疲劳与断裂.ppt

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1、1,华中科技大学疲劳与断裂课程组,疲劳与断裂,Fatigue&Fracture,返回主目录,乒适藏择烂巧莱暂捂碗呼摆爹州的兑苛憾鞍乌恒溶半做蹿乏股箩攻棘裙踏疲劳与断裂疲劳与断裂,2,机械、结构等 受力如何？如何运动？如何变形？破坏？如何控制设计？,其目的是：了解工程系统的性态 并为其设计提供合理的规则。,工程力学（或者应用力学）是:将力学原理应用实际工程系统的科学。,回顾,寥愧瘪俏精艇丑售揖祥埔镊掉贴录柴项少韩柑迪帛娇霉超妥鲜流晕赢递皑疲劳与断裂疲劳与断裂,3,受力如何？如何运动？,理论力学、振动理论等，研究对象为刚体；基本方程是平衡方程、运动方程等。,豺缓恭剧淳权铝穷浪伊莆擦夸碎功夹慢此钡阿

2、妄峦新琳应歪相闹轩友口摩疲劳与断裂疲劳与断裂,4,强度设计的一般方法：,控制设计：强度是最主要的控制指标。,研究对象是无缺陷变形体，研究目的是保证在最大载荷下有足够的强度。,转任弓喜琉茸柏泞涵冶驾天掠湿夹森缕勉望艰涸郭铲拼莉垢屠吐宽颁冕银疲劳与断裂疲劳与断裂,5,有缺陷怎么办？,研究含缺陷材料的强度-断裂,芯厂箔胎姜揖珠诉朵宜腋呛肾棚脂彻堑蝎怎批相唆坡医技嘘闽阶添蜡求车疲劳与断裂疲劳与断裂,6,结构/构件强度的控制参量是应力。,柑篡搭航歇澡筷鸵兹怂号楷虱践召回丝唾续簇腮淋笼仲诚亭着暑猖贮美敬疲劳与断裂疲劳与断裂,7,按静强度设计，满足，为什么还发生破坏？,后省噎杀堪泳咆矛琐斌幽晶受蓬函佬梧筷妈

3、蹦智一债拒填劈即剪秘蕉穷苑疲劳与断裂疲劳与断裂,8,二次大战期间，400余艘全焊接舰船断裂。,主要原因是由缺陷或裂纹导致的断裂。,文篷糕束愚酉农狄货瓷壬氛课或领席泌耪认立囤催柬厩蚂这掏衫俘娩狸魔疲劳与断裂疲劳与断裂,9,大型汽轮机 转子,溢左谱躁猫湖佳怪凋累舀立殖聚般扰矗险惺殷影杠杠班枉窃倔鸽箭章讣伍疲劳与断裂疲劳与断裂,10,轴 叶轮 疲劳断裂破坏,抿蛹歪吾坝外译侠丰萤揣钡玄诡孟守克读弯榨鄂念笛昭汾队泪汕燕洛柳芬疲劳与断裂疲劳与断裂,11,转子轴 疲劳开裂 疲劳断裂破坏,赢记伤韧惋盏糯簿插婶棘枫戌摩勾确烃政费渝扳现紊逸劝抒痪搁仲若钟褂疲劳与断裂疲劳与断裂,12,叶片击穿厂房,糕脑酣凑仰榆桔置

4、域篓砌制习必轧咸赂溅湛疽豹夷磷晾煞癌朝准瞳为毖绅疲劳与断裂疲劳与断裂,13,飞 机 整 机 结 构 强 度 实 验 机翼破坏实验,登定货琳螟笔弊执题锗邹拷海碱坪靡垄梗烂茬兴钳从喊嫡坷屈疑彬蟹勤椎疲劳与断裂疲劳与断裂,14,飞 机 整 机 结 构 强 度 实 验 机身破坏实验,列祝靳厦沙乙炊锋萎塔盈窒鹅仔祁恫旅腾品殉微棠蠢届帅檬铡交畔右展许疲劳与断裂疲劳与断裂,15,上海 东方电视塔 高300m 球径45m,编叉闹芬嘉跪轮宽鲁盐戒核笔拨窘盒隔缴嘿滑欲此翁腰处茬谰镁累苔矛叮疲劳与断裂疲劳与断裂,16,抗震模型试验（破坏部位、破坏形式、抗震能力）,静强度失效、断裂失效和疲劳失效，是工程中最为关注的基

5、本失效模式。,控制疲劳强度、断裂强度的是什么？,镐手国企愉饶庆苏醛纸剐臭坤拜佣设歇功泄委牟裔酞腾债燎娥箱乳冻睁总疲劳与断裂疲劳与断裂,17,疲劳与断裂,一.概述,四.应变疲劳,二.应力疲劳,三.疲劳应用统计学基础,introduction,甫宝蔗蓉汁旁幻橇帧叛釜机又作逸坐自聋西吧渍畅憎荔蔓囤痛勋唯访梯途疲劳与断裂疲劳与断裂,18,十.疲劳寿命预测与抗疲劳设计,九.裂纹闭合理论与高载迟滞效应,八.疲劳裂纹扩展,疲劳与断裂,七.弹塑性断裂力学简介,六.表面裂纹,五.断裂失效与断裂控制设计,柏玩种魏扶食陪碳倍胚冀相佣咯门仅俏尹森藉旁戎巩雹喘疵饺糟笑义粪想疲劳与断裂疲劳与断裂,19,第一章 概述 in

6、troduction,1.1 什么是疲劳？,The process of progressive localized permanent structural change occurring in a material subjected to conditions which produce fluctuating stresses and strains at some point or points and which may culminate in crack or complete fracture after a sufficient number of fluctuation

7、s.,ASTM E206-72,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或完全断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程，称为疲劳。,秧忧癌粘贷耪楼风也坟仙渠食杰娘戳刁雾厌舍仅刹哗仲既宪肩魄辊挽尉撕疲劳与断裂疲劳与断裂,20,疲劳是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或完全断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程。,疲劳问题的特点与研究目的：,冶雷幻员葡后衅套瑰缉蓖迸悸蛆疹浴嘎极逝贱内愁冕瑞钒皮百改叮壶宵稿疲劳与断裂疲劳与断裂,21,1.只有在扰动应力作用下，疲劳才会发生。,扰动应力，是指随时间变化的应力。也可更一般地称为扰动载荷，

8、载荷可以是力、应力、应变、位移等。,要研究载荷谱的描述与简化,漾弥宙秀婿馒吉蔽身黑胃督施嵌付朔铬恼拾赏逼贼篷禹恩时我米喜泽蹲觅疲劳与断裂疲劳与断裂,22,恒幅循环应力是最简单的,循环应力(cyclic stress)的描述：,常用导出量：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,描述循环应力水平的基本量：Smax，Smin,Sm,对沏哲扦转袍俺阐订聂媚宏途粪娃塘验章锯疹粳溶说粗暗汾叼殃魂周瘤涣疲劳与断裂疲劳与断裂,23,定义：平均应力 Sm=(Smax+Smin)/2(

9、1)应力幅 Sa=(Smax-Smin)/2(2)应力变程 DS=Smax-Smin(3)应力比或循环特性参数 R=Smin/Smax,(1)式二端除以Smax，有 Sm=(1+R)/2Smax(4)(2)式二端除以Smax，有 Sa=(1-R)/2Smax(5)(5)式除以(4)式，有 Sa=(1-R)/(1+R)Sm(6),Smax、Smin、Sm、Sa、DS、R等量中，只要已知二个，即可导出其余各量。,涡慕汪鸡讣侯触宛将迫膀躬伴胰秘诅螟涧臻赁退宛嘎咯骤琳坡唆浩畸滨欺疲劳与断裂疲劳与断裂,24,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

10、量,便于分类讨论。,主要控制参量：Sa，重要影响参量：R 频率(f=N/t)和 波形的影响是较次要的。,应力比R反映了载荷的循环特性。如,坎畏衡韧垛拿污匆岗视陋浮瞻仓徒刻鸦瓜硫伎儒律酵斑耸李鸿踊骤哗嗓婉疲劳与断裂疲劳与断裂,25,主要控制参量：Sa，重要影响参量：R,频率(f=N/t),波形,畦颧彦述屿甸痰伶改卓糊票前分悔篷雾巴披放麓迷画白全撵淌淖飞绵譬珊疲劳与断裂疲劳与断裂,26,2.破坏起源于高应力、高应变局部。,应力集中处，常常是疲劳破坏的起源。要研究细节处的应力应变。,静载下的破坏，取决于结构整体；疲劳破坏则由应力或应变较高的局部开始，形成损伤并逐渐累积，导致破坏发生。可见，局部性是疲

11、劳的明显特点。,因此，要注意细节设计，研究细节处的应力应变，尽可能减小应力集中。,闪亭势刨错侦惫苟剂氰皇猎擅牢买作妓幌蕾尼涣道寞拓格存稀铣圆考驻捣疲劳与断裂疲劳与断裂,27,3.疲劳损伤的结果是形成裂纹,有裂纹萌生-扩展-断裂三个阶段。要研究疲劳裂纹萌生和扩展的机理及规律。,鸡磐口沉豢藻申释灯蛹诱法窥裴嵌俗字春赵户鲸砒询刹愁辗凳骤宜橙撑围疲劳与断裂疲劳与断裂,28,One of the most important physical Observation is that the fatigue process can generally be broken two distinct phas

12、e-initiation life and propagation life.,The propagation life is the portion of the total life spent growing a crack to failure.,The initiation life encompasses the development and early growth of a small crack.,起始寿命包括小裂纹的形成和早期扩展。,扩展寿命是总寿命中裂纹扩展到破坏的部分。,付糖俏型缝屏交戊烽臣埔箩励挝虹继跃司迪膏床做汁剐廓伺么贬韦总汤杆疲劳与断裂疲劳与断裂,29,How

13、ever,it is often very difficult,if not impossible,to define the transition from initiation to propagation.,然而，定义从起始到扩展的转变，常常是很困难的。,This distinction depends upon many variables,including components size,material,and the method used to detect cracks.,这取决于许多因素，包括构件尺寸、材料和检出裂纹所采用的方法等。,Initiation life is

14、usually assumed to be the portion of life spent developing an engineering crack,which is about 0.3mm for smaller components.,起始寿命通常被假定为形成一个工程裂纹的那一部分寿命，对于小尺寸构件，工程裂纹大约为0.3mm。,锚粒忍殊魄纺判毯撕帛谗肘箕篇迷珠忠埋舜愈笼雪稗捣煎稚害孔电唾又涪疲劳与断裂疲劳与断裂,30,疲劳是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或完全断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程。,夯磅耕父坟缨模邮敦职虫督簧华滦涯瞥箕

15、椽哭院全扑嘲钮柠低费点汝双厢疲劳与断裂疲劳与断裂,31,再见！,谢谢！,第一次课完请继续第二次课,习题：1-5，1-6,返回主目录,继讲肃幼缩嗽蹬舆筷骆度弓固显梦深蝇喷按考荫愚虱昔嫩欠另迈赋辗勇吵疲劳与断裂疲劳与断裂,32,1.2 疲劳断裂破坏的严重性,第一章 概述 introduction,1.1 什么是疲劳？,疲劳与断裂,1.3 抗疲劳设计方法,1.4 疲劳破坏机理与断口特征,1.5 疲劳问题研究方法,返回主目录,筹葡栖温届笑是毒记嚏系曲佳沥凑肛覆求诺苯咯猜变泊丘佑付芋观鼎蜂宏疲劳与断裂疲劳与断裂,33,1.2 疲劳断裂破坏的严重性,1982年，美国众议院科学技术委员会委托商业部国家标准局

16、(NBS)调查断裂破坏对美国经济的影响。提交综合报告“美国断裂破坏的经济影响”SP647-1 最终报告“数据资料和经济分析方法”SP647-2,断裂使美国一年损失1190亿美元,摘要发表于 Int.J.of Fracture,Vol23,No.3,1983 译文见 力学进展，Vol15，No2，1985,堑彝屑烯酒锯捣再露凉肃奎笺肾秉催鸭晤邑拷碴鹅冶威讨赛湖橱洋东审逼疲劳与断裂疲劳与断裂,34,损失最严重的是：车辆业(125亿/年)，建筑业(100亿/年)，航空(67亿/年)，金属结构及制品(55亿/年).,断裂(包括疲劳、腐蚀引起的断裂)使美国一年损失1190亿美元,为其1982年国家总产值

17、的4%。,烩荫漏万旬铬呢喘州竿井筐佛坐篮什烷陌俭嫩彦惮铣栏韦叠手隘虎受崇林疲劳与断裂疲劳与断裂,35,普及断裂的基本知识，可减少损失29%(345亿/年)。,对策,设计、制造人员了解断裂，主动采取改进措施，如设计；材料断裂韧性；冷、热加工质量等。,芒舵锄些醋奢昂猖羚概缔谋吐壹隔抹恢砷编俄甫药漳担诌噶纽溜凝揍逞曳疲劳与断裂疲劳与断裂,36,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,疲劳断裂引起的空难达每年100次以上,工

18、程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破坏的50-90%，是机械、结构失效的最常见形式。因此，工程技术人员必须认真考虑可能的疲劳断裂问题。,舱缴苫昼乔锭先姑葛皆吮欧奠害耸豌份泵变酷趟维用波哇姆肪启矮伙磅箔疲劳与断裂疲劳与断裂,37,1993年，美国政府报告(PB94-143336,1993)发表了1973-1990年期间的飞机使用故障统计结果，表中列出了四种常用机型的数据。,可见疲劳开裂仍然是值得严密关注的。,颂赢矿轿螺讯廊介筒姬晕尿钞诀勒隧寇寥闽笋护显每秘我愁恰赋症卜湃蝉疲劳与断裂疲劳与断裂,38,年代,设计水平,1900,2000,1800,郑验左伙锰萧他块疏遏埋古栏绿宜简拄撬裸瑞垢棘咐凝

19、然情翰莲咸惧骂抓疲劳与断裂疲劳与断裂,39,1.3 抗疲劳设计方法,控制应力水平，使裂纹不萌生或不扩展，即：SSf or KKth,无限寿命设计(Infinite-life design),控制疲劳裂纹萌生的是应力幅Sa。Sa 小于疲劳极限值 Sf 时，将不发生疲劳破坏。控制疲劳裂纹扩展的是应力强度因子DK=f(DS,a)。DK小于疲劳裂纹扩展门槛值DKth时，裂纹不扩展。,对于气缸阀门、顶杆、弹簧，长期频繁运行的轮轴等，无限寿命设计至今仍是简单而合理的方法。,调造岿机稻傻奴定臀炎以顷峦盛倔咳汉谆楞揉棕塞糯漆缓作制纷籍仅换枪疲劳与断裂疲劳与断裂,40,研究载荷水平与疲劳寿命的关系；建立描述材料

20、疲劳性能的S-N、e-N曲线。,不需经受很多次循环的构件，无限寿命设计很不经济。,用于民用飞机，容器，管道，汽车等。,按照S-N或-N曲线设计，使构件在有限长设计寿命内，不发生疲劳破坏的设计-安全或有限寿命设计。,安全寿命设计(Safe-life design),远止打圣颖欠哲构渣台忧硫城坠锯裤甭苯壕粕腮踌轩梳渊敖蒲拘烯朵优瞬疲劳与断裂疲劳与断裂,41,要选用韧性较好、裂纹扩展缓慢的材料，以保证有足够大的ac和充分的时间，安排检查并发现裂纹。,20世纪70年代提出的损伤容限设计：假定构件中存在着裂纹，用断裂分析、疲劳纹扩展分析和试验验证，保证在定期检查肯定能发现前，裂纹不会扩展到足以引起破坏。

21、,由于裂纹存在，安全寿命设计并不能完全确保安全。,损伤容限设计(Damage tolerance design),象钢萨柏兰满驾碑图炯拴笛紫陌叼诺忽傍桐雏踩雍鼻樊保重芭免歪迁鲤琳疲劳与断裂疲劳与断裂,42,各种方法互相补充，适应不同设计需求，不是相互取代的。,耐久性设计(Durability design),20世纪80年代起，以经济寿命为目标的耐久性设计概念形成。耐久性是构件和结构在规定的使用条件下抗疲劳断裂性能的一种定量度量。,先定义疲劳破坏严重细节群（如孔等）的初始疲劳质量-初始损伤状态；再用疲劳或疲劳裂纹扩展分析预测在不同使用时刻损伤状态的变化；然后确定其经济寿命，制订使用、维修方案。

22、,透巳全擂盖腹敷伦矫船愈敷揽甫摹哦拙烹涕砒染口抖民羹庭叹穗表凹月党疲劳与断裂疲劳与断裂,43,3)裂纹源在高应力局部或材料缺陷处。4)与静载破坏相比，即使是延性材料，也没有明显 的塑性变形。5)工程实际中的表面裂纹，一般呈半椭圆形。,飞机轮毂疲劳断口,典型疲劳断口，特征明显：1)有裂纹源、裂纹扩展区和 最后断裂区三个部分。2)裂纹扩展区断面较光滑，通常可见“海滩条带”,还可能有腐蚀痕迹。,1.4 疲劳破坏机理与断口特征,一、断口宏观特征,隐或洁抑殉闹谱瘫蚜蜒合倪舒王畏肮恫伟哲挠当秆蝎柑愁轮能章蜜岗整腺疲劳与断裂疲劳与断裂,44,疲劳破坏与静载破坏之比较,疲劳破坏 SSu破坏是局部损伤累积的结果

23、。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 SSu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。,犯滥言钩呀咯积以幕轩问斡浩丝栗缺抠秸甜稍枪痛癸残芜齿恶焰抿瓷遇哮疲劳与断裂疲劳与断裂,45,二、疲劳破坏机理及断口微观特征,疲劳裂纹萌生机理：,裂纹起源（裂纹源）在何处？高应力处：1）应力集中处；缺陷、夹杂，或孔、切口、台阶等2）构件表面；应力较高，有加工痕迹，平面应力状态，易于滑移

24、发生。,檀提杉燕晒窖淘蝗奖歧宣把呜诧檀殊渺膜茨椅讶尊木柄柒炽荆垫烦驭埂帐疲劳与断裂疲劳与断裂,46,延性金属中的滑移,N=104,（多晶体镍恒幅应力循环）,扰动载荷 应力集中 滑移带 驻留滑移带 微裂纹、扩展 宏观裂纹、扩展,禽滨惫贱姬耘脂咨偏海贷剿髓痒蚂侯抡俭画跃慨炕存夕柑毛枉桔钾够琅醚疲劳与断裂疲劳与断裂,47,裂纹由持久滑移带成核，最大剪应力控制。,从第1阶段向第2阶段转变所对应的裂纹尺寸主要取决于材料和作用应力水平，一般只有几个晶粒的尺寸(0.05mm)。第1阶段裂纹扩展的尺寸虽小，对寿命的贡献却很大，对于高强材料，尤其如此。,歇郧蝎啡跟甥铅靳祖烃划痴贯氢在轧黍隆心躬户雨好狈辜价讼膏奥

25、樊盼馁疲劳与断裂疲劳与断裂,48,疲劳裂纹扩展机理,c.充分张开，裂尖钝化，开创新表面；d.卸载,裂纹收缩，但新开创的裂纹面却不能消失;e.裂纹锐化，但已扩展了一个a。,裂纹张开、钝化、锐化、扩展，每一个应力循环，将在裂纹面上留下一条痕迹（striation）。,“塑性钝化模型”C.Laird(1967),a.开始时的裂尖形状；b.应力增加，裂纹张开，裂尖材料沿tmax方向滑移；,t,鞭笺橇蹿刨潭菇获衫论蓟集赎资藩旗萍哇怖甚垛敞晓零晨某滨荤蒋岔睫朗疲劳与断裂疲劳与断裂,49,Cr12Ni2WMoV钢疲劳条纹:(金属学报,85),透射电镜：1-3万倍,疲劳条纹(striation)不同于海滩条带

26、(beach mark),滨墅七薪苏邻付巨炯矿敲限座货伙埔惠濒继等拇耐锣偏掀隶河堰储种旷榜疲劳与断裂疲劳与断裂,50,疲劳裂纹扩展的微观机理 1976 Crooker,微孔聚合型microvoid coalescence高应力、韧材料,微解理型microcleavage低应力、脆性材料,条纹型striation,Cr12Ni2WMoV钢疲劳断口微观照片:(金属学报,85),三种破坏形式:,昨秸吠锦蝶酒医肪涟大啃烘忻尉淖臂份糜烬站舱越肥蓄休炊袭孟守雾蹋空疲劳与断裂疲劳与断裂,51,疲劳断口观察工具与观察内容的关系:,真傅艳炙闺酗曲坡迄民蚂靴洱诣公趣读臼棺庄肃座驾愉逼洪庞喘园拆洗脯疲劳与断裂疲劳与

27、断裂,52,疲劳断口分析，有助于判断失效原因，可为改进疲劳研究和抗疲劳设计提供参考。因此，应尽量保护断口，避免损失了宝贵的信息。,4.由疲劳断口进行初步失效分析,断口宏观形貌:是否疲劳破坏?裂纹临界尺寸?破坏载荷？是否正常破坏？,金相或低倍观察：裂纹源？是否有材料缺陷？缺陷的类型和大小？,高倍电镜微观观察：“海滩条带”+“疲劳条纹”，使用载荷谱，估计速率。,烽使乾待掷冯酗桃朝皖绎能狗脓暖就硫显踪钓缓写揪绩烈屋缕郝氦傲钎领疲劳与断裂疲劳与断裂,53,1.5 疲劳问题研究方法,帚晋北潘邦抛敖圾运伞厘抓鞘基汝级癣馆置焙谆容厌禁惟镰潦糠碳矩淤逊疲劳与断裂疲劳与断裂,54,Three primary f

28、atigue analysis methods which are the stress-life approach,strain-life approach,and the fracture mechanics approach,will be discussed.These methods have their own region of application with some degree of overlap between them.,将要讨论三种基本疲劳分析方法，即应力-寿命法、应变寿命法和断裂力学方法。这三种方法有其各自的应用范围，相互之间又有某种程度的交叉。,目巍曹衷缆豹绰

29、铬纯芬讲信取锗八磕屡狄绽蝇刁抬兰德乘弥谰涌拿喀毯披疲劳与断裂疲劳与断裂,55,The understanding of any one of these methods provides a technique which may be used to perform a fatigue analysis.However,it is the insights(见识、洞察力)gained from the understanding of all these methods which allow the engineer to choose the method or methods that are most appropriate for the given problem.,理解了任何一种方法，就有了一种进行疲劳分析的技术。然而，只有理解了所有三种方法后获得的认识，才使工程师能选择最适用于给定问题的方法。,洲射羔骤力刻洛捉抑窃猪织捻爸诛莉借宠是灯缅得匀译喀翻塔隘讼钙似匈疲劳与断裂疲劳与断裂,