疲劳与断裂-讲课(课堂PPT)

1疲劳与断裂2第一章概述…………………………3-27第二章应力疲劳……………………28-83第三章疲劳应用统计学基础………84-137第四章应变疲劳……………………138-194第五章断裂失效与断裂控制设计…195-251提纲31.2疲劳断裂破坏的严重性第一章概述introduction1.1什么是疲劳？疲劳与断裂1.3抗疲劳设计方法1.4疲劳破坏机理与断口特征1.5疲劳问题研究方法返回主目录41.2疲劳断裂破坏的严重性1982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，No2，19855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%。6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。7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。8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。9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101.3抗疲劳设计方法控制应力水平，使裂纹不萌生或不扩展，即：SSforKKth无限寿命设计(Infinite-lifedesign)控制疲劳裂纹萌生的是应力幅Sa。Sa小于疲劳极限值Sf时，将不发生疲劳破坏。控制疲劳裂纹扩展的是应力强度因子K=f(S,a)。K小于疲劳裂纹扩展门槛值Kth时，裂纹不扩展。对于气缸阀门、顶杆、弹簧，长期频繁运行的轮轴等，无限寿命设计至今仍是简单而合理的方法。11研究载荷水平与疲劳寿命的关系；建立描述材料疲劳性能的S-N、e-N曲线。不需经受很多次循环的构件，无限寿命设计很不经济。用于民用飞机，容器，管道，汽车等。按照S-N或e-N曲线设计，使构件在有限长设计寿命内，不发生疲劳破坏的设计---安全或有限寿命设计。安全寿命设计(Safe-lifedesign)12选用韧性较好、裂纹扩展缓慢的材料，以保证有足够大的ac和充分的时间，安排检查并发现裂纹。20世纪70年代提出的损伤容限设计：假定构件中存在着裂纹，用断裂分析、疲劳纹扩展分析和试验验证，保证在定期检查肯定能发现前，裂纹不会扩展到足以引起破坏。由于裂纹存在，安全寿命设计并不能完全确保安全。损伤容限设计(Damagetolerancedesign)13各种方法互相补充，适应不同设计需求，不是相互取代的。耐久性设计(Durabilitydesign)20世纪80年代起，以经济寿命为目标的耐久性设计概念形成。耐久性是构件和结构在规定的使用条件下抗疲劳断裂性能的一种定量度量。先定义疲劳破坏严重细节群（如孔等）的初始疲劳质量---初始损伤状态；再用疲劳或疲劳裂纹扩展分析预测在不同使用时刻损伤状态的变化；然后确定其经济寿命，制订使用、维修方案。143)裂纹源在高应力局部或材料缺陷处。4)与静载破坏相比，即使是延性材料，也没有明显的塑性变形。5)工程实际中的表面裂纹，一般呈半椭圆形。飞机轮毂疲劳断口典型疲劳断口，特征明显：1)有裂纹源、裂纹扩展区和最后断裂区三个部分。2)裂纹扩展区断面较光滑，通常可见“海滩条带”,还可能有腐蚀痕迹。裂纹源裂纹扩展区海滩条带最后断裂区孔边角裂纹断口1.4疲劳破坏机理与断口特征一、断口宏观特征15疲劳破坏与静载破坏之比较疲劳破坏S＜Su破坏是局部损伤累积的结果。断口光滑，有海滩条带或腐蚀痕迹。有裂纹源、裂纹扩展区、瞬断区。无明显塑性变形。应力集中对寿命影响大。由断口可分析裂纹起因、扩展信息、临界裂纹尺寸、破坏载荷等，是失效分析的重要依据。静载破坏S＞Su破坏是瞬间发生的。断口粗糙，新鲜，无表面磨蚀及腐蚀痕迹。韧性材料塑性变形明显。应力集中对极限承载能力影响不大。16二、疲劳破坏机理及断口微观特征疲劳裂纹萌生机理：裂纹起源（裂纹源）在何处？高应力处：1）应力集中处；缺陷、夹杂，或孔、切口、台阶等2）构件表面；应力较高，有加工痕迹，平面应力状态，易于滑移发生。疲劳裂纹的起始或萌生，称为疲劳裂纹成核。疲劳裂纹成核扩展至临界尺寸断裂发生17延性金属中的滑移材料表面材料表面a)粗滑移b)细滑移约0.1mN=104N=5104N=2.7105（多晶体镍恒幅应力循环）扰动载荷应力集中滑移带驻留滑移带微裂纹、扩展宏观裂纹、扩展18裂纹由持久滑移带成核，最大剪应力控制。沿最大剪应力面，第一阶段扩展沿垂直于载荷作用线的最大拉应力面扩展，第二阶段从第1阶段向第2阶段转变所对应的裂纹尺寸主要取决于材料和作用应力水平，一般只有几个晶粒的尺寸(~0.05mm)。第1阶段裂纹扩展的尺寸虽小，对寿命的贡献却很大，对于高强材料，尤其如此。阶段1阶段2SS疲劳裂纹扩展二阶段S材料表面循环载荷作用持久滑移带几条微裂纹一条主裂纹19疲劳裂纹扩展机理c.充分张开，裂尖钝化，开创新表面；d.卸载,裂纹收缩，但新开创的裂纹面却不能消失;e.裂纹锐化，但已扩展了一个a。裂纹张开、钝化、锐化、扩展，每一个应力循环，将在裂纹面上留下一条痕迹（striation）。“塑性钝化模型”C.Laird(1967)a.开始时的裂尖形状；b.应力增加，裂纹张开，裂尖材料沿tmax方向滑移；t(e)(d)(c)(b)(a)S0cbade塑性钝化过程20Cr12Ni2WMoV钢疲劳条纹:(金属学报,85)透射电镜：1-3万倍疲劳条纹(striation)不同于海滩条带(beachmark)tS谱块循环条带条纹21疲劳裂纹扩展的微观机理1976Crooker微孔聚合型microvoidcoalescence高应力、韧材料微解理型microcleavage低应力、脆性材料条纹型striationCr12Ni2WMoV钢疲劳断口微观照片:(金属学报,85)三种破坏形式:条纹间距=da/dN?22疲劳断口观察工具与观察内容的关系:1-10×10-1000×1000×以上放大倍数观察工具肉眼，放大镜金相显微镜电子显微镜观察对象宏观断口，裂纹源，滑移，条纹，微解理海滩条带；夹杂，缺陷；微孔聚合23疲劳断口分析，有助于判断失效原因，可为改进疲劳研究和抗疲劳设计提供参考。因此，应尽量保护断口，避免损失了宝贵的信息。4.由疲劳断口进行初步失效分析断口宏观形貌:是否疲劳破坏?裂纹临界尺寸?破坏载荷？是否正常破坏？金相或低倍观察：裂纹源？是否有材料缺陷？缺陷的类型和大小？高倍电镜微观观察：“海滩条带”+“疲劳条纹”，使用载荷谱，估计速率。24恒幅载荷S，R=-1基本疲劳性能S-N曲线实验研究平均应力的影响Goodman直线缺口影响尺寸、光洁度等影响构件S-N曲线（各种修正）无限寿命设计寿命预测变幅载荷Miner累积损伤理论安全寿命设计随机载荷雨流计数法1.5疲劳问题研究方法裂纹扩展规律断裂力学规律损伤容限设计25Threeprimaryfatigueanalysismethodswhicharethestress-lifeapproach,strain-lifeapproach,andthefracturemechanicsapproach,willbediscussed.Thesemethodshavetheirownregionofapplicationwithsomedegreeofoverlapbetweenthem.将要讨论三种基本疲劳分析方法，即应力-寿命法、应变寿命法和断裂力学方法。这三种方法有其各自的应用范围，相互之间又有某种程度的交叉。26Theunderstandingofanyoneofthesemethodsprovidesatechniquewhichmaybeusedtoperformafatigueanalysis.However,itistheinsights(见识、洞察力)gainedfromtheunderstandingofallthesemethodswhichallowtheengineertochoosethemethodormethodsthataremostappropriateforthegivenproblem.理解了任何一种方法，就有了一种进行疲劳分析的技术。然而，只有理解了所有三种方法后获得的认识，才使工程师能选择最适用于给定问题的方法。27再见！谢谢！本章完再见！思考题：1-1~1-4返回主目录28第二章应力疲劳2.1S-N曲线2.2平均应力的影响2.3影响疲劳性能的若干因素2.4缺口疲劳2.5变幅载荷谱下的疲劳寿命2.6随机谱与循环计数法返回主目录29应力疲劳:SmaxSy，Nf104，也称高周疲劳。应变疲劳:SmaxSy，Nf104，也称低周应变疲劳。应力水平（S）用R和Sa描述。寿命（N）为到破坏的循环次数。研究裂纹萌生寿命，“破坏”定义为：1.标准小尺寸试件断裂。脆性材料2.出现可见小裂纹,或可测的应变降。延性材料应力s应变eSyo第二章应力疲劳2.1S-N曲线30R=-1(Sa=Smax)条件下得到的S-N曲线。基本S-N曲线：1.一般形状及特性值用一组标准试件，在R=-1下，施加不同的Sa，进行疲劳试验，可得到S-N曲线。S-N曲线上对应于寿命N的应力，称为寿命为N循环的疲劳强度。S103104105106107NfSN疲劳强度(fatiguestrength)SN：31“无穷大”一般被定义为：钢材，107次循环；焊接件，2×106次循环；有色金属，108次循环。S103104105106107NfSNSf疲劳极限(endurancelimit)Sf：寿命N趋于无穷大时所对应的应力S的极限值Sf。特别地，对称循环下的疲劳极限Sf(R=-1)，简记为S-1.满足S＜Sf的设计，即无限寿命设计。322.S-N曲线的数学表达1)幂函数式Sm.N=Cm与C是与材料、应力比、加载方式等有关的参数。二边取对数，有:lgS=A+BlgNS-N间有对数线性关系；参数A=LgC/m,B=-1/m。LgS34567LgNSf33考虑疲劳极限Sf，且当S趋近于Sf时，N。2)指数式：ems.N=C二边取对数后成为：S=A+BlgN（半对数线性关系）最常用的是幂函数式。高周应力疲劳，适合于N103-104。S34567LgNSf3)三参数式(S-Sf)m.N=C343.S-N曲线的