疲劳和断裂第一讲

1疲劳与断裂Fatigue&Fracture2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。性态规则回顾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。如何变形？破坏？材料力学、弹性力学、塑性力学等，研究对象为变形体；基本方程是平衡方程、物理方程、几何方程等。4强度设计的一般方法：平衡方程变形几何条件应力应变关系内力应力初步设计设计目标强度条件满意？结束YESNO修改设计强度计算材料试验极限应力选取安全系数许用应力控制设计：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。5有缺陷怎么办？研究含缺陷材料的强度--断裂多次载荷作用下如何破坏？研究多次使用载荷作用下的破坏

--疲劳缺陷从何而来？材料固有或使用中萌生,扩展

--疲劳与断裂6结构/构件强度的控制参量是应力。工作应力：

构件在可能受到的最大工作载荷作用下的应力。

(由力学分析计算得到)极限应力：ys、

b材料可以承受的强度指标。延性材料：ys；

脆性材料：b

(通过材料力学性能的实验得到)

ys延性材料b

脆性材料强度判据：

(作用抗力)

结构或构件的工作应力材料的极限应力7按静强度设计，满足[]，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0.4ys）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（机身舱门拐角处开裂）；81967年12月15日，美国西弗吉尼亚的PointPleasant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；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。9FailureandFracture1954年，美国发射北极星导弹，发射点火不久，就发生爆炸。10FailureandFracture11USSEssoManhattan,3/29/43JohnP.Gaines,11/43USSSchenectady,1/16/43VesselbrokeintwoofftheAleutians(10killed).FractureatentrancetoNYharbor.LibertytankersplitintwowhilemooredincalmwaterattheoutfittingdockatSwanIsland,OR.FailureandFracture12

大型汽轮机转子13

轴叶轮

疲劳断裂破坏14

转子轴疲劳开裂

疲劳断裂破坏15

叶片击穿厂房16

飞机整机结构强度实验机翼破坏实验17

飞机整机结构强度实验机身破坏实验18

上海东方电视塔高300m球径45m19

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本失效模式。控制疲劳强度、断裂强度的是什么？20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introductionCrackinitiation21十.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FracturemechanicsCrackpropagation221.2疲劳断裂破坏的严重性第一章概述introduction1.1什么是疲劳？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23第一章概述introduction1.1什么是疲劳？Theprocessofprogressivelocalizedpermanentstructuralchangeoccurringinamaterialsubjectedtoconditionswhichproducefluctuatingstressesandstrainsatsomepointorpointsandwhichmayculminateincrackorcompletefractureafterasufficientnumberoffluctuations.ASTME206-72

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。24

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。研究目的：预测寿命。N=Ni+Np裂纹萌生+扩展疲劳问题的特点与研究目的：

扰动应力，高应力局部，裂纹，发展过程。特点：251.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，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26恒幅循环应力是最简单的SSmax0Smint循环应力(cyclicstress)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，SminSmSaSa27定义：平均应力Sm=(Smax+Smin)/2(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)/2]Smax(4)(2)式二端除以Smax，有Sa=[(1-R)/2]Smax(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。28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。0StR=-1对称循环Smax=-Smin0StR=1静载Smax=Smin0StR=0脉冲循环Smin=0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29主要控制参量：Sa，重要影响参量：R0StR=-1对称循环Smax=-Smin0St三角波S0t正弦波0St矩形波频率(f=N/t)波形f=100Hz,t=100h,N=ft=3.6107(次循环)0St梯形波302.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。313.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。4.疲劳是从开始使用到最后破坏的发展过程。寿命（过程的长短）

--取决于载荷、作用次数和材料的疲劳抗力。

Ntotal=Ninitiation+Npropagation

要研究寿命预测的方法---疲劳研究的目的。32OneofthemostimportantphysicalObservationisthatthefatigueprocesscangenerallybebrokentwodistinctphase--initiationlifeandpropagationlife.Thepropagationlifeistheportionofthetotallifespentgrowingacracktofailure.Theinitiationlifeencompassesthedevelopmentandearlygrowthofasmallcrack.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。33However,itisoftenverydifficult,ifnotimpossible,todefinethetransitionfrominitiationtopropagation.然而，定义从起始到扩展的转变，常常是很困难的。Thisdistinctiondependsuponmanyvariables,includingcomponentssize,material,andthemethodusedtodetectcracks.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。Initiationlifeisusuallyassumedtobetheportionoflifespentdevelopinganengineeringcrack,whichisabout0.3mmforsmallercomponents.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。34

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。寿命预测与抗疲劳设计方法疲劳裂纹萌生和扩展的机理及规律疲劳研究的主要内容是：载荷谱的描述与简化应力集中细节处的应力应变351.2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(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.ofFracture,Vol23,No.3,1983

译文见力学进展，Vol15，No2，198536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年国家总产值的4%。37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。利用现有研究成果，可再减少损失24%(285亿/年)。包括提高对缺陷影响、材料韧性、工作应力的预测能力；改进检查、使用、维护；建立力学性能数据库；改善设计方法更新标准规范等。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。38

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。39机型 SDR报告总次数 涉及蒙皮开裂的SDR次数 飞机数报告数 飞机数 报告数 Boeing727 236436315 774 3294 737 109715437 257 2069 7473816936 134 543 DC-9 146526128 493 1532

SDR-使用故障报告（美国）（1973-1990)

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。40年代设计水平190020001800静强度设计使用故障、失效研究抗疲劳设计抗断裂设计耐久性设计可靠性设计411.3抗疲劳设计方法控制应力水平，使裂纹不萌生或不扩展，即：

S<SforK<Kth无限寿命设计(Infinite-lifedesign)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。42研究载荷水平与疲劳寿命的关系；建立描述材料疲劳性能的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-lifedesign)43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、疲劳裂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。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(Damagetolerancedesign)44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(Durabilitydesign)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。453)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。裂纹源裂纹扩展区海滩条带最后断裂区

孔边角裂纹断口1.4疲劳破坏机理与断口特征一、断口宏观特征4647疲劳破坏与静载破坏之比较疲劳破坏S＜Su破坏是局部损伤累积的结果。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S＞Su 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。48二、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，易于滑移发生。疲劳裂纹的起始或萌生，称为疲劳裂纹成核。疲劳裂纹成核扩展至临界尺寸断裂发生49延性金属中的滑移材料表面材料表面a)粗滑移b)细滑移约0.1mN=104N=5104N=2.7105（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50

裂纹由持久滑移带成核，最大剪应力控制。沿最大剪应力面，第一阶段扩展沿垂直于载荷作用线的最大拉应力面扩展，第二阶段

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。阶段1阶段2DSDS疲劳裂纹扩展二阶段DS材料表面循环载荷作用持久滑移带几条微裂纹一条主裂纹51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(e)(d)(c)(b)(a)S0cbade

塑性钝化过程52Cr12Ni2WMoV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(beachmark)tS

谱块循环条带条纹

53疲劳裂纹扩展的微观机理

1976Crooker微孔聚合型microvoidcoalescence高应力、韧材料微解理型microcleavage低应力、脆性材料条纹型striationCr12Ni2WMoV钢疲劳断口微观照片:(金属学报,85)

三种破坏形式:条纹间距=da/dN?54疲劳断口观察工具与观察内容的关系:1-10× 10-1000× 1000×以上放大倍数观察工具肉眼，放大镜 金相显微镜 电子显微镜观察对象

宏观断口，裂纹源，滑移，条纹，微解理海滩条带；夹杂，缺陷；微孔聚合 55

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