(完整word版)疲劳断裂总结

金属疲劳与断裂学习报告院（系）：材料科学与工程学院专业班级：研1308学生姓名：王红伟指导教师：周勇完成日期：2014年5月25日1 绪论疲劳(Fatigue)与断裂(Fracture)是引起工程结构和构件失效的最主要的原因。

在面向21世纪的今天，人们对传统强度(静载荷作用、无缺陷材料的强度)的认识已相当深刻，工程中强度设计的实践经验和积累也十分丰富，对于传统强度的控制能力也大大增强。

因此，疲劳与断裂引起的失效在工程失效中越来越突出。

19世纪中叶以来，人们为认识和控制疲劳破坏进行了不懈的努力，在疲劳现象的观察、疲劳机理的认识、疲劳规律的研究、疲劳寿命的预测和抗疲劳设计技术的发展等方面积累了丰富的知识。

20世纪50年代断裂力学的发展，进一步促进了疲劳裂纹扩展规律及失效控制的研究。

疲劳断裂失效涉及到扰动使用载荷的多次作用，涉及到材料缺陷的形成与扩展，涉及到使用环境的影响等等，问题的复杂性是显而易见的。

因此，疲劳断裂的许多问题的认识和根本解决，还有待于进一步深入的研究。

尽管如此，了解现代研究成果，掌握疲劳与断裂的基本概念、规律和方法，对于广大工程技术在实践中成功地进行抗疲劳断裂设计无疑是十分有益的。

发生断裂是因为有裂纹存在，而裂纹萌生并扩展到足以引起断裂的原因则很少不是由于疲劳。

如二次大战期间美国制造的全焊接船舶，有近千艘出现开裂，200余艘发生严重断裂破坏。

1952年，第一架喷气式客机（英国的慧星号）在试飞300多小时后投入使用。

1954年元月一次检修后的第四天，飞行中突然失事坠入地中海。

打捞起残骸并进行研究后的结论认为，事故是由压力舱的疲劳破坏引起的，疲劳裂纹起源于机身开口拐角处。

1967年12月15日，美国西弗吉尼亚Point Pleasant桥突然毁坏，46人死亡，事故是由一根带环拉杆中的缺陷在疲劳、腐蚀的作用下扩展到临界尺寸而引起的。

1980年3月27日下午6时半，英国北海Ekofisk 油田的Alexander L. Kielland号钻井平台倾复，127人落水只救起89人。

疲劳断口的典型宏观特征《疲劳断口的典型宏观特征》我记得有一次，我帮朋友检查他那辆旧自行车的链条。

那链条看着没什么大问题，但是在某个接口处却突然断掉了。

后来才知道，这可能是长期使用，类似疲劳断口的情况。

这小小的事情让我意识到，了解疲劳断口的特征是多么重要，不管是对于小小的自行车零件，还是大型的机械设备，它能帮助我们提前发现问题，避免一些不必要的危险或者损失呢。

特征分析特征一：贝壳纹（海滩纹）- 名称和来源：这纹路看起来就像贝壳或者海滩上的纹路一样，一圈一圈的。

它的形成呀，就像是物体累了一样，在每次承受力量的循环过程中，微小的损伤不断累积，就像树的年轮一样，慢慢地就形成了这样有规律的纹路。

- 作用和表现：就像我们看树的年轮能知道树的年龄一样，看到贝壳纹，我们大概就能知道这个断口经历了多少次力量的循环加载。

我有一次看到一个金属杆的断口有这种纹路，就感觉像是看到了它的“生命历程”。

它的纹路越密集，可能就表示这个东西承受力量的频率越高呢。

- 优缺点：优点就是它像一个小记录员，能给我们提供很多信息。

可是它的缺点就是，对于外行人来说，可能不太容易一眼就看出来这是贝壳纹，得有点经验或者学习才可以。

- 对事物性质或使用体验的影响：如果在一个机器的零件上发现了贝壳纹，那这个零件可能就已经承受了很多次的压力了，它的强度可能已经大打折扣了。

就像我们穿的鞋子，鞋底要是出现了类似的磨损纹路，那这双鞋可能就离坏掉不远了。

- 安全性和潜在问题：如果忽视了贝壳纹，可能会导致一些严重的后果。

比如在飞机的零部件上，如果有这种特征而没被发现，在飞行过程中可能会发生断裂，那可就是大灾难了。

特征二：疲劳源区- 名称和来源：这个区域就像是疲劳断口的“源头”。

它通常是因为零件在制造的时候可能存在一些小缺陷，或者是在使用过程中受到了一些局部的应力集中。

比如说一个金属块上有个小坑洼，每次受力的时候，这个小坑洼的地方受到的力就会比其他地方大很多，时间长了，这里就成了疲劳源区。

自然科学知识：材料和结构的疲劳和断裂在工程学领域中，材料的疲劳和断裂是非常重要而且常见的现象。

在使用过程中，不同材料经常会受到不同程度的负载作用，这种负载会导致材料在受力时间的不断变形和损耗，最终可能导致材料的疲劳或断裂。

因此，对于材料疲劳和断裂的研究和防范至关重要。

疲劳是指由反复的应力作用所引起的材料的损耗现象。

当材料受到周期性的应力加载时，材料会出现应力与时间相互作用的疲劳现象。

在材料的正常使用中，疲劳现象是经常出现的，它会使得材料的机械性能逐渐减退甚至最终崩溃。

疲劳引起的断裂主要有以下几种类型：1、疲劳龟裂疲劳龟裂是一种在交替应力作用下出现的微裂纹，一般从材料的表面开始，然后慢慢向内扩展，最终导致材料的断裂。

这种龟裂是通过应力循环来触发的，循环次数越多，龟裂就会越容易形成。

2、疲劳裂纹的扩展当材料遭到负载后，疲劳损伤的形成通常已经在开始阶段完成。

此时，如果继续加载，则已有裂纹将会扩展，导致更大的损伤。

这种情况在机械应用中是十分常见的。

3、中心断裂中心断裂是因为在应力集中区域的过度紧张，在短时间内发生的剪切然后导致在材料的中央产生一条缝隙，这样会在刚性区域出现明显的裂纹。

材料的断裂是指突然发生的材料破裂现象。

材料的断裂在许多行业中都是极为严重的问题。

材料的断裂常常是由过载引起的。

对于那些承受周期性应力的材料来说，这种过载主要来自于不当的使用或维护，未按照文档或建议的使用限制来操作的情况。

材料的疲劳和断裂通常与材料的结构有关。

材料的结构可以被看作是由一种材料元素的不同组合形成的。

这些元素可以是薄片、棒材、管道等形式。

材料的结构对于其对应的机械性能具有至关重要的作用。

当材料的结构发生损伤时，其对应的机械性能会相应地减弱，这也会影响材料的寿命。

为了避免材料的疲劳和断裂，一些重要的策略可供参考。

首先，在设计过程中，应当避免过度的负载和应力极值。

其次，材料的制造应尽可能地遵守相关的规范，以确保材料的质量和结构的稳定性。

No.1疲劳与断裂的概念1.疲劳：金属材料在应力或应变的反复作用下发生的性能变化称为疲劳。

2.疲劳断裂：材料承受交变循环应力或应变时，引起的局部结构变化和内部缺陷的不断地发展，使材料的力学性能下降，最终导致产品或材料的完全断裂，这个过程称为疲劳断裂，也可简称为金属的疲劳。

引起疲劳断裂的应力一般很低，疲劳断裂的发生，往往具有突发性、高度局部性及对各种缺陷的敏感性等特点。

No.2疲劳断裂的分类1.高周疲劳与低周疲劳如果作用在零件或构件的应力水平较低，破坏的循环次数高于10万次的疲劳，称为高周疲劳。

例如弹簧、传动轴、紧固件等类产品一般以高周疲劳见多。

作用在零件构件的应力水平较高，破坏的循环次数较低，一般低于1万次的疲劳，称为低周疲劳。

例如压力容器，汽轮机零件的疲劳损坏属于低周疲劳。

2.应力和应变分析应变疲劳——高应力，循环次数较低，称为低周疲劳；应力疲劳——低应力，循环次数较高，称为高周疲劳。

复合疲劳，但在实际中，往往很难区分应力与应变类型，一般情况下二种类型兼而有之，这样称为复合疲劳。

3.按照载荷类型分类弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳、振动疲劳、微动疲劳。

No.3疲劳断裂的特征宏观：裂纹源→扩展区→瞬断区。

裂纹源：表面有凹槽、缺陷，或者应力集中的区域是产生裂纹源的前提条件。

疲劳扩展区：断面较平坦，疲劳扩展与应力方向相垂直，产生明显疲劳弧线，又称为海滩纹或贝纹线。

瞬断区：是疲劳裂纹迅速扩展到瞬间断裂的区域，断口有金属滑移痕迹，有些产品瞬断区有放射性条纹并具有剪切唇区。

微观：疲劳断裂典型的特征是出现疲劳辉纹。

一些微观试样中还会出现解理与准解理现象（晶体学上的名称，在微观显象上出现的小平面），以及韧窝等微观区域特征。

No.4疲劳断裂的特点（1）断裂时没有明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显的预兆，往往是突然性的产生，使机械零件产生的破坏或断裂的现象，危害十分严重。

（2）引起疲劳断裂的应力很低，往往低于静载时屈服强度的应力负荷。

关于疲劳断裂失效分析的干货，都在这里了！1.1 疲劳的定义疲劳（fatigue)这个词起源于拉丁文的fatigäre一词，意思是“疲倦”。

人疲劳——身心劳累；材料疲劳——在循环载荷下的损伤和破坏。

定义：材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化。

1.2 疲劳研究发展过程材料疲劳的研究可追溯到19世纪上半叶。

W.A.J.Albert——德国矿业工程师，金属疲劳的最初研究者，1829年前后完成。

研究内容：用铁制的矿山升降机链条作反复加载试验，验证其可靠性。

第一个金属疲劳研究——1842年法国玩尔赛铁路事故分析，机车前轴的断裂是导致这次事故的原因。

1.3 疲劳载荷规则的交变应力不规则的交变应力一点应力随时间变化曲线应力循环应力比平均应力应力幅值对称循环：r=-1 脉冲循环：r=0 静应力：r=11.4 疲劳极限与应力-寿命曲线S-N曲线一般的应力-寿命曲线对称循环下两种类型S-N曲线平均应力对S-N曲线的影响1.5 影响疲劳寿命的因数应力集中的影响——有效应力集中因数理论应力集中因数S n为名义应力表面加工质量的影响——表面质量因数磨削加工（试样）其他加工2.1 疲劳失效分析经典案例疲劳失效典型案例——20世纪50年代世界第一架民用喷气式客机“彗星号”系列事故。

原因：客舱结构疲劳开裂。

2.2 疲劳断裂失效的特点疲劳断裂属于脆性断裂的一种，几乎没有肉眼可见的塑性变形。

疲劳断裂往往具有突发性，危害性大。

在机电装备的失效事件中，疲劳断裂失效约占所有断裂事故的60%~80%。

2.3 疲劳断裂失效分析的目的诊断出疲劳失效的模式；找出引起疲劳断裂的确切原因；采取预防措施，避免同类疲劳断裂失效再次发生。

2.4 疲劳断裂失效分析的内容分析判断零件的断裂失效是否属于疲劳断裂；疲劳断裂的二级或三级失效模式；疲劳断裂的载荷类型与大小，疲劳断裂的起源等；疲劳断裂的原因；疲劳断裂的机理；提出避免疲劳断裂再次发生的预防措施。

材料的疲劳和断裂读书报告在这个报告里，首先阐述材料的疲劳和断裂机理、规律，其次阐述钛合金的疲劳和断裂，以及解决方法。

在之前的本科课程里《工程材料力学性能》、《》、《失效分析》，对金属的疲劳、断裂、蠕变都进行了较为详细的阐述。

同时，也进行了TC4合金的疲劳性能实验，因此对疲劳相关的知识有了一定的了解。

在大多数情况下，零件承受的并不是静载荷，而是交变载荷。

在交变载荷作用下，材料往往在低于屈服强度的载荷下，发生疲劳断裂。

例如，汽车的车轴断裂，桥梁，飞机等。

因此对于疲劳断裂的研究是很有意义的。

一般来说，疲劳的定义是：金属材料或构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称为疲劳。

断裂的定义是：由弥散分布的微裂纹串接为宏观裂纹，再由宏观裂纹扩展为失稳裂纹，最终材料发生断裂。

在此，需要明确疲劳和断裂的关系。

疲劳和断裂在机理研究和工程分析时是紧密相连的，只是疲劳更侧重于研究裂纹的萌生，断裂力学则侧重于裂纹的扩展，即带裂纹体的强度问题。

对于疲劳，阐述的思路是疲劳分类及特点，疲劳机理与断口，疲劳性能表征，影响疲劳的因素。

对于断裂，从宏观和微观的角度分别阐述。

1疲劳1.1疲劳分类及特点疲劳分类方法如下：（1）按应力状态不同，可以分为弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳及复合疲劳；（2）按环境和接触情况不同，分为大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳；（3）按照断裂寿命和应力高低不同，分为高周疲劳和低周疲劳，其中高周疲劳也是低应力疲劳，低周疲劳即高应力疲劳。

疲劳特点如下：（1）材料在交变载荷峰值远低于材料强度极限时，就可能发生破坏，表现为低应力脆性断裂特征。

这是因为，疲劳时应力较低（低于屈服强度），因此在宏观上看，材料没有塑性变形。

在裂纹扩展到临界尺寸时，发生突然断裂。

（2）材料疲劳是一个累积过程，尽管疲劳断裂表现为突然断裂，但是在断裂前经历了裂纹萌生，微裂纹连接长大，裂纹失稳扩展的过程。

而形成裂纹后，可以通过无损检测的方法来判断裂纹是否达到临界尺寸，从而来判断零件的寿命。

第三节．焊接结构的疲劳断裂一、焊接结构疲劳断裂的特征疲劳断裂是金属结构失效的一种主要形式。

大量统计资料表明，由于疲劳而失效的金属结构，约占失效结构的90%。

疲劳断裂和脆性断裂从性质到形式都不一样。

两者比较，断裂时的变形都很小，但疲劳需要多次加载，而脆性断裂一般不需要多次加载；结构脆断是瞬时完成的，而疲劳裂纹的扩展则是缓慢的，有时需要长达数年时间。

此外，脆断受温度的影响特别显著，随着温度的降低，脆断的危险性迅速增加，但疲劳强度却受温度的影响比较小。

1．疲劳断裂的实例疲劳事故最早发生在19世纪初期。

疲劳一般从应力集中开始，而焊接结构的疲劳又往往是从焊接接头处产生，图5-5到图5 -28是几个典型的焊接结构疲劳断裂事例。

图5-26 载货汽车纵梁的疲劳断裂图5-25为直升飞机起落架的疲劳断裂图，裂纹是从应力集中很高的角接板尖端开始，该机飞行着陆2118次后发生破坏，属于低周疲劳。

图5-26为载货汽车底架纵梁的疲劳断裂，该梁板厚5mm，承受反复的弯曲应力，在角钢和纵梁的焊接处，因应力集中很高而产生裂纹，该车破坏时已运行30000km。

图5-27表示空气压缩机法兰盘和管道连接处，因采用应力集中系数很高的角焊缝而导致疲劳断裂，改为应力集中较小的对接焊缝后，疲劳断裂事故大大减少。

图5-27空气压缩机的疲劳断裂a)原设计b）改进设计图5-28为4000kN水压机疲劳断裂事例，很明显，疲劳裂纹是从设计不良的焊接接头的应力集中点产生的。

2．疲劳断裂的类型(1)低周疲劳由反复塑性变形所造成的破坏称为低周疲劳。

低周疲劳的循环应力很高，接近或超过材料的屈服点，在每次循环中，材料都产生一定的塑性变形，在这种情况下，加载时的频率不可能很高，一般为0.2～Hz，断裂周次很置低，在104～105次以下。

例如，锅炉及压力容器的每一次升压-降便产生了一次塑性变形循环，在使用期间这种反复塑性变形循环的积累，就可能造就其低周疲劳破坏。

图5-28水压机焊接结构的疲劳断裂(2)热疲劳受反复加热和冷却的元件，在反复加热和冷却的交变温度下，元件内部产生较大的热应力，由于热应力反复作用而产生的破坏称为热疲劳。

论文题目：疲劳与断裂综述院（系）材料与化工学院专业材料工程姓名学号目录1 绪论 (3)1.1 疲劳及断裂力学发展 (3)1.2 疲劳与断裂力学的关系 (3)1.3 疲劳设计方法 (4)2 疲劳现象及特点 (4)2.1 变动载荷和循环应力 (4)2.2疲劳现象及特点 (5)2.3疲劳断口宏观特征 (5)3 疲劳过程及机理 (6)3.1 疲劳裂纹萌生过程及机理 (6)3.2 疲劳裂纹扩展过程及机理 (7)4 疲劳影响因素及应对措施 (8)4.1 疲劳强度影响因素 (8)4.2 提高疲劳强度的措施 (9)5结束语 (10)1 绪论1.1 疲劳及断裂力学发展日内瓦的国际标准化组织（ISO）在1964年发表的报告《金属疲劳试验的一般原理》中给疲劳下了一个描述性定义：“金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能叫疲劳”。

金属材料和构件的断裂，绝大部分属于疲劳断裂。

材料的疲劳不仅是所有运动物体的一个共同性问题，对某些显然是静止的物体，只要它承受循环力或循环变形，就会因为疲劳而发生破坏。

疲劳裂纹扩展是累计损伤的过程，包括金属在内的任何材料加工而成的机构或设备，在载荷反复作用下，机械结构的 50%~90%都会发生疲劳破坏。

由于材料的破坏行为和静力相比有着本质的区别，使得材料的疲劳问题成为备受关注的问题之一。

科学的研究方法对正确认识疲劳问题具有至关重要的意义。

经过几十年的发展，人们已经认识到断裂力学是研究结构和构件疲劳裂纹扩展有力而现实的工具。

现代断裂力学理论的成就和工程实际的迫切需要，促进了疲劳断裂研究的迅速发展。

1.2 疲劳与断裂力学的关系疲劳学研究重复载荷及材料及结构的疲劳强度及疲劳寿命问题。

断裂力学研究带裂纹体的强度问题。

疲劳破坏过程是从原子尺寸，晶粒尺寸到大型结构尺寸，跨越十几个量级的十分复杂的过程，疲劳破坏过程按裂纹扩展过程可以大致分为几个阶段。

（1）亚结构和显微结构发生变化，从而形成永久损伤形核。

（2）产生微观裂纹。

疲劳与断裂课程总结1,疲劳断裂,课程总结,二、基本概念,三、基本方法,四、抗疲劳断裂设计,一、基本内容,,返回主目录,,,,,,2,一、基本内容,疲劳裂纹萌生：（1-4章）机理、规律（S-N曲线、e-N曲线）、萌生寿命、累积损伤、雨流计数、循环应力应变响应计算,裂纹体断裂：（5-7章）LEFM、应力强度因子K、K1C测试、抗断设计,疲劳裂纹扩展：（8-10章）da/dN-DK曲线、裂纹扩展寿命预测、裂纹闭合与迟滞的概念、抗疲劳设计基本原理,,,3,1)疲劳问题的特点：扰动应力作用；材料或结构高应力局部；裂纹萌生并扩展；使用至破坏的发展过程。

,二、基本概念,2)疲劳研究的任务：载荷谱；裂纹萌生和扩展的机理与规律；寿命预测方法；抗疲劳设计方法。

,,,4,导出量：平均应力Sm=(Smax+Smin)/2应力幅Sa=(Smax-Smin)/2应力变程DS=Smax-Smin应力比或循环特性参数R=Smin/Smax,,,5,4)疲劳断口特征：有裂纹源、裂纹扩展区和最后断裂区。

裂纹源在高应力局部或材料缺陷处；裂纹扩展区有“海滩条带”和“疲劳条纹”。

,,5)疲劳断口分析:是否疲劳破坏?裂纹源？裂纹临界尺寸?裂纹扩展速率估计？破坏载荷？,,,6,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。

,,,7,单调载荷下的弹塑性幂硬化应力-应变关系：,6)材料的力学性能：,,,8,断裂性能：平面应变断裂韧性K1C裂纹扩展性能：门槛应力强度因子；疲劳裂纹扩展速率断裂三要素与断裂判据,对于承受拉伸的无限宽中心裂纹板，f=1；对于无限宽单边裂纹板，f=1.12。