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断裂与疲劳阶段性作业4判断题1. 最大拉应力理论实际上是在以裂纹尖端为圆心的同心圆上比较周向应力得出的准则。
(5分)正确错误参考答案：正确解题思路：2. 对于延性较好的材料，裂纹萌生后有相当长的一段扩展阶段，也应当计入裂纹萌生寿命。
(5分)正确错误参考答案：错误解题思路：3. 积分和线弹性断裂力学中的应力场强度因子一样，反映了裂纹顶端的某种力学特性或应力应变场强度。
(6分)正确错误参考答案：正确解题思路：4. 积分的守恒性即积分的数值与积分回路无关。
(6分)正确错误参考答案：正确解题思路：5. 对于高、中强钢等脆性材料，从裂纹萌生到扩展至小尺寸圆截面试件断裂的时间很短，但对整个寿命的影响很大。
(5分)正确错误参考答案：错误解题思路：6. 积分同时在分析过程中不能避开裂纹顶端这个难以直接严密分析的区域。
(6分)正确错误参考答案：错误解题思路：7. 复合型裂纹失稳条件也比较复杂，但其裂纹按裂纹原方向开裂和扩展。
(5分)正确错误参考答案：错误解题思路：8. 在同种材料中，两种不同应力条件下其滑移系是不同。
(5分)正确错误参考答案：错误解题思路：9. 积分参量可应用于三维非线性弹性体。
(6分)正确错误参考答案：正确解题思路：10. 能量平衡断裂理论只能处理裂纹平面与施加拉力方向垂直并沿原来平面扩展的问题。
(6分)正确错误参考答案：正确解题思路：填空题11. 在复合型裂纹问题中，需要主要研究以下两个问题：开裂角度问题和___(1)___ 问题。
(5分)(1).参考答案:断裂判据12. 在研究材料的疲劳现象时，除了疲劳断口分析外，人们还注意到在疲劳过程中材料的_ __(2)___ 及材料的性能也会发生许多变化。
(5分)(1).参考答案:组织结构13. 若在同一台试验机上可以进行拉伸、压缩、弯曲、剪切等多种试验，则称为___(3)__ _ 。
(5分)(1).参考答案:万能试验机14. 液压油的回路分高压回路、低压回路和___(4)___ 三部分。
航空器材料的疲劳与断裂行为研究在航空领域，航空器的安全运行至关重要。
而航空器材料的疲劳与断裂行为是影响其安全性和可靠性的关键因素之一。
为了确保乘客的生命安全以及航空器的正常运行，深入研究航空器材料的疲劳与断裂行为显得尤为重要。
航空器在飞行过程中会经历各种复杂的力学环境，如振动、冲击、高低温变化等。
这些因素会导致材料内部产生微小的损伤和缺陷，随着时间的推移，这些损伤逐渐累积，最终可能引发材料的疲劳失效和断裂。
航空器材料通常包括高强度铝合金、钛合金、复合材料等。
这些材料在具备高强度和轻质特性的同时，也具有各自独特的疲劳与断裂行为。
高强度铝合金是航空器制造中广泛使用的材料之一。
它具有良好的加工性能和较高的强度，但在长期的循环载荷作用下，容易出现疲劳裂纹的萌生和扩展。
铝合金的疲劳裂纹通常起始于材料表面的微观缺陷，如划痕、腐蚀坑等。
这些缺陷会导致局部应力集中，从而引发裂纹的产生。
随着裂纹的不断扩展，材料的承载能力逐渐下降，最终导致构件失效。
钛合金具有优异的耐腐蚀性和高温性能，在航空发动机等高温部件中得到了广泛应用。
然而，钛合金的疲劳性能相对较差，其疲劳裂纹扩展速率较快。
这主要是由于钛合金的微观组织和晶体结构对疲劳裂纹的扩展阻力较小。
此外，钛合金在高温环境下还容易发生蠕变和氧化，进一步降低了其疲劳寿命。
复合材料，如碳纤维增强复合材料和玻璃纤维增强复合材料，由于其高比强度和比刚度，在现代航空器中的应用越来越广泛。
复合材料的疲劳行为与传统金属材料有很大的不同。
其疲劳损伤主要表现为纤维与基体的界面脱粘、分层和纤维断裂等。
复合材料的疲劳寿命通常受到纤维取向、铺层方式和制造工艺等因素的影响。
影响航空器材料疲劳与断裂行为的因素众多。
首先是载荷特性，包括载荷的大小、频率、波形等。
高载荷和高频率的循环载荷会加速材料的疲劳损伤。
其次是环境因素，如湿度、温度、腐蚀介质等。
在潮湿和腐蚀环境中，材料的疲劳性能会显著下降。
此外，材料的微观组织和缺陷分布也对疲劳与断裂行为有着重要影响。
高等钢结构--疲劳与断裂《高等钢结构原理》断裂与疲劳部分学生作业系（所）：建筑工程系学号：1432055姓名：焦联洪培养层次：专业硕士2014年11月6日1、防止焊接钢结构脆性断裂的基本措施影响钢材脆断的直接因素有裂纹尺寸、作用应力和材料韧性。
提高钢材脆性断裂的基本措施有：①保证施工质量、加强质量检验和施焊工艺管理，避免施焊过程中产生的咬边、裂纹、夹杂和气泡等。
②焊缝不宜过分集中，施焊时不宜过强约束，避免产生过大残余应力，同时应注意焊缝过于集中和避免截面突然变化。
特别是低温下作用的静力荷载发生的脆断，常与残余应力有关。
③进行合理细部构件设计，避免应力集中。
应力集中处会产生同号应力场，使钢材变脆。
尽量避免采用厚钢板，厚钢板比薄钢板较易脆断，对钢材的韧性也有降低。
④选择合理的钢材，钢材化学成分与钢材抗脆断能力有关，含碳量高的钢材，抗脆断能力有所下降，同时控制钢材中硫和磷的含量，硫使钢材热断，磷使钢材冷断，对于在低温下作用的钢结构，应选择抗低温冲击韧性好的材料。
⑤加载速率越高，钢材的脆断转变温度提高，对于同一韧性的材料，设计动力荷载时允许最低的使用温度比静力荷载高的多，所以根据钢材不同的工作加载速率应选择不同韧性的钢材。
⑥设计结构时选择优良的结构形式，有助于减少断裂的不良后果。
2、解释应力幅是评价焊接钢结构疲劳强度的一个指标对于非焊接结构，通常用应力循环特征（应力比）min max/σσρ=来评价钢结构的疲劳强度。
但是对于焊接钢结构疲劳强度起控制作用的是应力幅σ?，而几乎与最大应力max σ、最小应力min σ及应力比这些参量无关。
这是因为：焊接及其随后的冷却，构成不均匀热循环过程，使焊接结构内部产生自相平衡的残余应力，在焊接附近出现局部的残余拉应力高峰，横截面其余部分则形成残余压应力与之平衡。
焊接残余拉应力最高峰值往往可达到钢材的屈服强度，名义上的应力循环特征（应力比）min max /σσρ=并不代表疲劳裂缝出现的应力状态。
金属材料的断裂与疲劳行为金属材料广泛应用于建筑、机械、汽车、电器、军事等领域，但其在使用过程中也面临着断裂与疲劳等问题。
断裂是指物体在外力作用下破裂成两个或多个部分，而疲劳是指物体在周期性应力作用下逐渐发生疲劳损伤并最终破坏。
在研究金属材料断裂与疲劳行为的同时，我们也要探讨如何通过改进设计和工艺来提高其抗断裂和抗疲劳性能。
断裂断裂是指材料在受力过程中发生破裂的现象。
材料的断裂可以分为韧性断裂和脆性断裂两种类型。
韧性断裂指的是材料在受力作用下发生微观变形，延缓了破裂的发生，而脆性断裂则是指材料在受力作用下迅速发生破裂，一般是由应力集中引起的。
在实际应用中，我们通常希望材料尽可能表现出高韧性和低脆性，因为韧性可以提高材料的承载能力和耐冲击性，而脆性会使材料易于破裂，降低使用寿命。
材料的韧性和脆性取决于其性质和结构。
例如，金属材料中晶粒细小、含有均匀分布的非金属夹杂物和微观缺陷的材料通常具有较高的韧性，因为这些组织结构可以分散应力并吸收能量，从而延缓破裂的发生。
相反，晶粒较大、夹杂物和缺陷较少的材料容易发生脆性断裂。
因此，在设计金属材料时，应考虑其结构和制造工艺，以获得较高的韧性并降低脆性风险。
疲劳疲劳是指材料在周期性应力作用下引起的逐渐损伤和破坏。
在工程材料的应用中，材料通常处于受到低于断裂应力的周期性荷载状态，例如机械振动、交通运输、电气连接、水力和风力等方面。
虽然单次载荷下材料不会达到破裂点，但反复受力会使得材料在不可见的基础上逐渐发生塑性变形、裂纹扩展、断裂等现象。
如果没有及时发现并采取措施，这些微小的损伤将最终导致材料失效。
疲劳失效的过程可以分为初期损伤、稳态扩展和灾难性破坏三个阶段。
其中，初期损伤指的是裂纹的形成；稳态扩展指的是裂纹随着荷载变化不断扩展；灾难性破坏则是裂纹扩展至材料的疲劳强度下限，导致材料失效。
在材料的疲劳过程中，不同材料和不同应力状态都会导致不同的裂纹生长速率，因此需要根据材料的特性确定疲劳极限和安全寿命。
结构疲劳与断裂作业结构疲劳与断裂作业专业：结构工程姓名：高培文学号： S2******* 授课教师：雷宏刚疲劳与断裂是引起结构与构件失效的主要原因，由疲劳与断裂引发的众多灾难性事故给人类造成了难以估量的损失。
统计资料表明，80-90%的焊接结构断裂事故是由疲劳失效引起的，由于焊接接头的焊趾处的应力集中和残余拉伸应力作用，焊接接头疲劳强度大幅度地低于基本金属的疲劳强度。
虽然结构按疲劳规范设计，仍然发生一些整体结构的过早疲劳失效，造成巨大的经济损失，甚至是人身伤亡事故。
一、疲劳破坏疲劳破坏就是材料或构件在交变应力或应变作用下，在某点或某些点产生永久性损伤，经一定循环次数后产生裂纹，并使裂纹扩展直至完全断裂或突然发生完全断裂的过程。
构件因发生疲劳破坏而丧失正常工作性能的现象称为疲劳失效。
试件抵抗疲劳失效的能力称为材料疲劳强度;构件抵抗疲劳失效的能力称为结构疲劳强度。
疲劳寿命，即材料或构件疲劳失效时所经受的规定应力或应变的循环次数。
疲劳断裂过程大致可分为四个阶段:裂纹成核阶段、微观裂纹扩展阶段、宏观裂纹扩展阶段、最后断裂阶段。
1、裂纹成核阶段受有交变载荷的构件如果是无裂纹或者是无其它缺陷的光滑零部件，在交变应力作用下，虽然名义应力不超过材料的屈服极限，但由于材料组织性能不均匀，在构件的表面局部区域仍然能产生滑移。
用力学原理来解释，因为构件表面是平面应力状态，容易产生滑移，但看不到塑性变形特征。
由于多次反复的循环滑移过程，便产生金属挤出和挤入的滑移带，由此形成微裂纹的核。
2、微观裂纹扩展阶段一旦裂纹成核，微裂纹就沿着滑移面扩展，扩展方向是与主应力轴成45°。
此阶段扩展深入表面很浅，大约十几微米，而且不是单一的裂纹，是许多沿滑移带的裂纹，这个过程为裂纹扩展的第一阶段。
3、宏观裂纹扩展阶段这一阶段是从微观裂纹直接过渡过来的宏观阶段，裂纹扩展速率增加，扩展方向与拉应力垂直，且为单一裂纹扩展。
一般认为裂纹长度a在0.1mm4、瞬时断裂阶段当裂纹扩展到足够大即达到临界尺寸ac时，便会产生失稳扩展而很快断裂。
材料疲劳与断裂行为的研究与预测材料工程领域的一个重要课题是材料的疲劳与断裂行为的研究与预测。
对于工程材料来说，疲劳与断裂是不可忽视的问题，因为它们直接关系到材料的可靠性和寿命。
疲劳是材料在外力作用下，反复加载和卸载的过程中逐渐发展出的内部损伤和裂纹扩展现象。
中频低周疲劳与高频高周疲劳是两类常见的疲劳模式。
对于这两类疲劳现象的研究，科学家们提出了一系列预测疲劳寿命的方法。
其中，最为常用的方法是基于S-N曲线（即应力-寿命曲线）的预测模型。
这个模型是通过在不同应力水平下对试样进行断裂寿命测试，然后根据实验结果得到的应力和寿命之间的关系曲线。
通过这种方式，我们可以直接估计在给定应力下材料的疲劳寿命。
然而，这个方法并不适用于所有材料，因为材料的疲劳断裂行为往往是复杂的。
除了基于S-N曲线的模型，还有一些新兴的方法被引入到材料疲劳与断裂行为的研究中。
例如，微型断裂力学模型是一种利用断裂力学理论来研究材料断裂行为的方法。
通过对材料内部微观结构和裂纹扩展过程的分析，可以得到材料的疲劳寿命预测。
另一个研究材料疲劳与断裂行为的方法是应用计算机仿真技术。
通过建立模型并进行数值模拟，可以研究材料在疲劳加载下的应力分布、裂纹扩展等重要参数，并预测材料疲劳寿命。
这是一种十分有前景的方法，因为它不仅可以避免实验操作的复杂性，还可以提供更多的信息来深入研究材料的疲劳行为。
除了疲劳现象，材料的断裂行为也是一个重要的研究方向。
断裂是材料在外力作用下发生失效的过程，它是材料工程中最为关键的问题之一。
为了预测材料的断裂行为，科学家们引入了断裂力学理论。
这个理论通过分析应力、应力强度因子、应变能等参数，来研究材料断裂的机理和过程。
通过断裂力学理论的应用，我们可以预测材料在不同应力水平下的断裂行为。
除了断裂力学理论，还有其他一些方法用于研究材料的断裂行为。
例如，断裂表征方法可以通过对断口形貌的观察和分析，来研究材料的断裂机制和失效模式。
材料的疲劳和断裂行为疲劳和断裂是材料工程中的重要研究领域。
疲劳是指材料在经历了重复加载或应力变化后，由于内部微观缺陷逐渐积累，最终导致材料的失效。
而断裂则是指材料在承受高应力或者外力集中作用下发生裂纹扩展的现象。
本文将深入探讨材料的疲劳和断裂行为，并分析其机理和影响因素。
一、疲劳行为材料的疲劳行为广泛存在于我们生活和工作的各个领域。
例如，金属材料在机械工程中的零部件、桥梁结构和飞机构件等地方，由于长期受到复杂的力学载荷，易出现疲劳失效。
疲劳失效不仅会给工程的安全性和可靠性带来威胁，也会增加维修和更换的成本。
1. 疲劳断裂机理在受疲劳加载作用下，材料内部的微观缺陷会逐渐积累导致裂纹的形成和扩展。
这些微观缺陷包括晶界、夹杂物、夹层、腐蚀坑等。
当应力斑马纹通过这些缺陷时，会导致位错的生成和扩展，从而引起材料的疲劳断裂。
2. 疲劳寿命与应力幅关系材料的疲劳寿命与应力幅之间存在一定的关系。
应力幅越大，疲劳寿命越短；应力幅越小，疲劳寿命越长。
这是由于应力幅增加会导致材料内部位错、裂纹等缺陷的生成和扩展速度增加，从而缩短了材料的使用寿命。
3. 影响疲劳行为的因素除了应力幅外，疲劳行为还受到多种因素的影响。
其中包括材料的力学性能、表面质量、温度、湿度、载荷频率、环境介质等。
材料的力学性能如强度、韧性、硬度等，对材料的疲劳行为具有重要影响。
同时，表面质量的好坏、温度和湿度的变化也会引起材料内部微观缺陷的形成和扩展。
二、断裂行为除了疲劳行为外，材料的断裂行为也是值得重视的。
断裂指的是材料在受到高应力或者外力集中作用下发生裂纹扩展的现象。
在工程实践中，为了减缓断裂失效对工程结构和设备造成的危害，需要对材料的断裂行为进行深入研究。
1. 断裂机理材料的断裂机理可以分为静态断裂和动态裂纹扩展两个阶段。
静态断裂是指在裂纹形成之前，材料的应力集中到达临界值，导致断裂开始。
而动态裂纹扩展则是指裂纹在外力作用下迅速扩展，直到材料完全失效。
材料力学中的疲劳与断裂行为研究材料力学是研究材料的力学性能、力学行为以及材料对外界力的响应和变形的学科。
在材料力学领域中，疲劳与断裂行为是一个重要的研究方向。
本文将探讨材料力学中的疲劳与断裂行为研究的相关内容。
一、疲劳行为研究疲劳是材料力学中一种常见的失效形式，是指在应力循环加载作用下，经过一定次数的循环应力加载后，材料产生裂纹和破坏的现象。
疲劳寿命是衡量材料疲劳性能的重要指标之一。
疲劳行为研究主要包括以下几个方面：1. 疲劳试验：通过对材料进行循环加载试验来获取材料的疲劳曲线和疲劳寿命。
常见的疲劳试验方法有拉伸疲劳试验和弯曲疲劳试验等。
2. 疲劳断口形貌：通过对疲劳断口进行形貌分析，可以了解疲劳裂纹的扩展路径和破坏机制。
3. 疲劳损伤机理：疲劳断裂过程中，材料经历了裂纹萌生、扩展和破坏等多个阶段，研究材料的疲劳损伤机理有助于提高材料的疲劳寿命和安全性。
二、断裂行为研究断裂是材料力学中另一种常见的失效形式，是指材料在外界力作用下，由于应力超过其承载能力而发生的破坏现象。
断裂行为的研究可以提高材料的强度和韧性。
断裂行为研究主要包括以下几个方面：1. 断裂韧性：断裂韧性是衡量材料抵抗断裂的能力。
通过断裂韧性试验，可以评估材料在受力状态下的断裂特性。
2. 断裂韧性的影响因素：材料内部的微观结构、缺陷和应力状态等因素会影响材料的断裂韧性，研究这些因素对断裂行为的影响有助于改进材料的设计和制备方法。
3. 断裂模式：不同材料在断裂时会出现不同的断裂模式，如脆性断裂和韧性断裂等。
研究断裂模式对材料失效机理的理解具有重要意义。
三、疲劳与断裂行为的数值模拟数值模拟是研究材料力学中疲劳与断裂行为的重要手段之一。
通过建立数学模型和力学模型，可以模拟材料在疲劳和断裂过程中的应变应力分布、裂纹的扩展以及破坏机制等。
常用的数值模拟方法包括有限元方法和离散元方法等。
有限元方法适用于对材料的宏观行为进行模拟，可以在不同应力条件下研究材料的疲劳与断裂行为。
材料的疲劳与断裂行为研究疲劳与断裂行为是材料科学与工程领域的重要研究方向之一。
疲劳是材料在循环加载下的损伤和失效过程，而断裂是在承受外力作用下材料的破裂过程。
研究材料的疲劳与断裂行为对于制定合理的材料设计和工程应用具有重要意义。
1. 引言材料的疲劳与断裂行为是由内在的微观结构和外部环境因素共同决定的。
了解材料的疲劳断裂机制以及其对材料性能和使用寿命的影响，对于材料的可靠性和安全性具有重要意义。
2. 材料疲劳行为研究2.1 疲劳寿命预测疲劳寿命预测是研究材料疲劳行为的重要方法。
通过建立疲劳寿命预测模型，可以评估材料在不同循环载荷下的寿命。
常用的疲劳寿命预测方法包括应力寿命曲线和损伤累积规律等。
2.2 循环载荷下的损伤行为在循环载荷下，材料内部会产生损伤积累，导致疲劳失效。
损伤行为的研究有助于了解材料的疲劳机制。
常见的损伤行为包括微裂纹扩展、晶界滑移等。
3. 材料断裂行为研究3.1 断裂力学理论断裂力学理论是研究材料断裂行为的重要工具。
通过断裂力学理论的应用，可以预测材料在受力下的断裂行为，并对材料的断裂强度进行评估。
3.2 断裂韧性的研究断裂韧性是衡量材料抵抗断裂的能力。
通过研究材料的断裂韧性，可以评估材料在应力集中区域的抗裂纹扩展能力。
常见的断裂韧性测试方法包括冲击试验和拉伸试验等。
4. 材料的疲劳与断裂行为相互关系研究疲劳和断裂行为之间存在着密切的相互关系。
材料的疲劳行为会影响其断裂行为，而材料的断裂行为又会影响其疲劳寿命。
因此，研究材料的疲劳与断裂行为之间的相互关系，对于理解材料的整体性能和应用具有重要意义。
5. 结论疲劳与断裂行为是材料科学与工程中的重要研究方向。
通过研究材料的疲劳与断裂行为，可以为材料设计和工程应用提供有价值的参考。
未来的研究中，需要进一步深入研究材料的疲劳与断裂机制，提高材料的疲劳强度和断裂韧性，以满足不同工程领域对材料性能的需求。
参考文献：[1] Smith J, Zhang Y. Fatigue crack growth prediction[J]. International Journal of Fatigue, 1990,12(2):159-169.[2] Rice J R. A path independent integral and the approximate analysis of strain concentration by notches and cracks[J]. Journal of Applied Mechanics, 1968,35(2):379-386.[3] Lawn B R. Fracture of brittle solids[M]. Cambridge University Press, 1993.。
工程力学中的材料疲劳与断裂行为研究工程力学是研究物体受力和变形规律的学科，而材料疲劳与断裂行为是工程力学中一个重要的研究方向。
本文将就材料疲劳与断裂行为进行探讨，以加深读者对工程力学的认识。
1. 疲劳断裂概述在工程结构设计与使用过程中，材料常常处于长期的循环加载状态。
疲劳断裂是指当材料在受到循环加载作用后，经过多次循环后出现的断裂现象。
疲劳断裂不仅是工程结构安全的隐患，也是很多事故和灾害的原因。
因此，对材料的疲劳与断裂行为进行研究具有重要意义。
2. 材料疲劳行为研究材料的疲劳行为是指材料在受到循环加载作用后产生的力学和物理响应。
该行为与材料本身的性质、载荷的频率和幅值有关。
疲劳行为的研究内容包括疲劳寿命预测、疲劳裂纹扩展规律等。
科学家通过对材料疲劳行为的研究，可以提高工程结构的安全性和可靠性。
3. 材料断裂行为研究材料的断裂行为是指材料在受到外界力作用下发生破裂的过程。
断裂行为的研究可以揭示材料的强度和韧性，以及断裂过程中的力学响应。
断裂行为的研究对于材料选择和结构设计具有重要意义。
科学家可以通过对材料断裂行为的研究，提高工程结构的可靠性和安全性。
4. 材料疲劳与断裂行为的分析方法研究材料疲劳与断裂行为的方法包括实验方法和数值模拟方法。
实验方法通过对材料进行加载实验，观察其疲劳与断裂行为，获取相关的力学参数。
而数值模拟方法则通过建立材料的数学模型，借助计算机进行仿真计算，预测材料的疲劳与断裂行为。
实验方法和数值模拟方法一同应用，可以更全面地了解和分析材料的疲劳与断裂行为。
5. 材料疲劳与断裂行为的应用材料疲劳与断裂行为的研究成果广泛应用于工程实践中。
对于制造业而言，研究材料的疲劳与断裂行为，有助于提高产品的质量和可靠性。
在航空航天领域，研究材料的疲劳与断裂行为可以提高飞机结构的安全性。
在交通工程领域，研究材料的疲劳与断裂行为有助于提高道路与桥梁的耐久性和承载能力。
总结：工程力学中的材料疲劳与断裂行为是一个重要的研究方向。
航空器材料的疲劳与断裂行为在广袤的蓝天中，航空器翱翔天际，将人们送往世界各地。
然而，在这看似自由飞翔的背后，航空器材料所面临的疲劳与断裂问题却如影随形，对飞行安全构成了潜在的威胁。
要理解航空器材料的疲劳与断裂行为，首先得清楚什么是材料的疲劳。
简单来说，材料疲劳就是在循环加载或交变应力作用下，材料经过一定的循环次数后发生的局部永久性结构变化和裂纹扩展，最终导致材料失效。
航空器在飞行过程中，会不断经历起飞、爬升、巡航、下降、着陆等阶段，机体结构承受着反复的压力和拉伸，就如同我们不断地弯曲一根铁丝，最终铁丝会在某个薄弱点断裂一样。
航空器所使用的材料种类繁多，常见的有铝合金、钛合金、复合材料等。
这些材料在承受循环载荷时，表现出不同的疲劳特性。
铝合金因其良好的加工性能和较轻的重量，在航空器制造中被广泛应用。
但其疲劳性能相对较弱，在长期的循环载荷作用下容易产生裂纹。
钛合金则具有更高的强度和更好的抗疲劳性能，但成本较高。
复合材料具有优异的比强度和比刚度，但其疲劳行为较为复杂，受到纤维和基体的相互作用以及制造工艺等多种因素的影响。
那么，航空器材料的疲劳是如何产生的呢？从微观角度来看，材料内部存在着各种缺陷，如位错、晶界、夹杂物等。
在循环载荷作用下，这些缺陷处会产生应力集中，导致局部塑性变形和微裂纹的萌生。
随着循环次数的增加，微裂纹逐渐扩展、连接，形成宏观裂纹。
当裂纹扩展到一定程度，材料的剩余强度不足以承受载荷时，就会发生断裂。
影响航空器材料疲劳性能的因素众多。
首先是载荷特性，包括载荷的大小、频率、波形等。
较大的载荷和较高的加载频率会加速疲劳裂纹的扩展。
其次是环境因素，如温度、湿度、腐蚀介质等。
高温会降低材料的强度和抗疲劳性能，潮湿的环境和腐蚀介质会加速材料的腐蚀，从而降低其疲劳寿命。
此外，材料的制造工艺和表面处理也对疲劳性能有着重要影响。
良好的制造工艺可以减少材料内部的缺陷，提高材料的均匀性；而适当的表面处理，如喷丸、滚压等，可以在材料表面引入残余压应力，抑制疲劳裂纹的萌生和扩展。
同济大学建筑工程系研究生课程《高等钢结构原理》断裂与疲劳部分学生作业2015. 9.一、作业要求1．每位学生自选4道概念论述题和1道计算题。
2．应仔细审题，答题清楚到位。
鼓励有全面深入的高质量论述。
3．相互抄袭很容易识别，均按无作业成绩处理。
请独立思考答题。
4．概念论述题照抄授课教师讲稿，作业成绩最高只能得60分。
5．书面答题，统一做在A4纸上，打印和手写均可，封面写上系（所）别、学号和姓名、硕士生或博士生。
校外旁听生写上单位名称。
6．作业可集中给班长统一提交到土木大楼A711室，截至时间2015年11月20日7．本课程考核方式为期末考试和平时作业考核相结合，最终成绩为40%期末考试与60%平时作业成绩之和。
二、参考书目（1）[英]T.R. 格尔内，焊接结构的疲劳，机械工业出版社，1988。
（2）焦馥杰，焊接结构分析基础，上海科学技术出版社，1991。
（3）[德]D. 拉达伊，焊接结构疲劳强度，机械工业出版社，1994。
（4）霍立兴，焊接结构工程强度，机械工业出版社，1995。
（5）陈绍蕃，钢结构设计原理，科学出版社，2000。
（6）[荷]J.Wardenier, 钢管截面的结构应用，同济大学出版社，2004。
（7）N.E. Dowling, Mechanical Behavior of Materials, Pearson Prentice Hall, 2007（8）国家标准，钢结构设计规范GB50017－2003（9）Eurocode 3 : Design of steel structures – Part 1-9 : Fatigue,EN 1993-1-9, 2005.三、概念论述题1．焊接钢结构的缺点及其原因2．焊接结构可能出现哪些类似裂纹的缺陷3．影响焊接钢结构脆性断裂的主要因素及其效应4．线弹性断裂力学的研究对象和应用范围5．裂纹类型和裂纹尖端附近的应力场特点6．应力强度因子的一般表达式和用途7．应力强度因子与应力集中系数的区别8．应变时效的要义9．高强度钢材在动力荷载、低温条件下应用需要特别关注什么问题10．防止焊接钢结构脆性断裂的基本措施11．焊接与非焊接钢结构在疲劳性能上的异同点12．为什么焊接结构疲劳性能比非焊接结构差13．焊接结构疲劳裂纹出现的位置和扩展有什么特点14．钢结构疲劳寿命离散性具有怎样的特点15．解释应力幅是评价焊接钢结构疲劳强度的一个指标16．采用高强度钢材是否有助于改善焊接钢结构疲劳性能17．无限寿命、安全使用寿命、破损－安全等疲劳设计思想的基本要义18．基于构造分类的疲劳设计方法的特点19．何谓热点应力20．基于热点应力的疲劳设计方法的特点21．断裂力学在焊接钢结构疲劳分析中有何用武之地22．如何运用断裂力学裂纹扩展原理来预测焊接钢结构的疲劳寿命23．如何运用结构损伤原理来评估变幅疲劳问题24．可采取哪些措施来改善焊接钢结构疲劳性能四、计算题1.有一宽度很大的平钢板，中心有一长度为2a的初始裂纹，a=10mm，两侧受到均匀拉应力，钢材为高强度钢，屈服强度f y =550MPa，断裂韧性K IC =3000 MPa·mm1/2。
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。
金属材料的疲劳与断裂行为研究疲劳和断裂是金属材料使用过程中常见的失效形式，对于确保材料的可靠性和安全性具有重要意义。
本文将对金属材料的疲劳与断裂行为进行研究，并讨论相关的影响因素和改进措施。
一、疲劳行为金属材料在长期交变载荷的作用下会发生疲劳失效。
疲劳失效一般经历三个阶段：裂纹的起源、裂纹的扩展和材料的断裂。
研究表明，疲劳寿命与应力水平、应力幅值、应力比、环境条件和材料微观结构等因素密切相关。
1. 影响因素1.1 应力水平：应力水平是指疲劳曲线上的平均应力水平，通常用最大应力的一半表示。
应力水平越高，材料的疲劳寿命越短。
1.2 应力幅值：应力幅值是指疲劳曲线上最大应力与最小应力之差。
应力幅值越大，材料的疲劳寿命越短。
1.3 应力比：应力比是指峰值应力与谷值应力之比。
当应力比为1时，称为纯轴向载荷；当应力比不等于1时，称为非纯轴向载荷。
非纯轴向载荷下的疲劳寿命一般比纯轴向载荷下的疲劳寿命短。
1.4 环境条件：环境条件如湿度、温度、气体环境等会对金属材料的疲劳寿命产生影响。
例如，高温、高湿度和腐蚀介质会加速材料的疲劳失效。
1.5 材料微观结构：金属材料的微观结构如晶格结构、晶界、夹杂物、相变等会影响其疲劳寿命。
晶界的孔隙、夹杂物的尺寸和分布、相变的位错等缺陷都可能成为疲劳裂纹的起始点。
2. 改进措施2.1 材料选择和设计：选择适合工作条件的高强度材料，并根据应力分布进行合理的结构设计，以减小疲劳应力集中。
2.2 表面处理：通过表面处理方式如喷丸、镀层等来改善材料表面的质量和性能，提高其抗疲劳性能。
2.3 控制工艺参数：通过合理的热处理、冷加工等工艺参数的控制，减小材料内部的缺陷和应力集中。
二、断裂行为金属材料在受到破坏性载荷的作用下，会发生断裂失效。
断裂行为通常经历两个阶段：裂纹的起源和断裂的扩展。
研究表明，断裂行为与应力状态、载荷速率、温度和材料韧性等因素密切相关。
1. 影响因素1.1 应力状态：金属材料的断裂行为受应力状态的影响。
极端环境下的材料疲劳与断裂力学行为研究随着科技的不断进步，人们对材料的要求也越来越高。
然而，一些特殊环境下的材料疲劳与断裂力学行为研究成为了科学家们的关注焦点。
这些极端环境包括高温、低温、高压、强辐射等，对材料的性能和寿命提出了更高的要求。
本文将探讨极端环境下材料疲劳与断裂力学行为的研究进展。
首先，我们来看高温环境下的材料疲劳与断裂力学行为。
高温会导致材料的结构发生变化，晶体结构的热膨胀与热应力的作用会引起材料的断裂。
此外，高温还会加速材料的疲劳过程，使其寿命缩短。
因此，科学家们通过实验和模拟研究，探索了高温环境下材料疲劳与断裂的机制，并提出了一系列改善材料性能的方法，如添加合金元素、表面涂层等。
接下来，我们转向低温环境下的材料疲劳与断裂力学行为。
低温会导致材料的脆性增加，使其更容易发生断裂。
此外，低温下材料的强度和韧性也会发生变化，这对材料的使用性能提出了挑战。
为了研究低温环境下材料的疲劳与断裂行为，科学家们进行了一系列实验和模拟研究，探索了低温下材料的断裂机制，并提出了一些改善材料性能的方法，如改变材料的组织结构、添加韧性增强剂等。
除了温度，高压环境也是一种极端条件，对材料的疲劳与断裂力学行为有重要影响。
高压会导致材料的体积变化，引起内部应力的积累，从而导致材料的断裂。
此外，高压还会改变材料的晶体结构和力学性质，影响材料的强度和韧性。
为了研究高压环境下材料的疲劳与断裂行为，科学家们进行了一系列实验和模拟研究，探索了高压下材料的断裂机制，并提出了一些改善材料性能的方法，如增加材料的晶体缺陷、优化材料的组织结构等。
最后，我们来看强辐射环境下的材料疲劳与断裂力学行为。
强辐射会引起材料的缺陷和损伤，从而导致材料的断裂。
此外，辐射还会改变材料的晶体结构和化学成分，影响材料的力学性能。
为了研究强辐射环境下材料的疲劳与断裂行为，科学家们进行了一系列实验和模拟研究，探索了辐射对材料断裂的影响机制，并提出了一些改善材料性能的方法，如选择抗辐射材料、增加材料的防护层等。
在船舶与海洋工程领域，目前国内对疲劳问题的机理研究几乎处于停滞状态，本文考虑了提出考虑腐蚀缺陷的冰区平台动态疲劳可靠性模型，并基于Bayes 理论研究检测与维修对平台动态疲劳可靠性更新。
以疲劳寿命为控制量，确定基于断裂力学方法的冰区平台动态疲劳可靠性功能函数；分析腐蚀对平台动态疲劳可靠性的影响，建立考虑疲劳与腐蚀交互作用的冰区平台动态可靠性模型；基于Bayes 理论对腐蚀预测模型进行修正，通过修正腐蚀模型实现，最后通过渤海某一平台为例，进行验证和分析。
其基本原理如下：考虑腐蚀的影响，并设腐蚀函数为d(t)，则管节点的临界深度fa 可表示为()0f a w dt =-其中t 为平台服役时间。
根据断裂力学理论，以疲劳寿命为控制量，并考虑尺寸参数的不确定性，平台节点的疲劳寿命分析功能函数()()()001w d t ma avgY S dag t tf C B Y a B S -=-⎡⎣⎰其中C 和m 为材料的裂纹扩展参数，由材料属性确定，e S 为等效疲劳应力范围，avg f 为荷载作用的平均频率，()Y a 为裂纹扩展的几何修正系数，S B 和Y B 分别为描述疲劳应力和几何修正系数计算过程中的不确定因素的随机变量。
综上可知，等效疲劳应力范围e S 和荷载作用的平均频率avgf 为两个重要的计算参数，而这参数可以通过对整个冰激疲劳环境划分子工况的方法确定，因此根据每个子工况的疲劳应力参数与工况比例获取e S 和avgf ；()10101km mi i i i e ki i i f E S S f ==⎡⎤∂⎢⎥⎢⎥=⎢⎥∂⎢⎥⎣⎦∑∑，01kavg i i i f f ==∂∑，其中k 为子工况数，i ∂为子工况i 所占的比例，0i f 为子工况i 的荷载频率，()m iE S 为子工况中mS 的均值。
由于考虑到腐蚀的影响，腐蚀函数d(t)采用paik 腐蚀模型，该模型的表达式为()()()()()()()()()()2''22'2BBi i C CA A A A d t A t T t TA A μσμσμσσ+=-=-+其中的A 和B 分别为与腐蚀保护系统相关的系数，t 为平台服役时间，CT 为CPS 寿命。
此时关键确定参数A ，切此参数需要根据不断地检测数据进行更新，根据bayes 更新原理，设更新前的系数A 的均值和标准差为()()A A μσ,更新后的均值和标准差为()()''A A μσ，因此，第i 年检测更新后的均值和标准差为()()()()()()()2''22'2i A A A A A A A μσμσμσσ+=+()2i A σ=新后的腐蚀模型为()()()()()()()()()()2''22'2BBi i C C A A A A d t A t T t T A A μσμσμσσ+=-=-+。
因此，在实际计算平台中，考虑了24种工况，分析渤海冰区平台的动态疲劳可靠性，并根据检测维修进行更新，结果表明检测和维修对平台可靠性影响较大，腐蚀速率越大可靠性下降越快，但是维修平台可以恢复原值，但是在随后的服役过程中可靠性下降速率较快。
对于海洋工程结构，在研宄疲劳问题的同时，必须考虑腐烛问题。
据统计，我国年腐蚀损失约占国民生产总值的5%，海洋腐蚀的损失约占总腐蚀损失的三分之一。
尽管船舶与海洋工程结构物在建造之初配有严格的腐蚀防护系统，理论上船体腐独处于可接受范围之内，根据实船检测发现，在船舶服役期间防腐系统并不是足够有效，尤其在一些局部区域，由于涂层老化或者其它因素导致涂层脱落，会导致更加严重的腐烛。
据统计资料显示近90%的海洋工程结构物失效是由腐烛引发，而腐烛疲劳占事故总数的接近30%。
由此可见，腐蚀疲劳在海洋工程领域具有普遍性和危害性。
与陆地上的工程结构相比，船舶与海洋工程结构的特殊性之一就是其长期处于海洋环境中，结构表面所遭受的腐烛极为严重。
海洋工程结构在服役期内将受到交变载荷和腐烛环境的联合作用，使得其服役时间明显缩短。
一般认为，工程结构或构件在交变载荷和腐独环境联合作用下因开裂或断裂提前失效的现象，称为腐烛疲劳。
在腐烛疲劳过程中，存在两种基本的损伤形式：一是由交变载荷引起的疲劳损伤；二是由腐烛介质引起的腐烛损伤。
当海洋工程结构遭受交变载荷和腐姓环境的联合作用时，这两种损伤的作用不是简单叠加，而是两种基本损伤之间存在明显的稱合效应，即互相促进腐独疲劳的本质是海洋工程用钢海水的电化学腐烛过程与交变载荷对工程结构的力学损伤过程的稱合作用。
因此，海洋工程结构在交变载荷与腐性环境联合作用下的腐烛疲劳破坏是一种更为严重的腐烛力学破坏形式。
腐蚀疲劳现象于1917年首次提出，至今一个世纪以来，国内外学者对腐蚀疲劳做了长期而广泛的研究，其主要的研究成果集中在对腐蚀疲劳裂纹的形成和扩展机制，以及各种因素对疲劳S-N 曲线和裂纹扩展速率的曲线影响研究。
为了考虑海水腐烛对海洋工程结构疲劳性能的影响，目前工程上常用的处理方法主要有以下两种：一是根据规范给出各个区域构件的腐烛余量，在疲劳寿命分析时以扣除腐烛余量的板厚去计算疲劳热点位置的应力响应，然后按照空气中的曲线评估疲劳损伤，对于那些没有腐烛防护的结构，则要求使用更为保守的腐烛条件下的曲线。
二是通过对实际结构腐烛检测和实海挂片腐烛数据的统计分析和拟合，建立构件腐烛厚度随时间变化的腐烛模型，从而能够确定构件在全寿命期内任意时亥的剩余厚度。
在采用有限元法计算疲劳热点应力时，选择多个时刻建立不同剩余厚度的精细有限元模型，得到结构热点应力随时间的变化趋势，然后按照无腐烛条件下的曲线计算疲劳损伤。
海洋结构物根据其各个部位所处腐烛环境不同，其腐烛形态和规律都有所不同。
腐 蚀疲劳根据腐烛介质分类，分为气相腐烛疲劳和液相腐烛疲劳。
本文所关注的是海洋结 构物全浸区的腐烛疲劳行为，属于典型的液相腐烛疲劳。
海洋结构物用钢与海水介质通 过电化学腐烛作用，显著降低了结构的疲劳性能。
通常将影响腐她疲劳因素分为三类：冶金因素，力学因素与环境因素。
一个因素的变化就有可能引起腐蚀疲劳行为的臣大差异，因此目前还没朽种腐烛疲劳机理模型能够解释所有的腐烛疲劳现象。
腐蚀疲劳是一个较为复杂的问题，由于许多影响因素间错综复杂的关系,目前要定量预计所设计的构件的腐蚀疲劳强度还很困难，腐蚀疲劳的防护起到一定的作用：1.合理选材与优化材料；采用耐腐蚀疲劳的材料。
由于钢的强度愈高，通常其腐蚀疲劳敏感性愈大，因此选择强度低的钢种一般更为安全。
例如含二氧化硫的溶液中Cr26Ni15铁素体–奥氏体双相不锈钢较奥氏体不锈钢耐蚀。
2.降低张应力水平或改善表面应力状态；设计上注意结构合理化，减少应力集中，避免缝隙结构，适当加大截面尺寸。
3.缓腐蚀作用；常用的措施有施加表面、添加缓蚀剂和实施电化学保护技术。
（1）表面涂(镀)层喷丸、氮化等在材料表面产生压应力，有利于提高耐腐蚀疲劳性能。
例如碳钢经氮化处理后在3%氯化钠溶液中的寿命可提高2～3倍。
（2）添加缓蚀剂例如在含乙醇的水中加200ppm 重铬酸钠可使正火的0.35%碳钢的腐蚀疲劳性能接近空气中的疲劳性能。
（3）电化学保护在弱酸性、中性和碱性介质中可采用阴极保护，如碳钢在3%氯化钠溶液中和在循环应力作用下，采用阴极保护可显著提高耐腐蚀疲劳性能。
但不能完全防止，这可能是由于在交变应力作用下，材料电势的变化并不是同一方向的。
在氧化介质中使用的碳钢，特别是不锈钢，也可采用阳极保护。
在海洋工程中，根据不同的海工况疲劳损伤累计公式推导： 已知S-N 曲线表达式为mN AS-=，伽马函数表达形式为()10x t x t e dt ∞--Γ=⎰，瑞利分布函数为()22exp 4sg s σ⎡⎤=-⎢⎥⎢⎥⎣⎦。
对于第i 个短期海况，其疲劳损伤i D 为：()00002020/2222/22000exp 4exp mi i i i m i i i i mi i m m i i T D s f Pg ds A Tf P s g ds A Tf P s s ds A Tf P d A Tf σ∞∞∞∞⎛⎫= ⎪⎝⎭⎛⎫= ⎪⎝⎭⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎢⎥=- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎡⎤⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎡⎤⎢⎥⎢⎥=- ⎪⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎣⎦=⎰⎰⎰⎰()()/222200exp 12m m i i m i i P d A Tf P m A ∞⎡⎤⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎢⎥⎢⎥- ⎪⎢⎥⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎣⎦⎛⎫⎛⎫=Γ+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎰式中，T 为设计寿命（s ）;A,m-S-N 曲线参数；i 为第i 个海况；0i f 为第i 海况应力幅值响应的过零率，单位Hz ；pi-Tz 和Hs 的联合概率；gi 第i 个海况应力幅值概率密度分布函数；s-应力变化范围，i σ为第i海况的均方根，r σ=整个寿命期内的总损伤D为：(()01112MMmm i i i i i i T m D D P f A σ==⎛⎫⎛⎫==Γ+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭∑∑考虑到雨流修正系数λ和持久强度系数μi,疲劳损伤D 为：(()()011,2Mmm i i i i i i T m D m P f A λεμσ=⎛⎫⎛⎫=Γ+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭∑其中，M 海况个数。
雨流修正系数λ被定义为如下形式：()()()[](),11b m i i m a m a m λεε=+--⎡⎤⎣⎦式中，()()0.9260.033, 1.578 2.323a m m b m m =-=-。
持久强度系数i μ的表达式：()()()()/200/21,1//21,1/21,m i i i i i m r m νννμν∆Γ+-Γ+=-Γ+式中，()()2100,,exp xa i a x u u du ν-⎛⎫=Γ=-⎰。
腐蚀疲劳是研究海洋工程结构中不可或缺的影响因素，由于兼顾腐蚀和疲劳两大难点，这将会是以后海洋工程结构课题研究的重要方向和发展趋势。
