材料力学疲劳破坏41页PPT

疲劳曲线
疲劳曲线是描述材料在循环载荷作用下的疲劳寿命与应力幅的关系曲 线
疲劳曲线的形状取决于材料的疲劳性能和载荷条件
疲劳曲线可以分为线性疲劳曲线和非线性疲劳曲线
疲劳曲线的斜率反映了材料的疲劳寿命与应力幅的关系，斜率越大， 疲劳寿命越长
疲劳强度
疲劳强度是指材 料在循环载荷作 用下抵抗破坏的 能力
疲劳强度与材料 的力学性能、微 观结构、环境因 素等有关
采用强化处理技术
热处理：通过加 热和冷却，改变 材料的微观结构， 提高其强度和韧 性
表面处理：如喷 丸、喷砂等，提 高表面硬度和耐 磨性
复合材料：将两 种或多种材料结 合，提高材料的 综合性能
形状优化：通过 改变材料的形状 和尺寸，提高其 抗疲劳性能
降低应力集中与尺寸效应的影响
优化设计：通过优化设计降低应力集中，如采用圆角、倒角等设计 材料选择：选择具有良好抗疲劳性能的材料，如高强度钢、铝合金等 热处理：通过热处理提高材料的抗疲劳性能，如淬火、回火等 表面处理：通过表面处理提高材料的抗疲劳性能，如喷丸、滚压等
疲劳数据处理：通过分析疲劳试验数据来评估材料的疲劳 性能
疲劳数据的处理与分析
数据采集：通过疲劳试验获取数据
数据可视化：使用图表展示分析结果， 如折线图、柱状图等
数据预处理：去除异常值、填补缺失 值等
结果解释：根据分析结果，解释材料 的疲劳性能和失效原因
数据分析：使用统计方法分析数据，如 方差分析、回归分析等
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疲劳试验与数据处理
疲劳试验的种类与方法
静态疲劳试验：通过施加恒定载荷来测试材料的疲劳性能
动态疲劳试验：通过施加周期性载荷来测试材料的疲劳性 能
疲劳寿命试验：通过测试材料的疲劳寿命来评估其疲劳性 能

6.6.2 焊接空心பைடு நூலகம்节点网架的疲劳性能
与螺栓球节点网架相比，其整体刚度大，更适用
于悬挂吊车动载作用的工业厂房。试验证明受压时
不存在疲劳问题。
1984年，太原理工大学开始对焊接空心球节点网
架的静力及疲劳性能进行系统的理论及试验研究，
通过对4种规格、15个试件的常幅疲劳试验，得到
了工程中常用的管--球节点在剖口焊情况下的疲劳
裂纹等；
(2) 制作过程中剪切、冲孔、切割；
(3) 焊接结构中产生的残余应力；
(4) 焊接缺陷的存在，如：气孔、夹渣、咬肉、
未焊透等； (5) 非焊接结构的孔洞、刻槽等； (6) 构件的截面突变； (7) 结构由于安装、温度应力、不均匀沉降等
产生的附加应力集中。
6.3 提高改善疲劳性能的措施
• • • • • • 精心选材； 精心设计； 精心制作； 精心施工； 精心使用； 修补焊缝；方法如下：
键物件在这一荷载谱作用下的预期寿命．再引入安全系数以
达到安全寿命。但事实上，我们很难预测使用期间所有的载 荷条件，且疲劳实验结果又有很大的离散性。因此，安全系 数确定中有许多不定因素，只有取的足够大，才能使疲劳破 坏的可能性降到很低。
3. 破损-安全设计
破损--安全设计准则首先是在航空工程中发展起
曲线(如图)。
6.6.3 螺栓球节点网架的疲劳性能
作为一种工程预制、现场拼装、适用于工业化生产 的网架形式，就应用范围而言，目前已跃居首位； 其疲劳性能关键是高强螺栓的疲劳。 1999年至今，太原理工大学在国家自然科学基金 的资助下，开始对螺栓球节点网架设置悬挂吊车的 变幅疲劳性能进行了系统的理论与试验研究，已获 得成果如下：
来的。它认为裂纹可以出现，但在整个裂纹被检测 和进行修理前，所出现的裂纹不会导致整个结构的 破坏。这就要求定期检查和维修，以便及时发现裂 纹，同时要求裂纹扩张速度较慢。此外，希望所设 计的结构能够进行载荷多路径传递转移，即将结构 某一环节破坏后，载荷能够被转移并重新分布。

片图
34 3800×
图33铁的舌状花样，箭头表示裂纹
扩展方向，复型4400×
.
复 型铁
的 舌 状 花 样 相 配 观 察 照
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▪ 2 解理台阶及河流花样形成原因 ▪ （1）解理裂纹与螺型位错交截形成台阶。
图35解理裂纹与螺型位错交截而形 成一个b高低的台阶
图36台阶形成过程的简化图
.
32
▪ （2）河流花样
.
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图16 疲劳塑性辉纹形成过 程示意图
▪ 图16（a）表示交变应力为零时， 裂纹闭合。
▪ 图16（b）表示裂纹受拉时裂纹张 开，裂纹尖端尖角处由于应力集中 而沿45°方向产生滑移。
▪ 图16（c）表示当拉应力达到最大 时，滑移区扩大，使裂纹尖端变成 了近似半圆形。裂纹尖端由锐变钝， 应力集中减小，最后滑移停止，裂 纹停止扩展。----“塑性钝化”。
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图26 15钢裂纹在夹杂物界面形成、扩展至断裂的全过程 2000×透射
受力方向
.
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▪ 综上所述：韧窝的形成是由于塑性变形使夹 杂物界面上首先形成裂纹，并不断扩大，最 后夹杂物之间的基体金属产生“内缩颈”， 当缩颈达到一定程度被撕裂或剪切断裂，使 空洞连接，从而形成了所看到的韧窝断口形 貌。如图27所示。
图（b）随着变形增大，位错会受到两 方面力的作用。最终两个力达到平衡， 使位错停止放出位错。
图（c）当外力足够大，或者是由于某 些粒子周围存在应力集中时，有可能将 位错推向基体与第二相粒子的界面， AB面分开形成空洞。
图（e）导致微孔扩大。图（f）位错
图25 裂纹在夹杂物边界上形成与长大的 . 沿不同方向滑移到粒子边界。
▪ 图5低碳钢经过不同循环次数后形成的滑移带。

材料内部的微裂纹、孔洞和杂质等缺 陷，会在应力集中处引发应力集中， 导致疲劳裂纹的萌生和扩展。
微观组织
材料的微观组织结构，如相的组成和 分布，也会影响疲劳性能。例如，多 相合金的1 02
温度
温度对材料的疲劳性能有显著影响。在低温环境下，金属材料的疲劳强 度通常会提高；而在高温环境下，由于蠕变和氧化等作用，疲劳强度会 降低。
疲劳数据的处理与解释
数据整理
对实验数据进行整理，包 括应力、应变、寿命等数 据。
数据分析
对整理后的数据进行统计 分析，找出材料的疲劳规 律。
结果解释
根据数据分析结果，解释 材料的疲劳行为和机理。
疲劳寿命预测
经验公式法
利用已知材料的疲劳试验数据，建立经验公式来 预测其他条件下的疲劳寿命。
有限元分析法
由于温度循环或热冲击引起的 疲劳。
环境疲劳
由于腐蚀、氧化、辐射等因素 引起的疲劳。
疲劳的危害
01
02
03
结构安全
疲劳失效可能导致结构突 然断裂，从而造成严重事 故和人员伤亡。
经济损失
频繁的疲劳失效会导致设 备维修和更换成本的增加 ，影响生产效率和经济效 益。
社会影响
疲劳失效可能对公共安全 和基础设施造成威胁，如 桥梁、铁路、管道等。
应力均值
应力均值也会影响材料的疲劳寿 命，通常应力均值越高，疲劳寿 命越长。
应力循环特征
应力循环具有对称性和非对称性 两种特征，对称循环下材料的疲 劳寿命较长，而非对称循环下材 料的疲劳寿命较短。
材料的疲劳极限
疲劳极限的定义
01
材料在一定条件下抵抗疲劳的能力，即在一定的应力幅值和循
环次数下不发生疲劳断裂的最大应力值。

·疲劳断裂是最常见的破坏形式。各类机 件破坏中80%~90%属于疲劳断裂。
·疲劳断裂通常发生在远低于材料静强度 的变动应力条件下出现，而且破坏前不 发生明显塑性变形，难以检测和预防。 造成的危害大。
2
什么是材料的疲劳？
·1939年法国工程师poncelet J.V ·在巴黎大学讲课时首先使用“疲劳”这一
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按静强度设计，满足[b]，为什么还发生破坏？ 19世纪30-40年代，英国铁路车辆轮轴在轴肩处
（应力仅为0.4 ys ）多次发生破坏；
1954年1月, 英国慧星(Comet)号喷气客机坠入地中 海（机身在舱门拐角处开裂）；
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大型汽轮机 转子
1 6
轴
叶轮
疲劳断裂破坏
wzhuoyt
术语，用来描述材料在循环载荷作用下 承载能力逐渐耗尽以致最后突然断裂的 现象。
3
什么是材料的疲劳？
在某点或某些点承受扰动应力，且在 足 够多的循环扰动作用之后形成裂纹 (损伤 )或完全断裂的材料中所发生的 局部的永 久性结构变化的发展过程， 称为疲劳。 （P.143，第一段)
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疲劳断裂的表现形式
·1． 按试样破断时应力（应变）循环周次高低分： 低周疲劳试验、高周疲劳试验。失效循环周次 大 于5X104的称为高周疲劳试验，小于5X104的 称 为低周疲劳试验。
·2． 按试验环境分：室温疲劳试验、低温疲劳试 验、高温疲劳试验、热疲劳试验、腐蚀疲劳试 验、接触疲劳试验、微动磨损疲劳试验等。
·3． 按应力的加载方式分：拉-压疲劳试验、弯 曲疲劳试验、扭转疲劳试验、复合应力疲劳试 验。
循 环 应 力
· 应力比γ =σ min/σ max
· （2）循环应力的种类

• 变幅疲劳计算
e
• 吊车梁及吊车桁架疲劳计算
f 2 106
第十五页，本课件共有50页
6.6 网架结构疲劳问题的系统研究
6.6.1 疲劳问题的提出 网架是一种高次超静定的空间结构，由于
其外形美观、受力合理、制作简便、形式灵 活等特点，得到了迅猛发展。网架结构不仅 应用于体育场馆等公共建筑，也广泛应用于 工业建筑中。悬挂吊车充分发挥了超静定结 构对集中力扩散快的优点，而且布置灵活， 便于工业流程改造。悬挂吊车吨位及运行频 繁程度增大，疲劳问题也日趋严重。
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(1)螺纹形式 在螺栓球节点网架中，高强螺栓通常仅受 到轴力作用，其疲劳强度主要与螺纹的缺口 效应有关，不同的螺纹形式产生不同的缺口 效应，缺口效应则主要表现为螺纹根部不同 的应力集中系数。
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(2)螺纹尺寸
通常构件尺寸愈大，缺陷出现的概率愈大，疲劳强度 也愈低。试验研究表明，随着高强螺栓直径的增加， 疲劳强度呈下降态势，如图所示。
3. 制作安装 (1) 制作安装缺陷
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6.2 疲劳破坏的影响因素分析
1. 应力幅
maxmin
2. 循环次数 规范将5×106次视为疲劳极限的循环次数
3. 构造细节 应力集中对疲劳性能影响显著，而构造细 节是应力集中产生的根源。
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6.2.1 应力幅
应力循环特征可分为常幅循环应力谱 和变幅循环应力谱。除应力幅外应力比 也是标志min应/力max谱特征的参量。
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(2)金相组织
从金相组织来看，所有的金属材料都是不均一的。 组织的不均一性导致了许多部位的局部应力较高。 细颗粒材料的疲劳性能一般比粗颗粒材料好。这是 因为颗粒愈细则其拉伸性能愈好，虽然局部应力有 时超过屈服强度．但相邻晶粒之间的塑性约束量也 增多。而且，颗粒愈细意味着裂纹阻碍也愈多．裂 纹长度也愈短。

金属疲劳的微观机理还包括位错的运动。在循环应力作用下 ，位错会沿着滑移面运动，逐渐积累形成微裂纹。这些微裂 纹会扩展并连接起来，最终导致金属断裂。
金属疲劳的宏观机理
金属疲劳的宏观机理主要涉及宏观尺度的物理过程。在循 环应力作用下，金属会发生塑性变形，导致应力集中和微 裂纹的形成。随着时间的推移，这些微裂纹会扩展并连接 起来，最终导致金属断裂。
断口分析
对金属材料的断口进行微观分析，了解其疲 劳断裂机理。
X射线检测
通过X射线检测金属内部的疲劳损伤和裂纹 。
金属疲劳的预测模型
线性累积损伤模型
基于线性累积损伤理论，预测金属的 疲劳寿命和断裂行为。
非线性累积损伤模型
考虑非线性因素，更准确地预测金属 在复杂应力状态下的疲劳寿命。
断裂力学模型
基于断裂力学理论，预测金属的疲劳 裂纹扩展行为和寿命。
钢的疲劳性能和断裂机制。
THANKS
感谢观看
金属材料的晶体结构和相组成
金属材料的晶体结构和相组成对其疲劳性能也有重要影响，例如多相合金的疲劳性能受各相比例和相界面的影响 。
应力状态和应力集缺陷引起的应力集中现象，会 显著降低金属的疲劳性能。
应力状态
金属在复杂应力状态下的疲劳行 为与单轴应力状态下存在差异， 例如在多轴应力状态下，金属的 疲劳强度可能会降低。
压力容器接管的低周疲劳失效分析
压力容器接管在循环载荷下容易发生低周疲劳失效，这种失效通常与接管的几何形 状、材料特性、应力水平和循环特性等因素有关。
低周疲劳失效通常表现为接管局部区域的塑性变形和裂纹萌生，这些裂纹会随着循 环次数的增加而逐渐扩展，最终导致接管断裂。
分析压力容器接管的低周疲劳失效问题，需要综合考虑接管的应力分布、应变状态 、循环次数和温度等因素，以评估接管的疲劳寿命和安全性。

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有缺陷怎么办？ 有裂纹是否发生破坏？
研究含缺陷材料的强度 --断裂 Fracture
缺陷从何而来？ 裂纹如何萌生？
材料固有或使用中萌生、扩展 --疲劳与断裂
多次载荷作用下如何破坏？ 构件能用多长 研究多次使用载荷作用下 时间？(寿命) 裂纹如何萌生、扩展。 --疲劳 Fatigue & Fracture
1954年1月, 英国慧星(Comet)号喷气客机坠入地中 海（机身舱门拐角处开裂）；
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1967年12月15日，美国西弗吉尼亚的 Point Pleasant桥倒塌， 46人死亡；
1980年3月27日，英国北海油田Kielland 号钻井 平台倾复；127人落水只救起 89人；
主要原因是由缺陷或裂纹导致的断裂。
破坏是局部损伤累积的结 破坏是瞬间发生的。
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。
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疲劳断裂引起的空难达每年100次以 上国际民航组织 (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
已知任意二 个量，其余 即可导出。
应力比或循环特性参数 R=Smin/Smax
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应力比R反映了载荷的循环特性。如
S R=-1
S R=0
S R=1
0
t
Smax=-Smin 对称循环
0 Smin=0 t 脉冲循环
0
t
Smax=Smin
静载
设计：用Smax，Smin；直观； 试验：用Sm，Sa； 便于加载； 分析：用Sa，R；突出主要控制参量, 便于分类讨论。