疲劳与断裂-讲课PPT课件

s
2s1 s0 s0
对于碳钢，σ≈0.1~0.2，对于合金钢，σ≈0.2~0.3。
§3-3影响机械零件疲劳强度的主要因素
一、应力集中：
有效应力集中系数 Ks1q(s1)
s —几何形状决定的理论系数 （ 图3-9） q—敏感系数 （图3-10） 铸铁：(q=0） 定性： 跟材料、形状有关
σB A B C
可用下式描述
srm N N = C (N C≤ N ≤ N D )
σrN σr
潘存云教授研制
D点以后的疲劳曲线呈 一水平线，代表着无限寿命
N=1/4
103 104 N
D N0≈107 N
区其方程为
s s rN r N （ N D )
由于ND很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个
N=1/4 103 104 N
D N
N0≈107
式中， sr、N0及m的值由材料试验确定。 试验结果表明在CD区间内，试件经过相应次数的
边应力作用之后，总会发生疲劳破坏。而D点以后，如 果作用的变应力最大应力小于D点的应力（σmax<σr），
则无论循环多少次，材料都不会破坏。
CD区间——有限疲劳寿命阶段 D点之后——无限疲劳寿命阶段 高周疲劳
循环次数N0(称为循环基数)，用N0及其相对应的疲劳
极限σr来近似代表ND和 σr∞。
于是有 srm N NsrmN0C
CD区间内循环次数N与疲 劳极限srN的关系为
srN
sr
m
N0 N
KNsr
N


sr s rN
m N0
σmax σB A B C
σ 潘存云教授研制 rN σr
二、极限应力图（σ m——σ a）

（位错）,
the inspector in the field it may be the smallest crack that is readily detectable with nondestructive inspection equipment. 例如，对于有显微设备的研究者，上述尺寸可能是晶粒缺陷、位错或0.1mm的量级，而对于现场检验者，则是无损检测设备可检出最小的裂纹。
0已知a
，，参数C、m，则 数值计 算方法 为：
1) 裂纹是否会扩展？
2) 临界裂纹尺寸ac。即：
3) 选取增量ai。如ai=0.01ai-1； ai越小精度越高
4)计算任一时刻的裂纹长度ai及其对应 Ki。 ：
ai=ao+ai,
(i=1,…n)
Ka=a0= f (a0,W,) p a0 Kth
da = (K, R) = ( f , , a, R,) dN
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da/dN用Paris公式表达时的裂纹扩展 方程 对于无限大板，f=const.，在 =const.作用 下，由Paris公 式 da/dN=C(K)m 积分有：
aC
da
= NC dN
a0 C( f pa ) m 0
aN曲线
a (mm)
ai a0
lg da/dN
R=
0
d dN a
N
ai , (da/dN)i ,ai ,Ki R=0 时的da/dN-K 曲线，是基本曲线。
da/dN-K 曲线
10 -5 ~ -6
10-9
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lg( K)
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1. da/dN-K曲线
低、中、高速率三个区域：
低速率区： 有下限或门槛值Kth K＜Kth, 裂纹不扩展。

疲劳断裂分析
4.1 应力疲劳
1. S-N 曲线：疲劳极限经验关系式
疲劳极限σR与抗拉强度σb 的关系
钢的疲劳极限与抗拉强度的关系 疲劳断裂分析
4.1 应力疲劳
1. S-N 曲线：疲劳极限经验关系式
疲劳极限σR与抗拉强度σb 的关系：0.35～0.5 之间（R=-1）
旋转弯曲： 1 0.5b
4.2
式中：m与C是与材料、应力比、加载方式等有关的 参数，A=lgC/m; B=-1/m.
✓ 最常用的一种拟合形式
疲劳断裂分析
4.1 应力疲劳
1. S-N 曲线：数学表达
指数式（半对数曲线）
emS NC
4.3
SABlgN 4.4
式中：m与C是与材料、应力比、加载方式等有关的 参数，A=lgC/mlge; B=1/mlge.
疲劳断裂分析
4.1 应力疲劳
3. 缺口构件S-N曲线：
① 疲劳缺口系数
定义：Kf＝光滑试样的疲劳强度/缺口试样的疲劳强度
Kf 1q(Kt 1)
4.17
q：缺口敏感系数介于0～1 之间，与材料性质及缺 口几何形状有关
q=1：表示材料对应力集中非常敏感，如塑性差的
结构钢等
塑性好的材料对应力集疲劳中断裂不分析敏感！
由此可得，基本上可承受的最大应力水平为150MPa。
疲劳断裂分析
Miner理论的应用实例：
例4-3：已知构件的S-N曲线满足σ2N=2.5*1010,一年内承
受的载荷谱如表4.2所示，试估算其寿命。 表4.2 典型块谱及其损伤计算
解：分别计算后的损伤如表中第四栏所示，可知一年内
的损伤累计：D1=0.121，则其服役年限可为： N=1/D1=1/0.疲1劳2断1裂=分8析.27年

降低
材料强度
增加
升高
材料塑性
增加
降低
温度
升高
降低
腐蚀介质
强
降低
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4、疲劳断裂对材料缺陷的敏感性
• 金属的疲劳失较具有对材料的各种缺陷均 为敏感的特点。因为疲劳断裂总是起源于 微裂纹处。这些微裂纹有的是材料本身的 冶金缺陷，有的是加工制造过程中留下的， 有的则是使用过程中产生的。
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5.2 疲劳断口形貌及其特征
5.2.1 疲劳断口的宏观特征
1.金属疲劳断口宏观形貌
• 由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，因 而形成了疲劳断裂特有的断口形貌，这是 疲劳断裂分析时的根本依据。
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图5-1 疲劳断口示意图
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• 典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲 劳核心、疲劳源区、疲劳裂纹的选择发展 区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等五 个区域。一般疲劳断口在宏观上也可粗略 地分为疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时 断裂区三个区域，更粗略地可将其分为疲 劳区和瞬时断裂区两个部分。大多数工程 构件的疲劳断裂断口上一般可观察到三个 区域，因此这一划分更有实际意义。
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图5-10 锯齿状断口形成过程示意图
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图5-11 锯齿状断口
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5.2.3 疲劳断口的微观形貌特征
• 疲劳断口微观形貌的基本特征是在电子显 微镜下观察到的条状花样，通常称为疲劳 条痕、疲劳条带、疲劳辉纹等。疲劳辉纹 是具有一定间距的、垂直于裂纹扩展方向、 明暗相交且互相平行的条状花样 。
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分析一起因桥梁疲劳断裂导致的事故，并总结教训。
2Hale Waihona Puke 案例二：飞机翼疲劳断裂事故
探讨飞机翼疲劳断裂事故的原因和改进措施。
总结
疲劳断裂的重要性
说明疲劳断裂对工程结构的重 要性和影响。
影响疲劳断裂的因素
列举影响疲劳断裂的常见因素 和变量。
预测与避免疲劳断裂
提供预测和避免疲劳断裂的一 些建议和方法。
《疲劳断裂分析》
本课程将介绍疲劳断裂的基本概念和理论，以及对材料和结构性能的影响。 你将学习疲劳断裂的形成机理、试验方法、预测与分析技术，以及如何防止 疲劳断裂发生。
疲劳断裂简介
什么是疲劳断裂
介绍疲劳断裂的定义和特点。
疲劳断裂对材料性能的影响
说明疲劳断裂对材料强度和可靠性的影响。
疲劳断裂形成机理
循环应力
循环应变
疲劳断裂曲线
解释循环应力如何导致疲劳断裂。 描述循环应变对疲劳断裂的作用。 阐述疲劳断裂曲线的特点和意义。
疲劳断裂试验
1 疲劳试验方法
介绍常用的疲劳试验方法 和标准。
2 疲劳试验数据与分析
讲解如何获取和分析疲劳 试验数据。
3 试验过程中需要注意
的问题
提醒试验中需要注意的关 键问题和技巧。
疲劳断裂的预测与分析
1
疲劳断裂寿命的评定
介绍常见的疲劳寿命评定方法和理论模型。
2
疲劳断裂的预测模型
讲解使用预测模型来预测疲劳断裂寿命。
3
疲劳断裂分析软件
推荐一些常用的疲劳断裂分析软件和工具。
防止疲劳断裂的方法
材料设计与选择 建立可靠的疲劳寿命预测模型 合理的结构设计
疲劳断裂事故案例分析
1
案例一：桥梁疲劳断裂事故

原因： 可减缓应力梯度 有利于减少加工过程造成的裂纹缺陷
优
优
抗疲劳对策--材料选用
适用条件下选用屈服强度低（塑形好）的材料
原因： 屈服强度指标低反应材料晶体缺陷（位错）少，
晶界裂纹少
抗疲劳对策--加工过程
避免加工过程中造成微小裂纹或晶体位错增加
切削加工采用锋利刃具，小进给量，恰当的热量 传递等措施，可减少加工过程的裂纹
位错和晶界缺陷
晶界缺陷
晶体缺陷-位错
疲劳断裂机理-宏观缺陷
1.材料杂质，孔洞，切口等 2.加工过程形成的微小裂纹 3.构件几何特征（尖角，台阶）引起的加工过程造
成的残留内应力集中，释放后形成应变（缺陷） 4.构件存在的台阶断差等在负载下的材料应力突变
裂纹扩展
在交变应力或脉冲应力作用下，裂纹扩展--疲劳断裂定义。 幅度越大，频率越大则扩展速度越快
5，4）作为结构设计参数。
有利于减少加工过程造成的裂纹缺陷
或热变形处理改变晶体组织
避免尖锐形状，适当增大过渡圆弧
实际构件应用中只有极少量构件断裂或破损由于强度不足造成塑形变形或脆性断裂
表面强化（如喷丸处理）细化材料晶粒 疲劳断裂机理-材料缺陷和裂纹 屈服(Yielding)：开始产生塑性变形的临界状态
断裂力学即以裂纹形成，发展，扩充， 直至断裂过程为研究对象的学科
疲劳断裂过程，图片
疲劳断裂机理-裂纹
疲劳断裂机理-裂纹
疲劳断裂过程
疲劳断裂机理-缺陷形成
✓ 1 裂尖位错发射和断裂位错 ✓ 2 晶体疲劳和晶界 ✓ 3 脆性材料微小裂纹扩展 ✓ 4 变形和损伤
疲劳断裂机理-材料缺陷和裂纹
疲劳断裂机理-微观缺陷
实际构件应用中只有极少量构件断裂或破损由于 强度：构件抵抗破坏的能力

st pa
E(k)
(6-18)
Fch=[
M1+M2(
a t
)2+M3(
a t
)4]g1g2
g3
ff
fW
适用条件： 0.2a/c=12, a/t=0.1<1,
0.5R/t=6/101 (R+c)/W=7/20<0.5,
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本题a/c=11，有：
M1=1.13 - 0.09 (a/ c) =1.04
M2= -0.54 + 0.89 /[0.2 + (a / c)] =0.2
M2= -0.54 + 0.89 /[0.2 + (a / c)]
M3=
0.5-
1 0.65+(a
c)
+14(1-
a c
)24
g1= 1 + [0.1 + 0.35(a / t) 2](1 - sinf )2
当a/c>1时有：
M1=[1+ 0.04(c/a)] c a
M2= 0.2(c / a) 4 ； M3=-0.11(c / a)4
Kn=1= [(p4 +2atcR) /(p4 + atRc)]1/2Kn=2
式中，K
是二对称孔壁表面裂纹的解，但有限宽度
n=2
修正应按n=1计算；K n=即单侧孔壁表面裂纹的解。
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5. 孔边1/4椭圆角裂纹
孔边有二对称1/4椭圆角裂纹 的应力强度因子可以表达为：
2W
t a
c纹
6.1拉伸载荷下无限大体中的表面裂纹 6.2 拉伸载荷下有限体中表面裂纹的 K 6.3 弯曲载荷下有限体中表面裂纹的K