国矿业工程师Albert.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Whler提出了应力-寿命曲线（S-N曲线）和疲劳极限的概念。18901
6、. 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162022/4/221871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172022/4/221910s-1960s疲劳发展191019501960Basquin提出了S与N的关系式。Bairstow给出了形变滞后与疲劳破坏的关系。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
7、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182022/4/221970s-今疲劳发展197019802000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
8、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192022/4/22疲劳的基本概念疲劳的基本概念202022/4/22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。What is fatigue ?The process of progressive localized permanent structural change occurring in a material subjected to conditions which produce fluctuating s
9、tresses and strains at some point or points and which may culminate in crack or complete fracture after a sufficient number of fluctuations. ASTM E206-72212022/4/22疲劳的分类重要的学科体系疲劳的基本概念研究对象材料结构应力状态单轴多轴载荷变化情况恒幅变幅随机工况、环境蠕变疲劳热机械疲劳腐蚀疲劳微动疲劳冲击疲劳循环周次低周高周超高周222022/4/22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
10、力、应力、应变、位移等）00t0SSSmax 恒幅循环S变幅循环S随机载荷疲劳载荷的类型 tt 232022/4/22疲劳的基本概念平均平均应应力力 Sm=(Smax+Smin)/2 (1)应应力幅力幅 Sa=(Smax-Smin)/2 (2)应应力范力范围围 S=Smax-Smin (3)应应力比力比 R=Smin/Smax恒幅循环参数设计：设计：用用Smax，Smin ，直，直观观；试验试验：用：用Sm，Sa ，便于加，便于加载载；分析：用分析：用Sa，R，突出主要控制参量，突出主要控制参量, 便于分类讨论。便于分类讨论。242022/4/22疲劳的基本概念应力比R0StR=1静载Smax
11、=Smin0StR=0脉冲循环Smin=00StR= -1对称循环Smax=-SminR=-2/0=R=-2/1=-2252022/4/22疲劳的基本概念0St三角波三角波S0t正弦波正弦波0St矩形波矩形波0St梯形波梯形波u 波形波形u 频率频率 f=N/tf =100 Hz, t=100 h, N=ft=3.6 107 (cycles)262022/4/22材料的疲劳性能材料的疲劳性能272022/4/22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-N curve-N curve疲劳裂纹扩展特性da/dN curve282022/4/22材料的
12、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单调拉伸和单调压缩曲线关于原点单调拉伸和单调压缩曲线关于原点单调拉伸和单调压缩曲线关于原点O O对称；对称；对称；对称；在在在在屈服极限屈服极限屈服极限屈服极限A A点以内是直线。点以内是直线。点以内是直线。点以内是直线。-S-e单调-曲线292022/4/22材料的疲劳性能Bauschinger effect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。302022/4/22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
13、应变幅312022/4/22材料的疲劳性能材料的循环硬化与循环软化Cyclic hardeningCyclic softening材料的屈强比：s/b0.8 ，循环软化材料。322022/4/22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332022/4/22材料的疲劳性能在恒幅应力控制下，应变在恒幅应力控制下，应变不断提升的现象叫做循环不断提升的现象叫做循环蠕变；蠕变；循环蠕变和循环松弛对于循环蠕变和循环松弛对于非金属材料比较明显，金非金属材料比较明显，金属材料在高温下需考虑。属材料在高温下需考虑。循环蠕变和循环松弛在恒幅应变控制下，应力不断下滑的在恒幅应变控制下，应
14、力不断下滑的现象叫做循环松弛。现象叫做循环松弛。342022/4/22材料的疲劳性能Basquins equationManson-Coffin relationshipTransition fatigue life352022/4/22材料的疲劳性能362022/4/22材料的疲劳性能372022/4/22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。382022/4/22疲劳强度的影响因素疲劳强度的影响因素392022/4/22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
15、应力提高疲劳强度。402022/4/22疲劳强度的影响因素平平均均应应力力 m（横横坐坐标标）与与应应力力幅幅 a（纵纵坐坐标标）之之间间的的关关系系曲曲线线（由由实实验验数数据据获获得得），反反映映相相同同材材料料在在不不同同应应力力循循环环特特性性时时疲疲劳劳极极限限的的差差异异。塑塑性性材材料料的的疲疲劳劳极极限限应应力力图图如如下下图图所所示示，曲曲线线近近似似呈呈抛抛物物线线分分布布。曲曲线线上上A点点的的坐坐标标表表示示对对称称循循环环点点，B点点的的坐坐标标表表示示脉脉动动循循环环点点，C点点的坐标表示的坐标表示静应力点静应力点。疲劳极限应力图疲劳极限应力图412022/4/22
16、疲劳强度的影响因素Modified Goodman lineGerber Parabola422022/4/22疲劳强度的影响因素等效应力幅等效应力幅432022/4/22疲劳强度的影响因素u疲劳裂纹通常起始于零件表面u表面状况对疲劳寿命有很大的影响u表面光洁度越高，形成疲劳裂纹的时间越长。442022/4/22疲劳强度的影响因素表面经过冷轧(cold rolling)、渗氮(nitriding)、喷丸(shot peening)、激化冲击(laser shock peening)处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。452022/4/22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q462022/4/22疲劳强度的影响因素加载方式472022/4/22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。482022/4/22疲劳强度的影响因素平均应力表面加工与处理1加载形式2缺口与应力集中3试样尺寸4549202
