疲劳强度破坏实例
疲劳强度
8.2.1 材料的疲劳极限
疲劳极限(持久极限) ——试件可经无限次应力循环而不发 生疲劳破坏，交变应力最大值
疲劳极限测定方法
1.将被测材料按国家标准加工一组疲劳光滑小试件，至少7 根 （直径d=7～10mm、表面磨光）。 2.对这组试件分别在不同的σmax下施加交变应力（保持循环 特征r不变），直到破坏，记录下每根试件破坏前经历的循 环次数N（常称为疲劳寿命） 。 3.在以横轴为循环寿命，纵轴为应力的坐标系中，将试验所 得结果描点并拟合成曲线，该曲线称为疲劳极限曲线或称为 曲线（应力——寿命曲线）。
对称循环条件下，疲劳极限值记为σ-1
8.2.1 材料的疲劳极限
疲劳极限(持久极限) ——试件可经无限次应力循环而不发 生疲劳破坏，交变应力最大值
应力—疲劳寿命曲线含义：
•σmax >σr, 试件经历有限次循环就破坏
•σmax <σr, 试件经历无限次循环而不发生破坏
•σmax =σ-1, r=-1时材料的疲劳极限
脆性断裂
8.2 材料的疲劳极限
交变应力要素 应力循环 ——构件在交变应力下工作，应力每重复变化一次。 最大应力σmax 、最小应力σmin
循环特征（应力比） r
max 1 ( ) (1 r ) 平均应力 m 2 max min 2
min max
max 1 (1 r ) 应力幅度 a ( max min ) 2 2
轮轴45号钢，受弯曲交变应力，当σmax=-σmin=260MPa 时，大约经历107循环即可发生断裂，而45号钢在静载 荷下的强度极限是σb=600MPa。
1.疲劳破坏特点
3)材料呈脆性断裂。即使是塑性材料，材料在断裂 前也无明显的塑性变形。
疲劳强度基础知识及分析计算实例
循环计数法
为预测承受变幅载荷历程构件的寿命，需要将复杂历程 简化为一些与可用恒幅试验数据相比的事件。这一将复杂 载荷历程简化为一些恒幅事件的过程，称为循环计数。目 前最常用的计数法为雨流技术法。
；zzzResult.rst为疲劳结果文件。
FE-SAFE疲劳计算实例 d、强度因子FOS计算设置
e、设置1e7为规定寿命。 点击OK按钮。
f、点击Analyse按钮。开始计算
FE-SAFE疲劳计算实例
g、点击Continue按钮
寿命值
FOS值
h、计算完毕预览结果
FE-SAFE疲劳计算实例
i、疲劳计算结果表示方式
展直到发生完全断裂。这种缓慢形成的
破坏称为 “疲劳破坏”。
疲劳区
“疲劳破坏”是变应力作用下的失效形式。
疲劳纹 疲劳源
概述
疲劳破坏的特点：
a）疲劳断裂时：受到的 max 低于 b ，甚至低于 s 。
b）断口通常没有显著的塑性变形。不论是脆性材料，还是塑 性材料，均表现为脆性断裂。—更具突然性，更危险。
c）疲劳破坏是一个损伤累积的过程，需要时间。寿命可计算。 d）疲劳断口分为两个区：疲劳区和脆性断裂区。
概述
二、变应力的类型 随机变应力
变应力分为： 循环应力
循环应力有五个参数：
随机变应力
max─最大应力； min─最小应力
m─平均应力； a─应力幅值
r min ─应力比（循环特性） max
应变疲劳实例
应变疲劳实例
应变疲劳是指材料在反复受到应力或应变作用后发生的疲劳破
坏现象。
这种现象在我们身边随处可见，比如汽车车轮、飞机发动机叶片、建筑结构等等。
下面将介绍一些应变疲劳的实例。
1. 汽车车轮应变疲劳
汽车车轮是一个常见的应变疲劳实例。
当汽车行驶时，轮胎受到路面的冲击力，车轮也会随之受到应力的作用。
随着行驶里程的增加，车轮会发生微小的变形，这些变形会在不断的叠加下导致车轮的应变疲劳破坏。
如果车轮的应变疲劳程度过高，就会导致车轮的断裂，使得车辆无法正常行驶，甚至发生严重的交通事故。
2. 飞机发动机叶片应变疲劳
飞机发动机叶片也是一个常见的应变疲劳实例。
当飞机在高空飞行时，飞机发动机叶片会受到高速旋转产生的巨大离心力和温度的影响。
这些影响会导致叶片表面产生微小的应变，并在不断的叠加下导致叶片的应变疲劳破坏。
如果飞机发动机叶片的应变疲劳程度过高，就会导致叶片的断裂，使得飞机发动机失灵，从而威胁到乘客的生命安全。
3. 建筑结构应变疲劳
建筑结构也是一个常见的应变疲劳实例。
在风、雨、地震等自然灾害的影响下，建筑结构会受到巨大的应力和应变作用。
这些应力和应变会在结构内部产生微小的变形，并在不断的叠加下导致结构的应变疲劳破坏。
如果建筑结构的应变疲劳程度过高，就会导致结构的倒
塌，使得建筑物内部人员遭受伤害。
综上所述，应变疲劳是一种非常常见的疲劳破坏现象。
了解应变疲劳的实例可以帮助我们更好地认识应变疲劳的危害性，加强材料的疲劳强度设计，从而保障我们的生命安全。
疲劳强度实际案例分析
疲劳强度实际案例分析疲劳强度实际案例分析疲劳是一种常见的身体状态，它通常是由于长时间的身体或脑力活动而引起的。
在这篇文章中，我们将通过实际案例来分析疲劳强度。
第一步：案例介绍我们的案例是关于一位办公室职员。
她每天需要长时间坐在电脑前处理文件和回复电子邮件。
最近，她开始感到疲劳，并且无法保持专注，她还注意到自己在工作时经常犯错。
第二步：疲劳原因分析这位职员的疲劳可能有多种原因。
首先，长时间坐在电脑前可能导致身体疲劳。
缺乏运动和休息会使肌肉变得僵硬，血液循环受阻，从而导致疲劳感。
其次，长时间的脑力活动也会使大脑疲劳，降低集中注意力和处理信息的能力。
第三步：疲劳强度评估我们可以通过问卷调查或使用疲劳评估工具来评估这位职员的疲劳强度。
这些工具通常会考虑到疲劳的不同方面，如身体疲劳、注意力集中度和情绪状态。
通过评估，我们可以了解疲劳的程度以及其对工作和生活的影响。
第四步：解决方案根据疲劳原因分析和疲劳强度评估的结果，我们可以提出一些解决方案来减轻这位职员的疲劳。
首先，她可以尝试经常站起来伸展身体，使用站立办公桌或定期进行简单的运动来缓解身体疲劳。
其次，她可以采取一些注意力训练的方法，如定时专注和分解任务，以提高注意力集中度。
另外，她还可以通过调整工作时间表，增加休息时间和改善睡眠质量来减轻脑力疲劳。
第五步：效果评估在实施解决方案后，我们应该评估其效果。
可以通过再次使用疲劳评估工具来评估职员的疲劳强度是否有所改善。
此外，我们还可以观察她的工作表现和身体感觉是否有所改善来判断解决方案的有效性。
通过以上步骤，我们可以对疲劳强度进行实际案例分析。
通过了解疲劳的原因、评估疲劳强度、提供解决方案并评估其效果，我们可以帮助那些遭受疲劳的人找到有效的方法来缓解疲劳，提高工作和生活质量。
3 钢结构的破坏形式
原因： 缺陷、微观裂纹、宏观裂纹。
注意：结构只有在循环拉应力作 用下才有可能发生疲劳破坏。
12
钢结构的可能破坏形式
3 钢结构的 可能破坏形式 疲劳断裂过程
裂纹形成 裂纹稳定扩展 裂纹失稳 扩展断裂 钢结构 二阶段
本身存在类似 裂纹的缺陷
疲劳分类
高周疲劳（应力疲劳）
工作应力小于fy，没有明显的塑性变形， 寿命n≥5×104次。如吊车梁、桥梁、海洋平 台在日常荷载下的疲劳破坏
定义：钢材在循环荷载作用下，经历一定时间的损伤积累，构件或连接
部位裂纹生成、扩展，以致最后断裂破坏。称为疲劳破坏。
破坏特点：
（1）疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度，钢材的塑性还没有展开， 属于脆性破坏。危险性大。
（2）疲劳破坏的断口与一般脆性破坏的断口 不同。一般脆性破坏后的断口平直，呈有光泽 的晶粒状或人字纹。而疲劳破坏的主要断口特 征是放射和年轮状花纹。
5
钢结构的可能破坏形式
3 钢结构的 可能破坏形式
对某些抗扭刚度较差的 轴心受压构件（十字形 截面），当轴心压力达 到临界值时，稳定平衡 状态不再保持而发生微 扭转。当轴心力在稍微 增加，则扭转变形迅速 增大而使构件丧失承载 能力，这种现象称为扭 转失稳。 工程设计上采用控制长细比x或y≥5.07b/t，以防止扭转屈曲。
合理使用
(1) (2) (3) (4) (5) 不得随意改变结构使用用途或超负荷使用结构。 原设计在室温工作的结构，在冬季停产时要注意保暖。 不要在主要结构上任意焊接或附加零件悬挂物。 避免因生产和运输不当对结构造成的撞击或机械损伤。 平时对结构应注意检查和维护。
19
钢结构的可能破坏形式
钢结构的疲劳破坏事故讲解
(6)螺纹加工工艺 ①加工方法的影响 螺纹加工方法大体可分为两大类，一类是切削法，包括车
螺纹、铣螺纹、磨螺纹和板牙套螺纹、丝锥攻丝等；另一类 是滚压法，包括搓丝和滚丝。试验验证，螺纹的加工方法对 变载荷下的疲劳强度影响甚大，滚压螺纹有较高的疲劳强度， 因为滚压时的塑性变形能提高螺栓的疲劳寿命，而且在滚压 牙根部分时．在牙根形成有益的残余压应力，并改善了材料 的结构。正确选择滚压工艺，即使在较高的预紧力下，也能 使疲劳寿命提高20％～50％。
第6章 钢结构的疲劳破坏事故
6.1 疲劳破坏的概念
钢材或构件在反复交变荷载作用下在应 力远低于抗拉极限强度发生的一种破坏。 1. 疲劳破坏是钢结构在反复交变动荷载作用 下的破坏形式，而塑性破坏和脆性破坏是 钢结构在静载作用下的破坏形式； 2. 虽然具有脆性破坏特征，但不完全相同； 3. 断口分为疲劳区和瞬断区。
• 吊车梁及吊车桁架疲劳计算
f 2106
6.6 网架结构疲劳问题的系统研究
6.6.1 疲劳问题的提出 网架是一种高次超静定的空间结构，由于
其外形美观、受力合理、制作简便、形式灵 活等特点，得到了迅猛发展。网架结构不仅 应用于体育场馆等公共建筑，也广泛应用于 工业建筑中。悬挂吊车充分发挥了超静定结 构对集中力扩散快的优点，而且布置灵活， 便于工业流程改造。悬挂吊车吨位及运行频 繁程度增大，疲劳问题也日趋严重。
可以减小微动磨损的不利影响，从而提高其疲劳强度；过大 或过小的预紧力都是不利的。过大的预紧力有可能导致螺栓 被拧断，锥头或封板可能被压坏，也可能使螺纹牙被剪断而 脱扣；过小的预紧力虽能使螺栓上循环变化的总载荷的平均 值减小，但却使载荷变幅增大，导致高强螺栓的疲劳寿命下 降。因此，预紧力的大小及准确度都是十分重要的。
钢结构的疲劳破坏事故ppt课件
6.6.2 焊接空心பைடு நூலகம்节点网架的疲劳性能
与螺栓球节点网架相比，其整体刚度大，更适用
于悬挂吊车动载作用的工业厂房。试验证明受压时
不存在疲劳问题。
1984年，太原理工大学开始对焊接空心球节点网
架的静力及疲劳性能进行系统的理论及试验研究，
通过对4种规格、15个试件的常幅疲劳试验，得到
了工程中常用的管--球节点在剖口焊情况下的疲劳
裂纹等；
(2) 制作过程中剪切、冲孔、切割；
(3) 焊接结构中产生的残余应力；
(4) 焊接缺陷的存在，如：气孔、夹渣、咬肉、
未焊透等； (5) 非焊接结构的孔洞、刻槽等； (6) 构件的截面突变； (7) 结构由于安装、温度应力、不均匀沉降等
产生的附加应力集中。
6.3 提高改善疲劳性能的措施
• • • • • • 精心选材； 精心设计； 精心制作； 精心施工； 精心使用； 修补焊缝；方法如下：
键物件在这一荷载谱作用下的预期寿命．再引入安全系数以
达到安全寿命。但事实上，我们很难预测使用期间所有的载 荷条件，且疲劳实验结果又有很大的离散性。因此，安全系 数确定中有许多不定因素，只有取的足够大，才能使疲劳破 坏的可能性降到很低。
3. 破损-安全设计
破损--安全设计准则首先是在航空工程中发展起
曲线(如图)。
6.6.3 螺栓球节点网架的疲劳性能
作为一种工程预制、现场拼装、适用于工业化生产 的网架形式，就应用范围而言，目前已跃居首位； 其疲劳性能关键是高强螺栓的疲劳。 1999年至今，太原理工大学在国家自然科学基金 的资助下，开始对螺栓球节点网架设置悬挂吊车的 变幅疲劳性能进行了系统的理论与试验研究，已获 得成果如下：
来的。它认为裂纹可以出现，但在整个裂纹被检测 和进行修理前，所出现的裂纹不会导致整个结构的 破坏。这就要求定期检查和维修，以便及时发现裂 纹，同时要求裂纹扩张速度较慢。此外，希望所设 计的结构能够进行载荷多路径传递转移，即将结构 某一环节破坏后，载荷能够被转移并重新分布。
材料疲劳案例分析及设计.
飞机金属疲劳与腐蚀疲劳
• 统计数据表明，飞机结构中有半数以上的破坏形式与腐蚀 或腐蚀疲劳有关。 • 由于具有重量轻、强度好等优越性能的高强度铝合金 已成为航空领域中使用最为广泛的金属材料。然而从目前 对高强度铝合金腐蚀疲劳的研究成果来看，铝合金对腐蚀 引起的破坏是敏感的，腐蚀环境往往会使铝合金结构的疲 劳寿命大大缩短。
应变-疲劳寿命公式：
e p f (2 N f ) b f (2 N f ) c 2 2 2 E
应变-疲劳寿命曲线通常由一系列应变疲劳试验确定。
总应变幅值与疲劳寿命的关系示意图
• 弹性线与塑性线交点称为疲劳寿命转变点。 • 从图中可以看出，在短寿命高应变区，疲劳寿命 主要取决于 f ，因而提高材料的塑性有助于提高 疲劳抗力；而在长寿命低应变区，疲劳寿命主要 取决于弹性应变，提高强度 f ( f f )，则 在同样的应变幅下可延长寿命，或者，对于同样 的疲劳寿命，材料可经受更大的应力幅值。
材料疲劳及设计
报告内容Biblioteka 波音747的疲劳开裂 Add your title Add your title Add your title
疲劳破坏
• 钢材在连续反复荷载作用下，其应力虽然没有达到抗拉强度，甚至 还低于屈服强度时，也可能发生突然破坏，这种现象称为疲劳破坏。 钢材在疲劳破坏之前，没有明显的变形，是一种突然发生的脆性断裂 ，所以疲劳破坏属于反复荷载作用下的脆性破坏。 • 钢材的疲劳破坏是经过长时间的发展过程才出现的，其破坏过程 可分为三个阶段：裂纹的形成、裂纹缓慢扩展、最后迅速断裂而破坏 。钢材的疲劳破坏首先是由于钢材内部结构不均匀和应力分布不均匀 所引起的。应力集中可以使个别晶粒很快出现塑性变形及硬化，从而 大大降低钢材的疲劳强度。对于承受连续反复荷载的结构，设计时必 须考虑钢材的疲劳问题。 • 反复作用的荷载值不随时间变化，则在所有应力循环内的应力幅将保 持常量，称为常幅疲劳。若反复荷载作用下，应力循环内的应力随时 间随机变化，则称为变幅疲劳。
钢结构的疲劳破坏事故讲解
(3)材料缺陷 钢材中总是存在各种各样的缺陷，它们对
疲劳强度有很大髟响。其影响的程度取决于 缺陷的大小、形状、数量、位置、方向。
2 构造及加工
构造细节对高强螺栓疲劳性能的影响十分显著，它主要反 映了应力集中的严重程度。如螺栓的螺纹形式、键槽、螺帽 过渡圆角以及制作工艺和热处理加工等。
通常，高强螺栓的疲劳危险区有三处：①与螺栓球节点连 接处第一螺纹牙根部，经理论分析，各螺纹牙上的应力分配 是不均匀的，一般第一螺纹牙传递的应力为最大；②螺栓头 与螺杆的过渡圆角处；③螺纹与光滑部分的过渡处。试验表 明：疲劳破坏大都发生存第①最险区。
3. 破损-安全设计
破损--安全设计准则首先是在航空工程中发展起 来的。它认为裂纹可以出现，但在整个裂纹被检测 和进行修理前，所出现的裂纹不会导致整个结构的 破坏。这就要求定期检查和维修，以便及时发现裂 纹，同时要求裂纹扩张速度较慢。此外，希望所设 计的结构能够进行载荷多路径传递转移，即将结构 某一环节破坏后，载荷能够被转移并重新分布。
制作安装缺陷;螺栓的预紧力 4. 工作应力
应力幅;平均应力
1材料性能 (1)钢材种类 目前，螺栓球节点网架中高强螺栓的钢材种
类有：40Cr、20MnTiB、35VB、35CrMo钢材 种类对于疲劳强度的影响可以通过极限强度值 反映出来。凡具有相同屈服强度或极限强度的 各种钢材，其疲劳强度一般没有太大的差别。
总之，依靠精心的选材、设计、制作、安装和使用，再加上焊接之后的 一些特殊工艺措施，可以达到提高和改善疲劳性能的作用。
6.4 疲劳设计准则
• 无限寿命设计 • 有限寿命设计 • 破损-安全设计 • 损伤-容限设计
1. 无限寿命设计
这是一种最保险的方法。采用此准则 设计的许用应力必须低于疲劳极限，因 应力很低，造价过高，往往不现实。
疲劳强度不足发生破坏的例子
疲劳强度不足发生破坏的例子：
疲劳强度不足导致发生破坏的例子有压缩机曲轴断裂案。
一座中型化肥生产公司在运行中的氮氢压缩机主轴不测断裂，造成压缩机严重破坏。
经过查勘与现场认识，事故受损设施是一台功率为1300kw的氮氢压缩机，在晚班工作时发生巨响，随即停机，看到因巨大的震动使压缩机扭转位移、曲轴箱等部分箱体发生破碎。
打开检查察到压缩机曲轴断裂，其余零件如连杆、活塞拉杆、轴瓦、瓦座、机体、曲轴箱等一大多数零件断裂或明显变形。
通过对曲轴断口检查剖析，确定为疲惫断裂，判断该机事故发生原由和过程为，运行中的压缩机曲轴疲惫断裂后，运动的断裂件对相邻零件的撞击以及强盛的惯性与震动力致使其余零零件断裂或变形破坏。
浅谈机械零件的疲劳强度
网络教育学院本科生毕业论文（设计）题目：浅谈机械零件的疲劳强度学习中心：层次：专科起点本科专业：机械设计制造及其自动化年级：年季学号：学生：指导教师：完成日期：年月日内容摘要本文以机械零件的疲劳强度计算方法为切入点，首先阐述零件在工作中变应力的分类和变应力的参数，然后推导出变应力计算公式，进而讨论影响疲劳强度的因素以及提高疲劳强度的解决措施，最后介绍了疲劳强度在各领域中的应用。
关键词：疲劳强度；变应力；复合应力；可靠性目录内容摘要 (I)引言 (1)1 变应力的分类 (2)2 变应力参数 (3)3 疲劳曲线 (4)4 影响疲劳强度的因素 (5)4.1应力集中的影响 (5)4.2尺寸与形状的影响 (9)4.3表面质量的影响 (9)4.4表面强化的影响 (9)4.4其他因素的影响 (10)5 提高疲劳强度的解决措施 (11)5.1提高构件表面质量 (11)5.2提高构件表面强度 (11)5.3豪克能技术 (11)6 疲劳强度在各领域的应用以及前景展望 (12)6.1 疲劳强度在机械零件中的应用 (12)6.2 疲劳强度在航空航天领域的应用 (12)6.3前景展望 (13)结论 (15)参考文献 (16)引言通用机械零件的强度分为静应力和变应力强度范畴。
根据设计经验及材料的特性，通常认为在机械零件整个工作寿命期间应力变化次数小于103的通用零件，均可按静应力强度进行设计。
本论文以下主要讨论零件在变应力下的疲劳、影响疲劳强度因素、疲劳强度计算等问题。
1954 年，世界上第一款商业客机de Havilland Comet 接连发生了两起坠毁事故，这使得“金属疲劳”一词出现在新闻头条中，引起公众持久的关注。
这种飞机也是第一批使用增压舱的飞行器，采用的是方形窗口。
增压效应和循环飞行载荷的联合作用导致窗角出现裂纹，随着时间的推移，这些裂纹逐渐变宽，最后导致机舱解体。
Comet 空难夺去了68 人的生命，这场悲剧无时无刻不在提醒着工程师创建安全、坚固的设计。
高强度紧固件失效实例分析
高强度紧固件失效实例分析ⅰ疲劳断裂的实例一．疲劳断裂的特征1．疲劳与断裂的概念：疲劳是机械零件常见的失效形式，据统计资料分析，在不同类型的零件失效中，有50%—80%是属于疲劳失效。
疲劳断裂在破坏前，零件往往不会产生明显的变形和预先的征兆，但破坏却往往是致命的，会酿成重大事故。
疲劳损坏产生及发展有其特点，最终形成为疲劳断裂。
疲劳问题的探索，最早是在1839年，法国人彭赛列提出材料和结构件的疲劳概念，德国人A·沃勒在1855年研究了代表疲劳性能的应力应变与震动次数的理论（S—N曲线），并且提出了疲劳极限的概念，因此，沃勒被称为材料疲劳理论的奠基人。
疲劳与断裂的力学理论经过一百多年的发展，各行业具体疲劳断裂事例不断涌现，经过科学家及工程师不间断地研究和探索，目前，疲劳断裂科学理论不断地充实和发展，从而在本质上了解了疲劳破坏的机理。
疲劳概念的论述：金属材料在应力或应变的反复作用下发生的性能变化称为疲劳；疲劳断裂：材料承受交变循环应力或应变时，引起的局部结构变化和内部缺陷的不断地发展，使材料的力学性能下降，最终导致产品或材料的完全断裂，这个过程称为疲劳断裂。
也可简称为金属的疲劳。
引起疲劳断裂的应力一般很低，疲劳断裂的发生，往往具有突发性、高度局部性及对各种缺陷的敏感性等特点。
2．疲劳的分类：（1）高周疲劳与低周疲劳10的疲劳，如果作用在零件或构件的应力水平较低，破坏的循环次数高于5称为高周疲劳，弹簧、传动轴、紧固件等类产品一般以高周疲劳见多。
10的疲作用在零件构件的应力水平较高，破坏的循环次数较低，一般低于4劳，称为低周疲劳。
例如压力容器，汽轮机零件的疲劳损坏属于低周疲劳。
（2）应力和应变来分：应变疲劳——高应力，循环次数较低，称为低周疲劳；应力疲劳——低应力，循环次数较高，称为高周疲劳。
复合疲劳，但在实际中，往往很难区分应力与应变类型，一般情况下二种类型兼而有之，这样称为复合疲劳。
（3）按照载荷类型弯曲疲劳扭转疲劳拉拉疲劳与拉压疲劳接触疲劳振动疲劳随着断裂力学的不断发展，行业内广大的技术人员逐渐认识疲劳裂纹的产生及其发展的规律，为控制和减少疲劳引起损害奠定了基础。
从千里之堤 溃于蚁穴说起
从千里之堤溃于蚁穴说起摘要:在工程材料学中,金属的疲劳现象也蕴含着这样的道理。
本文对金属的疲劳破坏现象进行了简单的理论分析,并提出一些提高金属抗疲劳性的措施关健词:金属疲劳疲劳破坏零件交变应力裂纹疲劳强度1 疲劳的概念千里之堤,溃于蚁穴”,是出自《韩非子·喻老》这句话深刻揭示了千里长堤虽然看似十分牢固,却会因为一个小小蚁穴而崩溃的道理。
金属疲劳是指材料、零构件在循环应力作用下.在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。
当材料和结构受到多次重复变化的载荷作用后,应力值虽然始终没有超过材料的强度极限,甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏,这种在交变载荷作用下材料和结构的破坏现象,就叫做金属的疲劳破坏。
2 疲劳的原理机械零件在交变应力作用下,经过一段时间后,在局部高应力区形成微小裂纹,再由微小裂纹逐渐扩展以致断裂。
金属内部结构并不均匀,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。
在交变应力的持续作用下,裂纹会越来越大,材料中能够传递应力的有效部分越来越少,直至剩余部分不能继续传递负载时,金属构件发生全部破坏。
3 疲劳破坏的特点(1）疲劳破坏是多次反复载荷作用下的破坏,它不是短期内发生的,而是要经历一定的时间,甚至很长时间才发生破坏。
(2）引起疲劳断裂的应力很低,在远小于屈服强度的情况下就有可能发生。
例如反复弯折一根铁丝,很轻松的就能折断,就是典型的疲劳断裂的实例。
(3）疲劳破坏通常没有宏观的显著塑性变形,哪怕是塑性良好的金属也这样,就像脆性断裂一样,总是突然间断裂,事先很难察觉,因此疲劳破坏具有更大的危险性,常常造成严重的事故。
(4）疲劳破坏的断口有两部分构成:疲劳区和瞬断区疲劳区记载了裂缝扩展和闭合的过程,颜色发暗,表现有较清楚的疲劳纹理,呈沙滩状或波纹状；瞬断区真实反映了当构件截面因裂缝扩展削弱到一临界尺寸时脆性断裂的特点,瞬断区颜色发亮。
疲劳分析的数值计算方法及实例
第一节 引 言
零件或构件由于交变载荷的反复作用，在它所承受的交变应力尚未达到静强度设计的许 用应力情况下就会在零件或构件的局部位置产生疲劳裂纹并扩展、最后突然断裂。这种现象 称为疲劳破坏。疲劳裂纹的形成和扩展具有很大的隐蔽性而在疲劳断裂时又具有瞬发性，因 此疲劳破坏往往会造成极大的经济损失和灾难性后果。金属的疲劳破坏形式和机理不同与静 载破坏，所以零件疲劳强度的设计计算不能为经典的静强度设计计算所替代，属于动强度设 计。随着机车车辆向高速、大功率和轻量化方向的迅速发展，其疲劳强度及其可靠性的要求 也越来越高。近几年随着我国铁路的不断提速，机车、车辆和道轨等铁路设施的疲劳断裂事 故不断发生，越来越引起人们的重视。疲劳强度设计及其研究正在成为我国高速机车车辆设 计制造中的一项不可缺少的和重要的工作。 金属疲劳的研究已有近 150 年的历史，有相当多的学者和工程技术人员进行了大量的研 究，得到了许多关于金属疲劳损伤和断裂的理论及有关经验技术。但是由于疲劳破坏的影响 因素多而复杂并且这些因素互相影响又与构件的实际情况密切相关，使得其应用性成果尚远 远不能满足工程设计和生产应用的需要。据统计，至今有约 90%的机械零部件的断裂破坏仍 然是由直接于疲劳或者间接疲劳而引起的。 因此， 在 21 世纪的今天， 尤其是在高速和大功率 化的新产品的开发制造中，其疲劳强度或疲劳寿命的设计十分重要，并且往往需要同时进行 相应的试验研究和试验验证。 疲劳断裂是因为在零件或构件表层上的高应力或强度比较低弱的部位区域产生疲劳裂 纹，并进一步扩展而造成的。这些危险部位小到几个毫米甚至几十个微米的范围，零件或构 件的几何缺口根部、表面缺陷、切削刀痕、碰磕伤痕及材料的内部缺陷等往往是这种危险部 位。因此，提高构件疲劳强度的基本途径主要有两种。一种是机械设计的方法，主要有优化 或改善缺口形状，改进加工工艺工程和质量等手段将危险点的峰值应力降下来；另一种是材 料冶金的方法，即用热处理手段将危险点局部区域的疲劳强度提高，或者是提高冶金质量来 减少金属基体中的非金属夹杂等材料缺陷等局部薄弱区域。在解决实际工程问题时，往往需 要结合运用以上两种方法进行疲劳强度设计和研究。合理地利用各种提高疲劳强度的手段， 可以有效地提高构件的疲劳强度或延长其疲劳寿命，并起到轻量化的作用。 关于疲劳问题的研究，基本上可分为疲劳裂纹的形成和扩展机理、规律方面的基础性研 究和疲劳强度设计以及提高疲劳强度的有效途径等应用性研究。应用性研究虽然借鉴了基础 性研究的成果，但因为它需要考虑更多的实际影响因素，所以它的研究更为复杂和困难。因 此相比之下关于疲劳寿命的预测和疲劳强度设计等应用性研究要少得多，远远落后于实际工 程的需求。过去，疲劳强度设计和寿命预测的研究主要是以试验为基础进行的。随着计算机 应用技术和有限元数值计算理论及其应用的迅速发展，现在又兴起了基于大量试验数据的疲
疲劳破坏的案例(仅供参考)
调查项目：疲劳破坏的案例1.航空发动机高压涡轮盘的裂纹航空发动机高压涡轮盘在使用后进行大修，对涡轮盘进行荧光检查，显示在涡轮盘辐板与封严臂根部转接处存在裂纹。
下图为扫描电镜对裂纹断口的观察理论分析臂根部的转接处，分布约3／4圆周，裂纹不连续，各裂纹各自起源，且裂纹源区粗糙，为典型的大应力起源特征；裂纹断口可见疲劳特征。
对开裂涡轮盘各部位进行外观尺寸检查，各关键尺寸均符合设计要求；裂纹附近亦未见明显的加工缺陷。
对涡轮盘材料进行了化学成分分结果表明，其化学成分符合标准要求；在故障件上取样进行了室温和高温下的力学性能测试，试验结果均满足标准要求。
涡轮盘在飞机飞行状态改变时所承受的离心力最大，此离心力为涡轮盘承受的主要应力。
从应力和寿命计算结果看，由于应力集中系数较大，涡轮盘辐板与后封严臂转接处为应力最大的位置，是涡轮盘最容易萌生裂纹的部位之一根据以上分析可得结论：故障涡轮盘辐板与后封严臂转接处的裂纹性质为低周循环疲劳开裂，该位置的疲劳应力过大是开裂的主要原因。
改进方法涡轮盘辐板与后封严臂转接处发生低周疲劳开裂，主要是应力水平较大，寿命储备低。
因此，一方面应在不影响涡轮盘功能的情况下增大该位置的R值，以降低该位置的应力集中系数，进而降低该位置的应力。
另一方面，在可能的情况下，提高涡轮盘的疲劳性能，增强其抗疲劳能力。
2.柴油机齿轮失效齿轮材料为45号钢，齿轮制造工艺为锻造→正火→粗加工→调质→精加工→滚齿→齿面淬火→磨齿。
齿轮上掉块的断口形貌。
在断口上能观察到贝壳状条纹，裂源区有许多宏观疲劳台阶条纹，裂源产生于齿根处，并有多个疲劳源。
理论分析该柴油机齿轮断裂属多源疲劳断裂。
引起疲劳的主要原因是由于热处理工艺控制不当，齿根及齿侧面未淬硬，因此造成齿根部材料的疲劳强度远低于设计要求，而齿根处所受工作应力较高，故导致在齿根处产生早期疲劳断裂。
这是热处理不良照成的缺陷，属于塑性畸变失效。
3. 汽车变速箱齿轮失效失效齿轮为载重汽车变速箱一挡齿轮，由渗碳钢制造，在进行台架试验时，未达到设计要求就发生断齿现象。
塑料件疲劳仿真实例
塑料件疲劳仿真实例
疲劳（Fatigue）是引起工程构件失效的最主要原因之一。
工业界对于传统材料性能的认知已经非常成熟（如静态载荷，无缺陷材料强度），对于材料强度的控制能力也已经大大增强，对于工程中的强度设计的实践经验也十分丰富，因此动态疲劳效应在工程中引起失效的现象越来越突出。
什么是疲劳？
在某点和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的，永久的结构变化发展过程，称之为疲劳。
材料疲劳断裂的严重性。
发生断裂是因为有裂纹的存在，裂纹的萌生和发展足以引起断裂的原因大多是由于疲劳所造成。
19XX年彗星号坠机事件，事故原因：压力仓疲劳破坏。
20世纪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，调查报告指出断裂使美国一年损失11XX亿美元，占19XX年的美国国家总产值4%，遭受损失最严重的三个行业为：车辆业（12X亿美元/年），建筑业（1XX亿美元/年），航空工业（6X亿美元/年）。
报告同时指出向工程技术人员普及关于断裂和疲劳的基本概念知识，可减少损失29%。
可见疲劳在工程应用上的重要性非同一般。
钢结构材料疲劳分析
钢结构材料疲劳分析钢结构是工程中常见的一种结构形式，具有强度高、稳定性好等特点，常用于建筑、桥梁、机械设备等领域。
在使用过程中，钢结构可能会受到变化的荷载作用，长时间的循环载荷会导致疲劳现象的产生，进而影响结构的安全性。
因此，对钢结构材料的疲劳分析显得尤为重要。
1. 疲劳破坏机理疲劳破坏是指在循环载荷作用下，结构或材料经过多次应力循环后发生破坏的现象。
疲劳破坏的机理主要包括应力集中、裂纹扩展和最终破坏三个阶段。
在应力集中阶段，材料局部受到较高的应力，导致应力集中现象，进而使材料表面产生微小的裂纹。
随着循环载荷的不断作用，裂纹逐渐扩展，并最终导致破坏。
2. 疲劳分析方法（1）S-N曲线法：S-N曲线是指应力振幅与循环次数之间的关系曲线，通常用来描述材料的疲劳性能。
通过实验获得的S-N曲线可以帮助工程师预测材料在不同应力水平下的寿命。
（2）裂纹扩展速率法：裂纹扩展速率是指裂纹在单位时间内扩展的长度，通过裂纹扩展速率的研究可以评估材料的疲劳寿命和裂纹扩展的规律。
（3）应力比法：应力比是指最小与最大应力之比，在疲劳分析中，应力比对材料的疲劳性能具有重要影响，工程师通过引入应力比来评估材料在不同应力状态下的寿命。
3. 疲劳分析实例以一座桥梁为例，桥梁在使用过程中会受到车辆的荷载，随着车辆的来往，桥梁结构会不断受到循环载荷的作用，可能导致疲劳破坏。
通过对桥梁的疲劳分析，工程师可以确定桥梁的疲劳荷载范围，预测桥梁的疲劳寿命，从而采取有效的维护措施，保障桥梁的安全可靠。
4. 结语钢结构材料的疲劳分析是工程中的重要课题，通过研究疲劳破坏机理和采用合适的疲劳分析方法，可以有效预测材料的疲劳寿命，保障结构的安全运行。
工程师在设计和维护钢结构时，应加强对疲劳分析的重视，确保结构的稳定性和可靠性。
从千里之堤 溃于蚁穴说起——简析金属的疲劳破坏
属 抗 疲 劳 性 的 措 施
关健词 ： 属 疲 劳 疲劳破坏 零件 突变应力 裂纹 疲劳 强度 金 中 图分 类 号 ： Ｂ３ Ｔ ２ 文 献标 识码 ： Ａ 文章 编号 ： ６ ４ ０ ８ （ ０ １０ （ ） Ｏ ７ －０ １ ７ － ９ Ｘ ２ １ ）２ ａ－ ０ ２ １
国 一 列 高 速 列 车 在 行 驶 中 突 然 出轨 ， 成 造
２疲的原理
机 械 零 件 在 交 变 应 力 作 用 下 ， 过 一 经 段时 间后 ， 局部 高 应 力 区 形成 微 小 裂 纹 ， 在 再 由微小裂纹逐渐扩 展以致断裂 。 属 内 金 部 结 构 并 不 均 匀 ， 而造 成 应 力 传 递 的 不 从 平衡 ， 的地 方 会 成 为 应 力集 中 区。 有 与此 同 时 ， 属 内部 的 缺 陷 处 还 存 在 许 多微 小 的 金 裂纹 。 交 变 应 力的 持 续 作 用 下 ， 在 裂纹 会 越 来 越 大 ， 料 中 能 够 传 递 应 力 的 有 效 部 分 材 越 来 越 少 ， 至 剩 余 部 分 不 能 继 续 传 递 负 直 载时， 金属 构 件 发生 全 部 破 坏 。
的 落 后 ， 不 能 查 明疲 劳 破 坏 的 原 因 。 到 还 直 显 微 镜 和 电子 显 微 镜 相 继 出现 之 后 ， 类 人 才 开 始 走 向揭 开 金 属 疲 劳 秘 密 的道 路 并 有 了更 深 的 认 识 。 劳 破 坏 给 人 类社 会 带 来 疲 了沉 重 的 灾难 ， 使 人 类 从 未 停 止 过 与 疲 迫 劳 破 坏的 斗 争 。 二 战 期 间 ， 国 空 军 战 机 在 与 德 国 的 英 对抗 中 ， 继 坠 落 ， 毁 人 亡 。 查 的 最 终 相 机 调 结 论 是 坠 落 的 战机 无 一 例 外 地 是 由 于疲 劳 现 象 引起 ， 飞 机 发 动 机 内 的 零 件 出现 疲 即 劳断 裂 ， 一 步分 析 得 知 ， 些 零 件 之 所 以 进 这 产 生 疲 劳 断 裂 ， 要 是 由 于 制 造 这 些 零 件 主 的 材 料表 面 或 内 部 有 缺 陷 ， 夹 杂 、 痕 、 如 划 夹 角 、 点 、 微 裂纹 等 。 ９ ８ 月 ３ 德 软 显 １ ９ 年６ 日，
疲劳强度破坏实例
疲劳强度破坏实例疲劳破坏在局部应力最高的部位发生，某些机械，常常由于设计、制造、装配和使用中的不合理，造成零部件过早地发生疲劳断裂。
1．锻造用水压机，特别是1600吨以下的三梁（上横梁、活动横梁及下横梁）四柱式结构的小型水压机（图1.1），由于上、下横梁与立柱形成的框架的刚度小，在锻造过程中摇晃厉害，这样，常在立柱下端应力集中处发生疲劳破坏。
图1.2为1250吨锻造水压机的立柱，材料为45钢经正火处理，立柱两端的锥台分别与上、下横梁联接，立柱有内孔，通高压液体。
该水压机投产后不到两年，有一根立柱疲劳断裂，焊修后继续使用。
另一根立柱因超载运行断裂，更换一旧立柱。
再过一年大修时，将两根立柱都换上40Cr的新立柱，三年后，一根立柱又产生疲劳裂纹（图1.2所示）。
还有一台1600吨水压机投产后一年半，一根立柱在下横梁上螺母上部退刀槽处发生疲劳断裂（图1.3）。
从上面的例子可以看出，水压机立柱的疲劳断裂，大都发生在下横梁上螺母（或锥台）与立柱光滑区的过渡圆角处，该处的应力集中最大。
水压机横梁的疲劳破坏，可以分为两种情况：下横梁及活动横梁的疲劳破坏，都发生在梁的中央部位。
因为这种横梁各截面的面积近似相等，中央截面上的弯矩最大。
例如，一台1250吨水压机投产后十年，在下横梁中央部位产生疲劳裂纹。
另一台1000吨水压机投产一年后，于活动横梁中央产生疲劳裂纹，修焊后使用了两年又开裂。
对于梯形的上横梁，最高的局部应力不在中央截面上，而在上横梁与柱套交界的圆弧处。
因此，疲劳破坏在交界圆弧处发生。
2．轧机闭式机架用于初轧机、钢坯轧机及板轧机等。
对于以强度为主要要求的轧机机架，其破坏形式是弯曲疲劳破坏。
疲劳裂纹源常发生在压下螺母孔的过渡圆弧r处（图1.4中的1处），该处的峰值应力最高。
但有些轧机（如1200薄板迭轧机）工作十年后，发现在上横梁与立柱过渡圆角处有30mm长的裂纹（图1.4中的2处）。
3．运锭车用于将罩式加热炉中的大钢锭运到初轧机前的受料辊道上，它经受冲击，热锭温度的周期变化与运送中车辆的振动。
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疲劳强度破坏实例
疲劳破坏在局部应力最高的部位发生，某些机械，常常由于设计、制造、装配和使用中的不合理，造成零部件过早地发生疲劳断裂。
1．锻造用水压机，特别是1600吨以下的三梁（上横梁、活动横梁及下横梁）四柱式结构的小型水压机（图1.1），由于上、下横梁与立柱形成的框架的刚度小，在锻造过程中摇晃厉害，这样，常在立柱下端应力集中处发生疲劳破坏。
图1.2为1250吨锻造水压机的立柱，材料为45钢经正火处理，立柱两端的锥台分别与上、下横梁联接，立柱有内孔，通高压液体。
该水压机投产后不到两年，有一根立柱疲劳断裂，焊修后继续使用。
另一根立柱因超载运行断裂，更换一旧立柱。
再过一年大修时，将两根立柱都换上40Cr的新立柱，三年后，一根立柱又产生疲劳裂纹（图1.2所示）。
还有一台1600吨水压机投产后一年半，一根立柱在下横梁上螺母上部退刀槽处发生疲劳断裂（图1.3）。
从上面的例子可以看出，水压机立柱的疲劳断裂，大都发生在下横梁上螺母（或锥台）与立柱光滑区的过渡圆角处，该处的应力集中最大。
水压机横梁的疲劳破坏，可以分为两种情况：下横梁及活动横梁的疲劳破坏，都发生在梁的中央部位。
因为这种横梁各截面的面积近似相等，中央截面上的弯矩最大。
例如，一台1250吨水压机投产后十年，在下横梁中央部位产生疲劳裂纹。
另一台1000吨水压机投产一年后，于活动横梁中央产生疲劳裂纹，修焊后使用了两年又开裂。
对于梯形的上横梁，最高的局部应力不在中央截面上，而在上横梁与柱套交界的圆弧处。
因此，疲劳破坏在交界圆弧处发生。
2．轧机闭式机架用于初轧机、钢坯轧机及板轧机等。
对于以强度为主要要求的轧机机架，其破坏形式是弯曲疲劳破坏。
疲劳裂纹源常发生在压下螺母孔的过渡圆弧r处（图1.4中的1处），该处的峰值应力最高。
但有些轧机（如1200薄板迭轧机）工作十年后，发现在上横梁与立柱过渡圆角处有30mm长的裂纹（图1.4中的2处）。
3．运锭车用于将罩式加热炉中的大钢锭运到初轧机前的受料辊道上，它经受冲击，热锭温度的周期变化与运送中车辆的振动。
在一次操作后，发现机架的圆角处有300mm长的裂纹（图1.5），可看出发现裂纹时，裂纹已经历了一段扩展时期。
后来，在裂纹尖端钻Φ16mm的止裂孔，从此裂纹没有发展，设备一直在使用中。
4．曲轴的强度，在很大程度上决定了发动机的可靠性和寿命。
曲轴受弯曲和扭转循环变应力的作用，疲劳是它的主要破坏形式。
对于中，低速发动机的曲轴，弯曲疲劳是主要的，但对于高速曲轴，由于有扭振，扭转疲劳可能成为主要的破坏因素。
图1.6表示一种简单曲轴的结构，对于汽车，拖拉机及多缸内燃机，曲轴结构更为复杂。
曲轴在长期工作中，疲劳裂纹常发生在内圆角及油眼处，是这里有应力集中的缘故。
5．图1.7表示汽车的半轴，其一端与车轮的凸缘部联接，另一端与差速器半轴齿轮以花键相联接。
由传动轴来的扭矩，经减速器、差速器后分配给左右半轴，从而驱动车轮，所以半轴同时传递弯矩及扭矩。
在运行过程中，经常在半轴的凸缘盘根部、半轴杆部和花键尾部附近断裂，最常见的断裂部位是在杆部的轴承圆角处。
6．运行中的涡轮机叶片（图1.8），其应力状态是很
复杂的，由气流产生弯矩及扭矩，由离心力产生拉力，特
别是振动使叶片过早地发生疲劳断裂。
对于低压级叶片，
由于叶片长，固有频率低，由叶片振动引起断裂更为常见。
叶片的疲劳裂纹源，大多在出汽边的近根处，但也有的在
叶片根部的其他地方，这是因为叶片在工作中，除承受应
力外，还有水汽腐蚀的影响。
水轮机叶片产生的裂纹，也都在叶片的出水边。
7．有些机械的联接螺栓，由于预紧力太小，而造成过早的疲劳破坏。
图1.9表示钢板连轧机后面的精切机组中的开卷机。
其中，三辊夹头机构的支承架与主机架用螺栓联接，因为机械振动，使螺帽松动，螺栓的预紧力降低。
当钢板头进入三辊机构时，螺栓承受冲击拉应力，导致冲击疲劳破坏。
断裂发生在螺栓头部与光杆交界的过渡圆角处。
8．有内部缺陷的零部件，运行中在缺陷处首先产生裂纹，从而加速疲劳断裂。
例如，一台大型四辊卷板机投产十多年后，在一次冷卷56mm厚的合金钢板时上辊折断。
上辊材料为34CrNi3Mo,最大直径780mm，长达18m，重约53吨，断裂部位接近正中，断口略有倾斜（图1.10）。
从断口看出，光亮的疲劳裂纹扩展区很小，其余都是瞬断区。
疲劳扩展区离断面外表面最近的距离为40mm，裂纹源就在疲劳区内。
因为上辊承受弯矩和扭矩，最大工作应力在辊的表面，只有当在表层下存在初始缺陷时，裂纹源才不在表面产生。
由于超载，所以瞬断区面积特别大。
9．一台新投产的120吨顶吹氧转炉，炼了几十炉钢后，倾动装置的减速机主轴发生断轴事故（图1.11），从断口看，有面积很小的疲劳扩展区，主要由于有内部缺陷，才过早发生断裂。
10．模锻液压机的液压缸属于压力容器类型，但工作循环次数远比一般压力容器为多。
多数液压缸的破坏属于高周疲劳破坏，也有属于低周疲劳破坏的。
例如，车轮轮箍厂的8000吨液压机的主缸，最初用40钢，后改用18MnMoNb合金钢，都发生疲劳破坏。
每个缸的平均寿命约为30万次（应力循环数）。
图1.12a为模锻液压机的液压缸，使用七年后出现了纵向疲劳裂纹（图上的网线部分）。
图1.12b所示的液压缸是以缸底支承的，使用循环次数达350万次后，在缸壁上出现了纵向裂纹（图上的网线部分）。
图1.12c所示的液压缸使用了三年后，在缸壁上出现了纵向裂纹（图上的网线部分），随后在凸缘和缸底的过渡圆角处又出现了疲劳裂纹。
其他液压缸也有在凸缘和缸底的过渡圆角处产生疲劳裂纹的，原因是该处的过渡圆角太小，应力集中太大。
从上面的例子可以看出，在各类设备中都可能发生疲劳破坏，它的危害是很大的。
因此，研究疲劳破坏的规律，做到合理选用和节约材料，在给定载荷条件下，使所设计的设备不产生或少产生疲劳破坏，是当前机械设计中迫切需要解决的问题。