材料的疲劳损伤与断裂80
固体力学中的材料损伤与断裂行为研究
固体力学中的材料损伤与断裂行为研究在固体力学中，材料的损伤和断裂行为是一个重要的研究领域。
材料的损伤是指材料在外界作用下，出现不可逆的破坏和变形现象。
而材料的断裂则是指材料在承受一定载荷后，发生裂纹的现象，导致材料完全或部分失去原有的承载能力。
材料的损伤和断裂行为与工程结构的安全性和可靠性密切相关。
在实际工程应用中，各种材料都可能遇到不同程度的损伤和断裂问题，如金属材料、混凝土、陶瓷等。
因此，对材料的损伤和断裂行为进行研究是非常重要和必要的。
在损伤和断裂行为的研究中，通常会进行大量的试验和数值模拟。
试验是通过构建合适的试件，施加不同的载荷和环境条件，观察材料的损伤和断裂过程，获得相关的力学性能参数。
数值模拟则是通过建立适当的数学模型和计算方法，对材料的损伤和断裂行为进行模拟和预测。
在材料损伤的研究中，最常见的是微观损伤模型和宏观损伤模型。
微观损伤模型关注的是材料内部微观结构的损伤过程，如晶体塑性变形、晶粒疲劳和裂纹扩展等。
宏观损伤模型则更注重材料整体的损伤演化规律，可以通过物理试验和数值模拟进行验证和修正。
材料的断裂行为研究主要包括断裂力学和断裂韧性。
断裂力学是研究材料断裂骨架的形成和破坏过程，通过应力集中因子和断裂标准来预测断裂扩展的位置和速度。
而断裂韧性则是衡量材料抵抗断裂的能力，它与材料的韧性和断裂强度有关。
近年来，随着计算机技术的发展和进步，数值模拟在材料损伤和断裂行为研究中发挥了越来越重要的作用。
有限元法是最常用的数值模拟方法之一，它可以对复杂的材料和结构进行精确的力学分析和预测。
除了微观和宏观的损伤和断裂模型外，还有一些新的研究方向和方法被应用于材料损伤和断裂行为的研究中。
例如，声发射技术可以通过检测材料中产生的声波信号，实时监测材料的损伤和断裂过程。
纳米级的力学实验和原位观测技术可以揭示材料的微观损伤和断裂行为。
总之，固体力学中的材料损伤和断裂行为研究是一个非常重要且具有挑战性的领域。
材料力学之材料疲劳分析算法：断裂力学模型：实验方法与材料疲劳性能测试.Tex.header
材料力学之材料疲劳分析算法：断裂力学模型：实验方法与材料疲劳性能测试1 材料疲劳分析基础1.1 疲劳分析的基本概念疲劳分析是材料力学的一个重要分支，主要研究材料在循环载荷作用下逐渐产生损伤并最终导致断裂的过程。
材料在承受重复或周期性的应力时，即使应力远低于材料的静态强度极限，也可能发生疲劳破坏。
这一现象在工程设计中极为关键，因为许多结构件如桥梁、飞机部件、机械零件等，都可能在使用过程中遭受循环载荷。
1.1.1 原理与内容疲劳分析的基本概念包括：-应力幅：循环应力中最大应力与最小应力之差的一半。
-平均应力：循环应力中最大应力与最小应力的平均值。
-应力比：最小应力与最大应力的比值。
-循环次数：材料承受循环载荷的次数，直到发生疲劳破坏。
-疲劳强度：材料在特定循环次数下不发生疲劳破坏的最大应力。
1.2 疲劳损伤累积理论疲劳损伤累积理论是评估材料在不同载荷循环下累积损伤程度的理论。
其中，最著名的理论是Miner线性损伤累积理论，该理论认为材料的疲劳损伤是线性累积的，即每一次载荷循环对材料的总损伤贡献是相同的。
1.2.1 原理与内容Miner线性损伤累积理论的公式为：D=∑N i N fni=1其中：-D是总损伤度。
-N i是在应力水平i下的循环次数。
-N f是在应力水平i下材料的疲劳寿命。
1.2.2 示例代码假设我们有以下数据：-材料在应力水平100MPa下的疲劳寿命为10000次。
-材料在应力水平200MPa下的疲劳寿命为5000次。
-材料在应力水平300MPa下的疲劳寿命为2000次。
在实际应用中，材料可能在这些应力水平下分别承受了5000次、2000次和1000次循环。
1.3 S-N曲线与疲劳极限S-N曲线是描述材料疲劳性能的重要工具，它表示材料的应力水平与所能承受的循环次数之间的关系。
疲劳极限是指在无限次循环下材料能够承受而不发生疲劳破坏的最大应力。
1.3.1 原理与内容S-N曲线通常通过实验数据绘制，实验中材料样品在不同应力水平下进行循环加载，直到发生疲劳破坏，记录下每个应力水平下的循环次数。
疲劳极限与断裂韧性
疲劳极限与断裂韧性
材料的疲劳极限
疲劳时应力远低于静载下材料的屈服强度极限，因而屈服强度或强度极限已不能作为交变应力下的强度指标，需要重新测定金属的疲劳强度指标。
疲劳实验表面，在同以循环特征γ
的交变应力下，循环次数Ν随交变应力的最大应力Smax的减小而增大，当Smax减小到某一数值时，Ν趋于无限大。
材料经历无限次应力循环而不疲劳时的交变应力的最大应力，称为材料的疲劳极限，或称持久极限。
材料的断裂韧性
实验证明，对于一定厚度的平板，不管所施加的应力б与裂纹长度α为何值，只要应力强度因子达到某一数值时，裂纹就开始扩展，并可能使平板断裂。
使裂纹开始扩展的应力强度因子值，称为材料的断裂韧性，用Kc表示。
断裂韧性的大小是衡量含裂纹材料抵抗断裂失效能力的强度指标，通过断裂实验得到。
材料的疲劳性能
图5－11
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● 三、 过载持久值及过载损伤界 ●研究意义： ●过去人们一直认为，承受交变载荷作用的机件
按-1确定许用应力是安全的，但是没有考虑特
殊情况。实际上，机件在服役过程中不可避免 地要受到偶然的过载荷作用，如汽车的急刹车、 突然启动等。还有些机件不要求无限寿命，而 是在高于疲劳极限的应力水平下进行有限寿命 的服役。在这些情况下，仅依据材料的疲劳极 限是不能全面准确评定材料的抗疲劳性能的， 所以我们要了解过载持久值和过载损伤界。
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规则周期变动应力（循环应力） 无规则随机变动应力
变动应力如图5－1 所示。
生产中机件正常工作 时，其变动应力多为循 环应力，实验室也容易 模拟，所以研究较多。
应力大小变化
应力大小、方向无规则变化
应力大小、方向都变化
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图5－1 变动应力示意图
σ
r=0 r=–1
r=–∞
1 1
2
2
8
3
3 5 7 9
4
46
5
6
10 12 14
11 13
水平下进行，如图5－8所示。
图5－8 升降法测定疲劳极限示意图
原则是：凡前一个试样达不到规定的循环周次就断裂(用
表示)，则后一个试样就在低一级应力水平下进行试验；若
前一个试样在规定循环周次下仍然未断(用 表示)，则后一个
试样就在高一级应力水平下进行，如此得到13个以上的有效
●本章主要介绍:
● 金制 属。 疲介 劳绍 的估 基算 本裂 概纹 念形 和成 一寿 般命 规的 律方 。法 疲。 劳 失 效 的 过 程 和 机
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第一节疲劳破坏的一般规律
材料的疲劳损伤与断裂
Lower flange at A-A
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
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工程中的疲劳现象
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工程中的疲劳现象
二次大战期间，400余艘全焊接舰船断裂
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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
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
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疲劳损伤的微观机制
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疲劳损伤的微观机制
Cyclic Slip - initial arrangements
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Cyclic Hardening
疲劳损伤的微观机制
Surface relief
Shear cracks formation
材料的疲劳和断裂行为
材料的疲劳和断裂行为疲劳和断裂是材料工程中的重要研究领域。
疲劳是指材料在经历了重复加载或应力变化后，由于内部微观缺陷逐渐积累，最终导致材料的失效。
而断裂则是指材料在承受高应力或者外力集中作用下发生裂纹扩展的现象。
本文将深入探讨材料的疲劳和断裂行为，并分析其机理和影响因素。
一、疲劳行为材料的疲劳行为广泛存在于我们生活和工作的各个领域。
例如，金属材料在机械工程中的零部件、桥梁结构和飞机构件等地方，由于长期受到复杂的力学载荷，易出现疲劳失效。
疲劳失效不仅会给工程的安全性和可靠性带来威胁，也会增加维修和更换的成本。
1. 疲劳断裂机理在受疲劳加载作用下，材料内部的微观缺陷会逐渐积累导致裂纹的形成和扩展。
这些微观缺陷包括晶界、夹杂物、夹层、腐蚀坑等。
当应力斑马纹通过这些缺陷时，会导致位错的生成和扩展，从而引起材料的疲劳断裂。
2. 疲劳寿命与应力幅关系材料的疲劳寿命与应力幅之间存在一定的关系。
应力幅越大，疲劳寿命越短；应力幅越小，疲劳寿命越长。
这是由于应力幅增加会导致材料内部位错、裂纹等缺陷的生成和扩展速度增加，从而缩短了材料的使用寿命。
3. 影响疲劳行为的因素除了应力幅外，疲劳行为还受到多种因素的影响。
其中包括材料的力学性能、表面质量、温度、湿度、载荷频率、环境介质等。
材料的力学性能如强度、韧性、硬度等，对材料的疲劳行为具有重要影响。
同时，表面质量的好坏、温度和湿度的变化也会引起材料内部微观缺陷的形成和扩展。
二、断裂行为除了疲劳行为外，材料的断裂行为也是值得重视的。
断裂指的是材料在受到高应力或者外力集中作用下发生裂纹扩展的现象。
在工程实践中，为了减缓断裂失效对工程结构和设备造成的危害，需要对材料的断裂行为进行深入研究。
1. 断裂机理材料的断裂机理可以分为静态断裂和动态裂纹扩展两个阶段。
静态断裂是指在裂纹形成之前，材料的应力集中到达临界值，导致断裂开始。
而动态裂纹扩展则是指裂纹在外力作用下迅速扩展，直到材料完全失效。
材料的疲劳与断裂行为研究
材料的疲劳与断裂行为研究疲劳与断裂行为是材料科学与工程领域的重要研究方向之一。
疲劳是材料在循环加载下的损伤和失效过程，而断裂是在承受外力作用下材料的破裂过程。
研究材料的疲劳与断裂行为对于制定合理的材料设计和工程应用具有重要意义。
1. 引言材料的疲劳与断裂行为是由内在的微观结构和外部环境因素共同决定的。
了解材料的疲劳断裂机制以及其对材料性能和使用寿命的影响，对于材料的可靠性和安全性具有重要意义。
2. 材料疲劳行为研究2.1 疲劳寿命预测疲劳寿命预测是研究材料疲劳行为的重要方法。
通过建立疲劳寿命预测模型，可以评估材料在不同循环载荷下的寿命。
常用的疲劳寿命预测方法包括应力寿命曲线和损伤累积规律等。
2.2 循环载荷下的损伤行为在循环载荷下，材料内部会产生损伤积累，导致疲劳失效。
损伤行为的研究有助于了解材料的疲劳机制。
常见的损伤行为包括微裂纹扩展、晶界滑移等。
3. 材料断裂行为研究3.1 断裂力学理论断裂力学理论是研究材料断裂行为的重要工具。
通过断裂力学理论的应用，可以预测材料在受力下的断裂行为，并对材料的断裂强度进行评估。
3.2 断裂韧性的研究断裂韧性是衡量材料抵抗断裂的能力。
通过研究材料的断裂韧性，可以评估材料在应力集中区域的抗裂纹扩展能力。
常见的断裂韧性测试方法包括冲击试验和拉伸试验等。
4. 材料的疲劳与断裂行为相互关系研究疲劳和断裂行为之间存在着密切的相互关系。
材料的疲劳行为会影响其断裂行为，而材料的断裂行为又会影响其疲劳寿命。
因此，研究材料的疲劳与断裂行为之间的相互关系，对于理解材料的整体性能和应用具有重要意义。
5. 结论疲劳与断裂行为是材料科学与工程中的重要研究方向。
通过研究材料的疲劳与断裂行为，可以为材料设计和工程应用提供有价值的参考。
未来的研究中，需要进一步深入研究材料的疲劳与断裂机制，提高材料的疲劳强度和断裂韧性，以满足不同工程领域对材料性能的需求。
参考文献：[1] Smith J, Zhang Y. Fatigue crack growth prediction[J]. International Journal of Fatigue, 1990,12(2):159-169.[2] Rice J R. A path independent integral and the approximate analysis of strain concentration by notches and cracks[J]. Journal of Applied Mechanics, 1968,35(2):379-386.[3] Lawn B R. Fracture of brittle solids[M]. Cambridge University Press, 1993.。
4.疲劳与疲劳断裂解析
3 疲惫断口形貌及其特征
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5 影响疲惫缘由及措施
4、装配与联接效应 装配与联接效应对构件的疲惫寿命有很大的影响。
正确的拧紧力矩可使其疲惫寿命提高5倍以上。简洁消失的问题是，认 为越大的拧紧力对提高联接的牢靠性越有利，使用实践和疲惫试验说明，这 种看法具有很大的片面性。
5．使用环境 环境因素〔低温、高温及腐蚀介质等〕的变化，使材料的疲惫强度显 著降低，往往引起零件过早的发生断裂失效。例如镍铬钢〔0.28％C，11.5 ％ Ni，0.73％Cr〕，淬火并回火状态下在海水中的条件下疲惫强度大约只是 在大气中的疲惫极限的20％。
2
14
1、疲惫裂纹源区 疲惫裂纹源区是疲惫裂纹萌生的策源地，是疲惫破坏的起点， 多处于机件的外表，源区的断口形貌多数状况下比较平坦、光 亮，且呈半圆形或半椭圆形。
由于裂纹在源区内的扩展速率缓慢，裂纹外表受反复挤压、摩 擦次数多，所以其断口较其他两个区更为平坦，比较光亮。在 整个断口上与其他两个区相比，疲惫裂纹源区所占的面积最小 。
相垂直。
大多数的工程金属构件的疲惫失效都是以此种形式进 展的。特殊是体心立方金属及其合金以这种形式破坏的所占 比例更大；上述力学条件在试件的内部裂纹处简洁得到满足 ，但当外表加工比较粗糙或具有较深的缺口、刀痕、蚀坑、 微裂纹等应力集中现象时，正断疲惫裂纹也易在外表产生。
高强度、低塑性的材料、大截面零件、小应力振幅、 低的加载频率及腐蚀、低温条件2均有利于正断疲惫裂纹的萌 6
材料力学中的断裂与损伤机制
材料力学中的断裂与损伤机制材料力学是研究材料在外力作用下变形、断裂和损伤等行为的科学。
其中材料的断裂和损伤机制是研究的重要内容之一。
在很多的工程和科学领域中，如机械制造、航空航天、能源、材料科学等，对材料的断裂和损伤机制的研究都具有非常重要的价值。
首先，我们可以先了解一下什么是材料的断裂和损伤。
在材料受到外力作用时，如果受力达到某个临界值，材料就会发生断裂。
而如果受到的力并没有达到临界值，材料却开始出现微小的裂纹，这种情况就被称为损伤。
接下来我们来谈谈材料的断裂机制。
材料的断裂由内部结构的缺陷所引起。
这些缺陷通常是微小的裂纹、夹杂物等。
当材料受到外力时，这些缺陷会扩展，并将扩展过程中释放的能量传递给材料周围的原子和晶粒，从而导致断裂。
材料的断裂机制可以分为静态断裂和疲劳断裂两种情况。
静态断裂是指在单次载荷作用下引发裂纹扩展到足以导致断裂的过程。
根据断裂模式的不同，可以将静态断裂分为拉伸断裂、剪切断裂和剪拉混合断裂。
拉伸断裂是指在拉伸载荷作用下，材料断裂是沿正交于加载方向的平面上的，即脆性断裂。
剪切断裂是指在剪切载荷作用下，材料主要发生纯剪切断裂，即韧性断裂。
剪拉混合断裂则是在拉伸和剪切载荷交替作用下，材料发生的断裂模式。
疲劳断裂是指在多次载荷作用下材料发生断裂的过程。
在材料受到周期性的载荷作用时，会在材料表面产生疲劳裂纹。
这些裂纹会逐渐扩展并汇合，导致最终材料的断裂。
疲劳断裂是材料力学中一个非常重要的研究领域，因为它对于很多领域的工程材料有着决定性的影响。
接下来我们来讨论一下材料的损伤机制。
材料的损伤通常是由于材料内部的细小缺陷引起的。
这些缺陷可以是夹杂物、空腔、微裂纹等等。
当材料受到外力作用时，这些缺陷就会逐渐扩展，并且产生新的缺陷，如沿晶裂纹、穿透裂纹等。
这些缺陷不仅导致了材料的物理性能下降，还会对材料的可靠性和寿命造成影响。
材料损伤具有很多种形式，如塑性变形、疲劳、腐蚀等。
在这些不同的损伤形式中，塑性变形和疲劳是最常见和重要的。
材料科学中的断裂和疲劳
材料科学中的断裂和疲劳材料科学是研究材料结构、性能、制备与应用的一门学科，断裂和疲劳是其中重要的研究内容。
在材料的应力下，出现破裂现象称为断裂，而在反复加载下，产生裂纹逐渐扩展而失效的现象称为疲劳。
了解材料的断裂和疲劳行为对材料的应用和加工具有重要意义。
断裂是材料失效的一种突发性的现象，直接影响材料的使用寿命和安全性。
在断裂过程中，材料常常会发生裂纹扩展和断面形态改变。
研究材料断裂需要从分子、微观结构和宏观层面入手，包括材料的组织、缺陷、微观应力和应变分布等方面。
针对不同的材料类型，断裂研究方法也不尽相同。
一般来说，材料断裂的方式有两种，即韧性断裂和脆性断裂。
韧性材料在受到应力的情况下，能够发生著名的“韧性断裂”，即在承受最大应力之前迅速发生塑性变形，吸收大量的能量，并伴随着断面形态的改变和拉伸变形。
而脆性材料在受到应力时，由于其致密的晶格结构，断裂常常是突然的、不可预测的，并伴随着断面形态的裂纹状。
疲劳是材料失效的另一种常见现象。
在连续循环加载下，材料中的微小裂纹会逐渐扩大，最终导致失效。
疲劳失效是机械工程领域中的重要问题，因为它会直接影响到机械结构的寿命和安全。
疲劳失效的预测需要深入研究材料的疲劳行为、裂纹扩展规律和力学性质。
疲劳试验可以通过不同的加载方式、不同的加载频率和载荷幅值进行，以验证材料的疲劳性能和失效机制。
对于材料的疲劳性能研究，常常会用到S-N（应力-循环次数）曲线。
该曲线将材料的疲劳寿命与应力-循环次数联系起来。
在S-N曲线中，应力水平越高，材料的寿命越短，疲劳强度越低。
材料的疲劳性能还与其他因素有关，如试样几何形状、表面质量、温度等。
最近几十年来，随着材料科学和力学的发展，断裂和疲劳理论得到了不断的加强。
在研究和预测材料的疲劳行为方面，新的模型和算法不断涌现。
例如，弯曲式疲劳试验可以比拉伸式疲劳试验更好地模拟材料在使用环境下承受应力的情况，从而更加准确地预测材料的疲劳寿命。
材料疲劳与断裂力学分析
材料疲劳与断裂力学分析材料疲劳和断裂力学是材料科学中的重要分支，它们研究材料在长期使用过程中的疲劳和断裂行为。
疲劳是指材料在受到交变载荷作用下，经过一定次数的循环加载后发生破坏的现象。
而断裂则是指材料在受到外界力作用下，发生裂纹扩展并最终破坏的过程。
本文将从材料疲劳和断裂的基本概念入手，探讨其力学分析方法和应用。
材料疲劳是材料工程中非常重要的问题之一。
在实际工程中，材料常常会受到交变载荷的作用，如机械零件的振动、车辆的行驶等。
这些交变载荷会导致材料内部的微观缺陷逐渐扩展，最终引发疲劳破坏。
疲劳寿命是评估材料抗疲劳性能的重要指标，它表示材料在一定的载荷条件下能够承受多少次循环加载。
疲劳寿命的预测是材料疲劳力学的核心问题之一。
疲劳寿命的预测可以通过应力-应变曲线和材料的疲劳强度来实现。
应力-应变曲线描述了材料在受到外力作用下的应变响应。
在疲劳加载下，应力-应变曲线会发生变化，出现应力集中和应变集中现象。
这些应力和应变集中会导致材料内部的微观缺陷逐渐扩展，最终引发疲劳破坏。
材料的疲劳强度是指在一定的载荷条件下，材料能够承受的最大疲劳应力水平。
通过疲劳强度和应力-应变曲线，可以预测材料的疲劳寿命。
断裂力学是研究材料断裂行为的重要学科。
材料的断裂行为是指在受到外界力作用下，材料内部出现裂纹并逐渐扩展，最终导致材料破坏的过程。
断裂行为的研究对于材料的设计和安全评估具有重要意义。
断裂力学的基本概念包括裂纹尖端应力场、应力强度因子和断裂韧性等。
裂纹尖端应力场是指裂纹附近的应力分布情况。
在裂纹尖端附近，应力集中现象非常明显，应力值会远远超过材料的强度极限。
应力强度因子是描述裂纹尖端应力场的重要参数，它表示裂纹尖端的应力强度。
断裂韧性是指材料抵抗裂纹扩展的能力，它是评估材料抗断裂性能的重要指标。
通过研究裂纹尖端应力场、应力强度因子和断裂韧性，可以预测材料的断裂行为。
材料疲劳和断裂力学的研究对于材料的设计和安全评估具有重要意义。
疲劳断裂过程和断口的特征
疲劳断裂过程和断口的特征
疲劳断裂是材料在反复应用或循环载荷作用下，逐渐累积损伤最终导致破坏的一种现象。
这种断裂过程通常非突发性，而是随着时间推移而缓慢发展。
疲劳断裂的过程大致可以分为三个阶段：裂纹的形成（初始疲劳阶段）、裂纹的扩展以及最终的快速断裂。
1.（裂纹形成阶段：这个阶段发生在材料表面或近表面微小缺陷处，由于循环载荷的作用，这些区域会产生应力集中，并开始形成微裂纹。
这个阶段中，裂纹通常沿着与最大剪切应力方向成45度角的方向扩展，并且裂纹增长速率相对较慢。
2.（裂纹扩展阶段：随着时间的推移和循环次数的增加，裂纹将逐渐扩大。
在宏观上，可以观察到裂纹沿着垂直于施加载荷方向扩展，形成所谓的“疲劳海滩花纹”或“条纹线”，这是由于载荷变化引起的裂纹前进速度不一所致。
此阶段的断口通常比较平坦，有时呈现颗粒状或纤维状特征。
3.（最终断裂阶段：当裂纹达到临界尺寸，剩余截面无法承受应用载荷时，材料将发生快速的断裂。
这个阶段的断口往往呈现出较粗糙的、有剪切唇的特征，这是由于在最后断裂过程中，材料在局部区域经历了较大的塑性变形。
疲劳断口的显著特征包括有起始点或疲劳源区、裂纹扩展区和快速断裂区。
起始点往往是材料表面的缺陷、刻痕或内部夹杂物。
裂纹扩展区可能表现出典型的疲劳辉纹，它们是因裂纹前缘不断前进而在断口面上形成的条带状痕迹。
快速断裂区则显示出过载后的粗糙断口，有时伴有剪切唇。
了解疲劳断裂过程和断口特征对于材料的疲劳寿命预测、结构设计和失效分析具有重要意义。
通过仔细检查断口特征，可以识别出疲劳裂纹的起源，分析裂纹扩展的历史，从而为改进材料性能和预防未来疲劳失败提供依据。
材料力学中的断裂与疲劳问题
材料力学中的断裂与疲劳问题材料力学是研究物质的力学特性和行为的学科，其中断裂与疲劳问题是其重要的一个方面。
本文将通过对断裂与疲劳问题的探讨，介绍材料力学中与之相关的理论和应用。
一、断裂问题断裂是指物体在受到力作用下，发生突然破裂的过程。
在材料力学中，我们经常关注材料的强度和韧性两个指标。
强度是指材料抵抗外部载荷破坏的能力，而韧性则是指材料在断裂前能够吸收的能量。
断裂问题的研究主要涉及到断裂力学和断裂力学试验。
断裂力学是研究材料在受到外部载荷作用下的断裂行为，包括了断裂的形态、断裂的机理等。
断裂力学试验则是通过实验来测量和评估材料的断裂性能。
常用的试验方法包括拉伸试验、冲击试验等。
二、疲劳问题疲劳是指材料在反复加载下产生损伤和破坏的现象。
与断裂不同，疲劳是一个逐渐发展的过程，往往在受到载荷作用后的多次循环加载中产生。
疲劳过程中，材料的强度和韧性会逐渐减小，最终导致破坏。
材料的疲劳性能与加载作用、材料结构、工艺等因素有关。
不同材料对于疲劳的抵抗能力也不同。
在疲劳问题的研究中，我们常用的方法是通过应力-寿命曲线来描述材料的疲劳寿命。
应力-寿命曲线是指在不同应力水平下，材料经受多少次循环加载会导致破坏。
研究疲劳问题的目的在于确定材料的疲劳极限，从而预测材料的使用寿命。
这对于很多工程应用来说是非常重要的，例如航空航天、汽车制造等领域。
三、断裂与疲劳的联系断裂与疲劳问题在材料力学中常常被联系在一起研究。
事实上，疲劳往往是导致断裂的一个重要因素。
在疲劳加载下，材料会逐渐发生微裂纹，这些微裂纹在加载过程中会逐渐扩展，最终导致断裂。
断裂与疲劳之间的联系也可通过断裂韧性来解释。
在疲劳加载下，材料的韧性会逐渐降低，这意味着材料更容易发生断裂。
因此，了解和研究材料的断裂行为对于预测和控制疲劳问题至关重要。
四、应用与进展断裂与疲劳问题的研究在材料科学和工程领域具有广泛的应用价值。
在航空航天、汽车制造、建筑工程等领域，对材料的断裂与疲劳行为进行研究和控制，可以提高产品的安全性和可靠性。
材料损伤和疲劳机制
材料损伤和疲劳机制在我们日常生活中,有很多材料，比如金属、塑料、建筑材料等等。
这些材料的使用寿命都有限，使用时间长了就会出现损伤和疲劳。
那么，究竟是什么原因导致了材料的损伤和疲劳呢？一、材料损伤机制损伤可以分为两类: 断裂和塑性变形。
1. 断裂断裂是指材料在受到外力作用下破裂。
断裂又可以分为静态断裂和动态断裂。
静态断裂是指材料在静止状态下承受拉伸、压缩、弯曲等外力作用时会发生断裂。
动态断裂是指材料在受到瞬间巨大的外力冲击或冲击载荷作用时，会发生断裂。
2. 塑性变形塑性变形是指材料在受到外力作用下，表面形状会发生变化但不会断裂。
塑性变形是由于材料晶粒在外力作用下发生滑移、滚动或拉伸等变形时所造成的。
材料的塑性变形往往是由于外力的瞬间冲击或持续作用产生的。
比如交通事故中车辆变形、弯曲等都是因为车辆所用材料受到剧烈的撞击而产生的塑性变形。
二、材料疲劳机制材料疲劳是一种由于材料受到的交替载荷作用而导致的不能逆转的损伤。
一般来说,疲劳对材料的损伤远远超过了一次性的过载。
造成疲劳的原因是由于材料在接连不断的循环载荷下，所受到的应力比先前微弱，但是往往可以留下一定的不可逆变形，因此材料会逐渐疲劳损坏。
材料疲劳的特点是长期使用后出现裂纹，并逐渐扩展到整个材料断裂。
由于连续循环载荷的作用比一次性过载更难于发现，所以材料在使用过程中的疲劳是非常危险的。
有些材料在特定的应力下进行若干循环后就会发生疲劳断裂，这种应力称为疲劳极限。
疲劳极限是衡量材料耐久性能的重要指标之一。
三、如何减少材料的损伤和疲劳为了延长材料的使用寿命，必须尽量减少材料的损伤和疲劳。
下面介绍一些减少材料损伤和疲劳的方法。
1. 避免过载过载是导致材料损伤的主要原因之一。
过载程度越大，材料损伤越严重。
因此在使用材料时一定要控制好外力大小，避免过载。
2. 合理设计合理的设计可以增加材料的受力面积，容纳更大的力量。
合理设计既可以减少材料的塑性变形，也可以减少断裂风险。
材料疲劳断裂机制与寿命分析
材料疲劳断裂机制与寿命分析疲劳断裂是材料工程中一类常见的失效模式，广泛应用于航空航天、汽车制造、桥梁建设等领域。
在工程实践中，对材料的疲劳性能进行准确的分析和预测，对于可靠性设计和寿命评估至关重要。
本文将探讨材料疲劳断裂的机制以及寿命分析的方法与应用。
疲劳断裂是由于材料在循环加载（应力循环）下出现的疲劳损伤而导致的裂纹扩展和断裂。
材料的疲劳断裂机制主要包括以下几个方面：应力集中、微观缺陷、裂纹萌生和裂纹扩展。
首先，应力集中是导致材料疲劳断裂的重要因素之一。
当材料受到间断或不均匀的应力加载时，强度较高的区域会吸引大量应力，从而形成应力集中。
这些应力集中区域是断裂的起始点。
其次，材料内部的微观缺陷也会导致疲劳断裂。
包括夹杂物、晶粒界、金属的化学组成和内部缺陷等。
这些微观缺陷在应力加载下会承受更高的应力，从而加速裂纹的扩展。
再次，裂纹的萌生是疲劳断裂的关键环节。
裂纹的萌生需要满足一定的条件，例如应力集中区域附近的最大应力达到了材料的容限。
最后，裂纹的扩展是导致材料断裂的最后一步。
裂纹在应力加载下逐渐扩展并最终导致材料失效。
对于材料的寿命分析，主要有两种方法：基于应力水平和基于循环次数。
基于应力水平的寿命分析方法是通过建立材料应力状态和应力幅值之间的关系，预测材料在特定应力水平下的寿命。
该方法适用于受到固定应力加载的材料。
通过应力-应变曲线和裂纹扩展速率曲线，可以建立材料寿命模型，从而预测其寿命。
另一种方法是基于循环次数的寿命分析。
该方法通过建立材料的循环应力幅值和循环次数之间的关系，来预测材料在一定循环次数下的寿命。
这种方法适用于受到循环加载的材料。
循环应力和循环次数之间的关系可以通过疲劳试验数据进行拟合，得到一个拟合方程，从而预测材料的寿命。
疲劳寿命分析在工程实践中具有广泛的应用。
通过对材料的疲劳寿命进行分析和预测，可以帮助工程师设计更加可靠的结构和部件。
例如，在航空航天领域，航空发动机内部的材料必须能够承受高强度的振动和循环加载，因此对其疲劳寿命的分析和预测是至关重要的。
结构材料的疲劳损伤及寿命预测
结构材料的疲劳损伤及寿命预测在工程领域中，结构材料的疲劳损伤是一个重要的问题。
疲劳损伤是指材料在受到交替或循环加载时，由于应力的集中和累积，导致材料产生裂纹和断裂的现象。
这种疲劳损伤会严重影响结构的安全性和可靠性，因此寿命预测成为了一个关键的课题。
疲劳寿命预测是指通过对材料的疲劳性能进行测试和分析，来预测材料在实际工作条件下的寿命。
疲劳寿命预测的准确性对于工程设计和结构维护至关重要。
然而，由于材料的复杂性和测试条件的限制，疲劳寿命预测仍然是一个具有挑战性的问题。
首先，疲劳寿命预测需要对材料的疲劳性能进行全面的测试。
常见的疲劳测试方法包括拉伸试验、弯曲试验和旋转弯曲试验等。
通过这些测试，可以获得材料的疲劳极限、疲劳强度和疲劳寿命等关键参数。
然而，由于材料的复杂性和试验条件的限制，测试结果可能存在一定的误差。
因此，疲劳寿命预测需要考虑这些误差，并采用合适的统计方法进行修正。
其次，疲劳寿命预测需要考虑材料的微观结构和组织特征。
材料的微观结构和组织特征对其疲劳性能有着重要的影响。
例如，晶界、孔隙和夹杂物等缺陷会导致应力的集中和裂纹的扩展，从而降低材料的疲劳寿命。
因此，疲劳寿命预测需要考虑材料的微观结构和组织特征，并采用合适的数值模拟方法进行分析。
另外，疲劳寿命预测还需要考虑材料的应力历史和工作条件。
材料在实际工作条件下受到的应力是复杂和多变的，这会对其疲劳寿命产生重要影响。
例如，应力的幅值、频率和加载方式等参数都会对材料的疲劳寿命产生影响。
因此，疲劳寿命预测需要考虑材料的应力历史和工作条件，并进行相应的修正和校正。
最后，疲劳寿命预测还需要考虑材料的环境因素。
材料在不同的环境条件下，其疲劳寿命可能会发生变化。
例如，高温、湿度和腐蚀等环境因素会加速材料的疲劳损伤和断裂。
因此，疲劳寿命预测需要考虑材料的环境因素，并进行相应的修正和校正。
综上所述，结构材料的疲劳损伤及寿命预测是一个复杂而重要的问题。
疲劳寿命预测需要考虑材料的疲劳性能、微观结构和组织特征、应力历史、工作条件和环境因素等多个方面的因素。
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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
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）
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
工程中的疲劳现象
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Βιβλιοθήκη 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
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。
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。
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@
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）
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
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
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
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. 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
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…….