疲劳应力分析课件
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第五章__材料的疲劳性能(1)分析
疲劳微裂纹形成的三种形式
表面滑移带开裂解释 1）在循环载荷作用下，即使循环应力未超过材料屈服强 度，也会在试样表面形成循环滑移带 2）循环滑移带集中于某些局部区域（高应力或簿弱区） 3）循环滑移带很难去除，即使去除，再次循环加载时， 还会在原处再现 （驻留滑移带）
特征： 1）驻留滑移带一般只在表面形成，深度较浅，随循环次数 的增加，会不断地加宽 2）驻留滑移带在表面加宽过程中，会出现挤出脊和侵入 沟，在这些地方引起应力集中，引发微裂纹
四：疲劳裂纹扩展速率
试验表明：测量疲劳裂纹长度和循环周数的关系如图
疲劳裂纹扩展曲线
Δσ2﹥Δσ1
从图可知： 1）曲线的斜率da/dN（疲劳裂纹扩展速率）在整个过程中 是不断增长的 2）当da/dN无限增大，裂纹将失稳扩展，试样断裂 3）应力增加，裂纹扩展加快，a-N曲线向左上方移动，ac相 应减小 结论：裂纹扩展速率da/dN 和应力水平及裂纹长度有关 根据断裂力学： 可定义应力强度因子幅为
特征 1）疲劳源区比较光滑（受反复挤压，摩擦次数多） 2）表面硬度因加工硬化有所提高 3）可以是一个，也可能有多个疲劳源（和应力状态及 过载程度有关）
疲劳裂纹扩展区
是疲劳裂纹亚临界扩展的区域
特征 1）断口较光滑，分布有贝纹线（或海滩花样），有时还有 裂纹扩展台阶 2）贝纹线是疲劳区的最典型特征，贝纹线是以疲劳源为圆 心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向 3）近疲劳源区贝纹线较密，远离疲劳源区贝纹线较疏
5.2 疲劳破坏机理
一：金属材料疲劳破坏机理
疲劳裂纹的萌生
1）在材料簿弱区或高应力区，通过不均匀滑移， 微裂纹形成及长大而完成 2）定义裂纹长度为0.05—0.10mm时为裂纹疲劳 核，对应的循环周期为裂纹萌生期
第 章 疲劳强度问题(共8张PPT)
（载荷不变, 轴转动）
A
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单辉祖-材料力学教程 AM Iz Rsint
起落架因飞机起落 而反复受载
5
第5页，共8页。
循环应力
循环应力－随时间循环变化的应力 （也称交变应力）
循环应力的变化幅度，可能是恒定 的, 也可能是变化的
恒幅循环应力
变幅循环应力
单辉祖-材料力学教程
的强度计算
§7 变幅循环应力与累积损伤概念简述
单辉祖-材料力学教程
2
第2页，共8页。
§1 引 言
循环应力 疲劳破坏及其特点
单辉祖-材料力学教程
3
第3页，共8页。
循环应力
实例
载荷 F 的大小循环变化,联杆内应力随之变化
每个齿随齿轮转动循环受力，齿内应力循环变化
单辉祖-材料力学教程
4
第4页，共8页。
在循环应力作用下，材料或构件产
生可见裂纹或完全断裂的现象－称
为疲劳破坏，简称疲劳
单辉祖-材料力学教程
7
第7页，共8页。
疲劳破坏特点
破坏时应力低于b ，甚至 s
即使是塑性材料，也呈现脆性断裂
断口通常呈现光滑与粗粒状两个区域
钢拉伸疲劳断裂
断
疲劳破坏过程，可理解为裂纹萌生、 逐渐扩展与最后断裂的过程
6
第6页，共8页。
疲劳破坏及其特点
疲劳破坏
在循环应力作用下，如果应力足够大，并经
载荷 F 的大小循环变化,联杆历内应应力随力之变的化 多次循环后，构件将产生可见裂纹 或完全断裂 起§3落S架-N因曲飞线机与起材落料而的反疲复劳受极载限
§7 即变使幅是循塑环性应材力料与，累也积呈损现伤脆概性念断简裂述 §7 提变高幅构循件环疲应劳力强与度累的积措损施伤概念简述 （载提荷高不构变件, 疲轴劳转强动度）的措施 §循2环循应环力应的力变及化其幅类度型，可能是恒定的, 也可能是变化的 起§3落S架-N因曲飞线机与起材落料而的反疲复劳受极载限 在循即环使应是力塑作性用材下料，，如也果呈应现力脆足性够断大裂，并经历应力的多次循环后，构件将产生可见裂纹或完全断裂 §32 循S-环N曲应线力与及材其料类的型疲劳极限 在循提环高应构力件作疲用劳下强，度材的料措或施构件产生可见裂纹或完全断裂的现象－称为疲劳破坏，简称疲劳 每个循齿环随应齿力轮与转疲动劳循的环概受念力，齿内应力循环变化 在循提环高应构力件作疲用劳下强，度材的料措或施构件产生可见裂纹或完全断裂的现象－称为疲劳破坏，简称疲劳 每个循齿环随应齿力轮与转疲动劳循的环概受念力，齿内应力循环变化 §76 变非幅对循称环与应弯力扭与组累合积 循损环伤应概力念下简构述件 起落架因飞机起落而反复受载
疲劳分析简介PPT课件
• E-N (Strain-Life方法)
局部应变与裂纹萌生寿命的关系
• LEFM (裂纹扩展方法)
• 应力强度与裂纹扩展速率的关系
所有的方法均都基于相似性原理
S-N 方法
• 也称为应力-寿命和全寿命方法 • 评估产生严重失效的总疲劳寿命 • 疲劳寿命由对数应力-循环(S-N)曲线计算 • 该方法适合于长寿命疲劳失效问题，因为该方法是基于名义弹性应
• 由裂纹萌生和随后的裂纹扩展组成，裂纹萌生和裂纹扩展是塑性变形不断循 环的结果。
疲劳的物理基础
• 疲劳失效通常开始于样品或部件的表面
• 疲劳失效开始于小的微观裂纹，因此对微小的应力增加都非常 敏感
• 疲劳的过程包含从持续的滑移带上微小裂纹的生成到持续弹塑 性变形下长裂纹的扩展整个过程
疲劳的物理基础(续)
E-N方法- 相似理论
e
e
nitiation life here . . . . . is the same as it i if both experience the same local strains
应变-寿命 (E-N)曲线
● 也称作“低周期疲劳” 或“局部应变方法”
● 局部应变可以是弹性或塑性，因此它适于低周期疲劳。
裂纹的产生和扩展: STAGE I AND II (续)
~1mm
Persistent Slip Band Formation
Stage I Crack Growth
Stage II Crack Growth
疲劳寿命计算方法概述
疲劳寿命方法
• S-N (Stress-Life方法)
名义或局部弹性应力与总寿命的关系
耐久性和疲劳分析概述
什么是耐久性?
局部应变与裂纹萌生寿命的关系
• LEFM (裂纹扩展方法)
• 应力强度与裂纹扩展速率的关系
所有的方法均都基于相似性原理
S-N 方法
• 也称为应力-寿命和全寿命方法 • 评估产生严重失效的总疲劳寿命 • 疲劳寿命由对数应力-循环(S-N)曲线计算 • 该方法适合于长寿命疲劳失效问题，因为该方法是基于名义弹性应
• 由裂纹萌生和随后的裂纹扩展组成，裂纹萌生和裂纹扩展是塑性变形不断循 环的结果。
疲劳的物理基础
• 疲劳失效通常开始于样品或部件的表面
• 疲劳失效开始于小的微观裂纹，因此对微小的应力增加都非常 敏感
• 疲劳的过程包含从持续的滑移带上微小裂纹的生成到持续弹塑 性变形下长裂纹的扩展整个过程
疲劳的物理基础(续)
E-N方法- 相似理论
e
e
nitiation life here . . . . . is the same as it i if both experience the same local strains
应变-寿命 (E-N)曲线
● 也称作“低周期疲劳” 或“局部应变方法”
● 局部应变可以是弹性或塑性，因此它适于低周期疲劳。
裂纹的产生和扩展: STAGE I AND II (续)
~1mm
Persistent Slip Band Formation
Stage I Crack Growth
Stage II Crack Growth
疲劳寿命计算方法概述
疲劳寿命方法
• S-N (Stress-Life方法)
名义或局部弹性应力与总寿命的关系
耐久性和疲劳分析概述
什么是耐久性?
《疲劳分析介绍》课件
疲劳分析方法和工具的选择
提供选择合适的疲劳分析方法和 工具的指导。
疲劳分析在实际生产中的 应用展望
展望疲劳分析在实际生产中的应 用前景和发展方向。
2 疲劳裂纹的产生和扩展
疲劳裂纹是导致材料疲劳失效的主要原因，了解其产生和扩展的机理非常重要。
3 疲劳寿命
通过疲劳寿命评估材料和结构的使用寿命，确保其可靠性。
疲劳分析的方法
应力计算方法
使用数值模拟和有限 元分析等方法计算材 料和结构在循环载荷 下的应力分布。
应变计算方法
利用应变测量和应变 计算等技术评估材料 和结构的应变响应。
损伤积累方法
基于损伤机理和材料 特性，预测材料和结 构在循环载荷下的损 伤积累过程。
生命预测方法
结合实验数据和数值 分析，预测材料和结 构在循环载荷下的寿 命。
疲劳分析工具的使用
常用的工具介绍
介绍常用的疲劳分析工具和 软件，如ANSYS、ABAQUS等。
工具的优缺点比较
评估不同工具的特点和适用 性，选择适合的工具进行疲 劳分析。
工具的使用案例
分享使用疲劳分析工具进行 实际工程案例的经验和教训。
实例分析
1
实际应用例子分析
通过实际案例，详细分析材料和结构在循环载荷下的疲劳行为。
2
案例分析思路和方法
探讨进行疲劳分析的思路和方法，提供实践指导。
分析结果与结论
总结实例分析的结果，并得出相关的结论。
总结
疲劳分析的重要性和必要性
强调疲劳分析在工程领域中的重 要性和必要性。
疲劳分析介绍
疲劳分析是一项重要的工程领域，用于评估材料和结构在循环载荷下的寿命 和可靠性。本课程将介绍疲劳分析的基本概念和方法，以及在实际应用中的 意义。
交变应力疲劳课件
总结词
航空发动机叶片在高速旋转过程中受到周期性变化的应力作用，容易导致疲劳裂纹萌生和扩展，影响发动机的安 全性能。
详细描述
航空发动机叶片在高温、高转速和高应力的环境下工作，承受着较大的交变应力。这种周期性的应力变化会导致 叶片材料内部微裂纹的形成和扩展，最终导致叶片断裂。为了提高航空发动机叶片的疲劳寿命，需要采用高强度 材料、优化叶片结构设计、加强制造质量控制等方法。
循环应力幅值
交变应力的最大值和最小值之间的差值决定了循环应力的幅值， 幅值越大，疲劳裂纹萌生的可能性越大。
应力循环次数
应力循环次数是影响交变应力疲劳的重要因素，循环次数越多，裂 纹扩展速率越快。
材料缺陷
材料内部的微裂纹、夹杂物等缺陷为疲劳裂纹的萌生提供了有利条 件，降低了材料的抗疲劳性能。
02
CATALOGUE
车辆轮轨的交变应力疲劳
总结词
车辆轮轨在行驶过程中受到轨道的周期性变化和车辆载荷的交变应力作用，容易导致疲劳裂纹萌生和 扩展，影响列车运行安全。
详细描述
车辆轮轨在行驶过程中，轨道的不平顺和车辆载荷的变化会导致轮轨受到交变应力的作用。这种周期 性的应力变化会导致轮轨材料内部微裂纹的形成和扩展，最终导致轮轨断裂。为了提高车辆轮轨的疲 劳寿命，需要加强轨道维护、提高轮轨材料的强度和韧性、优化轮轨结构设计等方法。
疲劳寿命的预测
线性疲劳累计损伤理论 基于线性累计损伤理论，预测材料的 疲劳寿命。
概率疲劳寿命预测
基于概率统计方法，预测材料的疲劳 寿命，考虑随机因素的影响。
断裂力学方法
利用断裂力学的基本原理，通过应力 强度因子或能量释放率来预测材料的 疲劳寿命。
材料性能参数识别
通过识别材料的性能参数，建立疲劳 寿命与材料性能之间的关系模型。
航空发动机叶片在高速旋转过程中受到周期性变化的应力作用，容易导致疲劳裂纹萌生和扩展，影响发动机的安 全性能。
详细描述
航空发动机叶片在高温、高转速和高应力的环境下工作，承受着较大的交变应力。这种周期性的应力变化会导致 叶片材料内部微裂纹的形成和扩展，最终导致叶片断裂。为了提高航空发动机叶片的疲劳寿命，需要采用高强度 材料、优化叶片结构设计、加强制造质量控制等方法。
循环应力幅值
交变应力的最大值和最小值之间的差值决定了循环应力的幅值， 幅值越大，疲劳裂纹萌生的可能性越大。
应力循环次数
应力循环次数是影响交变应力疲劳的重要因素，循环次数越多，裂 纹扩展速率越快。
材料缺陷
材料内部的微裂纹、夹杂物等缺陷为疲劳裂纹的萌生提供了有利条 件，降低了材料的抗疲劳性能。
02
CATALOGUE
车辆轮轨的交变应力疲劳
总结词
车辆轮轨在行驶过程中受到轨道的周期性变化和车辆载荷的交变应力作用，容易导致疲劳裂纹萌生和 扩展，影响列车运行安全。
详细描述
车辆轮轨在行驶过程中，轨道的不平顺和车辆载荷的变化会导致轮轨受到交变应力的作用。这种周期 性的应力变化会导致轮轨材料内部微裂纹的形成和扩展，最终导致轮轨断裂。为了提高车辆轮轨的疲 劳寿命，需要加强轨道维护、提高轮轨材料的强度和韧性、优化轮轨结构设计等方法。
疲劳寿命的预测
线性疲劳累计损伤理论 基于线性累计损伤理论，预测材料的 疲劳寿命。
概率疲劳寿命预测
基于概率统计方法，预测材料的疲劳 寿命，考虑随机因素的影响。
断裂力学方法
利用断裂力学的基本原理，通过应力 强度因子或能量释放率来预测材料的 疲劳寿命。
材料性能参数识别
通过识别材料的性能参数，建立疲劳 寿命与材料性能之间的关系模型。
《材料的疲劳》课件
材料内部的微裂纹、孔洞和杂质等缺 陷，会在应力集中处引发应力集中， 导致疲劳裂纹的萌生和扩展。
微观组织
材料的微观组织结构，如相的组成和 分布，也会影响疲劳性能。例如，多 相合金的1 02
温度
温度对材料的疲劳性能有显著影响。在低温环境下，金属材料的疲劳强 度通常会提高；而在高温环境下，由于蠕变和氧化等作用，疲劳强度会 降低。
疲劳数据的处理与解释
数据整理
对实验数据进行整理，包 括应力、应变、寿命等数 据。
数据分析
对整理后的数据进行统计 分析，找出材料的疲劳规 律。
结果解释
根据数据分析结果，解释 材料的疲劳行为和机理。
疲劳寿命预测
经验公式法
利用已知材料的疲劳试验数据，建立经验公式来 预测其他条件下的疲劳寿命。
有限元分析法
由于温度循环或热冲击引起的 疲劳。
环境疲劳
由于腐蚀、氧化、辐射等因素 引起的疲劳。
疲劳的危害
01
02
03
结构安全
疲劳失效可能导致结构突 然断裂，从而造成严重事 故和人员伤亡。
经济损失
频繁的疲劳失效会导致设 备维修和更换成本的增加 ，影响生产效率和经济效 益。
社会影响
疲劳失效可能对公共安全 和基础设施造成威胁，如 桥梁、铁路、管道等。
应力均值
应力均值也会影响材料的疲劳寿 命，通常应力均值越高，疲劳寿 命越长。
应力循环特征
应力循环具有对称性和非对称性 两种特征，对称循环下材料的疲 劳寿命较长，而非对称循环下材 料的疲劳寿命较短。
材料的疲劳极限
疲劳极限的定义
01
材料在一定条件下抵抗疲劳的能力，即在一定的应力幅值和循
环次数下不发生疲劳断裂的最大应力值。
疲劳与断裂2ppt课件第二章节应力疲劳
宏观机理的研究有助于了解材料 的疲劳断裂过程，并指导材料的
设计和应用。
裂纹扩展与断裂
当材料受到循环应力作用时， 裂纹会在材料内部形成并逐渐 扩展。
随着循环次数的增加，裂纹扩 展到一定程度后，材料会发生 断裂。
裂纹扩展与断裂的研究有助于 预测材料的寿命和安全性，为 工程结构的维护和安全评估提 供依据。
在循环应力作用下，材料内部的微观 结构会发生改变，如晶粒的变形、位 错的滑移等，这些改变会影响材料的 疲劳性能。
宏观机理
宏观机理主要研究材料在宏观尺 度上的疲劳行为，包括材料的应
力应变曲线、塑性变形等。
在循环应力作用下，材料会发生 塑性变形，随着循环次数的增加， 塑性变形逐渐累积，最终导致材
料的断裂。
Байду номын сангаас命较长。
应力集中
结构中的缺口、孔洞、 切槽等引起的应力集中，
会降低疲劳寿命。
环境因素
温度、湿度、腐蚀介质 等环境因素对材料的疲
劳性能产生影响。
02
应力疲劳的机理
微观机理
微观机理主要研究材料在微观尺度上 的疲劳行为，包括晶粒、位错等。
微观机理的研究有助于深入了解材料 的疲劳性能，并为提高材料的疲劳强 度提供理论依据。
03
应力疲劳的测试与评估
测试方法
01
02
03
恒幅载荷疲劳试验
在恒定的应力幅值下，对 试样进行疲劳试验，以确 定试样的疲劳极限和寿命。
随机载荷疲劳试验
模拟实际工况中的随机载 荷，对试样进行疲劳试验， 以评估试样在随机载荷下 的疲劳性能。
断裂力学方法
通过测量材料的裂纹扩展 速率和临界应力强度因子， 评估材料的疲劳性能和断 裂韧性。
疲劳与断裂第二章应力疲劳1ppt课件
在应力寿命法中，缺口的影响是用疲劳缺口系数 Kf 表示的， Kf 是在给定寿命下，无缺口构件疲 劳强度与相应的缺口件疲劳强度之比。一般地说， 疲劳缺口系数Kf 小于理论弹性应力集中系数Kt 。
:
3
2.5 变幅载荷谱下的疲劳寿命
variable amplitude
Ulopatdoinngow, the discussion about fatigue
实际零构件 缺口 应力集中 疲劳性能下降。
:
2
In the stress-life approach the effect of notches is accounted for by the fatigue notch factor, Kf , which is the ratio between the unnotched fatigue strength of a member and the corresponding notched fatigue strength at a given life. In general, the fatigue notch factor, Kf , is smaller then Kt .
:
7
线性累积损伤理论与载荷的作用次序无关。
D = ni Ni = 1
D
1
A
B
D
1
A
B
n
D2
1 n2
D 1
D
n
1
1
n2
D2
0
N1
Nn
2
D = n1 + n2 =1
N1 N2
:
0
N1
Nn
2
D = n2 + n1 =1
《钢结构疲劳》课件
疲劳应力分析
应力及应变
疲劳应力是由交变载荷引起的结 构内部的应力。
上下规律分析
疲劳寿命与应力幅度的关系通常 遵循Wöhler曲线。
材料疲劳极限
材料的疲劳极限是指在特定载荷 作用下可以承受的最大循环寿命。
钢结构疲劳断面
1
断面形式
钢结构的断面形式可以是均匀截面、变
材料断面类型
2
宽截面或倒梯型截面等。
常见的材料断面类型包括圆形、方形、
矩形和T型截面。
3
断面理论公式
通过断面理论公式可以计算出钢材在疲 劳载荷下的应力集中程度。
疲劳寿命预测
周期载荷曲线识别
通过分析实际载荷曲线，可 以识别出结构的周期性载荷 特征命 和剩余寿命。
温度对疲劳寿命的影响
高温环境会加速钢结构的疲 劳损伤，降低其寿命。
检测方法和预防疲劳
检测方法
常用的疲劳检测方法包括应力监 测、振动监测和裂纹检测。
疲劳预防措施
通过增加结构刚度、改进设计和 合理维护等手段可以减轻钢结构 的疲劳损伤。
疲劳失效事故案例
一些重大事故往往是由于钢结构 的疲劳失效引起的，如桥梁垮塌 等。
总结
钢结构疲劳概述
钢结构疲劳是一个复杂的研究 领域，需要综合考虑载荷、材 料和结构等方面的因素。
未来展望
随着材料科学和结构设计的进 步，钢结构的疲劳性能可以进 一步提高。
QA
欢迎大家提问，我将尽力解答 关于钢结构疲劳的问题。
《钢结构疲劳》PPT课件
疲劳是钢结构中重要的结构失效模式之一。了解钢结构的疲劳现象及其造成 的损伤对于提高结构的可靠性至关重要。
疲劳的介绍
疲劳定义
疲劳是材料或结构在受到周 期性载荷作用下产生的损伤 和破坏。
疲劳分析.ppt
Stress Life Analysis
PAT 318 Course Notes
Introduction to MSC/FATIGUE
部件S-N曲线
Component S-N curves
• 在某些情形如结构或特征存在点焊等需要修 正材料S-N曲线（但通常是较困难的）
For some components or features, especially structural joints such as welds, there are so many things modifying the behaviour of the base material that there is little point in applying corrections to a material S-N curve
Notched Shaft
Log (fatigue life)
缺口试样
Some of Wohler’s data for rotating bending tests
Copyright © 1999 MacNeal Schwendler Corporation
Lec 16-7
Stress Life Analysis
设计寿命下的疲劳强度
determination of a fatigue strength at a specified life
通过改变材料或表面处理提高抗疲劳能力
demonstration of improved fatigue resistance from a material or surface treatment
• 在MSC/FATIGUE SN分析中有限元弹性计算结果可直接 利用（无塑性修正）
疲劳分析介绍PPT学习教案
疲劳分析介绍
会计学
1
内容提要
1.概述 2.交变应力 3.S-N曲线 4.影响因素 5.疲劳寿命计算方法 6.SN方法介绍
第1页/共42页
1.概述-疲劳失效危害
19世纪30-40年代，英国铁路车辆轮轴在轴 肩处多次发生破坏；
1954年, 英国慧星号喷气客机坠入地中海 （机身舱门拐角处开裂）；
Kt
max 0
σmax为最大应力，σ0为载荷除以缺口处 净截面积所的得平均应力（名义应力）
。
第23页/共42页
4.3缺口形状效应-疲劳缺口系数
除非是高强度材料，零件的疲劳极限 并非随 Kt降低 想象中 那样大 ，即应 力集中 使零件 疲劳强 度降低 的倍数 和它使 零件应 力提高 的倍数 并不相 同。此 时应力 集中系 数就无 法真实 地反映 缺口对 疲劳强 度的影 响。因 此常用 疲劳缺 口系数Kf（fatigue notch factor，又被称为有效应力集中系数） 来更直 接地反 映疲劳 强度的 真实的 降低程 度。
4.疲劳寿命的影响因素
Factors Influencing Fatigue Life 平均应力
Mean stress
尺寸效应
Component size
缺口与不连续形状
Notches and discontinuities
表面处理及粗糙度
Surface treatment & finish
电镜照片－铝合金疲劳辉纹图
第7页/共42页
1.概述-疲劳研究发展简史
19世纪40年代，铁路机车车轴的疲劳破坏问 题。德国A.沃勒通过旋转弯曲试验获得车轴 疲劳结果，把疲劳和应力联系起来，提出 疲劳极限的概念，奠定了常规疲劳分析的 基础。
会计学
1
内容提要
1.概述 2.交变应力 3.S-N曲线 4.影响因素 5.疲劳寿命计算方法 6.SN方法介绍
第1页/共42页
1.概述-疲劳失效危害
19世纪30-40年代，英国铁路车辆轮轴在轴 肩处多次发生破坏；
1954年, 英国慧星号喷气客机坠入地中海 （机身舱门拐角处开裂）；
Kt
max 0
σmax为最大应力，σ0为载荷除以缺口处 净截面积所的得平均应力（名义应力）
。
第23页/共42页
4.3缺口形状效应-疲劳缺口系数
除非是高强度材料，零件的疲劳极限 并非随 Kt降低 想象中 那样大 ，即应 力集中 使零件 疲劳强 度降低 的倍数 和它使 零件应 力提高 的倍数 并不相 同。此 时应力 集中系 数就无 法真实 地反映 缺口对 疲劳强 度的影 响。因 此常用 疲劳缺 口系数Kf（fatigue notch factor，又被称为有效应力集中系数） 来更直 接地反 映疲劳 强度的 真实的 降低程 度。
4.疲劳寿命的影响因素
Factors Influencing Fatigue Life 平均应力
Mean stress
尺寸效应
Component size
缺口与不连续形状
Notches and discontinuities
表面处理及粗糙度
Surface treatment & finish
电镜照片－铝合金疲劳辉纹图
第7页/共42页
1.概述-疲劳研究发展简史
19世纪40年代，铁路机车车轴的疲劳破坏问 题。德国A.沃勒通过旋转弯曲试验获得车轴 疲劳结果，把疲劳和应力联系起来，提出 疲劳极限的概念，奠定了常规疲劳分析的 基础。
应力疲劳SN曲线PPT课件
a(1)
u
Goodman formula present the relationship between the R≠-1 with R=-1.
第二章 应力疲劳
《工程结构疲劳与断裂力学》解德 版权所有2011© 10
船舶与海洋工程学院
Sa S 1
1
平均应力的影响(R-1)
Gerber
船舶与海洋工程学院
按照作用循环应力的大小，疲劳可分成为应力疲劳 (Stress Fatigue)和应变疲劳(Strain Fatigue)。
第二章 应力疲劳
《工程结构疲劳与断裂力学》解德 版权所有2011© 1
船舶与海洋工程学院
载荷谱特征描述
What are the important parameters to characterize a given cyclic loading history?
寿命N定义为到破坏的循环次数
《工程结构疲劳与断裂力学》解德 版权所有2011© 3
船舶与海洋工程学院
基本S-N曲线(R=-1)
S-N曲线的一般形状及若干特性值
寿命为N循环的疲劳强
度
疲劳极限
Sf(R=-1)或S-
1
第二章 应力疲劳
《工程结构疲劳与断裂力学》解德 版权所有2011© 4
船舶与海洋工程学院
Sa Sm 1.0 Sa(1) Su
Goodman linear
第二章 应力疲劳
Marin quSaSa(ad1) r2 atSSimuc2/e1.l0liptic
Sm Su
1
《工程结构疲劳与断裂力学》解德 版权所有2011© 11
平均应力的影响(R-1)
paraboSalic
《材料的疲劳》课件
应力幅值法
基于SN曲线，根据应力幅值得出不同寿命。
损伤累积法
根据材料疲劳失效的疲劳寿命曲线，采用累积损伤理论进行疲劳寿命预测。
残余变形法
在疲劳变形时记录样品的残余变形并得出寿命。
延长材料疲劳寿命的方法
1
提高材料强度
提高材料固有强度可以增加疲劳寿命。
2
降低应力幅值
通过加工处理、构造优化等方式减少应力幅值，降低疲劳风险。
疲劳现象的特点
不可逆性
材料的疲劳变形和破坏是不可逆的。
急剧突出
疲劳断裂往往是急剧发生的，难于预知。
逐渐加重
疲劳寿命较长，一旦开始疲劳变形，变形 程度会逐渐加重。
与本质无关
对于同一种材料、同一种用途条件下，疲 劳寿命会因设计不同而不同。
疲劳引起的失效类型
1
表面裂纹
最容易被检测和诊断的疲劳失效。
2
内部毛细裂纹
材料的疲劳
材料的疲劳是指受到周期性的应力或应变作用，在强度限制范围内反复发生 的变形和破坏现象。
产生疲劳的原因
应力循环
材料在应力下来回循环变形 和破坏。
振动疲劳
材料在震动过程中受到的应 力循环导致疲劳。
海洋环境疲劳
海洋工程、船舶、海上风电 机组等在海洋环境下易受疲 劳损伤。
重复负载
材料受到长时间、重复负载 作用导致疲劳。
因为位置难以非破坏性评估，而造成较大的安全隐患。
3
微观缺陷
微观缺陷的应力集中效应是引起疲劳破坏的根本原因。
疲劳的影响因素
化学因素
温度变化
湿度Leabharlann 在化学环境下，材料受腐蚀、 氧化等影响会导致疲劳失效。
材料受热冷变化引起内部应 力变化，也会引起疲劳失效。
基于SN曲线，根据应力幅值得出不同寿命。
损伤累积法
根据材料疲劳失效的疲劳寿命曲线，采用累积损伤理论进行疲劳寿命预测。
残余变形法
在疲劳变形时记录样品的残余变形并得出寿命。
延长材料疲劳寿命的方法
1
提高材料强度
提高材料固有强度可以增加疲劳寿命。
2
降低应力幅值
通过加工处理、构造优化等方式减少应力幅值，降低疲劳风险。
疲劳现象的特点
不可逆性
材料的疲劳变形和破坏是不可逆的。
急剧突出
疲劳断裂往往是急剧发生的，难于预知。
逐渐加重
疲劳寿命较长，一旦开始疲劳变形，变形 程度会逐渐加重。
与本质无关
对于同一种材料、同一种用途条件下，疲 劳寿命会因设计不同而不同。
疲劳引起的失效类型
1
表面裂纹
最容易被检测和诊断的疲劳失效。
2
内部毛细裂纹
材料的疲劳
材料的疲劳是指受到周期性的应力或应变作用，在强度限制范围内反复发生 的变形和破坏现象。
产生疲劳的原因
应力循环
材料在应力下来回循环变形 和破坏。
振动疲劳
材料在震动过程中受到的应 力循环导致疲劳。
海洋环境疲劳
海洋工程、船舶、海上风电 机组等在海洋环境下易受疲 劳损伤。
重复负载
材料受到长时间、重复负载 作用导致疲劳。
因为位置难以非破坏性评估，而造成较大的安全隐患。
3
微观缺陷
微观缺陷的应力集中效应是引起疲劳破坏的根本原因。
疲劳的影响因素
化学因素
温度变化
湿度Leabharlann 在化学环境下，材料受腐蚀、 氧化等影响会导致疲劳失效。
材料受热冷变化引起内部应 力变化，也会引起疲劳失效。
疲劳应力分析
2，不论是塑性材料还是脆性材料，疲劳破 坏都呈脆性断裂的特征，破坏前无明显 的塑性变形，破坏突然发生，所以有很 大的危险性。
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材料力学 Mechanics of Materials
第十二章 疲 劳 Fatigue
低碳钢低周拉－拉疲劳试件的断口
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第十二章 疲 劳 Fatigue
疲劳破坏的特征3
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3，从断口 的形貌来看 先在构件的高应力区的 表面缺陷处形成疲劳源 随着应力循环次数的增 加，裂纹逐渐扩展，在 这一过程中，由于裂纹 两侧表面的研磨，写成 了光滑区。随着裂纹扩 展，构件的截面逐渐削 弱，直至不能承担载荷 而突然断裂，形成断口 上的粗糙区。
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第十二章 疲 劳 Fatigue
疲劳破坏的特征1
1，破坏时的最大应力远低于材料的抗拉强 度极限，甚至低于材料的屈服极限。
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第十二章 疲 劳 Fatigue
疲劳破坏的特征2
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低碳钢低周拉－拉疲劳试件的断口
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第十二章 疲 劳 Fatigue
疲劳破坏的特征3
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3，从断口 的形貌来看 先在构件的高应力区的 表面缺陷处形成疲劳源 随着应力循环次数的增 加，裂纹逐渐扩展，在 这一过程中，由于裂纹 两侧表面的研磨，写成 了光滑区。随着裂纹扩 展，构件的截面逐渐削 弱，直至不能承担载荷 而突然断裂，形成断口 上的粗糙区。
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第十二章 疲 劳 Fatigue
疲劳破坏的特征1
1，破坏时的最大应力远低于材料的抗拉强 度极限，甚至低于材料的屈服极限。
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疲劳破坏的特征2
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第十二章 疲 劳 Fatigue
疲劳破坏事故实例 1 “华航”空难证据公布 金属疲劳是飞机解体主
因
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针对飞机残骸的检验，戎凯指出，目前已经确认的飞 机残骸共有828件，占整架飞机的60%左右。 戎凯表示，在飞机尾翼东方发现的4块散落飞机残 骸，根据初步研判，应该是飞机最早解体的部分。分 别包括散装货舱门及机身周边蒙皮、机身左侧四号门 、机身左边五号门以及后下货舱门。其中散装货舱门 及机身周边蒙皮的残骸上出现多处不连续、非破坏性 裂痕，据“飞安会”及NTSB目视检视，研判是由于飞 机机身金属疲劳所造成，并非所谓的外力撞击。
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交变应力作用下构件的疲劳
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第十二章 疲 劳 Fatigue
疲劳的基本概念
材料的疲劳问题研究从近150多年开始一
直受到人们的关注
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原因之一就是工程中的零件或构件的破
坏80%以上是由于疲劳引起
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疲劳的基本概念
生活经验 用力拉一根铁丝很难拉断，反复地弯 这根铁丝却能将它折断。
• 疲劳（fatigue）是由应力不断变化引起的
2，不论是塑性材料还是脆性材料，疲劳破 坏都呈脆性断裂的特征，破坏前无明显 的塑性变形，破坏突然发生，所以有很 大的危险性。
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低碳钢低周拉－拉疲劳试件的断口
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材料逐渐破坏的现象。
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疲劳的基本概念
美国材料试验协会（American
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Society for Testing Materials, ASTM）将疲劳定义为 “ 材料某一点或某一些点在承受交变应 力和应变条件下，使材料产生局部的永 久性的逐步发展的结构性变化过程。在 足够多的交变次数后，它可能造成裂纹 的积累或材料完全断裂”。
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疲劳破坏事故实例2
1998年6月3日，德国一列高速列车在行
上 海 交 通多人遇难身亡的 严重后果。事后经过调查，人们发现， 造成事故的原因竟然是因为一节车厢的 车轮内部疲劳断裂而引起。从而导致了 这场近50年来德国最惨重铁路事故的发 生。
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疲劳破坏的特征1
1，破坏时的最大应力远低于材料的抗拉强 度极限，甚至低于材料的屈服极限。
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疲劳破坏的特征2
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疲劳破坏事故实例3
可能导致哥伦比亚号事故的五个原因
阻热片脱落 上 海 交 通 大 学
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升降翼失去控制 机体金属疲劳导致解体 电缆短路引发火灾 被陨石击中
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第十二章 疲 劳 Fatigue
为什么金属疲劳时会产生破坏作用呢？
这是因为金属表面和内部结构并不均匀， 从而造成应力传递的不平衡，有的地方 会成为 应力集中区 。与此同时，金属 内 部的缺陷 处还存在许多微小的裂纹。在 力的持续作用下，裂纹会越来越大，材 料中能够传递应力部分越来越少，直至 剩余部分不能继续传递负载时，金属构 件就会全部毁坏。
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疲劳破坏的特征3
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3，从断口 的形貌来看 先在构件的高应力区的 表面缺陷处形成疲劳源 随着应力循环次数的增 加，裂纹逐渐扩展，在 这一过程中，由于裂纹 两侧表面的研磨，写成 了光滑区。随着裂纹扩 展，构件的截面逐渐削 弱，直至不能承担载荷 而突然断裂，形成断口 上的粗糙区。
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第十二章 疲 劳 Fatigue
本章目的 建立材料疲劳破坏的概念，建立材料持久极限的概念及其 测定的原理、方法和步骤； 建立构件疲劳极限的概念及疲劳强度计算的方法。
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基本要求
了解疲劳破坏的机理和特点；掌握交变应力及其应力幅值、 平均应力和循环特征的概念及计算方法； 了解影响构件疲劳极限的主要因素及提高疲劳极限的措施； 初步掌握构件疲劳强度的计算。
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第十二章 疲 劳 Fatigue
为什么金属疲劳时会产生破坏作用呢？ 位错也会产生微裂纹
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对于塑性材料，当材料即使是经受比屈服极限 低得多的交变应力作用时，材料内部也会激发 位错滑移（dislocation slip）。在一次加载时 ，这一塑性应变的量非常小，不会有什么影响 。然而，在许多次的应力循环下，在这滑移面 附近会逐渐产生硬化(work hardening)。塑性 应变逐渐积累，结果产生微裂缝。这些裂缝数 量逐渐增加，并扩展，最终达到临界大小，引 起材料断裂。