材料的疲劳损伤和断裂专家讲座

材料疲劳损伤与断裂朱明亮华东理工大学机械与动力工程学院mlzhu@EngineeringFractureMechanics-材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第1页主要内容工程中的疲劳现象疲劳研究的主要范畴疲劳与损伤疲劳与断裂1234材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第2页工程中疲劳现象材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第3页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）工程中疲劳现象材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第4页工程中疲劳现象材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第5页工程中疲劳现象二次大战期间，400余艘全焊接舰船断裂材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第6页工程中疲劳现象.4.25,早晨9：20,日本兵库县尼崎市列车脱轨：死亡106人，伤400人

1998.6.3，德国埃舍德小镇，高速列车脱轨：101人死亡，200人受伤，88人重伤预防疲劳失效！是轨道交通关键科技问题之一材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第7页工程中疲劳现象转子轴材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第8页工程中疲劳现象整机结构强度试验:机翼破坏试验材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第9页工程中疲劳现象上海东方明珠电视塔高300m球径45m材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第10页工程中疲劳现象Case1:simplysupportedcranegirderServiceconditioins:LoadW,constantTwocranepasses/hr,12hr/day,240days/yr40yearsofservicelife:21224040=230,400cyclesofbendingmomentWL/4.LowerflangeatA-A行车大梁材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第11页工程中疲劳现象Case2:rotatingshaftwithoverhungflywheelServiceconditions:LoadW,constantShaftrotatesat250rev/min,8hr/day,300days/yrInaservicelifeof40yearstheshaftaccumulates25060830040=1.44109cyclesofbendingmoment,WL材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第12页工程中疲劳现象疲劳失效是工程中最主要、最常见失效模式疲劳关键问题1疲劳性能的影响因素有哪些？2材料疲劳的宏微观损伤机制？3疲劳裂纹的扩展特性？4结构抗疲劳破坏的控制参数是什么？5如何预测结构的疲劳寿命？材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第13页疲劳研究主要范围疲劳断裂力学损伤力学化学材料科学环境疲劳疲劳损伤疲劳断裂材料疲劳材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第14页疲劳发展历史材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第15页疲劳发展历史十九世纪疲劳发展182918391860德国矿业工程师Albert.金属疲劳最初研究。巴黎大学教授JU.Poncelet提出金属疲劳概念。德国工程师Wöhler提出了应力-寿命曲线（S-N曲线）和疲劳极限概念。18901.Gerber研究了平均应力对疲劳寿命影响。2.Goodman提出了考虑平均应力影响简单理论。3.Bauschinger提出了应力-应变滞后回线概念。经验试验材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第16页1871年，Wohler首先对铁路车轴进行了系统疲劳研究，发展了旋转弯曲疲劳试验，S-N曲线及疲劳极限概念。疲劳发展历史材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第17页1910s-1960s疲劳发展191019501960Basquin提出了S与N关系式。Bairstow给出了形变滞后与疲劳破坏关系。1.光镜和电子显微镜发展促进了人们对传统疲劳破坏机制研究。2.电液伺服疲劳试验机出现。3.疲劳发展成为主要学科领域。1.Manson-Coffin关系。2.1963年Paris提出da/dN-K关系。提出了PSB概念，观察到了疲劳辉纹，P-M累积损伤理论。损伤容限设计，疲劳与断裂力学融合。理论工程利用机理疲劳发展历史材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第18页1970s-今疲劳发展19701980损伤容限方法利用到详细设计规范中，断裂力学开始在疲劳研究中发挥主要作用1.传统疲劳研究领域深入拓展：蠕变疲劳，热机械疲劳，微动疲劳，多轴疲劳…….2.伴随分析伎俩提升，新材料和传统材料疲劳破坏微观机制得到深入发展。3.疲劳模拟技术发展成为研究疲劳主要方法，使人们对疲劳认识深入深入。4.超高周疲劳研究逐步成为研究热点。低周疲劳高周疲劳超高周疲劳疲劳发展历史材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第19页疲劳基本概念材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第20页疲劳基本概念

在某点或一些点承受交变应力，且在足够多循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂材料中所发生局部永久结构改变发展过程，称为疲劳。Whatisfatigue?Theprocessofprogressivelocalizedpermanentstructuralchangeoccurringinamaterialsubjectedtoconditionswhichproducefluctuatingstressesandstrainsatsomepointorpointsandwhichmayculminateincrackorcompletefractureafterasufficientnumberoffluctuations.ASTME206-72材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第21页疲劳分类——主要学科体系疲劳基本概念研究对象材料结构应力状态单轴多轴载荷变化情况恒幅变幅随机工况、环境蠕变疲劳热机械疲劳腐蚀疲劳微动疲劳冲击疲劳循环周次低周高周超高周材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第22页疲劳基本概念交变应力，是指随时间改变应力。也可更普通地称为交变载荷（载荷能够是力、应力、应变、位移等）00t0SDSSmax

恒幅循环S变幅循环S随机载荷疲劳载荷类型tt

材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第23页疲劳基本概念平均应力Sm=(Smax+Smin)/2(1)应力幅Sa=(Smax-Smin)/2(2)应力范围S=Smax-Smin(3)应力比R=Smin/Smax恒幅循环参数设计：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。材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第24页疲劳基本概念应力比R0StR=1静载Smax=Smin0StR=0脉冲循环Smin=00StR=-1对称循环Smax=-SminR=-2/0=∞R=-2/1=-2材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第25页疲劳基本概念0St三角波S0t正弦波0St矩形波0St梯形波波形频率f=N/tf=100Hz,t=100h,N=ft=3.6107(cycles)材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第26页材料疲劳性能材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第27页材料疲劳性能材料疲劳性能材料循环变形特征载荷寿命关系-relationship-Ncurve-Ncurve疲劳裂纹扩展特征da/dNcurve材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第28页材料疲劳性能拉伸应力-应变关系单调拉伸和单调压缩曲线关于原点O对称；在屈服极限A点以内是直线。σ-εS-eσε单调σ-ε曲线材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第29页材料疲劳性能Bauschingereffect在一定量正向拉伸或压缩塑性变形之后进行反方向加载，材料屈服强度会低于连续正向变形屈服强度。材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第30页材料疲劳性能滞后回线(迟滞回线)：一个完整循环所对应应力-应变曲线形成封闭曲线。总应变幅=弹性应变幅+塑性应变幅材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第31页材料疲劳性能材料循环硬化与循环软化CyclichardeningCyclicsoftening材料屈强比：σs/σb<0.7，循环硬化材料；

σs/σb>0.8，循环软化材料。材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第32页材料疲劳性能A为循环强化系数，为循环硬化指数。循环应力-应变曲线材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第33页材料疲劳性能在恒幅应力控制下，应变不停提升现象叫做循环蠕变；循环蠕变和循环松弛对于非金属材料比较显著，金属材料在高温下需考虑。循环蠕变和循环松弛在恒幅应变控制下，应力不停下滑现象叫做循环松弛。材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第34页材料疲劳性能Basquin’sequationManson-CoffinrelationshipTransitionfatiguelife材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第35页材料疲劳性能材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第36页材料疲劳性能材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第37页材料疲劳性能S-N曲线：表示S（或者logS）和Nf（或者logNf）关系曲线。疲劳极限Sf：某一应力比条件下，对应循环次数下不发生断裂应力。材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第38页疲劳强度影响原因材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第39页疲劳强度影响原因有利有害！拉伸平均应力降低疲劳强度，压缩平均应力提升疲劳强度。材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第40页疲劳强度影响原因平均应力m（横坐标）与应力幅a（纵坐标）之间关系曲线（由试验数据取得），反应相同材料在不一样应力循环特征时疲劳极限差异。塑性材料疲劳极限应力图以下列图所表示，曲线近似呈抛物线分布。曲线上A点坐标表示对称循环点，B点坐标表示脉动循环点，C点坐标表示静应力点。疲劳极限应力图材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第41页疲劳强度影响原因ModifiedGoodmanlineGerberParabola材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第42页疲劳强度影响原因等效应力幅材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第43页疲劳强度影响原因疲劳裂纹通常起始于零件表面表面情况对疲劳寿命有很大影响表面光洁度越高，形成疲劳裂纹时间越长。材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第44页疲劳强度影响原因表面经过冷轧(coldrolling)、渗氮(nitriding)、喷丸(shotpeening)、激化冲击(lasershockpeening)处理等都能够在表面引入残余压应力，从而延缓高周疲劳裂纹萌生。材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第45页疲劳强度影响原因缺口应力集中系数Kt疲劳缺口系数Kf疲劳缺口敏感性q材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第46页疲劳强度影响原因加载方式材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第47页疲劳强度影响原因弯曲载荷下，尺寸影响试样承载面应力梯度，尺寸增大，应力梯度减小，但表面局部平均应力增大，疲劳强度下降。轴向载荷下，应力梯度较小，试样尺寸效应不显著。材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第48页疲劳强度影响原因1平均应力2表面加工与处理3加载形式4缺口与应力集中5试样尺寸材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第49页疲劳与损伤疲劳损伤力学疲劳与损伤材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第50页损伤概念材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第51页损伤概念损伤(Damage)是材料和工程构件中细微“结构”改变，引发微裂纹萌生、成长与合并，造成材料变质和恶化。损伤积累结果往往产生宏观裂纹，造成最终断裂。1958年，Kachanov在研究蠕变断裂问题时，第一个引入了一个新本构方程－损伤演变方程，同时第一个引入了一个描述材料内部损伤内变量－连续性变量。1969年，Rabatnov改进了Kachanov工作，在蠕变本构方程中引入了损伤变量以描述损伤对材料本构行为影响。材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第52页损伤概念损伤变量微观或物理宏观或唯象疲劳损伤区内微观裂纹密度空洞体积（面积）比声发射量电阻抗改变显微硬度改变等Miner疲劳损伤D＝1/N剩下刚度E，D＝1-E/E0剩下强度循环耗散能阻尼系数、滞后能等材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第53页损伤概念损伤力学主要研究三方面内容：1.研究材料中微裂纹和微孔洞及外在条件对本身演变影响及其发展规律；2.研究损伤对材料本构关系影响；3.研究工程构件中宏观裂纹形成寿命估算方法。构件受载条件，本构方程和演变方程确实定－弹性和塑性－疲劳与蠕变－损伤应力、应变和损伤演变构件力学分析和损伤力学分析临界状态损伤力学分析步骤材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第54页疲劳累积损伤理论材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第55页疲劳累积损伤理论1每个循环引起多少损伤？2多个载荷循环时，损伤如何累加？3失效时的临界损伤？疲劳损伤D材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第56页疲劳累积损伤理论Palmgren-Miner理论，简称Miner理论。一个循环造成损伤：D＝1/Nn个循环造成损伤：临界疲劳损伤Dcr：Dcr＝1缺点：没有考虑载荷次序影响材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第57页疲劳累积损伤理论材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第58页疲劳损伤微观机制材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第59页疲劳损伤微观机制拉伸试样表面形成滑移台阶循环变形试样表面出现“挤出”与“侵入”，试样内部位错密度高，形成驻留滑移带(PSB)。循环变形特点CoarseslipFineslipStressconcentration材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第60页疲劳损伤微观机制104cycles5104cycles2.7105cyclesSliplinesintensified永久滑移带(PSB)形成Earlystagesoffatigueareprimarilyasurfacephenomenon.材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第61页疲劳损伤微观机制材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第62页疲劳损伤微观机制CyclicSlip-initialarrangementsCyclicHardening材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第63页疲劳损伤微观机制SurfacereliefShearcracksformation材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第64页疲劳损伤微观机制Crackinitiation材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第65页疲劳损伤微观机制疲劳裂纹萌生位置：材料表面（PSB，表面缺点，腐蚀坑等）材料内部（1）内部PSB（2）内部不连续组织处（夹杂物，气孔，相界，晶界，孪晶界，二次相颗粒，孔洞等）材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第66页疲劳损伤微观机制Crackinitiationatpores材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第67页疲劳损伤微观机制Cracksinitiatedinmicrostructures材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第68页疲劳损伤微观机制inclusionsInteriormicrostructures材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第69页疲劳损伤微观机制Processoffatigue材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第70页疲劳与断裂疲劳断裂力学疲劳与断裂裂纹扩展规律及其利用材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第71页疲劳裂纹扩展过程材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第72页疲劳裂纹扩展过程疲劳裂纹扩展两阶段：StageI(controlledbyshearstressorshearstrain);StageII(controlledbymaximumtensilestressrange).Intergranularortransgranular?Itdepends……ShortcrackLoadingdirection材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第73页Cyclicplasticzonesize疲劳裂纹扩展过程材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第74页StageIcrackgrowth疲劳裂纹扩展过程材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第75页StageIIcrackgrowth疲劳裂纹扩展过程材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第76页StageIastageIbStageIa:singleslipStageIb:doubleslipStageII:multipleslip疲劳裂纹扩展过程材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第77页bluntingresharpeningreblunting疲劳裂纹扩展过程LairdmodelforStageIIfatiguecrackgrowth疲劳辉纹形成过程：拉伸过程中，裂纹尖端发生钝化，裂纹扩展a，在压应力下裂纹尖端重新锐化，随即拉伸应力下重新钝化。loadingunloadingloading材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第78页疲劳裂纹尺度问题材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第79页疲劳裂纹尺度问题SeveralgraindiametersInteractionswithgrainandphaseboundaries,precipitatesandpores材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第80页有裂纹萌生-扩展-断裂三个阶段。

寿命（过程长短）

--取决于载荷、作用次数和材料疲劳抗力。

Ntotal=Ninitiation+Npropagation

IrreversiblecyclicslipaccumulationMicrostructurallyshortcracksMechanicallyshortcracksPhysicallyshortcracksLongcracksfracture疲劳裂纹尺度问题材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第81页疲劳裂纹尺度问题疲劳破坏多尺度特征材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第82页长裂纹扩展规律材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第83页长裂纹扩展规律1963年Paris首先把断裂力学引入了疲劳裂纹扩展，并认为扩展速率受控于裂纹尖端应力强度因子范围ΔK，ΔK=Kmax-Kmin。

式中C与n均为与材料相关常数，n通常在2--4之间。材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第84页ParisregimeUnstableregimeNear-thresholdregime应力比，环境影响较大，微观组织影响较小微观组织、应力比，环境影响较大长裂纹扩展规律材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第85页疲劳门槛值Kth:fatiguethreshold理论上，是裂纹扩展速率为零时应力强度因子范围。

试验测量中，要求在空气介质和平面应变条件下，材料裂纹扩展速率靠近10-7mm／cycle(或更低)对应应力强度因子范围K。CrMoVsteel长裂纹扩展规律材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第86页伴随应力比增大，疲劳裂纹扩展速率增大，疲劳门槛值减小。长裂纹扩展规律材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第87页Microstructuredifference组织对Paris区da/dN影响不大，而对门槛值区有较大影响。长裂纹扩展规律材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第88页Inair,R=0.1,f=35Hz，钛合金Invacuum,TiAlintermetallics300C时，真空中da/dN比空气中小。温度升高，扩展速率增大。长裂纹扩展规律材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第89页短裂纹扩展行为材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第90页短裂纹扩展行为短裂纹扩展特征：短裂纹扩展受到微观组织影响很大；短裂纹扩展速率会高于长裂纹扩展速率；短裂纹扩展能在K低于长裂纹疲劳门槛值时扩展。材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第91页疲劳裂纹闭合材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第92页疲劳裂纹闭合Kcl：裂纹闭合强度因子Keff=Kmax-Kcl疲劳门槛值区闭合机制复杂材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第93页疲劳裂纹闭合裂纹闭合因子:U材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第94页疲劳裂纹闭合plastic-inducedcrackclosure（塑性诱发裂纹闭合）transformation-inducedcrackclosure（变形诱发相变裂纹闭合）oxidation-inducedcrackclosure（氧化诱发裂纹闭合）fluid-inducedcrackclosure（流体诱发裂纹闭合）roughness-inducedcrackclosure（粗糙度诱发裂纹闭合）材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第95页疲劳试验材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第96页疲劳试验机材料的疲劳损伤和断裂专家讲座第97页显微疲劳试