《疲劳与疲劳断裂》课件VIP

疲劳与疲劳断裂课程大纲疲劳概述定义、产生机理、影响因素金属疲劳失效特征、裂纹扩展、影响因素非金属材料的疲劳塑料、橡胶等非金属材料的疲劳特点疲劳试验与分析试验种类、数据分析、S-N曲线1.疲劳概述循环载荷当结构或材料承受反复循环的载荷时，会产生疲劳。微观裂纹疲劳裂纹通常从材料内部的微观缺陷开始，并逐渐扩展。1.1疲劳的定义疲劳是指材料在循环载荷作用下，其强度和塑性逐渐降低，最终导致失效的过程。这种失效通常表现为裂纹的萌生和扩展，最终导致结构断裂。1.2疲劳的产生机理1晶体缺陷金属材料内部存在着各种各样的晶体缺陷，如空位、位错、晶界等。这些缺陷会成为疲劳裂纹的萌生点。2应力集中材料的几何形状、表面缺陷或加工残余应力等因素会导致应力集中，从而加速疲劳裂纹的萌生和扩展。3塑性变形在循环载荷的作用下，材料会发生塑性变形，导致材料内部微观结构的变化，从而降低材料的疲劳强度。4裂纹扩展疲劳裂纹在循环载荷的反复作用下逐渐扩展，最终导致材料断裂。1.3疲劳的影响因素材料特性材料的强度、塑性、韧性等力学性能对疲劳强度有很大影响。载荷类型循环载荷的幅值、频率、波形等对疲劳强度有重要影响。环境因素温度、湿度、腐蚀性介质等环境因素会加速疲劳失效。金属疲劳疲劳失效特征金属疲劳失效通常表现为裂纹从表面开始，然后逐步扩展至断裂。疲劳裂纹扩展裂纹扩展速度会随着循环应力水平和材料特性而变化。疲劳失效的特征1裂纹萌生疲劳裂纹通常从表面或表面缺陷处萌生，如表面划痕、孔洞等。2裂纹扩展裂纹在循环载荷作用下缓慢扩展，扩展路径通常为沿晶界扩展。3断裂裂纹扩展到一定程度后，最终导致断裂，断口通常具有明显的疲劳断裂特征。疲劳裂纹的发生与扩展1裂纹萌生应力集中处产生微小裂纹2裂纹扩展裂纹在交变载荷作用下扩展3断裂裂纹扩展到一定程度导致断裂影响金属疲劳的主要因素应力集中零件形状突变或表面缺陷会导致局部应力集中，加速疲劳裂纹的萌生和扩展。表面粗糙度表面粗糙度会造成应力集中，降低疲劳强度，表面光滑处理可以提高疲劳寿命。腐蚀腐蚀会降低材料的疲劳强度，加速疲劳裂纹的扩展，腐蚀环境会明显降低疲劳寿命。非金属材料的疲劳塑料、橡胶等包括塑料、橡胶、复合材料等非金属材料也存在疲劳问题。疲劳特征其疲劳失效特点与金属材料存在差异。3.1塑料、橡胶等非金属材料的疲劳塑料疲劳塑料材料在循环载荷作用下发生的断裂现象。橡胶疲劳橡胶材料在反复拉伸或压缩等循环载荷作用下发生的断裂现象。疲劳机理非金属材料的疲劳机理与金属材料有所不同。3.2非金属材料疲劳失效的特点裂纹萌生位置不明显，裂纹扩展速度快疲劳断裂面光滑，无明显疲劳条带断裂前往往表现出明显的塑性变形疲劳试验与分析疲劳试验是研究材料和结构在反复载荷作用下的失效行为，是确保产品可靠性的重要手段。试验方法常见的疲劳试验方法包括：应力控制试验应变控制试验裂纹扩展试验数据分析试验数据可用于：绘制S-N曲线确定疲劳寿命评估材料和结构的抗疲劳性能4.1疲劳试验的种类与特点弯曲疲劳试验对试件施加循环弯曲载荷，观察其疲劳寿命。扭转疲劳试验施加循环扭转载荷，评估材料在扭转应力下的疲劳性能。拉伸疲劳试验对试件施加循环拉伸载荷，测试材料在拉伸应力下的疲劳特性。疲劳试验数据的统计分析疲劳试验数据分析可以评估材料的疲劳寿命和可靠性。例如，绘制S-N曲线，统计分析疲劳极限。S-N曲线与Goodman图S-N曲线是疲劳试验的主要结果，它反映了材料在不同应力幅值下的疲劳寿命。Goodman图是在S-N曲线基础上发展起来的一种疲劳强度分析方法，它考虑了平均应力的影响。疲劳寿命预测预测结构或部件在特定载荷条件下的疲劳寿命，是疲劳设计和安全评估的关键。5.1应力寿命预测方法应力寿命曲线法利用S-N曲线来预测材料在特定应力水平下的疲劳寿命。线性损伤累积法则基于应力幅值和循环次数之间的关系，计算不同应力水平下的疲劳损伤累积。Paris法则基于裂纹扩展速率与应力强度因子之间的关系，预测裂纹扩展寿命。5.2应变寿命预测方法1应变寿命材料在循环应变作用下所能承受的循环次数。2应变寿命预测方法基于应变范围和应变循环次数之间的关系，预测材料的疲劳寿命。3应用范围适用于高应力、低循环疲劳，例如航空发动机、涡轮机等。5.3裂纹传播寿命预测方法Paris法则基于裂纹扩展速率与应力强度因子的关系。应力强度因子反映裂纹尖端应力场的大小和性质。裂纹扩展速率裂纹扩展速度与材料性质、载荷条件有关。疲劳断裂的预防与控制材料选择高强度、高韧性、耐腐蚀的材料，例如高强度钢、钛合金等，可以提高疲劳强度，延长疲劳寿命。结构设计优化结构设计，避免应力集中，减少应力幅值，可以有效降低疲劳裂纹的发生和扩展。材料选择高强度材料选择高强度材料可以提高零件的抗疲劳性能，延缓疲劳裂纹的产生和扩展。抗疲劳性能好的材料一些材料天生具有较好的抗疲劳性能，例如高强度合金钢、不锈钢、钛合金等。表面处理表面处理可以提高材料的表面硬度和耐腐蚀性，从而提高抗疲劳性能。常用的表面处理方法包括热处理、喷丸处理、表面镀层等。6.2结构设计应力集中区设计形状优化孔洞设计6.3制造工艺材料选择使用抗疲劳性能优异的材料，例如高强度钢、钛合金等。热处理进行适当的热处理，改善材料的微观结构，提高抗疲劳性能。表面处理表面处理可以增强材料的抗疲劳性能，例如喷丸处理、镀层等。加工工艺采用合理的加工工艺，避免应力集中，降低疲劳裂纹的产生风险。6.4维修与检测定期维护定期检查和维护可以识别早期故障并防止疲劳裂纹的进一步发展。非破坏性检测超声波检测、X射线检测等技术可用于识别隐藏的疲劳裂纹。损伤评估对疲劳裂纹的程度进行评估，决定是否需要维修或更换部件。案例分析通过真实的工程案例，深入分析疲劳断裂的发生过程和原因，并探讨有效的预防措施。工程案例飞机机翼疲劳裂纹长时间的飞行会导致机翼承受反复的应力，可能导致疲劳裂纹的形成。桥梁疲劳失效桥梁承受着车辆的反复荷载，长期使用会导致疲劳裂纹的扩展，最终可能导致桥梁垮塌。风力涡轮叶片疲劳风力涡轮叶片在强风中承受着周期性的应力，可能导致叶片出现疲劳损伤，影响发电效率。疲劳失效分析断裂分析通过对断裂面的观察，判断失效的类型，比如疲劳断裂、脆性断裂等。微观结构分析利用显微