疲劳与断裂结课小结

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1、 金属疲劳与断裂 学习报告 院 （系）： 材料科学与工程学院 专业班级： 研1308 学生姓名： 王红伟 指导教师： 周勇 完成日期： 2014年5月25日 1 绪论 疲劳(Fatigue)与断裂(Fracture)是引起工程结构和构件失效的最主要的原因。在面向21世纪的今天，人们对传统强度(静载荷作用、无缺陷材料的强度)的认识已相当深刻，工程中强度设计的实践经验和积累也十分丰富，对于传统强度的控制能力也大大增强。因此，疲劳与断裂引起的失效在工程失效中越来越突出。 19世纪中叶以来，人们为认识和控制疲劳破坏进行了不懈的努力，在疲劳现象的观察、疲劳机理的认识、疲劳规律的研究、疲劳寿命的预测和抗疲

2、劳设计技术的发展等方面积累了丰富的知识。20世纪50年代断裂力学的发展，进一步促进了疲劳裂纹扩展规律及失效控制的研究。疲劳断裂失效涉及到扰动使用载荷的多次作用，涉及到材料缺陷的形成与扩展，涉及到使用环境的影响等等，问题的复杂性是显而易见的。因此，疲劳断裂的许多问题的认识和根本解决，还有待于进一步深入的研究。尽管如此，了解现代研究成果，掌握疲劳与断裂的基本概念、规律和方法，对于广大工程技术在实践中成功地进行抗疲劳断裂设计无疑是十分有益的。 发生断裂是因为有裂纹存在，而裂纹萌生并扩展到足以引起断裂的原因则很少不是由于疲劳。如二次大战期间美国制造的全焊接船舶，有近千艘出现开裂， 200余艘发生严重断

3、裂破坏。1952年，第一架喷气式客机（英国的慧星号）在试飞300多小时后投入使用。1954年元月一次检修后的第四天，飞行中突然失事坠入地中海。打捞起残骸并进行研究后的结论认为，事故是由压力舱的疲劳破坏引起的，疲劳裂纹起源于机身开口拐角处。1967年12月15日，美国西弗吉尼亚Point Pleasant桥突然毁坏，46人死亡，事故是由一根带环拉杆中的缺陷在疲劳、腐蚀的作用下扩展到临界尺寸而引起的。1980年3月27日下午6时半，英国北海Ekofisk油田的 Alexander L. Kielland号钻井平台倾复，127人落水只救起89人。事故分析表明，裂纹由325mm的撑管与支腿连接的焊缝处

4、起始，在疲劳载荷（主要是波浪力）的作用下，扩展 100多毫米后发生断裂，导致平台倾复的事故。80年代初，美国众议院科技委员会委托国家标准局进行了一次关于断裂所造成的损失的大型综合调查。1983年，在“ 国际断裂” 杂志(Int.J.Fracture,Vol.23 ， No.3,1983. 译文见“力学进展” ，No.2,1985)上发表了调查委员会给国会的报告。报告指出，断裂使美国一年损失1190亿美元，占1982年国家总产值的4%。遭受损失最严重的三个行业是：车辆业（125亿/年），建筑业（100亿/年），航空工业（ 67亿/年）。值得注意的是报告还指出，向工程技术人员普及关于断裂的基本概念

5、和知识，可减少损失29% （345亿/年），应用现有成果，可减少损失24%（285亿）。因此，向工程技术人员普及关于断裂和疲劳的基本概念，是十分必要的。 1984年国际疲劳杂志(Int.J.Fatigue,Vol.6,No.1)发表的国际民航组织 (ICAO)“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。20世纪的最后十年，尽管安全水平有了进一步提高，但世界民航每年发生重大死亡的飞行事故次数仍在48-57次之间。 1999年，发生飞行死亡事故次数为48起，事故死亡人数为730人。 工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破坏的

6、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。 2 疲劳机理2.1 疲劳定义及特点 人们认识和研究疲劳问题，已经有 150年的历史。在不懈地探究材料与结构疲劳奥秘的实践中，对疲劳的认识不断地得到修正和深化。 美国试验与材料协会（ASTM）在“疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义”（ASTM E206-72）中所作的定义： 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。其定义具有以下特点： 1）只有在承受扰动应力作用的条件下，疲劳才会发生。所谓扰动应力，是指随时

7、间变化的应力。更一般地，也可称之为扰动载荷，载荷可以是力、应力、应变、位移等。如图2-1 所示，载荷随使用时间的变化可以是有规则的。也可以是不规则的，甚至是随机的。如当弯矩不变时，旋转弯曲轴中某点的应力，是恒幅循环（或等幅循环）应力；起重行车吊钩分批吊起不同的重物， 承受变幅循环的应力；车辆在不平的道路上行驶，弹簧等零构件承受的载荷是随机的 。图2-1 载荷谱描述载荷时间变化关系的图或表，称为载荷谱。图 2-1给出了应力随时间的变化，由应力给出的载荷谱称为应力谱，类似地，还有应变谱、位移谱、加速度谱等等。显然，在研究疲劳问题时，首先要研究载荷谱的描述与简化。 最简单的循环载荷是恒幅应力循环载荷

8、。图2-2所描述的是正弦型恒幅循环应力。 显然，描述一个应力循环，至少需要二个量，如循环最大应力Smax和最小应力Smin。这二者是描述循环之应力水平的基本量。基于最大应力Smax和最小应力Smin，在疲劳分析中还用到以下参考量： 应力变程（全幅）DS定义为： D S=Smax-Smin 应力幅（半幅）Sa定义为： Sa=DS/2=(Smax-Smin)/2 平均应力Sm定义为： Sm=(Smax+Smin)/2 应力比R定义为： R=Smin/Smax 其中，应力比R反映了不同的循环特征，如当 Smax=-Smin时，R=-1；是对称循环；Smin=0 时，R=0， 是脉冲循环；Smax=S

9、min时，R=1，Sa=0，是静载荷。图2-2 不同应力比下的循环应力2） 疲劳破坏起源于高应力或高应变的局部静载下的破坏，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。零、构件应力集中处，常常是疲劳破坏的起源。因此，要注意细节设计，尽可能减小应力集中。疲劳研究所关心的正是这些由几何形状变化或材料缺陷等引起应力集中的局部细节，要研究这些细节处的应力应变。 3） 疲劳破坏是在足够多次的扰动载荷作用之后，形成裂纹或完全断裂足够多的扰动载荷作用之后，从高应力或高应变的局部开始，形成裂纹， 称为裂纹起始（或裂纹萌生）。此后，在扰动

10、载荷作用下，裂纹进一步扩展，直至到达临界尺寸而发生完全断裂。裂纹萌生扩展断裂三个阶段是疲劳破坏的又一特点。研究疲劳裂纹萌生和扩展的机理及规律，是疲劳研究的主要任务。 4） 疲劳是一个发展过程 由于扰动应力的作用，零、构件或结构一开始使用，就进入了疲劳的“发展过程”。所谓裂纹萌生和扩展，是这一发展过程中不断形成的损伤累积的结果。最后的断裂，标志着疲劳过程的终结。这一发展过程所经历的时间或扰动载荷作用的次数，称为“寿命”。它不仅取决于载荷水平，还依赖于其作用次数和/或时间，取决于材料抵抗疲劳破坏的能力。疲劳研究的目的就是要预测寿命，因此，要研究寿命预测的方法。 材料发生疲劳破坏，要经历裂纹起始或萌

11、生、裂纹稳定扩展和裂纹失稳扩展 （断裂）三个阶段，疲劳总寿命也由相应的部分组成。因为裂纹失稳扩展是快速扩展，对寿命的影响很小，在估算寿命时通常不予考虑。故一般可将总寿命分为裂纹起始或萌生寿命与裂纹扩展寿命二部分，即 Ntotal=Ninitiation+Npropagation 进行裂纹起始寿命分析时，一般按应力寿命或应变寿命关系进行，称为传统疲劳；疲劳裂纹扩展寿命分析则必须考虑裂纹的存在，需用断裂力学方法研究，故称为断裂疲劳。 完整的疲劳分析，既要研究裂纹的起始或萌生，也要研究裂纹的扩展，并应注意二部分寿命的衔接。但在某些情况下，也可能只需要考虑裂纹起始或扩展其中之一，并由此给出其寿命的估计