7-4疲劳断裂

商跃进疲劳与断裂Fatigue&Fracture内容提要一、引言二、疲劳基础三、疲劳裂纹萌生和扩展的机理及规律四、抗疲劳设计方法(一）应力疲劳-名义应力疲劳设计法（二）局部应力应变分析法（三）损伤容限设计法-断裂力学理论（四）疲劳可靠性设计一、引言1、应用力学回顾2、相互关系3、静强度设计4、疲劳的重要性机械、结构等受力如何？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）是:将力学原理应用实际工程系统的科学。性态规则1、应用力学回顾受力如何？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。静强度设计。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。如何控制设计？强度是最主要的控制指标。多次载荷作用下如何破坏？--疲劳强度设计有缺陷怎么办？缺陷从何而来？研究含缺陷材料的强度材料固有或使用中萌生--疲劳与断裂2、相互关系结构/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)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ys延性材料b脆性材料3、静强度设计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1967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。工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破坏的50%-90%，是机械结构失效的最常见形式。因此，工程技术人员必须认真考虑可能的疲劳断裂问题。4、疲劳断裂破坏的严重性二、疲劳基础1、什么是疲劳？2、循环应力3、细节4、寿命5、疲劳研究的主要内容研究目的：预测寿命。N=Ni+Np裂纹萌生+扩展疲劳定义：1.只有在扰动应力作用下，疲劳才会发生。2.破坏起源于高应力、高应变局部。3.疲劳是从开始使用到最后破坏的发展过程。特点：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。1、什么是疲劳？1.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。2、循环应力SSmax0SmintSmSaSa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，SminSmax、Smin、Sm、Sa、S、R等量中，只要已知二个，即可导出其余各量。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。2.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。3、细节有裂纹萌生-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。4、寿命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。扩展寿命是总寿命中裂纹扩展到破坏的部分。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载荷谱的描述与简化应力集中细节处的应力应变5、疲劳研究的主要内容三、疲劳裂纹萌生和扩展的机理及规律1、疲劳破坏机理2、断口特征的宏观特征3、断口初步失效分析1、疲劳破坏机理工程小常用的金属均为多晶体。由于各晶粒位向不同，和位错误、夹杂等微观、宏观缺陷，在多晶体中存在着各向异性和非均质性。而疲劳破坏总是由应力应变最高和位向最不利的薄弱品粒或夹杂等缺陷处起始，并沿着一定的结晶面开始扩展。所以，金屈的疲劳破坏与多晶体的非均质性与各向异性密切相关。一般说来，金属的疲劳破坏可分为疲劳裂纹萌生、扩展和失稳断裂三个阶段。2、断口特征的宏观特征•有裂纹源、疲劳裂纹扩展区和最后断裂区（也称为“瞬断区”）三个部分。•裂纹源通常在高应力局部或材料缺陷处，附近往往有磨光标记。它是在疲劳裂纹扩展过程中裂纹面的摩擦从挤压所造成的。•裂纹扩展区断面较光滑、平整.通常可见“海滩条带”，有腐蚀痕迹，—般颜色较深，且常出现海滩状花纹，裂纹扩展方向与海滩状花纹相垂直，指向曲率半径较大的方向。•失稳断裂区也称为“瞬断区”，瞬断区为粗晶粒，由于此区与环境介质接触时间较短，断面多呈亮色，瞬断区的大小主要决定于载荷大小和材料性能高低。•与静载破坏相比.即使是延性材料，也没有明显的塑性变形。3、断口初步失效分析由疲劳断口进行初步失效分析•判断是否为疲劳断裂（看3区）•判断破坏时的裂纹最大尺寸（疲劳区大小）•观察疲劳源的位置分析疲劳原因。•利用断裂力学方法分析断裂时的工作状态（是否超载）•利用金相分析确定缺陷类型。四、抗疲劳设计方法(一）应力疲劳-名义应力疲劳设计法（二）局部应力应变分析法（三）损伤容限设计法-断裂力学理论（四）疲劳可靠性设计(一）应力疲劳-名义应力疲劳设计法1、特点2、设计依据-疲劳性能3、设计方法4、例题5、ANSYS疲劳分析1、特点（1）材料的S—N曲线表示外加应力水平S和标准试样疲劳寿命N之间关系的曲线称为材料的S—N曲线。（2）材料的疲劳极限结构钢等材料的S—N曲线上具有水平地段，与此水平地段相应的最大应力称为材料疲劳极限，简称疲劳极限（3）名义应力疲劳设计法——“以名义应力为基本设计参数，以s—N曲线为主要设计依据的抗疲劳设计方法称为名义应力疲劳设计法。根据设计寿命的不同，这种设计方法又可分为：无限寿命设计法（要求零部件在无限长的使用期限内不破坏）和有限寿命设计法（要求零部件在一定的使用期限内不破坏，这种设计方法常称为安全寿命没计法）。2、设计依据-疲劳性能11SKfD•零件疲劳极限材料的疲劳极限和S—N曲线，只能代表标准光滑试样的疲劳性能。实际零件的尺寸、形状和表面状况等都与标准试样有很大差别，因此其疲劳强度和寿命也与标准试样有很大差别。影响机械零件疲劳强度的因素很多，其中主要的有；形状，尺寸，表面状况，平均应力，复合应力，加载频率，应力波形和停歇，腐蚀介质和温度等。f11fK11磨光11•提高机器零件疲劳强度的方法一、合理选材1.强度、塑性与韧性间的最佳配合2.材料纯度的影响3.细化晶粒4.机械处理与热机械处理二、注意细节设计1.结构措施：加大过渡圆角、设卸荷槽、凸悬式安装。2.工艺措施：降低粗糙度、保持配合面配合正确三、表面热处理强化1.表面淬火2.渗碳或渗氮四、表面冷作强化1.喷九处理2.滚压强化3.冲击强化4.机械超载五、提高机器零件疲劳强度的其它方法1.建立预应力及预紧力2.表面防护3.损伤容限设计与监控3、设计方法（1）恒幅应力设计方法（2）变幅应力设计方法（3）非对称循环应力设计方法（1）恒幅应力设计方法][111nKnmafek•有限寿命设计法–疲劳强度校核：在结定使用寿命与工作应力时，可根据给定的使用寿命N，在零件的S—N曲线上找出相应的条件疲劳极限σ-1KN。用下式进行疲劳强度校核。–疲劳寿命估算][11nnekN61110)][(mekNnN无限寿命设计法：零部件在设计应力下能够长期安全使用。强度条件是零件的最大工作应力小于其疲劳极限。（2）变幅应力设计方法][11nnekNMiner法则：强度：寿命：思路：将变幅应力等效为恒幅应力（3）非对称循环应力设计方法][111nKnmafek思路：将非对称应力循环等效为对称应力循环Goodman线强度：4、例题（1）恒幅应力（2）变幅应力（1）恒幅应力6.8lglg310,8469.010,170133336011DbDDmNMPaNMPaK•确定危险截面:分析可知中部缺口为危险截面•确定应力•确定S-N曲线•估算疲劳寿命15489)(01NNmD•一中部带缺口的轴，受四点弯曲对称循环载荷144kN，材料的疲劳极限为421MPa，试计算估算其寿命。（2）变幅应力例题某构件的S—N曲线为S2N==2.5×1010，一年内承受的载荷谱如下表所示，估算其寿命。Si/Mpani/106Ni/106ni/Ni1500.011.1110.0091200.051.7360.029900.103.0860.033600.356.9440.050D=∑ni/Ni=0.121λ=1/D=8.27年N=λ∑ni=4.21×106次5、ANSYS疲劳分析•ANSYS疲劳计算是以ASME锅炉与压力容器规范的第三部分和第八部分第二分册为依据，采用了简化的弹塑性假设和Miner累积疲劳准则。1）疲劳分析的基本思路2）疲劳分析的基本步骤3）实例1）疲劳分析的基本思路输入S-N曲线指定应力位置存储节点应力设定事件重复次数疲劳计算观察结果静力分析疲劳计算•在一系列选定的位置上，确定一定数目的事件及其载荷（一个应力状态）。•在一个选定的位置上定义应力集中系数和给每个应力循环定义比例系数。•用后处理所得应力计算结果确定单元疲劳寿命耗用系数。基本术语：•位置(Location)：在模型上存储疲劳应力的节点。•事件(Event)：特定的应力循环过程中，不同时刻的一系列应力状态。•载荷(Loading)：事件的一部分，是其中的一个应力状态。•应力幅：两个载荷之间应力状态之差的一半，程序不考虑平均应力的影响。•分析准备•定义单元属性•建立几何模型•生成有限元模型•施加载荷并求解2）疲劳分析的基本步骤疲劳分析时的材料性质包括：应力寿命曲线（S-N曲线）、温度应力曲线和材料的弹塑性参数M和N。具体操作为l输入S-N曲线：选择菜单MainMenu:GeneralPostproc→Fatigue→S-NTable→输入S-N曲线数值→OK按钮。建立位置、事件和载荷的数目，定义材料疲劳性质，确定位置和应力集中系数：缺省情况下，一个事件内可以包含3个位置，10个事件和3个载荷；l指定应力位置：选择菜单MainMenu:GeneralPostproc→Fatigue→StressLocations→设参考号和位置→OK按钮。存储应力，指定时间循环次数和比例系数，为了进行疲劳分析，必须知道不同事件下的应力，每个位置处的载荷和每个事件的循环次数。具体操作为l提取应力值：选择菜单MainMenu:GeneralPostproc→Fatigue→FromrstFile,应力位置,OK按钮。l存储节点应力：选择菜单MainMenu:GeneralPostproc→Fatigue→SpecifiedVal→应力位置→OK按钮。l设定事件重复次数：选择菜单MainMenu: