活动断裂特点-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1
关于活动断裂
一、《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）：
5.8.1抗震设防烈度等于或大于7度的重大工程场地应进行活动断裂勘察。活动断裂勘察应查明活动断裂的位置和类型，分析其活动性和地震效应，评价活动断裂对工程建设可能产生的影响，并提出处理方案。活动断裂的勘察和评价是重大工程在选址时应进行的一项重要工作。重大工程一般指对社会有重大价值或者有重大影响的工程，如医疗、广播、通信、交通、供水、供电、供气等工程。重大工程的具体确定，应按国务院、省级人民政府和各行业部门的有关规定执行。大型工业建设场地或者《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）规定的甲类、乙类及部分重要的丙类建筑，应属于重大工程。当前国内外地震地质研究成果和工程实践经验都较为丰富，在勘察和评价活动断裂中一般都可以通过搜集、查阅文献资料、进行工程地质测绘和调查就可以满足要求，只有在必要的情况下，才进行专门的勘探和测试工作。搜集和研究厂址所在地区的地质资料和有关文献档案是鉴别活动断裂的第一步，也是非常重要的一步，在许多情况下甚至只要搜集、分析、研究已有的丰富的文献资料，就能基本查明和解决有关活动断裂的问题。在充分搜集已有文献资料和进行航空相片、卫星相片解译的基础上进行野外调查，开展工程地质测绘是目前进行断裂勘察、鉴别活动断裂的最重要、最常用的手段之一。断裂的地震工程分类应符合下列规定：
1．全新活动断裂
为在全新地质时期（一万年）内有过地震活动或近期正在活动，在今后一百年可能继续活动的断裂；全新活动断裂中，近期（近500年来）发生过地震震级M≥5级的断裂，或在今后100年内，可能发生M≥5级的断裂，可定为发震断裂；
2．非全新活动断裂：一万年以前活动过，一万年以来没有发生过活动的断裂。
全新活动断裂分级
指标
断裂分级活动性平均活动速率
ν（mm/a）
历史地震震级M
Ⅰ强烈全新活动断裂中晚更新世以来有活动，全新世活动强烈ν＞1?M≥7
Ⅱ中等全新活动断裂中晚更新世以来有活动，全新世活动较强烈1≥ν≥7＞M≥6
Ⅲ微弱全新活动断裂全新世有微弱活动ν＜?M＜6
5.8.4断裂勘察，应搜集和分析有关文献档案资料，包括航空相片，区域构造地质，强震震中分布，地应力和地形变，历史和近期地震等。
断裂勘察工程地质测绘，除应符合《岩土工程勘察规范》第八章的要求外，尚应包括下列内容的调查：
1．地形地貌特征：山区或高原不断上升剥蚀或有长距离的平滑分界线；非岩性影响的陡坡、峭壁，深切的直线性河谷，一系列滑坡、崩塌和山前叠置的洪积扇；定向断续线形分布的残丘、洼地、沼泽、芦苇地、盐碱地、湖泊、跌水、泉、温泉等；水系定向展布或同向扭曲错动等。
2．地质特征：近期断裂活动留下的第四系错动，地下水和植被的特征；断层带的破碎和胶结特征等；深色物资宜采用放射性碳（C14）法，非深色物资宜采用热释光法或铀系法，测定已错动层位和未错动层位的地质年龄，并确定断裂活动的最新时限。
3．地震特征：与地震有关的断层、地裂缝、崩塌、滑坡、地震湖、河流改道和砂土液化等。
大型工业建设场地，在可行性研究勘察时，应建议避让全新活动断裂和发震断裂。避让距离应根据断裂的等级、规模、性质、覆盖层厚度、地震烈度等因素，按有关标准综合确定。非全新活动断裂可不采取避让措施，但当浅埋且破碎带发育时，可按不均匀地基处理。
二、《工程地质手册》（第四版）：
1、活动性断裂划分的时间界限
在我国由于第四系的早更新世和中更新世之间的构造运动是一次大范围的，它引起的断裂活动基本上是一直延续至今。而且，由中更新世至今
几十万年间的具体活动部位也没有多大变化，这个时期以来的活动性断裂与现代地震活动在空间分布上大体也相吻合。所以把中更新世以来有过活动痕迹的断裂，定为划分活动断裂的时间界线比较适宜。也可根据工程建设的需要，在近代地质时期（一万年）内有过较强烈地震活动或近期正在活动、在将来（今后一百年）可能继续活动的断裂定为全新活动断裂。2．活动性断裂的判别特征：中更新世以来的第四系地层中发现有断裂（错动）或与断裂有关的伴生褶曲；断裂带中的侵入岩浆其绝对年龄新或者对现场新地层有扰动或接触烘烤剧烈；在实际工作中遇到上述两条有充分依据来判断活动性断裂的情况不多，可寻找一些间接地质现象作为判断活动性断裂的佐证，比如：活动性断裂常常表现为在山区和平原有长距离的平滑分界线；沿分界线常有沼泽地、芦苇地呈串珠状分布；泉水呈线状分布；有的泉水有温度升高和矿化度明显增大的现象；有的有一定规律的形态完整的地表构造地裂缝；有的在断层面上有一种新的擦痕叠加在有不同矿化现象的老擦痕之上。另外，由断层新活动引起的河流横向迁移，阶地发育不对称，河流袭夺，河流一侧出现大规模的滑坡，文化遗迹的变位，植被被不正常干扰等。三、《简明岩土工程勘察设计手册》（林宗元）：
1、深断裂带与活动断裂
深断裂带均是高能量的地震震源。断裂深度愈大，断裂带（面）所受围压愈大，抗剪强度愈高，破坏所需的剪应力值亦愈大。因此，产生的
应变释放能量高，地震震级就高。高震级地震是由深断裂形变产生的。因此评价区域地壳稳定性关键是对深断裂的分析与研究。
1．深断裂的地质分析
确定深断裂切割深度的地质分析方法，主要是研究火成岩类型、变质岩带的特征和其它特殊的地质标志。
表1深断裂类型及其地质标志
断裂类型地质标志
基底断裂上部地壳岩浆源的花岗岩、闪长岩、正长岩以及与其成分相应的火山岩带；串珠状沉积盆地的分布地带。
地壳断裂大陆拉斑玄武岩、辉长岩、辉绿岩；中－深变质带；过渡性地壳（相当于冒地槽）残余分布带
岩石圈断裂超基性岩、金伯利岩、榴辉岩和幔源辉长岩、玄武岩、细碧角斑岩和蛇绿岩套分布带以及高压变质带（蓝闪片岩带）等；还有幔源火成岩带和标志古大洋地壳（相当优地槽）的残留带
2．深断裂的地球物理分析方法
深断裂的地球物理特征可显示其现代存在状态和活动性。其物理特征主要包括重力异常、航磁和地震规律的分析等。探测深断裂的探测方法主要有重力测量、地震测量（包括天然和人工地震）、航空磁测及大地电磁测深等方法。
3．活动断裂的分类、分级
《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）规定：抗震设防烈度等于或大于7度的重大工程场地应进行活动断裂勘察。这里所指的重大工程场地包括大型工业建设场地或者《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）规定的甲类、乙类及部分重要的丙类建筑。并规定：
a．全新活动断裂为在全新地质时期（一万年）内有过地震活动或近期正在活动，在今后一百年可能继续活动的断裂；全新活动断裂中近期（近500年来）发生过地震震级M≥5级的断裂，或在今后100年内，可能发生M≥5级的断裂，可定为发震断裂；
b．非全新活动断裂：一万年以前活动过，一万年以来没有发生过活动的断裂。
表2 全新活动断裂分级
指标
断裂分级活动性平均活动速率
ν（mm/a）
历史地震震级M
Ⅰ强烈全新活动断裂中晚更新世以来有活动，全新世活动强烈ν＞1?M≥7
Ⅱ中等全新活动断裂中晚更新世以来有活动，全新世活动较强烈1≥ν≥7＞M≥6
Ⅲ微弱全新活动断裂全新世有微弱活动ν＜M＜6
4．活动断裂的鉴别与调查
判别活动断裂有地质地貌标志、历史标志和古地震标志，其中以地质地貌标志为主。
（1）地质地貌标志
a．活动断裂的线形地貌标志：如沿断裂带的断层崖、断层梯形面及三角面、洪积扇、泉水等；
b．活动断裂与河流地貌：河谷、溪流、山脊、冲沟的水平位错，河流同步弯曲或直角转折；断裂两盘阶地发育不对称，阶地级数、阶面高程和阶地类型都不一致，基岩型阶地阶面高程的突然变化；
c．活动断裂与盆地地貌：一个单独的盆地周围受不同方向的活动断裂围限时盆地边缘山麓线比较直，或呈折线状，且山坡较陡。由于断层两盘的差异活动，在横剖面上呈阶梯状陷落，构成一系列的地堑、地垒式构造；正断层形成的封闭洼陷或下陷池塘；
d．第四系地层中发现断层露头，并连续或断续分布，第四系最新地层被错开；
e．在缺失第四系地层的基岩地区鉴别活动断裂时主要靠发现研究断层破碎带，采取断层泥样品实测地质年龄来确定是否属于活动断裂。
（2）历史标志
历史上记录的地震证据和说明、地表错断的证据和说明及断层错动的大地测量记录等。
（3）地震标志
断裂的错动引起地震，历史上沿发震断裂呈带状分布的多次中强地震也是断裂活动的标志。
古地震所造成的各种残留的地质现象是识别古地震的主要标志，如：古地震断层、古地震沟、古地裂缝、古地震滑坡、古地震崩塌、古地震液化、古地震湖（塘）沉积层弯曲、褶皱、古地震楔等。
古地震一般是指人类历史有记载以前所发生的地震，广义的古地震主要是指第四系以来的史前地震。古地震的年代确定一般用地质年代学方法，根据古地震遗迹所处层位和上覆地层的年代来加以确定。
5．断裂最新活动年龄的确定
断裂最新活动年龄的确定是活动断裂工程评价的基础。地震危险性分析对各类工程按其重要性不同采用不同的概率标准和风险度。重大工程概率要求小，相应要求风险度要低，断裂活动周期要求长些。
a．生命线工程和一般的工业与民用建筑（即乙、丙、丁类建筑）只需考虑全新世时期一万年以来有活动的工程活动断裂。这类工程以全新世作为活动年龄标准。
b．特殊重大工程（即甲类工程）为保证其绝对安全，应延长断裂的活动年龄段，到晚更新世10万年为标准。以晚更新世作为断裂活动年龄标准，晚更新世以前的不予考虑。
6、断裂发震的标准
断裂最强活动是地震，因此，活动断裂工程评价的直接标准是否具有震中烈度I0≥6°的发震断裂条件，特别重要的工程是否具有震中烈度I0≥8°的严重破坏的发震条件。因为这时既有高烈度影响要抗震设防，同时又将出现地震断层，建筑物要防止位错。评价活动断裂发震标准的要点是未来工程使用期内可能出现的最大震级和震中烈度，断裂如不在工程区域内的要确定邻近强震影响下的影响场的烈度，作为工程建设抗震设防的依据。对可能出现的地震断层的发震断裂评价时，要考虑第四系覆盖层厚度对产生地震断层的抑制作用，不同类型建筑对起始覆盖层厚度有不同要求，可按照活动断裂埋藏条件分别进行评价。必须着重指出：第四系地层厚度是指未经受错动的原状厚度，对于隐伏于第四系地层中的断裂，要以其上断点的埋藏深度作为真实厚度评价依据。因此这里要求：凡一般的工业与民用建筑可以第四系地层厚度作为评价依据，可不查清断裂上断点的埋深；但是对于甲类工程必须查清第四系地层中有无隐伏断裂及其上断点的埋藏深度，以真实的厚度作为覆盖影响的评价依据。7．活动断裂位错的工程防裂评价一次地震中，由于场地条件的不同，引起建筑物的反应有很大的差异。场地的地震效应主要表现在以下几方面：（1）场地土层软硬及厚度的影响一般土层软弱、覆盖厚度大时，反应谱在长周期部分反应突出。地震动时间长，在这类场地上建造的长周期建筑物与地基往往产生共振，导致高层建筑破坏加重。为此规范要求，根据场地土类别及覆盖层厚度两项指标对建筑场地类别进行划分。（2）场地与
地基土层地震液化可能性饱和的砂类土及粉土在地震中如发生液化，将导致建筑物产生沉降或差异沉降，引起建筑物开裂破坏，或造成大面积地面沉降，这方面的破坏事例在国内外历次地震中累见不鲜。因此，场地地震效应分析中，对饱和砂类土及粉土进行液化与否的判别是重要内容。
(3)断裂对地面建筑影响
强震区对重大工程场地应进行断裂勘察，查明场地内是否分布有断裂，其位置、规模、性质、类型、最新活动年代及产生地震的历史等。
《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）根据最新研究成果及大型离心模拟实验，在《岩土工程勘察规范》的基础上提出了对一般建筑物的评价标准：
场地内存在发震断裂时，应对断裂的工程影响进行评价，应符合下列要求：
对符合下列规定之一的情况，可忽略发震断裂错动对地面建筑的影响：
①抗震设防烈度＜8度；
②非全新活动断裂；
③抗震设防烈度为8、9度时，前第四系基岩隐伏断裂的土层
覆盖厚度分别大于60m和90m。
如不符合上述情况时，应避开主断裂带。避让距离不宜＜下表对发震断裂最小避让距离的规定。
表3发震断裂的最小避让距离
烈度建筑抗震设防类型
甲乙丙丁
8专门研究300m200m－
9专门研究300m300m－
(4)不利地形部位的影响
不利地形部位对地震动是有放大作用的，但由于研究深度不够，所以在老的《建筑抗震设计规范》中没有规定。近些年由于震害实例增多，并经过大量有限元计算分析，在新修订的《建筑抗震设计规范》中新增加了不利地形部位对地震影响系数的调整方案。即：当需要在条件突出的山嘴、高耸孤立的山丘、非岩石的陡坡、河岸和边坡边缘等不利地段建筑丙类及丙类以上建筑时，除保证其在地震作用下的稳定性外，尚应估计不利地段对设计地震动参数可能产生的放大作用，其地震影响系数最大值应乘以增大系数。其值可根据不利地段的具体情况确定，但不宜大于。
本条中以突出地形的高度H,边坡降的正切H/L以及场址距突出地形边缘的相对距离L1/H作为参数，对各种地形的地震放大作用按公式和下表调整。
λ=1+ξα
式中λ－局部突出地形顶部的地震影响系数的放大系数；
α－局部突出地形地震动参数的增大幅度，按下表采用；
ξ－附加调整系数，与建筑场地离突出台地边缘的距离L1与相对高差H的比值有关。当L1/H＜时，ξ可取1；当≤L1/H＜5时，ξ可取；L1/H≥5时,ξ可取；L、L1按距离场地的最近点考虑。
表4
局部突出地形地震动参数的增大幅度α
突出地形的高度H/m非岩质地层H＜55≤H＜15?15≤H＜25?H≥25
岩质地层H＜2020≤H＜40?40≤H＜60?H≥60
局部突出台地边缘的侧向平均坡降
H/LH/L＜0
≤H/L＜
≤H/L＜1
H/L≥1?
最大调整幅度是根据分析结果和综合判断给出的。本条的规定对各种地形，包括山包、山梁、悬崖、陡坡都可以应用。
8．断裂的活动方式和活动速率
活动断裂有缓慢蠕动和突然错动两种基本活动方式。蠕动在活动断裂带普遍存在，一般不直接产生地震，突然错动往往产生地震，但有部分活动断裂的长期蠕动达一定程度时有可能速率明显增加而导
致突然错动引发地震。因此，研究断层的蠕动是可以进行地震预报的。
大量的活动速率有地质的、历史的和现代仪器测量的。现代活动速率代表今天的活动水平，以此作为活动断裂工程评价标准之一，地震的和历史的活动速率可作参考。在中国东部地区的活动断裂年活动速率S≥1mm/a,西部地区要求活动速率S≥5mm/a的活动断裂将有可能发生中强级以上的地震。
9．活动断裂的工程效应
断裂最强活动是地震，断裂的工程效应也是地震的工程效应。
活动断裂的工程效应主要有：地震振动波直接破坏建筑物；地震断层的位错剪切破坏建筑物；强地动影响下使部分场地或地基失效而破坏建筑物，如强震引起的山崩、滑坡、饱和土液化等。
工程效应不同工程措施也不同。对于地震动的破坏，是大范围的，主要是采取就地按烈度抗震设防加固的措施，当然对在高烈度区的新建工程也可以易地另选场址。
地震断层的位错影响主要局限在断裂带或其两侧一定的范围内，沿其走向方向狭长的条带状，范围是有限的，完全可以采取避开建设的措施，根据建筑物重要性不同，避开的距离可采用不同的建筑安全距离。
场地或地基失效与地震强度和场地本身的地质地形条件有直接关系。场地失稳的工程抗震措施主要在大震级高烈度条件下考虑，可
以先行勘察查明，属危险区者可以调整布置，局部避开，或抗震加固。
10．活动断裂的最大可能震级与震中烈度的确定
评估断裂活动的最大可能震级是一个复杂的不确定性的问题，根据已有经验和资料综合评估，震级与发震断层长度和位移量关系密切，统计的相关关系有：
M＝+ lgL和M＝+ lgD
以上两式研究范围为中国及邻区，L为断层长度（km）；D为位移量（m），M为震级。
中国地震震级M和震中烈度I0统计经验关系。
M＝ I0+ lgL(1980邓起东)
发震断裂不在本工程场地内，与长度相距一定的距离，邻近强震影响到本场地的烈度叫影响场烈度，它是本场地工程抗震设防的依据。该烈度可据《中国地震动峰值加速度区划图》由设计基本地震加速度需要查得。
表5抗震设防烈度与设计基本地震加速度值的对应关系
抗震设防烈度6789
设计基本地震加速度
11．活动断裂最危险地段的确定
活动断裂系统具有分段活动特征，同一条断裂的活动在几何学、运动学、地球物理场异常等方面均呈现分段性，且不同地区的断
裂活分段作用特征也大不相同。断裂作用的方式表现为孕震、减震、隔震和无震滑动等。强烈地震往往发生在活动深断裂带的特殊部位，在实地调查中应特别重视与研究的地段有：
①两条或多条第四纪以来活动断裂交汇，或交而不汇区及活动断裂曲折、弯曲最突出的部位；②第四纪以来活动断陷盆地内断距较大的一侧；③活动深断裂围限的三角形、四边形等构造闭锁段；④活动断裂带的两头常是震中往返跳动的地方，在端部应力集中并进一步推动它继续被延伸的地点；⑤活动断裂带上具有强活动速率地段或跨断裂带地形变测量的显着形变梯度带；⑥活动断裂带有多次强震重复发生或活动断裂带缺震区。
12．
大地震复发周期和“警告断裂”
大地震复发周期是指震级M≥7的地震源地（或邻近约10km 范围内）重复发生同等级的大地震相隔的时间（a）,估计大地震复发周期的作用有二，一是评价发震断裂大震频度特征；二是评估大震危险性。发震断裂大震复发周期估计的方法有：根据完整的长时间序列的历史地震记录来估计大震复发周期；古地震研究估计大震复发周期。直接的方法是用发震断裂带上的古地震序列两次大地震的古地震事件的年龄间隔，即为大震复发周期；间接地用震裂滑移速率来估算大地震重复周期。大震重复周期与断裂的平均滑移速率成反比，与一次强震位错量成正比。即：
RX=D/S
式中：RX－大地震复发周期（a）
D－一次强震位错量（mm）
S－发震断裂的长期平均滑移速率（mm/a）
考虑活动断裂的蠕动影响时有RX=D/（S－C） C-蠕动速率（mm/a）
近年来中国研究出12个大地震的重复周期，大部分为1500～3000a，平均2700a；国外的研究，大陆板内地震，大地震周期大多在2000a。
大地震周期是比较长的，比工程周期大2～3个数量级。但是在地震危险性分析中，特别应注意前次大震至今的时间（年），时间愈长则距下次发生新的大震的时间就愈近，对工程建设危险性就增大，因此，提出了“警告断裂”的专门术语，用下式可以粗略估计断裂的潜在危险程度。
E=t/T
式中：E－重复发生率；
t－距前次大震的时间（a）
T－大震平均重复周期（a）。
当E＞时，发震断裂为“警告断裂”，即有发生大地震的可能性，E值愈大，大震可能性愈大，危险性愈高。即表示前次大震距今年限已接近大地震周期了。
当E＜时，表示前次大震距今年限不长，小于大地震重复周期，故不可能原地重复发生前次一样震级的大地震，不够“警告断裂”的标准，可以认为是安全的。
13．
极高烈度区工程抗震措施
对烈度（基本烈度或设防烈度）为6°～9°区的工程，按现行规范抗震设防。
对于已建在10°极高烈度区的城镇或工程，其抗震设防应专门研究。对于将拟建在10°的新建城市或新建工程，抗震的原则是采取远离的措施。远离的安全距离为：
a．8级大震的10°区新建城市和新建工程应远离震中20km 以外。
级的10°区新建城市与新建工程应避开8km以外建设。
14．水库诱发地震潜在危险性评价
（1）评价原则
水库诱发地震潜在危险性评价，是根据库区的地质环境、地应力状态、地震活动背景与孕震断裂附近岩体的导水性等条件进行评价，也可进行统计分析作出概略性估计，或采取两种方法相组合的评价原则对水库诱发地震的潜在危险性作出预测。
（2）评价内容
a．圈出可能诱发地震的地段；
b．确定不同地段可能发生的最高震级；
c．根据震级与烈度关系和衰减规律给出坝址、库区和重要居民点烈度；
d．必要时给出坝址的峰值加速度、时程曲线和加速度反应谱。
（3）发生地点的预测
根据目前掌握的资料，水库诱发地震主要有构造型与非构造型两类。
a.易发生构造型水库诱发地震的综合地质条件有：①块状或层状坚硬岩体组成的库段；②库、坝区有区域性断裂通过；③库、坝区有活断层，尤其是它的端点、交点、拐点以及雁列式断层的错列区；
④新生代以来继承性活动盆地的边缘，具有强烈差异活动的地段；⑤断裂和破碎带有一定的规模和导水能力，断裂带与水库水有直接接触，有可能成为库区通往地质体深部的通道；⑥库、坝区地应力不均匀，有明显的地应力集中或导致地应力集中的地质构造；⑦沿断层有可靠的历史地震记载或仪器记录的地震活动。
b．易发生非构造型水库诱发地震（以岩溶塌陷型为主）的综合地质条件有：①库区有较大面积的碳酸盐岩类分布；②现代岩溶作用发育，并可见明显的岩溶管道系，蓄水前已有岩溶塌陷或岩溶气爆型地震的记载；③一定的气象和水文条件；④合适的岩溶水文地震条件。
15．断裂评价原则
《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）对全新活动断裂、发震断裂的地震效应评价的规定：
a．对重大工程场地或大型工业场地在可行性研究中，对可能影响工程稳定性的全新活动断裂应采取避让的处理措施，避让距离应按断裂的等级、规模、区域地质环境、地震烈度、覆盖厚度以及工程的重要性按表3确定。b．对深埋的全新活动断裂或发震断裂，当发生地震地面不会产生构造性地裂的场地，可按《建筑抗震设计规范》
（GB50011-2001）规定的抗震措施进行评价。c．对非全新活动断裂可不采取抗震措施，当断裂破碎带发育时，宜按不均匀地基处理。
第三部分疲劳断裂 疲劳断裂是金属结构失效的一种主要型式，典型焊接结构疲劳破坏事例表明疲劳断裂几率高，具有广泛研究意义。疲劳破坏发生在承受交变或波动应变的构件中，一般说来，其最大应力低于材料抗拉强度，甚至低于材料的屈服点，因此断裂往往是无明显塑性变形的低应力断裂。 疲劳断裂过程的研究表明，疲劳寿命不是决定于裂纹产生，而是决定于裂纹增大和扩展。因此，本章将在介绍疲劳断裂的基本特征和基本概念基础上，利用断裂力学原理着重分析疲劳裂纹的扩展机理、规律、影响因素及疲劳寿命估算。 §3-1疲劳的基本概念 在交变载荷作用下，金属结构产生的破坏现象称为疲劳破坏。为防止结构在工作时发生疲劳破坏传统疲劳设计采用σ―N曲线法确定疲劳强度。 一、应力疲劳和应变疲劳 1、应力疲劳 在低应力、高循环、低扩展速率的疲劳称为应力疲劳，也叫弹性疲劳。七特点是在应力循环条件下，裂纹在弹性区内扩展，且裂纹扩展速率低。 2、应变疲劳 在高应力、低循环、高扩展速率下的疲劳称为应变疲劳，也叫塑性疲劳。其特点是应变幅值很高，最大应变接近屈服应变，故疲劳裂纹扩展速率高（达每次循环10-2mm），寿命短（小于104周）。 二、疲劳强度和疲劳极限 1、乌勒（W?hler）疲劳曲线 （1）结构在多次循环载荷作用下，在工作应力σ（σmax）小于强度极限σb 时即破坏，在不同载荷下使结构破坏所需的加载次数N也不同，表达结构破坏载荷σ和所需加载次数N之间的关系（σ―N）即为乌勒（W?hler）疲劳曲线。 （2）疲劳曲线在加载次数N很大时趋于水平，若以σ―lgN表示则为两段直线关系 （3）图示（略） 2、疲劳强度（条件疲劳极限） （1）疲劳曲线上对应于某一循环次数N的强度极限σ即为该循环下的疲劳 强度（σ r ） （2）σ r =f（N）σ r 对应σmax，一般N<107 3、疲劳极限 （1）结构对应于无限次应力循环而不破坏的强度极限即疲劳极限（2）为σ―lgN疲劳图中的水平渐近线
收藏【技术类】 金属疲劳断口的宏现形状特征 (2011-1-21 13:38:36) 疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记录了很多断裂信息。具有明显区别于其他任何性质断裂的断口形貌特征，而这些特征又受材料性质、应力状态、应力大小及环境因素的影响，因此对疲劳断口分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的重要方法。 一个典型的疲劳断口往往由疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个部分组成，具有典型的“贝壳”状或“海滩”状条纹的特征，这种特征给疲劳失效的鉴别工作带来了极大的帮助。 1、疲劳裂纹源区 疲劳裂纹源区是疲劳裂纹萌生的策源地，是疲劳破坏的起点，多处于机件的表面，源区的断口形貌多数情况下比较平坦、光亮，且呈半圆形或半椭圆形。因为裂纹在源区内的扩展速率缓慢，裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多，所以其断口较其他两个区更为平坦，比较光亮。在整个断口上与其他两个区相比，疲劳裂纹源区所占的面积最小。 当表面承受足够高的残余压应力或材料内部存在严重的冶金缺陷时，裂纹源则向次表面或机件内部移动。有时在疲劳断口上也会出现多个裂纹源，每个源区所占面积往往比单个源区小，源区断口特征不一定都具有像单个源区那样典型的形貌。裂纹源的数目取决于材料的性质、机件的应力状态以及交变载荷状况等。通常，应力集中系数越大，名义应力越高，出现疲劳源的数目就越多，如低周疲劳断口上常有几个位于不同位置的疲劳裂纹源区。 当零件表面存在某类裂纹时，则零件无疲劳裂纹萌生期，疲劳裂纹在交变载荷作用下直接由该类裂纹根部向纵深扩展，这时断口上不再出现疲劳源区，只有裂纹扩展区和瞬时断裂区。 2、疲劳裂纹扩展区 疲劳裂纹扩展区是疲劳裂纹形成后裂纹慢速扩展形成的区域，该区是判断疲劳断裂的最重要特征区域，其基本特征是呈现贝壳花样或海滩花样，它是以疲劳源区为中心，与裂纹扩展方向相垂直的呈半圆形或扇形的弧形线，又称疲劳弧线。疲劳弧线是裂纹扩展过程中，其顶端的应力大小或状态发生变化时，在断裂面上留下的塑性变形的痕迹。 贝纹花样是由载荷变动引起的，因为机器运转时不可避免地常有启动、停歇、偶然过载等，均可留下塑性变形的痕迹一贝纹线（疲劳弧线）。贝纹线的清晰度不仅与材料的性质有关，而且与介质情况、温度条件等有关，材料的塑性好、温度高、有腐蚀介质存在时，则弧线清晰。所以，这种弧线特征总是出现在实际机件的疲劳断口中，而在实验室的试件疲劳断口中很难看到明显的贝纹线，此时疲劳断口表面由于多次反复压缩而摩擦，使该区变得光滑，呈细晶状，有时甚至光洁得像瓷质状结构。一般贝纹线常见于低应力高周疲劳断口中，而低周疲劳以及许多高强度钢、灰铸铁中观察不到此种贝纹状的推进线。 贝纹线与裂纹扩展方向垂直，它可以是绕着裂纹源向外凸起的弧线，表示裂纹沿表面扩展较慢，即材料对缺口不敏感，例如低碳钢；相反，若围绕裂纹
ASTM 金属疲劳与断裂标准一览 ASTM 金属疲劳与断裂标准一览 E468-90（2004）显示金属材料定幅疲劳试验结果的方法 Standard Practice for Presentation of Constant Amplitude Fatigue Test Results for Metallic Materials E561-05 R-曲线测定 Standard Practice for R-Curve Determination E602-03 圆柱形试样的锐切口张力的试验方法 Standard Test Method for Sharp-Notch Tension Testing with Cylindrical Specimens E606-92(2004)e1 应变控制环疲劳试验 Standard Practice for Strain-Controlled Fatigue Testing E647-05 疲劳裂缝增大率测量用测试方法 Standard Test Method for Measurement of Fatigue Crack Growth Rates E1457-00 测量金属蠕变开裂增长速度的试验方法 Standard Test Method for Measurement of Creep Crack Growth Rates in Metals E1290-02 测量裂缝尖端开口位移(CTOD)裂缝韧性的试验方法 Standard Test Method for Crack-Tip Opening Displacement (CTOD) Fracture Toughness Measurement E1823-96(2002) 疲劳和裂纹试验相关的标准术语 Standard Terminology Relating to Fatigue and Fracture Testing E1921-05 测定铁素体钢在转变范围内基准温度的标准试验方法 Standard Test Method for Determination of Reference Temperature, To', for Ferritic Steels in the Transition Range E740-03 用表面破裂张力试样做断裂试验 Standard Practice for Fracture Testing with Surface-Crack Tension Specimens Steels Using Equivalent Energy Methodology E1049-85(1997) 疲劳分析的周期计数 Standard Practices for Cycle Counting in Fatigue Analysis E1152 Test Method for Determining J-R Curves3 E1169-02 耐久性试验的实施 Standard Guide for Conducting Ruggedness Tests E1221-96(2002) 测定Kla铁素体钢的平面应变,断裂抑制,破裂韧性的试验方法 Standard Test Method for Determining Plane-Strain Crack-Arrest Fracture Toughness, KIa, of Ferritic Steels
青岛黄海学院机电工程学院2013—2014学年第二学期期中考试 科目：工程材料及机械制造基础 姓名：杜希元 学号： 1101111084 班级： 2011级本科三班 专业：机械制造及其自动化
浅论金属材料发生疲劳断裂的原因及危害 摘要：从人类开始制造结构以来，断裂就是社会面对的一个问题。早在100多年以前，人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。但由于技术的落后，还不能查明疲劳破坏的原因，直到显微镜和电子显微镜等高科技器具的相继出现之后，使人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得新的成果。本文浅论金属材料发生疲劳断裂的原因及危害，使人们初步了解金属疲劳断裂的相关知识。 关键词：疲劳断裂原因危害 一、金属材料的疲劳现象 工程中有许多金属零件，如齿轮、弹簧、滚动轴承、叶片、发动机曲轴等都是在变动载荷下工作的。根据变动载荷的作用方式不同，金属零件承受的应力可分为交变应力和循环应力。在交变应力下，虽然零件所承受的应力低于材料的抗拉强度甚至低于材料的屈服强度，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。 人的疲劳感觉来自于长期的劳累或一次过重的负荷，金属材料也是一样。金属的机械性能会随着时间而慢慢变弱，这就是金属的疲劳。在正常使用机械时，重复的推、拉、扭或其他的外力情况都会造成机械部件中金属的疲劳。这是因为机械受压时，金属中原子的排列会大大改变，从而使金属原子间的化学键断裂，导致金属裂开。 二、金属材料疲劳的种类 金属材料的疲劳现象，按条件不同可分为下列几种： （1）高周疲劳：指在低应力（工作应力低于材料的屈服极限，甚至低于弹性极限）条件下，应力循环周数在100000以上的疲劳。它是最常见的一种疲劳破坏。高周疲劳一般简称为疲劳。 （2）低周疲劳：指在高应力（工作应力接近材料的屈服极限）或高应变条件下，应力循环周数在10000～100000以下的疲劳。由于交变的塑性应变在这种疲劳破坏中起主要作用，因而，也称为塑性疲劳或应变疲劳。
第05章金属的疲劳 1．解释下列名词 (1) 应力范围△σ；(2) 应变范围△ε；(3) 应力幅σa；(4) 应变幅(△εt／2，△εe／2，△εp／2)；(5) 平均应力σm；(6) 应力比r；(7) 疲劳源；(8) 疲劳贝纹线；(9) 疲劳条带；(10) 驻留滑移带；(11) 挤出脊和侵入沟；(12)ΔK；(13) da/dN；(14) 疲劳寿命；(15) 过渡寿命；(16) 热疲劳；(17) 过载损伤。 2．解释下列疲劳性能指标的意义 (1)疲劳强度σ-1、σ-1p、τ-1、σ-1N；(2) 疲劳缺口敏感度qf；(3) 过载损伤界；(4) 疲劳门槛值△Kth。 3．试述金属疲劳断裂的特点。 4．试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程。 5．试述疲劳曲线(S—N)及疲劳极限的测试方法。 6．试述疲劳图的意义、建立及用途。 7．试述疲劳裂纹的形成机理及阻止疲劳裂纹萌生的一般方法。 8．试述影响疲劳裂纹扩展速率的主要因素，并和疲劳裂纹萌生的影响因素进行对比分析。 9．试述疲劳微观断口的主要特征及其形成模型。 10．试述疲劳裂纹扩展寿命和剩余寿命的估算方法及步骤。 11．试述σ-1与ΔKth的异同及各种强化方法影响的异同。 12．试述金属表面强化对疲劳强度的影响。 13．试述金属循环硬化和循环软化现象及产生条件。 14．试述低周疲劳的规律及曼森一柯芬关系。 15．试述多冲疲劳规律及提高多冲疲劳强度的方法。 16．)试述热疲劳和热机械疲劳的特征及规律；欲提高热锻模具的使用寿命，应该如何处理热疲劳与其它性能的相互关系? 17．正火45钢的σb=610MPa，σ-l=300MPa，试用Goodman公式绘制靠σmax(σmin)一σm疲劳图，并确定σ-0.5、σ0和σ0.5等疲劳极限。 18．有一板件在脉动载荷下工作，σmax=200MPa，σmin =0，其材料的σb=70MPa、σ0.2=600MPa、KIC=104MPa·m1/2，Paris公式中c=6.9×10-12，n=3.0，使用中发现有0.1mm 和 1mm的单边横向穿透裂纹，试估算它们的疲劳剩余寿命。 19．疲劳断口和静拉伸断口有何不同?在什么情况下可以预期疲劳断口在肉眼观察下和静拉伸断口相似?如何从断口上判断载荷大小和应力集中情况。 20．试从疲劳破坏特点解释以下疲劳宏观规律 (a)一般金属材料，无论何种处理状态，其疲劳极限σ-1≈0.3～0.5σb，总低于静载下的屈服强度。 (b)为什么无缺口轴向疲劳极限一定比无缺口旋转弯曲疲劳极限低10％一25％?试举几个有影响的因素 (c)完全对称循环与不对称应力循环相比，为什么σ-1是最低的疲劳强度，而应力比R越大可承受的最大应力σmax越高，或者在相同的σmax晴况下，疲劳寿命越长? 21．什么叫低周疲劳和高周疲劳?为什么高周疲劳多用应力控制，低周疲劳多用应变控制?用应变控制进行低周疲劳试验有哪些优点，取得了哪些有价值的结果?
4.1金属疲劳破坏的特点 零件在交变应力作用下损坏叫做疲劳破坏。据统计，在机械零件失效中有80%以上属于疲劳破坏。例 如大多数轴类零件，通常受到的交变应力为对称循环应力，这种应力可以是弯曲应力、扭转应力、或者是两者的复合。如火车的车轴，是弯曲疲劳的典型，汽车的传动轴、后桥半轴主要是承受扭转疲劳，柴油机曲轴和汽轮机主轴则是弯曲和扭转疲劳的复合。再如齿轮在啮合过程中，所受的负荷在零到某一极大值之间变化，而缸盖螺栓则处在大拉小拉的状态中，这类情况叫做拉-拉疲劳；连杆不同于螺栓，始终处在小拉大压的负荷中， 这类情况叫做拉-压疲劳。我们还可以列举很多常用的机械零件所受的负荷情况，综合这些情况就会得到上面 已经提过的结论：大多数零件的失效是属于疲劳破坏的。 4.1.1疲劳破坏的特点 尽管疲劳载荷有各种类型，但它们都有一些共同的特点。 第一，断裂时并无明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显的预兆， 而是突然地破坏。 第二，引起疲劳断裂的应力很低，常常低于静载时的屈服强度。 图4-0换劳断口的甕■嵋片第三，疲劳破坏能清楚地显示出裂纹的发生、扩展和最后断裂三个组 成部份。 4.1.2疲劳断口分析 我们已经知道，疲劳损坏有裂纹的发生、扩展直至最终断裂三部分，对疲劳宏观断口的分析就可以证 实这点（见图4-0 ）。 一个典型的疲劳断口总是由疲劳源，疲劳裂纹扩展区和最终断裂区三部份构成。 疲劳断口有各种型式，它取决于载荷的类型，即所受应力为弯曲应力、扭转应力还是拉-压应力，同时与应力的大小和应力集中程度有关。 图4-1是弯曲疲劳的断口。在承受低名义应力时，对于应力集中较小的，疲劳裂纹扩展区占的面积相对说比较大，而且最终断裂区并不正好位于疲劳源的对侧，而是以逆旋转方向偏离一个位置。对于应力集中较大的，不仅扩展区减小，而且最终断裂区已不在轴的表面，渐渐移向中心。在承受高名义应力时，即使对应力集中小的轴，表面的疲劳源已有多处，裂纹扩展形成棘轮形，最终断裂区位于轴的中心。对于高应力集中的轴，表面的疲劳源更多。
第五章金属的疲劳 本章从材料学的角度研究金属疲劳的一般规律、疲劳破坏过程及机理、疲劳力学性能及其影响因素，以便为疲劳强度设计和选用材料，改进工艺提供基础知识。 第一节金属疲劳现象及特点 一、变动载荷 1. 变动载荷 定义：变动载荷是引起疲劳破坏的外力，指载荷大小，甚至方向均随时间变化的载荷，在单位面积上的平均值为变动应力。 2. 循环应力 二、疲劳现象及特点 1. 分类 疲劳定义：机件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象。 (1) 按应力状态不同，可分为：弯曲疲劳、扭转疲劳、挤压疲劳、复合疲劳 (2) 按环境及接触情况不同，可分为：大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热 疲劳、接触疲劳 (3) 按断裂寿命和应力高低不同，可分为：高周疲劳、低周疲劳，这是最基 本的分类方法 2. 特点 （1）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂 ?断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至低于屈服强度。 ?断裂寿命随应力不同而变化，应力高寿命短，应力低寿命长。 ?当应力低于某一临界值时，寿命可达无限长。 （2）疲劳是脆性断裂 由于一般疲劳的应力水平比屈服强度低，所以不论是韧性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前不会发生塑性变形及有形变预兆，它是在长期累积损伤过程中，经裂纹萌生和缓慢亚稳扩展到临界尺寸a c时才突然发生的。 因此，疲劳是一种潜在的突发性断裂。 （3）疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感 ?由于疲劳破坏是从局部开始的，所以它对缺陷具有高度的选择性。 ?缺口和裂纹因应力集中增大对材料的损伤作用，组织缺陷（夹杂、疏松、白 点、脱碳等）降低材料的局部强度，三者都加快了疲劳破坏的开始和发展。 三、疲劳宏观断口特征 （1）疲劳源:在断口上，疲劳源一般在机件表面，常与缺口、裂纹、刀痕、 蚀坑等缺陷相连，由于应力不集中会引发疲劳裂纹。 材料内部存在严重冶金缺陷时，因局部强度降低也会在机件内部产生疲劳源。 ?从断口形貌看，疲劳源区的光亮度最大，因为这里是整个裂纹亚稳扩展过程
金属疲劳破坏的特点 零件在交变应力作用下损坏叫做疲劳破坏。据统计，在机械零件失效中有80％以上属于疲劳破坏。例如大多数轴类零件，通常受到的交变应力为对称循环应力，这种应力可以是弯曲应力、扭转应力、或者是两者的复合。如火车的车轴，是弯曲疲劳的典型，汽车的传动轴、后桥半轴主要是承受扭转疲劳，柴油机曲轴和汽轮机主轴则是弯曲和扭转疲劳的复合。再如齿轮在啮合过程中，所受的负荷在零到某一极大值之间变化，而缸盖螺栓则处在大拉小拉的状态中，这类情况叫做拉-拉疲劳；连杆不同于螺栓，始终处在小拉大压的负荷中，这类情况叫做拉-压疲劳。我们还可以列举很多常用的机械零件所受的负荷情况，综合这些情况就会得到上面已经提过的结论：大多数零件的失效是属于疲劳破坏的。 4.1.1 疲劳破坏的特点 尽管疲劳载荷有各种类型，但它们都有一些共同的特点。 第一 断裂时并无明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显的预兆，而是突然地破坏。 第二 引起疲劳断裂的应力很低，常常低于静载时的屈服强度。 第三 疲劳破坏能清楚地显示出裂纹的发生、扩展和最后断裂三个组成部份。 4.1.2 疲劳断口分析
我们已经知道，疲劳损坏有裂纹的发生、扩展直至最终断裂三部分，对疲劳宏观断口的分析就可以证实这点（见图4-0）。 一个典型的疲劳断口总是由疲劳源，疲劳裂纹扩展区和最终断裂区三部份构成。 疲劳断口有各种型式，它取决于载荷的类型，即所受应力为弯曲应力、扭转应力还是拉-压应力，同时与应力的大小和应力集中程度有关。 图4-1是弯曲疲劳的断口。在承受低名义应力时，对于应力集中较小的，疲劳裂纹扩展区占的面积相对说比较大，而且最终断裂区并不正好位于疲劳源的对侧，而是以逆旋转方向偏离一个位置。对于应力集中较大的，不仅扩展区减小，而且最终断裂区已不在轴的表面，渐渐移向中心。在承受高名义应力时，即使对应力集中小的轴，表面的疲劳源已有多处，裂纹扩展形成棘轮形，最终断裂区位于轴的中心。对于高应力集中的轴，表面的疲劳源更多。 对扭转疲劳断口，可有三种型式，见图4-2。
《金属的疲劳与断裂》教学大纲 修订单位：机械工程学院材料系 执笔人：梁平 一、课程基本信息 1．课程中文名称：金属的疲劳与断裂 2．课程英文名称: Fatigue and Fracture of Metal 3．适用专业：金属材料、检测 4．总学时：32学时 5．总学分：2学分 二、本课程成在教学计划中的地位、作用、任务 金属疲劳与断裂课程是一门技术基础课，其主要任务是通过学习，使学生能够了解断裂力学的一些原理和有关疲劳强度的一些基本理论，学会分析结构或构件在含有裂纹或缺陷的情况下的安全性，从而为选材、加工工艺、设计以及安全评定等提供理论依据和手段。三、理论教学内容与教学基本要求 （一）理论教学内容 1．第一章绪论（1学时） 断裂力学的产生与发展；断裂力学的研究内容、作用、学习目的和学习方法。 2．第二章金属断裂的基本概念（3学时） 金属断裂的分类方法；金属断裂的类型；金属断口的分析方法 3．第三章线弹形断裂力学（8学时） 了解裂纹的类型；裂纹尖端附近的应力场、位移场；K准则；应力强度因子K的计算；小范围屈服时裂纹尖端塑性区形状与尺寸，考虑应力松弛时塑性去尺寸；等效裂纹长度和等效裂纹应力强度因子；裂纹扩展的能量判椐；能量释放率G与K的关系；裂纹扩展阻力曲线; K主导区、线形断裂力学的适用范围。 4．第四章弹塑性断裂力学（6学时） 增量理论和全量理论；裂纹尖端张开位移（COD）方法； J积分理论和应用。 5．第五章断裂韧性的测试（1学时） 平面应变断裂韧性的测试；裂纹尖端张开位移的测试；临界J积分值的测试。 6．第六章应力腐蚀（3学时）
应力腐蚀；应力腐蚀裂纹的扩展；应力腐蚀条件下K Iscc以及da/dt测试原理（学生自学）。 7．第七章疲劳强度（2学时） 疲劳问题的重要性以及发展历史；疲劳破坏；疲劳裂纹的萌生和扩展。 8．第八章材料的疲劳性能（2学时） 疲劳应力和疲劳极限；材料的S-N曲线；材料的循环特性 9．第九章疲劳裂纹的扩展（4学时） 疲劳裂纹的扩展速率；影响疲劳裂纹扩展的因素；疲劳裂纹扩展寿命的计算；应变疲劳和腐蚀疲劳；疲劳裂纹扩展速率测试。 10．第十章高温低周疲劳和热疲劳（2学时） 高温低周疲劳的特点以及意义；高温低周疲劳寿命的估算方法；影响高温低周疲劳寿命的因素；热疲劳的基本特性；影响热疲劳的因素。 (二) 教学基本要求 1．第一章绪论 了解断裂力学的产生、发展、研究内容、学习目的和学习方法。 2．第二章金属断裂的基本概念 了解金属断裂的分类方法；掌握金属断裂的类型；掌握金属断口的分析方法。 3．第三章线弹形断裂力学 了解裂纹的类型；熟练掌握裂纹尖端附近的应力场、位移场；重点是能将K准则应用于工程实际中；正确理解应力强度因子的概念；了解小范围屈服时裂纹尖端塑性区形状与尺寸，考虑应力松弛时塑性去尺寸；正确理解“等效裂纹长度”和“等效裂纹应力强度因子”的概念；了解裂纹扩展的能量判椐；了解能量释放率G与K的关系；理解裂纹扩展阻力曲线；了解K主导区、线形断裂力学的适用范围。 4．第四章弹塑性断裂力学 了解增量理论和全量理论；正确理解裂纹尖端张开位移（COD）的概念；了解COD启裂准则以及应用；了解J积分的定义以及计算，了解J积分与COD的关系；了解线形情况下J 积分与能量释放率以及应力强度因子之间的关系。 5．第五章断裂韧性的测试 了解平面应变断裂韧性、裂纹尖端张开位移、临界J积分值的测试方法。 6．第六章应力腐蚀 正确理解应力腐蚀的概念；理解应力腐蚀裂纹的扩展；了解应力腐蚀条件下K Iscc以及
4.1 金属疲劳破坏的特点 零件在交变应力作用下损坏叫做疲劳破坏。据统计，在机械零件失效中有80％以上属于疲劳破坏。例如大多数轴类零件，通常受到的交变应力为对称循环应力，这种应力可以是弯曲应力、扭转应力、或者是两者的复合。如火车的车轴，是弯曲疲劳的典型，汽车的传动轴、后桥半轴主要是承受扭转疲劳，柴油机曲轴和汽轮机主轴则是弯曲和扭转疲劳的复合。再如齿轮在啮合过程中，所受的负荷在零到某一极大值之间变化，而缸盖螺栓则处在大拉小拉的状态中，这类情况叫做拉-拉疲劳；连杆不同于螺栓，始终处在小拉大压的负荷中，这类情况叫做拉-压疲劳。我们还可以列举很多常用的机械零件所受的负荷情况，综合这些情况就会得到上面已经 提过的结论：大多数零件的失效是属于疲劳破坏的。 4.1.1 疲劳破坏的特点 尽管疲劳载荷有各种类型，但它们都有一些共同的特点。 第一，断裂时并无明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显的 预兆，而是突然地破坏。 第二，引起疲劳断裂的应力很低，常常低于静载时的屈服强 度。 第三，疲劳破坏能清楚地显示出裂纹的发生、扩展和最后断裂三个组成部份。 4.1.2 疲劳断口分析 我们已经知道，疲劳损坏有裂纹的发生、扩展直至最终断裂三部分，对疲劳宏观断口的分析就可以证实这点（见图4-0）。 一个典型的疲劳断口总是由疲劳源，疲劳裂纹扩展区和最终断裂区三部份构成。 疲劳断口有各种型式，它取决于载荷的类型，即所受应力为弯曲应力、扭转应力还是拉-压应力，同时与应力的大小和应力集中程度有关。 图4-1是弯曲疲劳的断口。在承受低名义应力时，对于应力集中较小的，疲劳裂纹扩展区占的面积相对说比较大，而且最终断裂区并不正好位于疲劳源的对侧，而是以逆旋转方向偏离一个位置。对于应力集中较大的，不仅扩展区减小，而且最终断裂区已不在轴的表面，渐渐移向中心。在承受高名义应力时，即使对应力集中小的轴，表面的疲劳源已有多处，裂纹扩展形成棘轮形，最终断裂区位于轴的中心。对于高应力集中的轴，表面的疲劳源更多。
疲劳断口的主要特点 [ 标签：断口,主要特点] ☆ǘ祁月ú☆回答:1人气:1提问时间:2010-01-20 14:51 答案 为便于分析研究，常按破坏循环次数的高低将疲劳分为两类：①高循环疲劳（高周疲劳）。作用于零件、构件的应力水平较低，破坏循环次数一般高于104～105的疲劳，弹簧、传动轴等的疲劳属此类。②低循环疲劳（低周疲劳）。作用于零件、构件的应力水平较高，破坏循环次数一般低于104～105的疲劳，如压力容器、燃气轮机零件等的疲劳。实践表明，疲劳寿命分散性较大，因此必须进行统计分析，考虑存活率（即可靠度）的问题。具有存活率p（如95％、99％、99.9％）的疲劳寿命Np的含义是：母体（总体）中有p的个体的疲劳寿命大于Np。而破坏概率等于（1－p ）。常规疲劳试验得到的S-N曲线是p＝50％的曲线。对应于各存活率的p的S-N曲线称为p-S-N曲线。 疲劳(2) fatigue 材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。 研究简史有记载的最早进行疲劳试验是德国的W.A.艾伯特。法国的J.-V.彭赛列首先论述了疲劳问题并提出“疲劳”这一术语。但疲劳研究的奠基人则是德国的A.沃勒，他在19世纪50～60 年代最早得到表征疲劳性能的S-N曲线并提出疲劳极限的概念。20世纪50年代P.J.E.福赛思首先观察到疲劳过程中在滑移带内有金属薄片挤出的现象。随后N.汤普孙等人发现这种滑移带不易用电解抛光去掉，称为“驻留滑移带”。后来证明，驻留滑移带常常成为裂纹源。1924年德国的J.V.帕姆格伦在估算滚动轴承寿命时，假设轴承的累积损伤与其转动次数成线性关系。1945年美国M.A.迈因纳明确提出了疲劳破坏的线性损伤累积理论，也称为帕姆格伦- 迈因纳定律，简称迈因纳定律。此后，断裂力学的进展丰富了传统疲劳理论的内容，促进了疲劳理论的发展。用概率统计方法处理疲劳试验数据，是20世纪20年代开始的。60
浅论金属材料发生疲劳断裂的原因及危害 零件在这种交变动载荷作用下，经过长时间的工作而发生断裂的现象成为疲劳，因此疲劳是零件在循环或交变应力作用下，经过一段时间发生失效的现象。 法国的J.-V.彭赛列于1839年首先论述了疲劳问题并提出“疲劳”这一术语。但疲劳研究的奠基人则是德国的A.沃勒。他在19世纪50～60年代首先得到表征疲劳性能的S-N曲线,并提出疲劳极限的概念。疲劳研究虽有百余年历史，文献极多，但理论不够完善。近年来，断裂力学的进展，丰富了传统疲劳理论的内容，促进了疲劳理论的发展。当前的发展趋势是把微观理论和宏观理论结合起来从本质上探究疲劳破坏的机理。 为什么金属疲劳时会产生破坏作用呢？这是因为金属内部结构并不均匀，从而造成应力传递的不平衡，有的地方会成为应力集中区。与此同时，金属内部的缺陷处还存在许多微小的裂纹。在力的持续作用下，裂纹会越来越大，材料中能够传递应力部分越来越少，直至剩余部分不能继续传递负载时，金属构件就会全部毁坏。 金属疲劳破坏可分为三个阶段：①微观裂纹扩展阶段。在循环加载下，由于物体内部微观组织结构的不均匀性，某些薄弱部位首先形成微观裂纹，此后，裂纹即沿着与主应力约成45°角的最大剪应力方向扩展。在此阶段,裂纹长度大致在0.05毫米以内。若继续加载,微观裂纹就会发展成为宏观裂纹。②宏观裂纹扩展阶段。裂纹基本上沿着与
主应力垂直的方向扩展。借助电子显微镜可在断口表面上观察到此阶段中每一应力循环所遗留的疲劳条带。③瞬时断裂阶段。当裂纹扩大到使物体残存截面不足以抵抗外载荷时，物体就会在某一次加载下突然断裂。在疲劳宏观断口上往往有两个区域：光滑区域和颗粒状区域。疲劳裂纹的起始点称作疲劳源。实际构件上的疲劳源总是出现在应力集中区，裂纹从疲劳源向四周扩展。由于反复变形，裂纹的两个表面时而分离，时而挤压，这样就形成了光滑区域，即疲劳裂纹第二阶段扩展区域。第三阶段的瞬时断裂区域表面呈现较粗糙的颗粒状。如果循环应力的变化不是稳态的，应力幅不保持恒定,裂纹扩展忽快、忽慢或者停顿,则在光滑区域上用肉眼可看到贝壳状或海滩状纹迹的疲劳弧线。 疲劳破坏具有在时间上的突发性，在位置上的局部性及对环境和缺陷的敏感性等特点，故疲劳破坏常不易被及时发现且易造成事故。应力幅值、平均应力大小和循环次数是影响金属疲劳的三个主要因素。疲劳破坏是在循环应力或循环应变作用下发生的。为了便于研究和分析疲劳问题，国际上对循环应力表示法已作出统一规定。循环应力的每一个周期变化称作一个应力循环。图4所示的恒幅循环应力由以下诸分量表示:①最大应力σmax,应力循环中最大代数值的应力,以拉应力为正,压应力为负。②最小应力σmin,应力循环中最小代数值的应力,以拉应力为正，压应力为负。③平均应力σm，最大应力和最小应力的代数平均值，即σm＝(σmax+σmin)/2。④应力幅σa,最大应力和最小应力的代数差的一半，即σa=(σmax－σmin)/2。有些国家的文献将σa称作