《疲勞與斷裂》ppt課件

1、1,華中科技大學(xué)疲勞與斷裂課程組,疲勞與斷裂,Fatigue & Fracture,,返回主目錄,2,機械、結(jié)構(gòu)等 受力如何？ 如何運動？ 如何變形？破壞？ 如何控制設(shè)計？,其目的是： 了解工程系統(tǒng)的性態(tài) 并為其設(shè)計提供合理的規(guī)則。,工程力學(xué)（或者應(yīng)用力學(xué)）是: 將力學(xué)原理應(yīng)用實際工程系統(tǒng)的科學(xué)。,

2、回顧,,,3,受力如何？ 如何運動？,理論力學(xué)、振動理論等，研究對象為剛體；基本方程是平衡方程、運動方程等。,,,4,強度設(shè)計的一般方法：,,控制設(shè)計：強度是最主要的控制指標(biāo)。,研究對象是無缺陷變形體，研究目的是保證在最大載荷下有足夠的強度。,,,5,有缺陷怎么辦？,研究含缺陷材料的強度 --斷裂,,,6,結(jié)構(gòu)/構(gòu)件強度的控制參量是應(yīng)力。,,,,7,按靜強度設(shè)計，滿足??[?]，為什么還發(fā)生破壞？,,,8,二次大戰(zhàn)期間，400

3、余艘全焊接艦船斷裂。,主要原因是由缺陷或裂紋導(dǎo)致的斷裂。,,,9,,,大型汽輪機 轉(zhuǎn)子,,,10,,,軸 葉輪 疲勞斷裂破壞,,,11,轉(zhuǎn)子軸 疲勞開裂 疲勞斷裂破壞,,,12,,葉

4、片擊穿廠房,,,13,飛 機 整 機 結(jié) 構(gòu) 強 度 實 驗 機翼破壞實驗,,,,14,飛 機 整 機 結(jié) 構(gòu) 強 度 實 驗 機身破壞實驗,,,,15,上海 東方電視塔 高300m 球徑45m,,,,,,16,,,,抗震模型試驗 （破壞部位、破壞形式、抗震能力）,靜強度失效、斷裂失效和疲勞失效，是工程中最為關(guān)注的基本失效模式。,控制疲勞強度、斷裂強度的是什么？,,,

5、17,疲勞與斷裂,一. 概述,四. 應(yīng)變疲勞,二. 應(yīng)力疲勞,三. 疲勞應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)基礎(chǔ),introduction,,,18,十. 疲勞壽命預(yù)測與抗疲勞設(shè)計,九. 裂紋閉合理論與高載遲滯效應(yīng),八. 疲勞裂紋擴展,疲勞與斷裂,七. 彈塑性斷裂力學(xué)簡介,六. 表面裂紋,五. 斷裂失效與斷裂控制設(shè)計,,,19,第一章 概述 introduction,1.1 什么是疲勞？,The process of progressive local

6、ized permanent structural change occurring in a material subjected to conditions which produce fluctuating stresses and strains at some point or points and which may culminate in crack or complete fracture after a suffic

7、ient number of fluctuations.,ASTM E206-72,在某點或某些點承受擾動應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程，稱為疲勞。,,,20,疲勞是在某點或某些點承受擾動應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程。,疲勞問題的特點與研究目的：,,,21,1. 只有在擾動應(yīng)力作用下，疲勞才會發(fā)生。,擾動應(yīng)力

8、，是指隨時間變化的應(yīng)力。也可更一般地稱為擾動載荷， 載荷可以是力、應(yīng)力、應(yīng)變、位移等。,要研究載荷譜的描述與簡化,,,22,恒幅循環(huán)應(yīng)力是最簡單的,循環(huán)應(yīng)力 (cyclic stress)的描述：,常用導(dǎo)出量： 平均應(yīng)力 Sm=(Smax+Smin)/2 應(yīng)力幅 Sa=(Smax-Smin)/2 應(yīng)力變程 DS=Smax-Sm

9、in 應(yīng)力比或循環(huán)特性參數(shù) R=Smin/Smax,描述循環(huán)應(yīng)力水平的基本量： Smax， Smin,Sm,,,23,定義：平均應(yīng)力 Sm=(Smax+Smin)/2 (1) 應(yīng)力幅 Sa=(Smax-Smin)/2 (2) 應(yīng)力變程 DS=Smax-Smin

10、 (3) 應(yīng)力比或循環(huán)特性參數(shù) 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、D

11、S、R等量中，只要已知二個，即可導(dǎo)出其余各量。,,,24,設(shè)計：用Smax，Smin ，直觀；試驗：用Sm，Sa ，便于加載；分析：用Sa，R，突出主要控制參量, 便于分類討論。,,主要控制參量： Sa，重要影響參量：R 頻率 (f=N/t) 和 波形的影響是較次要的。,應(yīng)力比R反映了載荷的循環(huán)特性。如,,,25,主要控制參量： Sa，重要影響參量：R,,頻率 (f=N/t),波形,,,26,2. 破壞起源

12、于高應(yīng)力、高應(yīng)變局部。,應(yīng)力集中處，常常是疲勞破壞的起源。 要研究細節(jié)處的應(yīng)力應(yīng)變。,靜載下的破壞，取決于結(jié)構(gòu)整體；疲勞破壞則由應(yīng)力或應(yīng)變較高的局部開始，形成損傷并逐漸累積，導(dǎo)致破壞發(fā)生?？梢?，局部性是疲勞的明顯特點。,因此，要注意細節(jié)設(shè)計，研究細節(jié)處的應(yīng)力應(yīng)變，盡可能減小應(yīng)力集中。,,,27,3.疲勞損傷的結(jié)果是形成裂紋,有裂紋萌生-擴展-斷裂三個階段。 要研究疲勞裂紋萌生和擴展的機理及規(guī)律。,,,28,One

13、of the most important physical Observation is that the fatigue process can generally be broken two distinct phase --initiation life and propagation life.,The propagation life is the portion of the t

14、otal life spent growing a crack to failure.,The initiation life encompasses the development and early growth of a small crack.,起始壽命包括小裂紋的形成和早期擴展。,擴展壽命是總壽命中裂紋擴展到破壞的部分。,,,29,However, it is often very difficult,

15、 if not impossible, to define the transition from initiation to propagation.,然而，定義從起始到擴展的轉(zhuǎn)變，常常是很困難的。,This distinction depends upon many variables, including components size, material, and the method used to detect cracks

16、.,這取決于許多因素，包括構(gòu)件尺寸、材料和檢出裂紋所采用的方法等。,Initiation life is usually assumed to be the portion of life spent developing an engineering crack, which is about 0.3mm for smaller components.,起始壽命通常被假定為形成一個工程裂紋的那一部分壽命，對于小尺寸構(gòu)件，工程裂紋大約為

17、0.3mm。,,,30,疲勞是在某點或某些點承受擾動應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程。,,,31,再見！,謝謝！,第一次課完請繼續(xù)第二次課,習(xí)題：1-5，1-6,,,,返回主目錄,32,1.2 疲勞斷裂破壞的嚴重性,第一章 概述 introduction,1.1 什么是疲勞？,疲勞與斷裂,1.3 抗疲勞設(shè)計方法,1.4 疲勞破壞機理與斷口特征,1.5 疲勞問題研究

18、方法,,,返回主目錄,,,,,,33,1.2 疲勞斷裂破壞的嚴重性,1982年，美國眾議院科學(xué)技術(shù)委員會委托商業(yè)部國家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)調(diào)查斷裂破壞對美國經(jīng)濟的影響。提交綜合報告 “美國斷裂破壞的經(jīng)濟影響” SP647-1 最終報告 “數(shù)據(jù)資料和經(jīng)濟分析方法” SP647-2,斷裂使美國一年損失1190億美元,摘要發(fā)表于 Int. J. of Fracture, Vol23, No.3, 1983 譯

19、文見 力學(xué)進展， Vol15，No2，1985,,,34,損失最嚴重的是： 車輛業(yè) (125億/年)， 建筑業(yè) (100億/年)， 航空 (67億/年)， 金屬結(jié)構(gòu)及制品 (55億/年).,斷裂(包括疲勞、腐蝕引起的斷裂)使美國一年損失1190億美元, 為其1982年國家總產(chǎn)

20、值的4%。,,,35,普及斷裂的基本知識，可減少損失29%(345億/年)。,對策,,設(shè)計、制造人員了解斷裂，主動采取改進措施，如設(shè)計；材料斷裂韌性；冷、熱加工質(zhì)量等。,,,36,國際民航組織 (ICAO)發(fā)表的“涉及金屬疲勞斷裂的重大飛機失事調(diào)查”指出： 80年代以來，由金屬疲勞斷裂引起的機毀人亡重大事故，平均每年100次。(不包括中、蘇) Int. J. Fatigue, Vol.6, No

21、.1, 1984,疲勞斷裂引起的空難達每年100次以上,工程實際中發(fā)生的疲勞斷裂破壞，占全部力學(xué)破壞的50-90%，是機械、結(jié)構(gòu)失效的最常見形式。 因此，工程技術(shù)人員必須認真考慮可能的疲勞斷裂問題。,,,37,1993年，美國政府報告 ( PB94-143336, 1993)發(fā)表了1973-1990年期間的飛機使用故障統(tǒng)計結(jié)果，表中列出了四種常用機型的數(shù)據(jù)。,可見疲勞開裂仍然是值得嚴密關(guān)注的。,,,38,,年代,設(shè)計水平,,,1

22、900,2000,1800,,,,,39,1.3 抗疲勞設(shè)計方法,,控制應(yīng)力水平，使裂紋不萌生或不擴展，即： S<Sf or ?K<?Kth,無限壽命設(shè)計 (Infinite-life design),控制疲勞裂紋萌生的是應(yīng)力幅Sa 。 Sa 小于疲勞極限值 Sf 時，將不發(fā)生疲勞破壞。控制疲勞裂紋擴展的是應(yīng)力強度因子DK=f(DS, a)。DK小于疲勞裂紋擴展門檻值DKth時，裂紋

23、不擴展。,對于氣缸閥門、頂桿、彈簧，長期頻繁運行的輪軸等，無限壽命設(shè)計至今仍是簡單而合理的方法。,,,40,研究載荷水平與疲勞壽命的關(guān)系；建立描述材料疲勞性能的S-N、e-N曲線。,,不需經(jīng)受很多次循環(huán)的構(gòu)件，無限壽命設(shè)計很不經(jīng)濟。,用于民用飛機，容器，管道，汽車等。,按照S-N或?-N曲線設(shè)計，使構(gòu)件在有限長設(shè)計壽命內(nèi)，不發(fā)生疲勞破壞的設(shè)計---安全或有限壽命設(shè)計。,安全壽命設(shè)計 ( Safe-life design ),,,41

24、,要選用韌性較好、裂紋擴展緩慢的材料，以保證有足夠大的ac和充分的時間，安排檢查并發(fā)現(xiàn)裂紋。,,20世紀70年代提出的損傷容限設(shè)計： 假定構(gòu)件中存在著裂紋，用斷裂分析、疲勞紋擴展分析和試驗驗證，保證在定期檢查肯定能發(fā)現(xiàn)前，裂紋不會擴展到足以引起破壞。,由于裂紋存在，安全壽命設(shè)計并不能完全確保安全。,損傷容限設(shè)計 ( Damage tolerance design),,,42,,各種方法互相補充，適應(yīng)不同設(shè)計需求，不是相互取代的

25、。,耐久性設(shè)計 ( Durability design),20世紀80年代起，以經(jīng)濟壽命為目標(biāo)的耐久性設(shè)計概念形成。耐久性是構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用條件下抗疲勞斷裂性能的一種定量度量。,先定義疲勞破壞嚴重細節(jié)群（如孔等）的初始疲勞質(zhì)量---初始損傷狀態(tài)；再用疲勞或疲勞裂紋擴展分析預(yù)測在不同使用時刻損傷狀態(tài)的變化；然后確定其經(jīng)濟壽命，制訂使用、維修方案。,,,43,3)裂紋源在高應(yīng)力局部或材料缺陷處。4)與靜載破壞相比，即使是延性材料，

26、也沒有明顯 的塑性變形。5)工程實際中的表面裂紋，一般呈半橢圓形。,飛機輪轂疲勞斷口,典型疲勞斷口，特征明顯：1)有裂紋源、裂紋擴展區(qū)和 最后斷裂區(qū)三個部分。2)裂紋擴展區(qū)斷面較光滑， 通?？梢?“海灘條帶”, 還可能有腐蝕痕跡。,1.4 疲勞破壞機理與斷口特征,一、斷口宏觀特征,,,44,疲勞破壞與靜載破壞之比較,疲勞破壞 S＜Su破壞是局部損傷累積的結(jié)果。斷口光滑，有海灘條帶或腐蝕痕跡。有裂紋

27、源、裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū)。無明顯塑性變形。應(yīng)力集中對壽命影響大。,由斷口可分析裂紋起因、擴展信息、臨界裂紋尺寸、破壞載荷等，是失效分析的重要依據(jù)。,靜載破壞 S＞Su破壞是瞬間發(fā)生的。斷口粗糙，新鮮，無表面磨蝕及腐蝕痕跡。韌性材料塑性變形明顯。應(yīng)力集中對極限承載能力 影響不大。,,,45,二、疲勞破壞機理及斷口微觀特征,疲勞裂紋萌生機理：,裂紋起源（裂紋源）在何處？ 高應(yīng)力處：1）應(yīng)力集中

28、處；缺陷、夾雜，或孔、切口、臺階等2）構(gòu)件表面； 應(yīng)力較高，有加工痕跡， 平面應(yīng)力狀態(tài)，易于滑移發(fā)生。,,,46,延性金屬中的滑移,N=104,（多晶體鎳恒幅應(yīng)力循環(huán)）,擾動載荷 ?應(yīng)力集中 ?滑移帶 ?駐留滑移帶 ?微裂紋、擴展 ?宏觀裂紋、擴展,,,47,裂紋由持久滑移帶成核，最大剪應(yīng)力控制。,從第1階段向第2階段轉(zhuǎn)變所對應(yīng)的裂紋尺寸主要取決于材料和作用應(yīng)力水平，一般只有幾個晶粒的

29、尺寸 (~0.05mm) 。 第1階段裂紋擴展的尺寸雖小，對壽命的貢獻卻很大，對于高強材料，尤其如此。,,,48,疲勞裂紋擴展機理,c. 充分張開，裂尖鈍化， 開創(chuàng)新表面；d. 卸載,裂紋收縮，但新開創(chuàng)的裂紋面卻不能消失;e. 裂紋銳化，但已擴展了一個?a。,裂紋張開、鈍化、銳化、擴展，每一個應(yīng)力循環(huán)，將在裂紋面上留下一條痕跡（striation）。,“塑性鈍化模型” C. Laird(

30、1967),a. 開始時的裂尖形狀；b. 應(yīng)力增加，裂紋張開， 裂尖材料沿tmax方向滑移；,,,t,,,49,Cr12Ni2WMoV鋼疲勞條紋:(金屬學(xué)報,85),透射電鏡：1-3萬倍,疲勞條紋(striation) 不同于海灘條帶(beach mark),,,,50,疲勞裂紋擴展的微觀機理 1976 Crooker,微孔聚合型microvoid coalescence高應(yīng)力、韌材料,微解理型microcleavag

31、e低應(yīng)力、脆性材料,條紋型striation,Cr12Ni2WMoV鋼疲勞斷口微觀照片:(金屬學(xué)報,85),三種破壞形式:,,,51,疲勞斷口觀察工具與觀察內(nèi)容的關(guān)系:,,,52,疲勞斷口分析，有助于判斷失效原因，可為改進疲勞研究和抗疲勞設(shè)計提供參考。因此，應(yīng)盡量保護斷口，避免損失了寶貴的信息。,4. 由疲勞斷口進行初步失效分析,斷口宏觀形貌: 是否疲勞破壞? 裂紋臨界尺寸? 破壞載荷？ 是否正常破壞？

32、,金相或低倍觀察： 裂紋源？是否有材料缺陷？缺陷的類型和大小？,高倍電鏡微觀觀察： “海灘條帶”+“疲勞條紋”，使用載荷譜，估計速率。,,,53,1.5 疲勞問題研究方法,,,54,Three primary fatigue analysis methods which are the stress-life approach, strain-life approach, and the fracture mechanics

33、approach, will be discussed. These methods have their own region of application with some degree of overlap between them.,將要討論三種基本疲勞分析方法，即應(yīng)力-壽命法、應(yīng)變壽命法和斷裂力學(xué)方法。這三種方法有其各自的應(yīng)用范圍，相互之間又有某種程度的交叉。,,,55,The understanding of a

34、ny one of these methods provides a technique which may be used to perform a fatigue analysis. However, it is the insights (見識、洞察力) gained from the understanding of all these methods which allow the