疲劳和断裂第四讲(专业相关)

材料力学中的断裂和疲劳分析在工程领域中，对材料的强度和耐久性进行评估和分析是至关重要的。

而在材料力学中，断裂和疲劳分析是两个重要的研究方向。

本文将从理论和应用两个方面，介绍材料力学中的断裂和疲劳分析。

首先，我们来介绍断裂分析。

断裂是指在外部加载下，材料的破坏。

断裂分析的目的是通过研究材料的断裂机制，预测和防止材料的破坏。

断裂分析的核心是断裂力学，它通过分析应力场、应变场和裂纹尖端处的应力强度因子来揭示裂纹扩展的行为。

在断裂力学中，有两个经典理论被广泛应用：线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学。

线弹性断裂力学适用于处理材料的线弹性阶段，即只存在弹性变形，不发生塑性变形的情况。

而弹塑性断裂力学则适用于材料同时发生弹性和塑性变形的情况。

对于断裂力学的研究，一个重要的参数是断裂韧性。

断裂韧性是描述材料抵抗裂纹成长的能力，通常通过KIC来表示。

KIC是裂纹尖端处单位断裂韧性的衡量指标，一般情况下，KIC越大，材料的抗裂纹扩展能力越强。

断裂韧性的评估对于确保材料的可靠性和耐久性至关重要。

接下来，我们来了解疲劳分析。

疲劳是指在循环加载下，材料经历应力的反复变化而引起的破坏。

疲劳是材料工程中非常常见的一种破坏模式，因此对于疲劳强度的评估和分析也是非常重要的。

疲劳分析的核心是疲劳强度理论。

常见的疲劳强度理论有极限应力理论、极限变形理论和能量理论等。

这些理论通过对应力和应变历程的分析，确定了材料的疲劳强度边界，从而指导工程实践中的材料选择和设计。

除了理论研究，疲劳分析中还有实验方法。

疲劳试验是评估材料疲劳性能的重要手段。

通过在标准试样上施加循环加载，可以测定材料的疲劳寿命和疲劳强度。

这些试验结果可以为工程实践中的疲劳分析提供可靠的参考。

近年来，随着计算机技术的快速发展，有限元分析成为疲劳分析的重要方法之一。

有限元分析可以通过数值计算模拟材料在复杂载荷下的应力和应变分布情况，从而预测材料的疲劳寿命和破坏位置。

这一方法不仅减少了试验成本和时间，还提高了分析的准确性和可靠性。

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。

经典金属疲劳裂纹扩展至断裂机理讲解（专业级）经典金属疲劳裂纹扩展至断裂机理讲解（专业级）通常，疲劳裂纹扩展可以分为三个阶段：第I阶段（裂纹萌生，shot cracks），第II阶段（裂纹扩展，long cracks），第III阶段（瞬时断裂，final fracture）Fig. 1— Stages I and II of fatigue crack propagation.第I阶段：一旦裂纹萌生以后，就会沿着最大剪切应力平面(约45o)扩展，如图1所示。

这一阶段被认为是第I阶段或者短裂纹萌生和扩展阶段。

裂纹一直扩展直到遇到障碍物，如晶界、夹杂物或珠光体区。

它无法容纳初始裂纹的扩展方向。

因此，晶粒细化是可以提升材料疲劳强度的利用了引入大量微观障碍物的原理。

晶界，在裂纹扩展的第I阶段需要克服晶粒的阻碍并越过晶界。

表面机械处理，例如喷丸和表面滚压也会引入一些微观的障碍物，因为它们使晶界被压扁了。

Fig. 2 — Fatigue striations in (a) interstitial free steel and (b)aluminum alloy AA2024-T42. Figure (c) shows the fatigue fracture surface of a cast aluminum alloy, where a fatigue crack was nucleated from a casting defect, presenting solidification dendrites on the surface; fatigue striations are indicated by the arrow, on the top right side.第II阶段：由于裂纹扩展，实际载荷的上升，应力强度因子K不断增加，在裂纹尖端附近的不同平面上开始发生滑移，于是就进入了第II阶段。

材料科学中的断裂和疲劳材料科学是研究材料结构、性能、制备与应用的一门学科，断裂和疲劳是其中重要的研究内容。

在材料的应力下，出现破裂现象称为断裂，而在反复加载下，产生裂纹逐渐扩展而失效的现象称为疲劳。

了解材料的断裂和疲劳行为对材料的应用和加工具有重要意义。

断裂是材料失效的一种突发性的现象，直接影响材料的使用寿命和安全性。

在断裂过程中，材料常常会发生裂纹扩展和断面形态改变。

研究材料断裂需要从分子、微观结构和宏观层面入手，包括材料的组织、缺陷、微观应力和应变分布等方面。

针对不同的材料类型，断裂研究方法也不尽相同。

一般来说，材料断裂的方式有两种，即韧性断裂和脆性断裂。

韧性材料在受到应力的情况下，能够发生著名的“韧性断裂”，即在承受最大应力之前迅速发生塑性变形，吸收大量的能量，并伴随着断面形态的改变和拉伸变形。

而脆性材料在受到应力时，由于其致密的晶格结构，断裂常常是突然的、不可预测的，并伴随着断面形态的裂纹状。

疲劳是材料失效的另一种常见现象。

在连续循环加载下，材料中的微小裂纹会逐渐扩大，最终导致失效。

疲劳失效是机械工程领域中的重要问题，因为它会直接影响到机械结构的寿命和安全。

疲劳失效的预测需要深入研究材料的疲劳行为、裂纹扩展规律和力学性质。

疲劳试验可以通过不同的加载方式、不同的加载频率和载荷幅值进行，以验证材料的疲劳性能和失效机制。

对于材料的疲劳性能研究，常常会用到S-N（应力-循环次数）曲线。

该曲线将材料的疲劳寿命与应力-循环次数联系起来。

在S-N曲线中，应力水平越高，材料的寿命越短，疲劳强度越低。

材料的疲劳性能还与其他因素有关，如试样几何形状、表面质量、温度等。

最近几十年来，随着材料科学和力学的发展，断裂和疲劳理论得到了不断的加强。

在研究和预测材料的疲劳行为方面，新的模型和算法不断涌现。

例如，弯曲式疲劳试验可以比拉伸式疲劳试验更好地模拟材料在使用环境下承受应力的情况，从而更加准确地预测材料的疲劳寿命。

材料力学中的断裂与疲劳问题材料力学是研究物质的力学特性和行为的学科，其中断裂与疲劳问题是其重要的一个方面。

本文将通过对断裂与疲劳问题的探讨，介绍材料力学中与之相关的理论和应用。

一、断裂问题断裂是指物体在受到力作用下，发生突然破裂的过程。

在材料力学中，我们经常关注材料的强度和韧性两个指标。

强度是指材料抵抗外部载荷破坏的能力，而韧性则是指材料在断裂前能够吸收的能量。

断裂问题的研究主要涉及到断裂力学和断裂力学试验。

断裂力学是研究材料在受到外部载荷作用下的断裂行为，包括了断裂的形态、断裂的机理等。

断裂力学试验则是通过实验来测量和评估材料的断裂性能。

常用的试验方法包括拉伸试验、冲击试验等。

二、疲劳问题疲劳是指材料在反复加载下产生损伤和破坏的现象。

与断裂不同，疲劳是一个逐渐发展的过程，往往在受到载荷作用后的多次循环加载中产生。

疲劳过程中，材料的强度和韧性会逐渐减小，最终导致破坏。

材料的疲劳性能与加载作用、材料结构、工艺等因素有关。

不同材料对于疲劳的抵抗能力也不同。

在疲劳问题的研究中，我们常用的方法是通过应力-寿命曲线来描述材料的疲劳寿命。

应力-寿命曲线是指在不同应力水平下，材料经受多少次循环加载会导致破坏。

研究疲劳问题的目的在于确定材料的疲劳极限，从而预测材料的使用寿命。

这对于很多工程应用来说是非常重要的，例如航空航天、汽车制造等领域。

三、断裂与疲劳的联系断裂与疲劳问题在材料力学中常常被联系在一起研究。

事实上，疲劳往往是导致断裂的一个重要因素。

在疲劳加载下，材料会逐渐发生微裂纹，这些微裂纹在加载过程中会逐渐扩展，最终导致断裂。

断裂与疲劳之间的联系也可通过断裂韧性来解释。

在疲劳加载下，材料的韧性会逐渐降低，这意味着材料更容易发生断裂。

因此，了解和研究材料的断裂行为对于预测和控制疲劳问题至关重要。

四、应用与进展断裂与疲劳问题的研究在材料科学和工程领域具有广泛的应用价值。

在航空航天、汽车制造、建筑工程等领域，对材料的断裂与疲劳行为进行研究和控制，可以提高产品的安全性和可靠性。

疲劳与断裂
土木工程与力学学院
1.4疲劳断口宏观特征
这是某飞机机轮铸造镁合金轮毂的疲劳断口照片，从中可以看到疲劳破坏断口的一些宏观特征。

特点一：有裂纹源、疲劳裂纹扩展区和最后的瞬时断裂区三个部分。

裂纹源：
瞬时断裂区：
裂纹扩展区：
疲劳裂纹最早萌生的地方。

瞬间断裂形成的新鲜断面；
紧邻瞬时断裂区；
特点二：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。

在裂纹扩展过程中，上下裂纹表面之间不
断地张开、闭合，相互摩擦；
在环境氧化或其他腐蚀介质侵蚀下，裂纹
扩展区常常还会留有腐蚀痕迹。

在环境氧化或其他腐蚀介质侵蚀下，裂纹
扩展区常常还会留有腐蚀痕迹。

特点三：裂纹源通常位于高应力或高应变的局部。

裂纹源一般是一个，也可以有多个。

裂纹
起源于高应力区，而高应力区通常在材料表
面（几何突变）或者夹杂、空隙等缺陷处。

特点四：没有明显的塑性变形。

将发生疲劳断裂破坏后的断口对合在一起，一般都能吻合
得很好。

这表明在疲劳破坏之前，并未发生大的塑性变形。

显
著
区
别这一点是材料发生疲劳破坏与在简单
拉伸条件下发生静强度破坏的
特点四：表面裂纹，一般呈半椭圆形。

起源于表面的裂纹，在循环载荷的作用下，通常沿表面方
向扩展较快，而沿深度方向扩展较慢，从而形成半椭圆形。

表面方向扩展
深度方向
扩展
较快较慢。