材料的疲劳损伤与断裂80

疲劳的基本概念
应力比R
R=-2/0=∞
S R= -1
S R=0
R=-2/1=-2
S R=1
0
t
Smax=-Smin
对称循环
0
Smin=0
t
脉冲循环
0
Smax=Smin
t
静载
疲劳的基本概念
频率 f=N/t 波形
f =100 Hz, t=100 h, N=ft=3.6 107 (cycles)
S
2. Goodman提出 了考虑平均应力 影响的简单理论。
3. Bauschinger提 出了应力-应变滞 后回线的概念。
1829
1839
1860
1890
疲劳的发展历史
1871年，Wohler首先对铁路车轴进行了系统的疲劳研究， 发展了旋转弯曲疲劳试验，S-N曲线及疲劳极限概念。
疲劳的发展历史
1910s-1960s疲劳发展
工程中的疲劳现象
工程中的疲劳现象
二次大战期间，400余艘全焊接舰船断裂
工程中的疲劳现象
2005.4.25, 上午9：20, 日本兵库县尼崎 市列车脱轨：死亡106人，伤400人
1998.6.3，德国埃舍德小镇，高速列 车脱轨：101人死亡，200人受伤，88
人重伤
预防疲劳失效！是轨道交通的核心科技问题之一
1. Manson-Coffin关 系。 2. 1963年Paris提出 da/dN-K关系。
工程运用
损伤容限设计， 疲劳与断裂力学 融合。
1910
1950
1960
疲劳的发展历史
1970s-今疲劳发展
损伤容限 方法运用 到具体的 设计规范 中，断裂 力学开始 在疲劳研 究中发挥 重要作用
1. 传统疲劳研究领域进一步拓展：蠕变疲劳， 热机械疲劳，微动疲劳，多轴疲劳…….
ASTM E206-72
在某点或某些点承受交变应力，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。
疲劳的基本概念
疲劳的分类——重要的学科体系
疲劳的基本概念
交变应力，是指随时间变化的应力。也可更一般地称为 交变载荷（载荷可以是力、应力、应变、位移等）
40 years of service life: 21224040=230,400 cycles of bending moment WL/4.
工程中的疲劳现象
Case 2: rotating shaft with overhung flywheel
Service conditions: Load W, constant Shaft rotates at 250 rev/min, 8hr/day, 300 days/yr
In a service life of 40 years the shaft accumulates 25060830040 =1.44109 cycles of bending moment, WL
工程中的疲劳现象
疲劳失效是工程中最重要、最常见的失效模式
疲劳研究的主要范畴
疲劳断裂
材料的疲劳
疲劳损伤
工程中的疲劳现象
Βιβλιοθήκη Baidu转子轴
工程中的疲劳现象
整机结构强度试验:机翼破坏试验
工程中的疲劳现象
上海 东方明珠电视塔高300m 球径45m
工程中的疲劳现象
Case 1: simply supported crane girder
行车大梁 Lower flange at A-A
Service conditioins: Load W, constant Two crane passes/hr, 12hr/day, 240 days/yr
环境疲劳
疲劳的发展历史
疲劳的发展历史
十九世纪的疲劳发展
经验
德国矿业 工程师
Albert. 金属疲劳 的最初研
究。
巴黎大 学教授
JU. Poncelet 提出金 属疲劳 的概念。
试验
德国工程 师Wöhler 提出了应 力-寿命曲 线（S-N曲 线）和疲 劳极限的 概念。
1. Gerber研究了 平均应力对疲劳 寿命的影响。
S
Smax
S
S
S
0
恒幅循环
t
0
变幅循环
t
0 随机载荷
t
疲劳载荷的类型
疲劳的基本概念
恒幅循环参数
平均应力
Sm=(Smax+Smin)/2 (1) 应力幅
Sa=(Smax-Smin)/2 (2) 应力范围
S=Smax-Smin
(3)
应力比 R=Smin/Smax
设计：用Smax，Smin ，直观； 试验：用Sm，Sa ，便于加载； 分析：用Sa，R，突出主要控制参量, 便于分类讨论。
The process of progressive localized 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 sufficient number of fluctuations.
2. 随着分析手段的提高，新材料和传统材料 疲劳破坏的微观机制得到进一步发展。
3. 疲劳模拟技术的发展成为研究疲劳的重要 方法，使人们对疲劳的认识进一步深入。
4. 超高周疲劳的研究逐渐成为研究的热点。 低周疲劳 高周疲劳 超高周疲劳
1970 1980
2000
疲劳的基本概念
疲劳的基本概念
What is fatigue ?
Engineering Fracture Mechanics -2014
材料的疲劳损伤与断裂
朱明亮 华东理工大学机械与动力工程学院
mlzhu@ecust.edu.cn
主要内容
1 2 3 4
工程中的疲劳现象
工程中的疲劳现象
1954年1月, 英国慧星(Comet)号喷气客机坠入地中海（机身舱门拐角处开裂）
理论
Basquin 提出了S 与N的关 系式。
Bairstow 给出了形 变滞后与 疲劳破坏 的关系。
1. 光镜和电子显微镜 的发展促进了人们对 传统疲劳破坏机制的 研究。 2. 电液伺服疲劳试验 机的出现。 3.疲劳发展成为重要 的学科领域。
提出了PSB的概念，观察 到了疲劳辉纹，P-M累
积损伤理论。 机理