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12航空科学与工程学院固体力学研究所1342618765182315945傅惠民疲劳强度3参考书目疲劳强度高镇同主编北航印刷所结构疲劳强度吴富民主著西工大出版社疲劳强度设计徐灏主编机械工业出版社4抗疲劳设计赵少汴编著机械工业出版社疲劳设计赵少汴王忠保主编机械工业出版社5考核要求平时成绩50%考试成绩50%6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7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。8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。9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,扩展--疲劳与断裂10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11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0.4ys）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）；121967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。1313大型汽轮机转子1414轴叶轮疲劳断裂破坏1515转子轴疲劳开裂疲劳断裂破坏16叶片击穿厂房1717飞机整机结构强度实验机翼破坏实验18飞机整机结构强度实验机身破坏实验19上海东方电视塔高300m球径45m20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？21课程设置第一章概论第二章金属材料的疲劳强度第三章影响疲劳强度的因素第四章疲劳载荷谱第五章累积损伤理论第六章局部应力应变法第七章概率疲劳设计第八章提高零构件疲劳强度的方法22第一章概论1.疲劳问题的重要性2.疲劳问题的历史发展3.疲劳的分类4.金属疲劳破坏机理5.疲劳断口的形貌特征6.抗疲劳设计方法23疲劳的定义材料在循环应力或循环应变作用下，由于某点或某些点产生了局部的永久结构变化，从而在一定的循环次数以后形成裂纹或发生断裂的过程称为疲劳。241982年，美国众议院科学技术委员会委托商业部国家标准局(NBS)调查断裂破坏对美国经济的影响。提交综合报告“美国断裂破坏的经济影响”SP647-1最终报告“数据资料和经济分析方法”SP647-2断裂使美国一年损失1190亿美元摘要发表于Int.J.ofFracture,Vol23,No.3,1983译文见力学进展，Vol15，No2，19851.疲劳问题的重要性251.疲劳问题的重要性损失最严重的是：车辆业(125亿/年)，建筑业(100亿/年)，航空(67亿/年)，金属结构及制品(55亿/年).断裂(包括疲劳、腐蚀引起的断裂)使美国一年损失1190亿美元,为其1982年国家总产值的4%。26普及断裂的基本知识，可减少损失29%(345亿/年)。对策设计、制造人员了解断裂，主动采取改进措施，如设计；材料断裂韧性；冷、热加工质量等。利用现有研究成果，可再减少损失24%(285亿/年)。包括提高对缺陷影响、材料韧性、工作应力的预测能力；改进检查、使用、维护；建立力学性能数据库；改善设计方法更新标准规范等。剩余的47%，有待于进一步基础研究的突破。如裂纹起始、扩展的进一步基础研究；高强度、高韧性、无缺陷材料的研究等。27国际民航组织(ICAO)发表的“涉及金属疲劳断裂的重大飞机失事调查”指出：80年代以来，由金属疲劳断裂引起的机毁人亡重大事故，平均每年100次。(不包括中、苏)Int.J.Fatigue,Vol.6,No.1,1984疲劳断裂引起的空难达每年100次以上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。28机型SDR报告总次数涉及蒙皮开裂的SDR次数飞机数报告数飞机数报告数Boeing727236436315774329473710971543725720697473816936134543DC-91465261284931532SDR-使用故障报告（美国）（1973-1990)1993年，美国政府报告(PB94-143336,1993)发表了1973-1990年期间的飞机使用故障统计结果，表中列出了四种常用机型的数据。可见疲劳开裂仍然是值得严密关注的。29年代设计水平190020001800静强度设计使用故障、失效研究抗疲劳设计抗断裂设计耐久性设计可靠性设计302.疲劳问题的历史发展人们对疲劳强度问题的认识，经历了一个漫长的过程。十九世纪是产业革命以后，随着蒸汽机车和机动运载工具的发展，运动部件的破坏经常发生。破坏往往发生在零构件的截面突变处，破坏的名义应力不高，低于材料的抗拉强度和屈服点。破坏事故的原因一时让工程师们摸不着头脑。31直至1829年德国人AlbertW.A.(艾伯特)用矿山卷扬机焊接链条进行疲劳试验，破坏事故才被阐明。1839年，法国工程师PonceletJ.V(彭赛列)首先使用“疲劳”这一术语来描述材料在循环载荷作用下承载能力逐渐耗尽以致最后突然断裂的现象。2.疲劳问题的历史发展32为了防止机车车辆发生疲劳断裂，为了求出车辆在运行中能承受的最大作用力，兼机车车辆厂厂长的德国工程师沃勒（Wohler）设计了疲劳试验设备，做了一系列疲劳试验，发现产生断裂的循环次数随应力幅值的增大而减小，得出了我们目前在疲劳分析中常用的S-N曲线。2.疲劳问题的历史发展33S-N曲线34早期设计的飞机，相对来说使用应力水平不高，强度储备较大，所用材料抗疲劳性能较好等等原因，飞机结构的疲劳问题并不突出，疲劳强度问题也还没有引起有关部门的重视。2.疲劳问题的历史发展因此，早期设计飞机只从静强度进行考虑，只要通过计算和试验证明飞机结构能经受得住可能产生的最大使用载荷，就认为具有足够的强度了。35但是，随着航空事业的不断发展，飞机的性能不断提高，使用寿命延长，新结构、新材料不断出现，飞机结构在使用中疲劳破坏与安全可靠之间的矛盾逐渐暴露出来了。有不少静强度看来足够的飞机，在使用中相继发生严重事故。2.疲劳问题的历史发展361954年英国喷气式旅客机“彗星1号”连续两次在航线上坠毁失事，机上所有乘客和机组人员全部遇难，引起了震惊。2.疲劳问题的历史发展第一种喷气式客机“彗星”号37英国的航空专家由此成立专门的调查组调查事故，结论是：“彗星1号”飞机在飞行中由于金属部件发生裂痕而造成了解体事故。产生这种裂痕的原因就是金属疲劳。2.疲劳问题的历史发展38据统计，从1948年到1965年期间，仅英、美两国曾陆续发生二十余起因疲劳强度不够而造成的重大事故或故障。我国飞机在外场使用发生的强度问题中，有80%以上都是因疲劳破坏引起的，也发生过因飞机机翼等结构疲劳破坏引起的严重事故。2.疲劳问题的历史发展39事实上，飞机中较早出现破坏的地方，常是某些振动剧烈，反复加载较为严重的区域。一些金属零件和接头等则往往从开槽或孔洞等应力集中处出现疲劳裂纹。这些问题引起了从事飞机设计和制造人员的注意，并着手进行应力集中等对飞机疲劳寿命影响的研究工作。2.疲劳问题的历史发展403.疲劳的分类(1)按研究对象可以分为材料疲劳和结构疲劳材料疲劳——研究材料的失效机理，化学成分和微观组织对疲劳强度的影响，使用标准试件。结构疲劳——则以零部件、接头以至整机为研究对象，研究它们的疲劳性能、抗疲劳设计方法、寿命估算方法和疲劳试验方法。41(2)按失效周次可以分为高周疲劳和低周疲劳高周疲劳——材料在低于其屈服强度的循环应力作用下，经104-105以上循环产生的失效。低周疲劳——材料在接近或超过其屈服强度的应力作用下，低于104-105次塑性应变循环产生的失效。3.疲劳的分类42(3)按应力状态可以分为单轴疲劳和多轴疲劳单轴疲劳——单向循环应力作用下的疲劳，零件只承受单向正应力或单向切应力。多轴疲劳——多向应力作用下的疲劳，也称复合疲劳。3.疲劳的分类43(4)按载荷变化情况分为恒幅疲劳、变幅疲劳、随机疲劳恒幅疲劳——所有峰值载荷均相等和所有谷值载荷均相等。变幅载荷——所有峰值载荷不等，或所有谷值载荷不等，或两者均不等。随机疲劳——幅值和频率都是随机变化的，而且是不确定的。3.疲劳的分类44(5)按载荷工况和工作环境可以分为常规疲劳、高低温疲劳、热疲劳、热—机械疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、微动磨损疲劳和冲击疲劳常规疲劳——在室温和空气介质中的疲劳。高低温疲劳——低于室温的疲劳和高于室温的疲劳。热疲劳——温度循环变化产生的热应力所导致的疲劳。3.疲劳的分类45热-机械疲劳——温度循环与应变循环叠加。腐蚀疲劳——腐蚀环境与循环应力的复合作用。接触疲劳——滚动接触零件在循环应力作用下产生损伤。微动磨损疲劳——接触面的微幅相对振动造成磨损疲劳。冲击疲劳——重复冲击载荷所导致的疲劳。3.疲劳的分类46液压疲劳实验机微型宽频拉-扭疲劳实验机47软压疲劳实验机高频疲劳实验机48电液伺服脉冲疲劳实验台多轴高温结构疲劳实验机49菲利轮旋转构件疲劳/蠕变实验系统曲轴疲劳实验机50滚动疲劳实验机51疲劳破坏总是由应力应变最高和位向最不利的薄弱晶粒或夹杂等缺陷处起始，并沿着一定的结晶面扩展。所以金属的疲劳破坏与多晶体的非均质性和各向异性密切相关。一般说来，金属的疲劳破坏可以分为三个阶段：疲劳裂纹萌生疲劳裂纹扩展失稳断裂4.金属疲劳破坏机理524.1.1裂纹萌生的概念肉眼能观察到的最小裂纹长度电子显微镜的观察范围疲劳初期形成的裂纹最小长度为数微米工程尺寸裂纹的概念——疲劳裂纹的起始长度为0.076mm。因检测手段而异，钢轨因超声波的探测灵敏度，一般定为1-2mm。4.1疲劳裂纹萌生0.2-0.3mm3-5Å534.1.2裂纹萌生的机理疲劳裂纹总是首先在应力最高，强度最弱的基体上形成。机械加工的切削纹表面擦伤结构上的内圆角亚表面的夹杂物等应力集中处4.1疲劳裂纹萌生裂纹萌生的形式54裂纹萌生主要有以下三种形式：夹杂物和基体界面开裂：滑移带开裂：晶界开裂：4.1疲劳裂纹萌生普通金属材料纯金属、单相合金高温下的材料551)夹杂物和基体界面开裂：在金属材料中，不同程度地存在一些非金属夹杂物。钢轨中存在如下氧化物：氧化铝氧化镁强化引入的第二相粒子裂纹萌生：夹杂物在交变应力作用下与基体沿界面分离；夹杂物或粒子本身在交变应力作用下发生断裂。4.1疲劳裂纹萌生564.1疲劳裂纹萌生57减少夹杂物减少第二相的粗大粒子4.1疲劳裂纹萌生有效延迟疲劳裂纹的萌生钢液的真空处理电渣重熔等工艺减少钢中的气体及夹杂物582)滑移带开裂：在软金属材料中，疲劳裂纹一般起始于晶界附近或在某些滑移带上。在单向静拉伸载荷作用下，金属试件的抛光表面可以观察到滑移带，而同样疲劳过程的金属表面也出现滑移带，与一般静载过程出现的塑性变形相似，但疲劳过程产生的