《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(jī)械、結(jié)構(gòu)等 受力如何？ 如何運(yùn)動(dòng)？ 如何變形？破壞？ 如何控制設(shè)計(jì)？,其目的是： 了解工程系統(tǒng)的性態(tài) 并為其設(shè)計(jì)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(shí)際工程系統(tǒng)的科學(xué)。,

2、回顧,,,3,受力如何？ 如何運(yùn)動(dòng)？,理論力學(xué)、振動(dòng)理論等，研究對(duì)象為剛體；基本方程是平衡方程、運(yùn)動(dòng)方程等。,,,4,強(qiáng)度設(shè)計(jì)的一般方法：,,控制設(shè)計(jì)：強(qiáng)度是最主要的控制指標(biāo)。,研究對(duì)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(qiáng)度。,,,5,有缺陷怎么辦？,研究含缺陷材料的強(qiáng)度 --斷裂,,,6,結(jié)構(gòu)/構(gòu)件強(qiáng)度的控制參量是應(yīng)力。,,,,7,按靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)，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(jī) 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(jī) 整 機(jī) 結(jié) 構(gòu) 強(qiáng) 度 實(shí) 驗(yàn) 機(jī)翼破壞實(shí)驗(yàn),,,,14,飛 機(jī) 整 機(jī) 結(jié) 構(gòu) 強(qiáng) 度 實(shí) 驗(yàn) 機(jī)身破壞實(shí)驗(yàn),,,,15,上海 東方電視塔 高300m 球徑45m,,,,,,16,,,,抗震模型試驗(yàn) （破壞部位、破壞形式、抗震能力）,靜強(qiáng)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(qiáng)度、斷裂強(qiáng)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(jì)學(xué)基礎(chǔ),introduction,,,18,十. 疲勞壽命預(yù)測(cè)與抗疲勞設(shè)計(jì),九. 裂紋閉合理論與高載遲滯效應(yīng),八. 疲勞裂紋擴(kuò)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(jì),,,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(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)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(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)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(diǎn)與研究目的：,,,21,1. 只有在擾動(dòng)應(yīng)力作用下，疲勞才會(huì)發(fā)生。,擾動(dòng)應(yīng)力

8、，是指隨時(shí)間變化的應(yīng)力。也可更一般地稱為擾動(dòng)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(gè)，即可導(dǎo)出其余各量。,,,24,設(shè)計(jì)：用Smax，Smin ，直觀；試驗(yàn)：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(xì)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(diǎn)。,因此，要注意細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，研究細(xì)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(kuò)展-斷裂三個(gè)階段。 要研究疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的機(jī)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?jí)勖ㄐ×鸭y的形成和早期擴(kuò)展。,擴(kuò)展壽命是總壽命中裂紋擴(kuò)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(kuò)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?jí)勖ǔ１患俣樾纬梢粋€(gè)工程裂紋的那一部分壽命，對(duì)于小尺寸構(gòu)件，工程裂紋大約為

17、0.3mm。,,,30,疲勞是在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)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(qǐng)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(yán)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(jì)方法,1.4 疲勞破壞機(jī)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(yán)重性,1982年，美國眾議院科學(xué)技術(shù)委員會(huì)委托商業(yè)部國家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)調(diào)查斷裂破壞對(duì)美國經(jīng)濟(jì)的影響。提交綜合報(bào)告 “美國斷裂破壞的經(jīng)濟(jì)影響” SP647-1 最終報(bào)告 “數(shù)據(jù)資料和經(jīng)濟(jì)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(jìn)展， Vol15，No2，1985,,,34,損失最嚴(yán)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(shí)，可減少損失29%(345億/年)。,對(duì)策,,設(shè)計(jì)、制造人員了解斷裂，主動(dòng)采取改進(jìn)措施，如設(shè)計(jì)；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(jī)失事調(diào)查”指出： 80年代以來，由金屬疲勞斷裂引起的機(jī)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(dá)每年100次以上,工程實(shí)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(jī)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(rèn)真考慮可能的疲勞斷裂問題。,,,37,1993年，美國政府報(bào)告 ( PB94-143336, 1993)發(fā)表了1973-1990年期間的飛機(jī)使用故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果，表中列出了四種常用機(jī)型的數(shù)據(jù)。,可見疲勞開裂仍然是值得嚴(yán)密關(guān)注的。,,,38,,年代,設(shè)計(jì)水平,,,1

22、900,2000,1800,,,,,39,1.3 抗疲勞設(shè)計(jì)方法,,控制應(yīng)力水平，使裂紋不萌生或不擴(kuò)展，即： S<Sf or ?K<?Kth,無限壽命設(shè)計(jì) (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(shí)，將不發(fā)生疲勞破壞?？刂破诹鸭y擴(kuò)展的是應(yīng)力強(qiáng)度因子DK=f(DS, a)。DK小于疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值DKth時(shí)，裂紋

23、不擴(kuò)展。,對(duì)于氣缸閥門、頂桿、彈簧，長期頻繁運(yùn)行的輪軸等，無限壽命設(shè)計(jì)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(jì)很不經(jīng)濟(jì)。,用于民用飛機(jī)，容器，管道，汽車等。,按照S-N或?-N曲線設(shè)計(jì)，使構(gòu)件在有限長設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，不發(fā)生疲勞破壞的設(shè)計(jì)---安全或有限壽命設(shè)計(jì)。,安全壽命設(shè)計(jì) ( Safe-life design ),,,41

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

25、。,耐久性設(shè)計(jì) ( Durability design),20世紀(jì)80年代起，以經(jīng)濟(jì)壽命為目標(biāo)的耐久性設(shè)計(jì)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(yán)重細(xì)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(kuò)展分析預(yù)測(cè)在不同使用時(shí)刻損傷狀態(tài)的變化；然后確定其經(jīng)濟(jì)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(shí)際中的表面裂紋，一般呈半橢圓形。,飛機(jī)輪轂疲勞斷口,典型疲勞斷口，特征明顯：1)有裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)和 最后斷裂區(qū)三個(gè)部分。2)裂紋擴(kuò)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(jī)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(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)。無明顯塑性變形。應(yīng)力集中對(duì)壽命影響大。,由斷口可分析裂紋起因、擴(kuò)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(duì)極限承載能力 影響不大。,,,45,二、疲勞破壞機(jī)理及斷口微觀特征,疲勞裂紋萌生機(jī)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(tái)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(dòng)載荷 ?應(yīng)力集中 ?滑移帶 ?駐留滑移帶 ?微裂紋、擴(kuò)展 ?宏觀裂紋、擴(kuò)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(duì)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(gè)晶粒的

29、尺寸 (~0.05mm) 。 第1階段裂紋擴(kuò)展的尺寸雖小，對(duì)壽命的貢獻(xiàn)卻很大，對(duì)于高強(qiáng)材料，尤其如此。,,,48,疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)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(kuò)展了一個(gè)?a。,裂紋張開、鈍化、銳化、擴(kuò)展，每一個(gè)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(shí)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(bào),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(kuò)展的微觀機(jī)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(bào),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(jìn)疲勞研究和抗疲勞設(shè)計(jì)提供參考。因此，應(yīng)盡量保護(hù)斷口，避免損失了寶貴的信息。,4. 由疲勞斷口進(jìn)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??？,高倍電鏡微觀觀察： “海灘條帶”+“疲勞條紋”，使用載荷譜，估計(jì)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(shí)、洞察力) gained from the understanding of all these methods which allow the