疲劳与断裂

1陈传尧疲劳与断裂Fatigue&Fracture2机械、结构等受力如何？如何运动？如何变形？破坏？如何控制设计？其目的是：了解工程系统的性态并为其设计提供合理的规则。工程力学（或者应用力学）是:将力学原理应用实际工程系统的科学。性态规则回顾3受力如何？如何运动？理论力学、振动理论等，研究对象为刚体；基本方程是平衡方程、运动方程等。如何变形？破坏？材料力学、弹性力学、塑性力学等，研究对象为变形体；基本方程是平衡方程、物理方程、几何方程等。4强度设计的一般方法：平衡方程变形几何条件应力应变关系内力应力初步设计设计目标强度条件满意？结束YESNO修改设计强度计算材料试验极限应力选取安全系数许用应力控制设计：强度是最主要的控制指标。研究对象是无缺陷变形体，研究目的是保证在最大载荷下有足够的强度。5有缺陷怎么办？研究含缺陷材料的强度--断裂多次载荷作用下如何破坏？研究多次使用载荷作用下的破坏--疲劳缺陷从何而来？材料固有或使用中萌生--疲劳与断裂6结构/构件强度的控制参量是应力。工作应力：构件在可能受到的最大工作载荷作用下的应力。(由力学分析计算得到)极限应力：ys、b材料可以承受的强度指标。延性材料：ys；脆性材料：b(通过材料力学性能的实验得到)ys延性材料b脆性材料强度判据：(作用抗力)结构或构件的工作应力材料的极限应力7按静强度设计，满足[]，为什么还发生破坏？19世纪30-40年代，英国铁路车辆轮轴在轴肩处（应力仅为0.4ys）多次发生破坏；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）；81967年12月15日，美国西弗吉尼亚的PointPleasant桥倒塌，46人死亡；1980年3月27日，英国北海油田Kielland号钻井平台倾复；127人落水只救起89人；二次大战期间，400余艘全焊接舰船断裂。主要原因是由缺陷或裂纹导致的断裂。9大型汽轮机转子10轴叶轮疲劳断裂破坏11转子轴疲劳开裂疲劳断裂破坏12叶片击穿厂房13飞机整机结构强度实验机翼破坏实验14飞机整机结构强度实验机身破坏实验15上海东方电视塔高300m球径45m16抗震模型试验（破坏部位、破坏形式、抗震能力）静强度失效、断裂失效和疲劳失效，是工程中最为关注的基本失效模式。控制疲劳强度、断裂强度的是什么？17疲劳与断裂一.概述四.应变疲劳二.应力疲劳三.疲劳应用统计学基础introductionCrackinitiation18十.疲劳寿命预测与抗疲劳设计九.裂纹闭合理论与高载迟滞效应八.疲劳裂纹扩展疲劳与断裂七.弹塑性断裂力学简介六.表面裂纹五.断裂失效与断裂控制设计FracturemechanicsCrackpropagation19第一章概述introduction1.1什么是疲劳？Theprocessofprogressivelocalizedpermanentstructuralchangeoccurringinamaterialsubjectedtoconditionswhichproducefluctuatingstressesandstrainsatsomepointorpointsandwhichmayculminateincrackorcompletefractureafterasufficientnumberoffluctuations.ASTME206-72在某点或某些点承受扰动应力，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。20疲劳是在某点或某些点承受扰动应力，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。研究目的：预测寿命。N=Ni+Np裂纹萌生+扩展疲劳问题的特点与研究目的：扰动应力，高应力局部，裂纹，发展过程。特点：211.只有在扰动应力作用下，疲劳才会发生。00t0SSSmax恒幅循环S变幅循环S随机载荷图1.1疲劳载荷形式分类tt扰动应力，是指随时间变化的应力。也可更一般地称为扰动载荷，载荷可以是力、应力、应变、位移等。要研究载荷谱的描述与简化22恒幅循环应力是最简单的。SSmax0Smint循环应力(cyclestress)的描述：常用导出量：平均应力Sm=(Smax+Smin)/2应力幅Sa=(Smax-Smin)/2应力变程S=Smax-Smin应力比或循环特性参数R=Smin/Smax描述循环应力水平的基本量：Smax，SminSmSaSa23定义：平均应力Sm=(Smax+Smin)/2(1)应力幅Sa=(Smax-Smin)/2(2)应力变程S=Smax-Smin(3)应力比或循环特性参数R=Smin/Smax(1)式二端除以Smax，有Sm=[(1+R)/2]Smax(4)(2)式二端除以Smax，有Sa=[(1-R)/2]Smax(5)(5)式除以(4)式，有Sa=[(1-R)/(1+R)]Sm(6)Smax、Smin、Sm、Sa、S、R等量中，只要已知二个，即可导出其余各量。24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。0StR=-1对称循环Smax=-Smin0StR=1静载Smax=Smin0StR=0脉冲循环Smin=0主要控制参量：Sa，重要影响参量：R频率(f=N/t)和波形的影响是较次要的。应力比R反映了载荷的循环特性。如25主要控制参量：Sa，重要影响参量：R0StR=-1对称循环Smax=-Smin0St三角波S0t正弦波0St矩形波0St梯形波频率(f=N/t)波形f=100Hz,t=100h,N=ft=3.6107(次循环)262.破坏起源于高应力、高应变局部。应力集中处，常常是疲劳破坏的起源。要研究细节处的应力应变。静载下的破坏，取决于结构整体；疲劳破坏则由应力或应变较高的局部开始，形成损伤并逐渐累积，导致破坏发生。可见，局部性是疲劳的明显特点。因此，要注意细节设计，研究细节处的应力应变，尽可能减小应力集中。273.疲劳损伤的结果是形成裂纹有裂纹萌生-扩展-断裂三个阶段。要研究疲劳裂纹萌生和扩展的机理及规律。4.疲劳是从开始使用到最后破坏的发展过程。寿命（过程的长短）--取决于载荷、作用次数和材料的疲劳抗力。Ntotal=Ninitiation+Npropagation要研究寿命预测的方法---疲劳研究的目的。28OneofthemostimportantphysicalObservationisthatthefatigueprocesscangenerallybebrokentwodistinctphase--initiationlifeandpropagationlife.Thepropagationlifeistheportionofthetotallifespentgrowingacracktofailure.Theinitiationlifeencompassesthedevelopmentandearlygrowthofasmallcrack.起始寿命包括小裂纹的形成和早期扩展。扩展寿命是总寿命中裂纹扩展到破坏的部分。29However,itisoftenverydifficult,ifnotimpossible,todefinethetransitionfrominitiationtopropagation.然而，定义从起始到扩展的转变，常常是很困难的。Thisdistinctiondependsuponmanyvariables,includingcomponentssize,material,andthemethodusedtodetectcracks.这取决于许多因素，包括构件尺寸、材料和检出裂纹所采用的方法等。Initiationlifeisusuallyassumedtobetheportionoflifespentdevelopinganengineeringcrack,whichisabout0.3mmforsmallercomponents.起始寿命通常被假定为形成一个工程裂纹的那一部分寿命，对于小尺寸构件，工程裂纹大约为0.3mm。30疲劳是在某点或某些点承受扰动应力，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。寿命预测与抗疲劳设计方法疲劳裂纹萌生和扩展的机理及规律疲劳研究的主要内容是：载荷谱的描述与简化应力集中细节处的应力应变31再见！谢谢！再见！习题：1-5，1-6