疲劳及断裂第一讲

1、12机械、结构等机械、结构等 受力如何？受力如何？ 如何运动？如何运动？ 如何变形？破坏？如何变形？破坏？ 如何控制设计？如何控制设计？性态性态规则规则3456工作应力：工作应力： 构件在可能受到的最大工作载荷作用下的应力。构件在可能受到的最大工作载荷作用下的应力。 极限应力：极限应力： ys 、 b 材料可以承受的强度指标。材料可以承受的强度指标。 延性材料：延性材料： ys ； 脆性材料：脆性材料： b ys ys 延性材料延性材料 b b 脆性材料脆性材料强度判据强度判据： 结构或构件的工作应力结构或构件的工作应力 材料的极限应力材料的极限应力7按静强度设计，满足按静强度设计，满足 ，为

2、什么还发生破坏？，为什么还发生破坏？19世纪世纪30-40年代，英国铁路车辆轮轴在轴肩处年代，英国铁路车辆轮轴在轴肩处 （应力仅为（应力仅为0.4 ys ys ）多次发生破坏；）多次发生破坏；19541954年年1 1月月, , 英国慧星英国慧星(Comet)(Comet)号喷气客机坠入地中号喷气客机坠入地中 海（机身舱门拐角处开裂）；海（机身舱门拐角处开裂）；81967年年12月月15日，美国西弗吉尼亚的日，美国西弗吉尼亚的 Point Pleasant桥倒塌，桥倒塌， 46人死亡；人死亡；1980年年3月月27日，英国北海油田日，英国北海油田Kielland 号钻井号钻井 平台倾复；平台倾

3、复；127人落水只救起人落水只救起 89人；人；9Failure and Fracture1954年，美国发射北极星导弹，发射点火不久，就发生爆炸。10Failure and Fracture11USS Esso Manhattan, 3/29/43John P. Gaines, 11/43USS Schenectady, 1/16/43Vessel broke in two offthe Aleutians (10 killed).Fracture at entrance to NY harbor.Liberty tanker split in two while moored in cal

4、m water at the outfitting dock at Swan Island, OR.Failure and Fracture1213141516171819 抗震模型试验抗震模型试验 （破坏部位、破坏形式、抗震能力）（破坏部位、破坏形式、抗震能力）20introductionCrack initiation21Fracture mechanicsCrack propagation2223ASTM E206-7224 是在某点或某些点承受是在某点或某些点承受，且在，且在足够多的循环扰动作用之后形成足够多的循环扰动作用之后形成或完全断裂的或完全断裂的材料中所发生的材料中所发生的永久

5、结构变化的永久结构变化的。N=Ni i+Np p 裂纹萌生裂纹萌生+ + 扩展扩展 扰动应力，高应力局部，扰动应力，高应力局部， 裂纹，发展过程。裂纹，发展过程。25 恒幅循环变幅循环随机载荷图1.1 疲劳载荷形式分类 扰动应力，是指随时间变化的应力。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，也可更一般地称为扰动载荷， 载荷可以是力、应力、应变、位移等。载荷可以是力、应力、应变、位移等。26恒幅循环应力是最简单的恒幅循环应力是最简单的SSmax0Smint描述描述的基本量：的基本量： Smax， SminSmSaSa27280StR= -1对称循环Smax=-Smin0StR=

6、1静载Smax=Smin0StR=0脉冲循环Smin=0290StR= -1对称循环Smax=-Smin0St三角波三角波S0t正弦波正弦波0St矩形波矩形波107 (次循环次循环)0St梯形波梯形波30静载下的破坏，取决于结构整体；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，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。形成损伤并逐渐累积，导致破坏发生。可见，可见，局部性局部性是疲劳的明显特点。是疲劳的明显特点。因此，要注意细节设计，研究细节处的因此，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。应力应变，尽可能减小应力集中。31

7、有有三个阶段。三个阶段。 要研究要研究。3233However, it is often very difficult, if not impossible, to define the transition from initiation to propagation. This distinction depends upon many variables, including components size, material, and the method used to detect cracks. 34 是在某点或某些点承受是在某点或某些点承受，且在，且在足够多的循环扰动作用之后形

8、成足够多的循环扰动作用之后形成或完全断裂的或完全断裂的材料中所发生的材料中所发生的永久结构变化的永久结构变化的。寿命预测与抗疲劳设计方法寿命预测与抗疲劳设计方法353637普及断裂的基本知识，可减少损失普及断裂的基本知识，可减少损失29%(345亿亿/ /年年) )。设计、制造人员了解断裂，主动采取改进措施，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。如设计；材料断裂韧性；冷、热加工质量等。利用现有研究成果，可再减少损失利用现有研究成果，可再减少损失24%(285亿亿/ /年年) )。包括提高对缺陷影响、材料韧性、工作应力的预测包括提高对缺陷影响、材料韧性

9、、工作应力的预测能力；改进检查、使用、维护；建立力学性能数据能力；改进检查、使用、维护；建立力学性能数据库；改善设计方法更新标准规范等。库；改善设计方法更新标准规范等。剩余的剩余的47%，有待于进一步基础研究的突破。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、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。高韧性、无缺陷材料的研究等。3839可见疲劳开裂仍然是值得严密关注的。可见疲劳开裂仍然是值得严密关注的。40年代19002000180041控制应力水平，使裂纹不萌生或不扩展，即：控制应力水平，使裂纹不萌生或不扩展，即： SSf or K Kt

10、h 控制疲劳裂纹萌生的是应力幅控制疲劳裂纹萌生的是应力幅Sa 。 Sa 小于疲劳极限值小于疲劳极限值 Sf 时，将不发生疲劳破坏。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控制疲劳裂纹扩展的是应力强度因子 K=f( S, a)。 K小于疲劳小于疲劳裂纹扩展门槛裂纹扩展门槛值值 Kth时，时，裂纹裂纹不不扩展扩展。对于气缸阀门、顶杆、弹簧，长期频繁运行的轮轴对于气缸阀门、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。等，无限寿命设计至今仍是简单而合理的方法。42用于民用飞机，容器，管道，汽车等。用于民用飞机，容器，管道，汽车等。43要选用韧性较好、裂纹扩展缓

11、慢的材料，以保证有要选用韧性较好、裂纹扩展缓慢的材料，以保证有足够大的足够大的ac c和充分的时间，安排检查并发现裂纹。和充分的时间，安排检查并发现裂纹。由于裂纹存在，安全寿命设计并不能完全确保安全。由于裂纹存在，安全寿命设计并不能完全确保安全。损伤容限设计损伤容限设计 ( Damage tolerance design)44453)3)裂纹源在高应力局部或材料缺陷处。裂纹源在高应力局部或材料缺陷处。4)4)与静载破坏相比，即使是延性材料，也没有明显与静载破坏相比，即使是延性材料，也没有明显 的塑性变形。的塑性变形。5)5)工程实际中的表面裂纹，一般呈半椭圆形。工程实际中的表面裂纹，一般呈半椭

12、圆形。飞机轮毂疲劳断口飞机轮毂疲劳断口典型疲劳断口典型疲劳断口，特征明显：特征明显：1)1)有裂纹源、裂纹扩展区和有裂纹源、裂纹扩展区和 最后断裂区三个部分。最后断裂区三个部分。2)2)裂纹扩展区断面较光滑，裂纹扩展区断面较光滑， 通常可见通常可见 “海滩条带海滩条带”, , 还可能有腐蚀痕迹。还可能有腐蚀痕迹。裂纹源裂纹源裂纹扩展区裂纹扩展区海滩条带海滩条带最后断裂区最后断裂区 孔边角裂纹孔边角裂纹 断口断口4647疲劳破坏疲劳破坏 S SSuSu破坏是局部损伤累积的结破坏是局部损伤累积的结果。果。断口光滑，有海滩条带或断口光滑，有海滩条带或腐蚀痕迹。有裂纹源、裂腐蚀痕迹。有裂纹源、裂纹扩展

13、区、瞬断区。纹扩展区、瞬断区。无明显塑性变形。无明显塑性变形。应力集中对寿命影响大。应力集中对寿命影响大。 由断口可分析由断口可分析、等，是等，是的重要依据。的重要依据。静载破坏静载破坏 S SSuSu破坏是瞬间发生的。破坏是瞬间发生的。断口粗糙，新鲜，无表面断口粗糙，新鲜，无表面磨蚀及腐蚀痕迹。磨蚀及腐蚀痕迹。韧性材料塑性变形明显。韧性材料塑性变形明显。应力集中对极限承载能力应力集中对极限承载能力 影响不大。影响不大。48疲劳裂纹萌生机理：疲劳裂纹萌生机理：裂纹起源（裂纹源）在何处？裂纹起源（裂纹源）在何处？ 高应力处：高应力处：1 1）应力集中处；缺陷、夹杂，或孔、切口、台阶等）应力集中处

14、；缺陷、夹杂，或孔、切口、台阶等2 2）构件表面；）构件表面； 应力较高，有加工痕迹，应力较高，有加工痕迹， 平面应力状态，易于滑移发生。平面应力状态，易于滑移发生。疲劳裂纹的起始或萌生，称为疲劳裂纹成核。疲劳裂纹的起始或萌生，称为疲劳裂纹成核。疲劳裂疲劳裂纹成核纹成核扩展至临扩展至临界尺寸界尺寸断裂断裂发生发生49材料表面材料表面a) 粗滑移b) 细滑移约0.1mN=104N=5 104N=2.7 105（多晶体镍恒幅应力循环）（多晶体镍恒幅应力循环）扰动载荷扰动载荷 应力集中应力集中 滑移带滑移带 驻留滑移带驻留滑移带 微裂纹、扩展微裂纹、扩展 宏观裂纹、扩展宏观裂纹、扩展50阶段1阶段2SS疲劳裂纹扩展二阶段S材料表面51c. 充分张开，裂尖钝化，充分张开，裂尖钝化， 开创新表面；开创新表面；d. 卸载卸载,裂纹收缩，但新开创的裂纹面却不能消失裂纹收缩，但新开创的裂纹面却不能消失;e. 裂纹锐化，但已扩展了一个裂纹锐化，但已扩展了一个 a。a. 开始时的裂尖形状；开始时的裂尖形状；b. 应力增加，裂纹张开，应力增加，裂纹张开， 裂尖材料沿裂尖材料沿t tmax方向滑移；方向滑移；t(e)