第12章疲劳与断裂

1、1 2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34567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、工作应

2、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。89ASTM E206-72 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结构变化的永久结构变化的。 扰

3、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。1011恒幅循环应力是最简单的。恒幅循环应力是最简单的。Sm120StR=1Smax=Smin0StR=0Smin=013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。14有有三

4、个阶段。三个阶段。 要研究要研究。15飞机轮毂疲劳断口飞机轮毂疲劳断口2) 裂纹扩展区断面较光裂纹扩展区断面较光 滑，可见滑，可见 “海滩条海滩条带带”, 还有腐蚀痕迹。还有腐蚀痕迹。，16裂纹源在高应力局部裂纹源在高应力局部 或材料缺陷处。或材料缺陷处。飞机轮毂疲劳断口飞机轮毂疲劳断口4)与静载破坏相比，即与静载破坏相比，即 使是延性材料，也没使是延性材料，也没 有明显的塑性变形。有明显的塑性变形。17 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。181920应力疲劳应力疲劳: Smax104， 也称也称高周高周(长寿命长寿命)疲劳疲劳。 S-应力水平，用应力水平，用Sa和

5、和R描述。描述。 N-寿命，为到破坏的循环次数寿命，为到破坏的循环次数。 应变应变 e eo 研究裂纹萌生寿命，研究裂纹萌生寿命，“破坏破坏”定义为：定义为： 1.标准小尺寸试件断裂。标准小尺寸试件断裂。 脆性材料脆性材料 2.出现可见小裂纹出现可见小裂纹, 或可测的应变降。延性材料或可测的应变降。延性材料应变疲劳应变疲劳: Smaxs sys， Nfa (mm)0Na0CCTCT给定给定ss, , a , , da/dN 。6566Fatigue Crack Growth Rate R=0 时的时的da/dN- K曲线，是基本曲线。曲线，是基本曲线。 实验实验a =a0; R=0 ss=co

6、nst.a N曲线曲线ai , (da/dN)iss, ,ai , , Kida/dN- K 曲线曲线lgda/dN lg( K)a (mm)0Ns=s=const. . aidadN10-967低、中、高速率三个区域：低、中、高速率三个区域：lgda/dN lg( K)10-9th KcK=(1-R) K=(1-R)Kmax681. 基本公式基本公式afK= =p ps s中心裂纹宽板中心裂纹宽板 f=1；单边裂纹宽板单边裂纹宽板 f=1.12临界裂纹尺寸临界裂纹尺寸aC：有线弹性：有线弹性断裂判据断裂判据： 6970 已知已知 a0, ac, 给定寿命给定寿命NC, 估算在使用工况估算在使

7、用工况(R)下所允许使用的最大应力下所允许使用的最大应力s smax。 已知载荷条件已知载荷条件 s s，R，初始裂纹尺寸，初始裂纹尺寸a0, 估估算临界裂纹尺寸算临界裂纹尺寸ac , 剩余寿命剩余寿命NC。 已知载荷条件已知载荷条件 s s，R, 给定寿命给定寿命NC, 确定确定aC及可允许的初始裂纹尺寸及可允许的初始裂纹尺寸a0。71解：解：1. 边裂纹宽板边裂纹宽板K的表达式：的表达式：K=1.12s s(p pa) 1/2 4. 临界裂纹长度临界裂纹长度ac？ =0.068m3. 长度为长度为a0的初始裂纹是否扩展？的初始裂纹是否扩展？ K=1.12 s s (p pa) 1/2=9M

8、Pa Kth=5.5725. 估算寿命估算寿命 NC： 将将a0=0.5, aC=0.068, ss=200, f=1.12, m=3 代入代入(12-25)式得：式得：NC=189500次循环次循环a0(mm)K(MPa )maC(mm)NC( (千周）千周） % 0.5 104 68 189.5 100 0.55217 171.790.6 1.5 104 68 101.9 53.8 2.5 104 68 74.9 39.5 0.5 208 272 198.410573743. 尺寸尺寸ai的裂纹的裂纹, 在下一检查期内不应扩展至在下一检查期内不应扩展至ac。 本题本题 m=4, 由裂纹扩展方程由裂纹扩展方程(12-25)式有：式有：cmciaCNa1)(1+=ps75如：检查时发现裂纹如：检查时发现裂纹 ai=10 mm,， 若不改变检查周期继续使用，则应满足：若不改变检查周期继续使用，则应满足： 注意，注意，ss改