疲劳与断裂应力疲劳
机械零件的疲劳强度与疲劳断裂
机械零件的疲劳强度与疲劳断裂什么是疲劳强度和疲劳断裂？疲劳强度是指材料在反复受到应力载荷作用下，发生疲劳断裂之前的最大应力强度。
疲劳断裂是指材料在反复应力作用下发生的突然断裂，它是一种重要的机械零件失效模式。
为什么要研究疲劳强度与疲劳断裂？在机械设计中，许多工作条件会引起局部应力集中，导致机械零件受到疲劳应力的作用。
如果机械零件的疲劳强度不够高，就会发生疲劳断裂，导致机械零件失效。
因此，研究疲劳强度和疲劳断裂是为了保证机械零件的可靠性和安全性。
影响机械零件疲劳强度与疲劳断裂的因素机械零件的疲劳强度和疲劳断裂受到许多因素的影响，以下是一些常见的因素：1.材料特性：材料的强度、韧性和疲劳寿命等特性会影响机械零件的疲劳强度和疲劳断裂。
一些金属材料具有较高的疲劳强度和疲劳韧性，而一些非金属材料则较低。
2.载荷特性：载荷的频率、幅值和载荷类型（拉伸、压缩、扭转等）对机械零件的疲劳强度和疲劳断裂有着重要影响。
高频率和大幅度的载荷容易导致疲劳断裂。
3.制造工艺：制造过程中的缺陷（如裂纹和夹杂物）会使机械零件的疲劳强度降低，从而增加疲劳断裂的风险。
4.工作环境：工作环境中的温度、湿度和腐蚀等因素也会影响机械零件的疲劳强度和疲劳断裂。
如何评估机械零件的疲劳强度与疲劳断裂？评估机械零件的疲劳强度和疲劳断裂是一个复杂的过程，通常需要借助实验和数值模拟等方法。
1.实验方法：通过设计和进行疲劳试验，可以获取机械零件在不同应力载荷下的疲劳寿命和断裂情况。
实验方法可以帮助工程师确定不同材料和设计方案的疲劳强度，并提供实际应用中的可靠性数据。
2.数值模拟：利用计算机仿真方法，可以预测机械零件在特定工况下的疲劳强度和疲劳断裂情况。
数值模拟方法可以节省时间和成本，并帮助工程师在设计阶段优化零件的几何形状和材料选择。
如何提高机械零件的疲劳强度？为了提高机械零件的疲劳强度，可以从以下几个方面进行优化：1.材料选择：选择具有较高疲劳强度和疲劳韧性的材料，例如高强度钢、铝合金等。
应力应变、疲劳与脆断、断裂力学
和共 晶组 织 组 成 ， 有 少 量 的 Ｎｉｉ 。 随 着 钎 料 中 还 Ｂｏ相
ｃｎｌ ９ ｏ ｅ ６ ０的堆焊 试板 。试 验结 果表 明 ， 盲孔法 测量
Ｌｃｎ ｌ ９ ｎｏ ｅ ６ ０的焊接残余应力是可行的 。图 ７表 ３ ４ 参
分析。结果表 明， 值模 拟结 果 和试验 结 果 基 本 吻 数 合， 表明了数 值模 型的有效 性。在此基础 之 上 ， 平 对 序下 的变形模拟值 和测量值进行 了对 比。结果表 明，
二者吻合 良好 ， 最优与最差 的焊接顺 序得 到的变形量 板对接接头试样进行 三维有 限元分析和 正交试验 ， 分 分别为 １． ２和 ２． ７ ｌ 降低 了 ４ ％ ， ５１ ８ ４ ｌ ｍｉ， ７ 为实 际生产 析打底焊道尺寸 、 口角度 、 坡 对接 间隙大小 对焊接 接 提供 了可靠的数值预测依据 。图 ８表 ３ ８ 参
焊 工 常 常 要 面对 焊 接变 形 问题 （ 接 电 弧 产 生 的 焊
应 力应变 、 疲劳 与脆 断 、 断裂 力学
析／ 孟工戈 …／ 焊接学报．２０ ，０ １ ） ４ ￣４ ／ －０ ９ ３ （０ ： ５ ８
镍基合金在核 电设施的建设中应用 广泛 ， 但对 其
ｎ ｏ ｄ ６ ０为 主， 对 针 利用 扫 描 电 子 显 微 镜 （Ｅ 、 谱 分 析 仪 焊后残余应 力研 究 较少。以 Ｉｃｎ ９ Ｓ Ｍ） 能 盲孔法测量镍基合金残余应力的影响 因素进行研究 ， （ ｘ） 电子拉伸试 验机对 Ｂ－ Ａ －． Ｎｉ ． Ｃｒ ． Ⅱ） 、 ｉ ｇ０ ４ － ２ ｔ０ １ ｘ ０ Ｃ （ ＝２５ ８ １ ，４ 高温无铅钎料／ － ｘ ， ， ，１ １ ） ｅ 铜接头进 行 了界 确定 了 Ｉｃｎｌ ９ ｎ ｏ ｅ ６ ０合适的孔 片配合 ． 定 了 Ａ， 标 Ｂ系 面微 观组织分 析 、 抗剪强度测试及剪切断 Ｉ分析 。结 数， ＝ １ 并用所选定 的孔 片配合 与标 定系 数 实际测量 Ｉ－ ｎ
结构疲劳与断裂分析-SN曲线
SN曲线: 英文名称：SN curves 定义：在循环应力中给定应力比或平均应力时，材料或构件的疲劳寿命N与应力幅值S的关系曲线。
应力水平（S）用R和Sa描述。
寿命（N）为到破坏的循环次数。
研究裂纹萌生寿命，“破坏”定义为：1.标准小尺寸试件断裂。
脆性材料2.出现可见小裂纹, 或可测的应变降。
延性材料一．基本S-N曲线：用一组标准试件，在R=-1下，施加不同的Sa，进行疲劳试验，可得到S-N曲线。
二．S-N曲线的数学表达S N=C1) 幂函数式m其中m与C是与材料、应力比、加载方式等有关的参数。
二边取对数，有:lg S=A+B lg NS-N间有对数线性关系；参数A=LgC/m, B=-1/m。
e N=C2) 指数式：ms其中m与C是与材料、应力比、加载方式等有关的参数。
二边取对数后成为：S=A+B l g N （半对数线性关系）三．数据拟合在数据拟合过程中采用幂函数式，用成组法测定二参数S-N曲线时，一般是在4~5级应力水平下进行疲劳试验，在每级应力水平下试验一组试样。
应力水平的选定，应使试验点处在高周疲劳区[N>（1~5）×104次循环]，并位于拐点以前。
试验顺序可以任意选择，但由于高应力水平的疲劳寿命远比低应力水平为低，摸索合适的应力水平比较省时，所以习惯于由高到低。
试验后将对数疲劳寿命的中值或均值在双对数坐标上进行线性回归，即可得出S-N曲线的斜线部分。
将此斜线与由疲劳极限确定出的水平线光滑相连，即可得出S-N曲线的斜线部分。
将此斜线与由疲劳极限确定出的水平线光滑相连，即可得出完整的S-N曲线。
1）数据处理在excel中用log10函数将所给的应力与循环次数数据表取对数得到一组新的数据表，进而可以根据数据进行线性拟合。
2）数据拟合幂函数式下拟合模型如下Lg SS f34567Lg N将处理好的数据通过matlab进行数据拟合得到线性方程，从而确定其中的参数m，C。
程序如下Lgs=[]Lgn=[]save lgs>> save lgn>> load lgs>> load lgnfunction sna=[2.77815125 4.301029996 2.77815125 4.2787536012.77815125 4.6334684562.740362689 4.4913616942.740362689 4.9493900072.740362689 4.9684829492.698970004 4.4913616942.698970004 5.3242824552.698970004 5.2787536012.67669361 5.0374264982.67669361 5.0086001722.67669361 5.4927603892.653212514 5.0755469612.653212514 6.0211892992.653212514 5.1172712962.62838893 5.8926510342.62838893 6.8573324962.62838893 6.8926510342.602059991 5.1003705452.602059991 6.1335389082.602059991 72.574031268 5.3521825182.574031268 5.7489628612.574031268 6.6637009252.574031268 5.7520484482.574031268 72.544068044 5.4913616942.544068044 5.8000293592.544068044 6.6127838572.544068044 6.9400181552.544068044 72.511883361 5.9493900072.511883361 6.5575072022.511883361 72.511883361 72.574031268 8.4927603892.544068044 8.6972293432.511883361 8.296665192.511883361 8.3919];x=a(:,2);y=a(:,1);plot(x,y,'.r');hold onc=4.301029996:0.2:8.501d=-0.4614*c+2.899;plot(c,d)e=[2.511883361 2.511883361]西北工业大学研究生院学 位 研 究 生 课 程 考 试 试 题考试科目：结构疲劳与断裂分析 课程编号：056005 开课学期： 第一学期 考试时间：2012.12 说 明：所有答案必须写在答题册上,否则无效。
应力疲劳法,应变疲劳法,断裂疲劳法
应力疲劳法,应变疲劳法,断裂疲劳法应力疲劳法、应变疲劳法和断裂疲劳法是材料科学和工程领域中常用的疲劳试验方法。
这些方法可用于评估材料在长期重复加载下的疲劳性能，以及预测材料的寿命。
下面将分别介绍这三种疲劳试验方法及其应用。
一、应力疲劳法应力疲劳法是通过施加周期性的应力加载来评估材料的疲劳性能。
在应力疲劳试验中，材料会在一定的应力水平下进行重复加载，加载过程中记录应力和应变数据。
通过分析应力-应变曲线，可以得到材料的疲劳寿命和疲劳强度。
应力疲劳法可以用于评估金属材料、复合材料和橡胶等各种材料的疲劳性能。
二、应变疲劳法应变疲劳法是通过施加周期性的应变加载来评估材料的疲劳性能。
在应变疲劳试验中，材料会在一定的应变幅值下进行重复加载，加载过程中记录应力和应变数据。
通过分析应力-应变曲线，可以得到材料的疲劳寿命和疲劳强度。
应变疲劳法在评估纤维增强复合材料等材料的疲劳性能时，具有一定的优势。
三、断裂疲劳法断裂疲劳法是通过施加循环加载并观察材料破裂的方式来评估材料的疲劳性能。
在断裂疲劳试验中，材料会在一定的加载循环数下进行重复加载，加载过程中记录应力和位移等数据。
通过分析应力-位移曲线，可以得到材料的疲劳寿命和疲劳强度。
断裂疲劳法适用于评估金属材料、混凝土和岩石等材料的疲劳性能。
这三种疲劳试验方法在实际工程中有着广泛的应用。
例如，在航空航天领域，疲劳性能是评估飞机部件和发动机部件可靠性的重要指标之一。
通过应力疲劳法、应变疲劳法和断裂疲劳法，可以对材料在复杂载荷下的疲劳行为进行研究，提高航空器的安全性和可靠性。
疲劳试验方法还可以应用于材料的研发和设计过程中。
通过对不同材料的疲劳性能进行评估，可以选择合适的材料用于特定的工程应用，提高产品的寿命和可靠性。
同时，疲劳试验方法也可以用于研究材料的疲劳机制和损伤演化规律，为材料的改进和优化提供科学依据。
应力疲劳法、应变疲劳法和断裂疲劳法是评估材料疲劳性能的重要方法。
这些方法可以通过施加不同的加载方式，对材料的疲劳寿命和疲劳强度进行评估，为工程应用和材料设计提供依据。
应力应变、疲劳与脆断、断裂力学
应 力应 变 、 劳与脆 断 、 疲 断裂力 学
２０４６ Ｘ ０管 线 钢 焊接 接 头 Ｓ Ｃ 研 究 及 数 值 模 ０７０ ７ ８ ＳＣ 拟 ， 炳 英 … ， 接 学 报 ． ０ ７２ （）７ ～７ 王 ， 焊 。 ０ ，８ １ ：３ ６ ２
的钝 化 区间 较 长 ， Ｈ １ 液 中 的 钝 化 区 间 很 短 暂 ， 在 Ｃ溶
Ｍ ａ， Ｐ ） 同时对焊缝金属的低温韧性影响不大 ； 小于 １ １ ． ｗ％的铜在不降 低焊 缝金 属低 温冲击 韧性 的前 提下 ｔ 能有效地提高强度 。图 ６表 ３ １ 参 ４ ２０４６ 表 面纳米 化 ０ ｒ８ ＇Ｔ 焊接 接头抗 应 力 Ｏ７Ｏ ６ Ｃ ｌＮ ｉ Ｏ 腐蚀性能， 王志平 …， 接学报 ． ０７ ２ （）５— ， 焊 ． ０ ，８ １ ： ８ ２ 采用 超音速微 粒轰击 （ｕｅ ｏｉ ｐｒｃ ｓｂｍ ａ — ｓｐｒ ｎ ａ ｉｅ ｏ ｂｒ ｓ ｃ ｔｌ ｄ ｉ ｎ 技 术 对 ０ ｒ８ ｉ ｉ Ｃ ｌＮ９ 不锈 钢焊 接 接 头表 面 进 行 处 Ｔ 理， 利用金 相显微镜 和透射电镜对材 料表面 的微观组 织进行 分析 ， 利用恒载荷应力腐蚀装 置测量 了表 面 并 处理后焊接接 头抗 应力腐蚀情况 。结果表 明 ， 经超 音 速微粒轰击处理 ， 样品表 层以下 印 舯 区域 的晶粒细
纹 尖 端 应 力 场 分 布 和 氢浓 度 的 分 布 特 征 。结 果 表 明 ，
焊缝根部 ，对管子 与管板 连接失 效 影 响较 大。相邻 两换热 管 之 间，由于后 面 换热 管 的焊 接 加 热作 用 ，
热影响 区的 蛾 最 小 ， 纹扩展 速率最 大， 有较差 裂 具 的抗应力腐蚀开裂 的能力 ， 应力腐蚀试验 结果与有 其
4.疲劳与疲劳断裂解析
2
4
1 疲劳断裂的基本形式和特征
2
5
1 疲劳断裂的基本形式和特征
1、正断疲劳失效
正断疲劳的初裂纹，是由正应力引起的。 正断疲劳的特点是：初裂纹所在平面大致上与应力轴相垂直。 大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以此种形式进行的。特别是 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容易得到满足，但当表面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，正断疲劳裂纹也易在 表面产生。
2
7
1 疲劳断裂的基本形式和特征 1.2 疲劳断裂失效的一般特征
1、疲劳断裂的突发性
疲劳断裂虽然经过疲劳裂纹的萌生、亚临界扩展、失稳扩展三个元过程， 但是由于断裂前无明显的塑性变形和其它明显征兆，所以断裂具有很强的突发性 。即使在静拉伸条件下具有大量塑性变形的塑性材料，在交变应力作用下也会显 ～ 示出宏观脆性的断裂特征。因而断裂是突然进行的。
疲劳与疲劳断裂
1
绪言
金属在循环载荷作用下，即使所受的应力低于屈服强度，也会发
பைடு நூலகம்
生断裂，这种现象称为疲劳。
疲劳断裂，一般不发生明显的塑性变形，难以检测和预防，因而机
件的疲劳断裂会造成很大的经济以至生命的损失。
疲劳研究的主要目的：为防止机械和结构的疲劳失效。
2
疲劳断裂引起的空难达每年100次以上
国际民航组织 (ICAO)发表的
“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。(不包括中、苏) 工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破坏的5090%，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。
应力应变、疲劳与脆断、断裂力学
表 明 ， ｅＡｌＱ２ ５扩 散 焊 界 面 断 裂 位 置 靠 近 Ｆ 。 Ｆ。 ／ ３ ｅＡｌ
一
得 结 果 可 以进 行 残 余 应 力 预测 。 图 １ Ｏ参 ６
侧， 剪切断 口为解理 断裂 ， 随少 量 的韧性断裂 特 伴
２ ０ ５ ８ 管 对 接 全 位 置 焊 应 力 应 变 场 三 维 有 限 元 ０６ ０ ０
采 用 脉 冲 弧 焊 或 电 子 束 焊 对 热 输 入 的 限 制 能 够 避 免 形 成 具 有 不 良组织 的 脆性 段 ， 保 证 使 宇 航 技 术 设 备 并
的零 件 在 广 泛 温度 范 围 （０ ０ 的极 端 运 行 条 件 ２ ￣５ ０Ｋ） 下 获 得 满 意 的 破 坏 强 度 和 破 坏 韧 性 。工 业 试 验 和 在
紧密 、 切 强 度 １ ２ ３ＭＰ 剪 １ ． ａ的 Ｆ ３ ／ ３ ｅＡ１Ｑ２ ５接 头 。 图 ３表 ２参 ７
７ ８ ６， ４
基 于有 限 元 分 析 软 件 ＡＮＳ Ｓ 对 Ｓ ３ ９ Ｙ ， Ａ３ ５Ｐ １钢 管 全 位 置 对 接 打 底 焊 温 度 场 和 应 力 应 变 场 进 行 了 三 维 数 值 模 拟 。建 立 了 焊 接 瞬 态 温 度 场 和 应 力 应 变 场
［ ］ Ｊａｙ ． ．／ Ｂｏ Ｔｃａ Ｋ． ２０ ， ３ ． 俄 ／ｌ６ｐＴ Ｍ ／ Ａ Ｔｍ ．Ｂｐａ 一 ０ ３ （ ） 一
２ ６～ ３ Ｏ
焊 接 残余 应 力 和 变 形 之 间 存 在 着 确 定 关 系 ， 者 二
可 通 过 焊 接 过程 中产 生 的 非 协 调 应 变 联 系 起 来 ， 究 研
通 过 改 善 晶 体 和 晶 粒 边 界 的 组 织 状 态 可 以实 际 控制 １２ 和 １６ ４１ ４０铝 锂 合 金 焊 接 接 头 的 强 度 和 韧 性 。
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。
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4.疲劳与疲劳断裂解析
3 疲惫断口形貌及其特征
2
25
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
应力应变、疲劳与脆断、断裂力学
貌为 主。图 ５表 ５参 ６ ２ ０ ５ ８ 刹车减速 度对摩 擦焊接头韧 性 的影 响／ ０８０３ 朱
图１ ４ ３ 表 参
２ ０ ５ ８ ６ ６ ０ ８ ０ ０ ０ １铝合金平 板对接 焊接接 头拉伸 性能 海 …／ 热加工工艺．２ ０ ，７ ９ ：５ ７ ／ 一０ ８ ３ （ ） ７ ￣７
头组织与基体相同 ， ７ 由 ＋７网状组 织和少 量碳 化物
接头 ９０℃持 久强 度超过 １８ＭＰ ， 到基体 ８ ２ ａ达 采用柯尔莫哥 洛夫 一斯米尔诺夫检验 法（ ＿ Ｋ Ｓ检 组成 ， ０ Ｌ 验法）对 ｌＣ Ｎ３ Ｖ钢埋 弧焊 接 头的冲击 吸收功 强度 的 ８ 以上 。Ｔ Ｐ扩散焊接 头经过高 温长时 间 ， Ｏｒ ｉ Ｍ０ 接头室温、 高温抗拉强度与基体更 接近 ； 室温 （ ） Ａｈ 的概率分布进行 了研 究 。结果 表 明， ｈ Ａ 的概率 使用后 ， 高温抗拉断 口以韧窝形 统计 分布为正 态 分 布 ， 应 可靠 度 为 ０ ９ ０ ９ ５和 抗拉断 口以准解理形貌为主 ， 对 ． ，． ７
并 在焊后按母材 热处理制度进行 固溶 时效处理 ， 可获
专为 Ｄ ３ Ｄ 设计的Ｘ ４ Ｈ Ａ中间层合金， Ｄ ３ 对 Ｄ 进行了 模拟的方法对熔焊接头的应力和应变进行了分析和
中不可 能存在残余压缩塑性变形 ， 从而对消 除残余应
力 的方法进行 了重 新论 述 。为 了分 析关于 焊缝 和近 缝 区纵 向残余应力及 纵 向塑性应变 的分 布 。 用数值 采
为 了实现 Ｄ ３ 晶合 金 叶片 的优质 连接 ， 用 Ｄ 单 采 Ｔ 扩散焊试验 。在 １ ４ 】 ０℃／ 的规范下扩散焊 ， ２ ４ｈ
应力应变、疲劳与脆断、断裂力学
接 头热影 响区冲击试样 的冲击 吸收能 量与断 口剪 切
面积基本成 线性 比例关系 ， 冲击 吸收能量越 高 ， 切 剪
面积越 大 。焊接接头热影 响 区冲击试 样的断 口由韧
性 区、 性 区和韧脆混合 区组 成 。脆性 区为 解 理 断 脆
Ｈ ｓ应力腐蚀 开裂性能／ ： 郭志军 …／ 材料保 护．２ ０ ， ／ －０ ９
材料在 Ｈｚ Ｓ介质 中的 临界应 力强 度 因子 Ｋｍｃ ３ 值 ８
ＭＰ ｍ ， ａ・ 对 － 有 一 定 的敏 感 性 ， 为 用 该 材 料 ｃ 认
钢焊条 还是 Ｉｃｎ１ ２ 基焊 条 ，Ｃｒ８ ９ ２ ｎｏ ｅ８ 镍 Ｏ １Ｎｉ／ Ｏ钢 和 ｉ ｒＭｏ ２ 钢焊接接 头中最大 的轴 向残余应 力 和环 Ｃ Ｓ ／０
能， 与基 材 附 着 良好 且 硬 度 高 。与 聚 氨 酯 涂 层 Ｐ 相 Ｕ
２ １ １６ Ｘ Ｏ管线钢焊接 接 头热 影响 区的 冲击 性 ０ ０ ０６ Ｔ
能／ 卫 平 … ／ 理 化 检 验 ： 理 分 册 ．２ ０ ， ５ ５ ： 蔺 ／ 物 一０ ９ ４ （ ）
２３ ２６ ７ ～ ７
利 用 附 着 力 及 铅 笔 硬 度 测 试 、 泡 试 验 、 雾 试 浸 盐
验、 电化学试验 等方 法对 Ａ ９Ｄ镁 合金 表 面的 聚氨 Ｚ１ 酯涂层及 环氧聚氨酯涂层形貌和性能进行 了研究 ， 并 对二种涂层的腐蚀 保 护效果及机理 进行 了探 讨 。结 果表 明， 这二种涂层都 能显著提高 镁合 金的 耐腐蚀性
７ ６
罐， 由于液体烃 中常含 有水分和硫 化氢 ， 材料在湿 该 硫化氢环境 中 的耐 蚀 特性 尚不明确 。对采 用 回火焊 道 的焊接接 头 ， 经恒 负 荷拉伸 、 应 变 、 接 约束试 恒 焊
疲劳破坏产生的条件,疲劳断裂过程
疲劳破坏产生的条件,疲劳断裂过程一、疲劳破坏产生的条件疲劳破坏是材料在交变应力作用下，在应力远低于其静态强度极限下，由于交变应力的作用而引起的破坏现象。
在工程材料中，由于外力交变作用引起的疲劳破坏是一种常见的破坏形式。
疲劳破坏产生的条件主要包括：交变应力和循环次数。
1. 交变应力：材料在外力作用下，会产生应力。
当外力是交变应力时，材料内部会产生周期性的应力变化，这种交变应力会导致材料疲劳破坏的产生。
交变应力的大小和频率直接影响着材料的疲劳寿命，如果交变应力的幅值过大或频率过高，就会加速材料的疲劳破坏过程。
2. 循环次数：材料在外力作用下，经历了多个循环过程，每个循环过程都会对材料产生一定的影响。
当循环次数达到一定数量级时，材料就会发生疲劳破坏。
循环次数也是造成材料疲劳破坏的重要条件之一。
二、疲劳断裂过程疲劳断裂是由于材料在受到交变应力作用下，经历了很多次的应力循环后，最终导致材料断裂的现象。
疲劳断裂过程主要包括疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展和终期疲劳断裂三个阶段。
1. 疲劳裂纹萌生：在外力作用下，材料表面会逐渐出现微小的裂纹，这些微小的裂纹称为疲劳裂纹。
这些裂纹通常在材料表面的晶界、夹杂物的周围或应力集中的区域产生。
疲劳裂纹的萌生是疲劳断裂的起始阶段，也是疲劳破坏的先导阶段。
2. 疲劳裂纹扩展：一旦疲劳裂纹产生，它们会随着应力的循环不断扩展。
每个循环过程都会使裂纹的长度增加，最终导致了材料的疲劳断裂。
在这个阶段，裂纹的扩展速度通常会随着循环次数的增加而逐渐加快。
3. 终期疲劳断裂：当裂纹扩展到一定长度时，材料就会发生终期疲劳断裂。
在这个阶段，材料的剩余截面积已经无法承受外力的作用，最终导致了材料的断裂。
终期疲劳断裂是疲劳破坏的最终阶段，也是材料的寿命终结阶段。
个人观点和理解对于疲劳破坏产生的条件和疲劳断裂过程，我认为在材料设计和工程应用中，我们需要仔细考虑外力的交变作用和循环次数对材料的影响，选择合适的材料和工艺，以延长材料的疲劳寿命。
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。
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。
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。
应力应变、疲劳与脆断、断裂力学
２ ０ ６３ 引 线 间距 对 Ｑ Ｐ焊 点 的 可 靠 性 影 响 的 有 ０８ ０ ３ Ｆ 限 元分 析／ 盛 重 …／ 焊 接学报．２０ ， ９ ５ ： ￣８ ／ 一 ８ ２ （）８ ０ ５ ８
利 用 热 弹 塑 性 有 限 元 方 法 对 薄 壁 铝 简 纵 直 焊 缝
ＴＩ 焊 进 行 了数 值 模 拟 计算 ， 立 了分 析 模 型 ， 量 Ｇ 建 定 地 描 述 了准 稳 态 温 度 场 和残 余 应 力 场 计 算 数 值 以 及 在 整 个 圆筒 上 的分 布 情 况 ， 进 行 了 试 验 验 证 。结 果 并 表 明 ， 接 时 热 源 周 围 极 窄 区域 温 度 高 、 度 大 ， 开 焊 梯 离
／ 者 昌／ 焊 接 学 报 ．２ ０ ， ９ ６ ：３ ７ 王 ／ －０ ８ ２ （） ７ ～ ６
在 焊接 加热 和 冷却 过 程 中 ， 成焊 件 的 小 窄 条 之 组 间不 可 能存 在 完 全 刚 性 拘 束 ， 面 不 可 能保 持 平 面 ， 端 会 分 别 产生 凸 出 和 凹进 ， 截 面 假 设 不 成 立 。 不 用 平 平 截 面假 设 也 可 以 得 到类 似 的 焊 接残 余 应 力 分 布 。 焊 缝 不 存 在残 余 压 缩 塑 性 应 变 。 存 在 拉 伸 应 变 ， 缝 只 焊 和近 缝 区残 余 压 缩 塑 性 应 变 分 布 和大 小 的 传 统 观 点 不 成 立 。提 出新 的 近 似 用 熔 池 最 宽 处 温 度 分 布 表 示
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已知Sf 和 Su, S-N曲线用 Sm.N=C 表达。
假定1：寿命 N=103时，有： S103=0.9Su； 高周疲劳：N>103。 Lg S
Su
假定2：寿命N=106时，
S106=Sf=kSu, 如弯曲时，k=0.5。
Sf 0 1 2 3 4 5 6 7 Lg N
故由S-N曲线有： (0.9Su)m×103=(kSu)m×106 =C 参数为： m=3/lg (0.9/k)； C=(0.9Su)m×103
2.2 平均应力的影响 S
R，Sm；且有： Sm=(1+R)Sa/(1-R) R的影响Sm的影响
1) 一般趋势
Sa不变，R or Sm；N ； N不变，R or Sm；SN ;
Sm
R=0 t R=-1/3 R=-1
Sa R 增大 Sm<0 Sm=0 Sm>0 N
Sm>0, 对疲劳有不利的影响； Sm<0, 压缩平均应力存在，对疲劳是有利的。 喷丸、挤压和预应变残余压应力提高寿命。
2） Sa-Sm关系
如图，在等寿命线上， Sm，Sa； SmSu。
Haigh图: (无量纲形式) N=107, 当Sm=0时，Sa=S-1；
当Sa=0时，Sm=Su。 Gerber： (Sa/S-1)+(Sm/Su)2=1 Goodman： (Sa/S-1)+(Sm/Su)=1
对于其他给定的N，只需将S-1换成Sa(R=-1)即可。 利用上述关系，已知Su和基本S-N曲线，即可估计 不同Sm下的Sa 或SN。
Sa
R=0
重画Sa-Sm关系图。
S-1
Ah
射线斜率k, k=Sa/Sm；又有
B
k
R=1
R=Smin/Smax =(Sm-Sa)/(Sm+Sa) O
Su C Sm
m与C是与材料、应 力比、加载方式等有关 Lg S
的参数。
二边取对数，有: lg S=A+B lgN
Sf 3 4 5 6 7 Lg N
S-N间有对数线性关系；
参数 A=LgC/m, B=-1/m。
2) 指数式 . em s N=C
S
二边取对数后成为：
S=A+B lg N
（半对数线性关系）
Sf 3 4 5 6 7 Lg N
S
用一组标准试件，在R=-1下，SN
施加不同的Sa，进行疲劳试
验，可得到S-N曲线。 疲劳强度(fatigue strength) SN：
103 104 105 106 107 Nf
S-N曲线上对应于寿命N的应力，称为寿命为N循环 的疲劳强度。
疲劳极限(endurance limit ) Sf：
寿命N趋于无穷大时所对应 的应力S的极限值 Sf。
实验在(0.3-0.45)Su之间
扭转载荷作用下的疲劳极限可估计为：
Sf(torsion)=0.577Sf(benting)=0.29Su
实验在(0.25-0.3)Su之间
高强脆性材料，极限强度Su取为 b ；
延性材料,
Su取为 ys。
注意，不同载荷形式下的Sf和S-N曲线是不同的。
2)无实验数据时S-N曲线的估计(供初步设计参考)
(Sa/Sa(R=-1))+(Sm/Su)=1 可解出： Sa(R=-1)=568.4 MPa
4. 估计构件寿命
对称循环(Sa=568.4, Sm=0)条件下的寿命，可 由基本S-N曲线得到，即
N=C/Sm=1.536×1025/568.47.314=1.09×105 (次)
3) 等寿命疲劳图
D R= -1
Sf MPa
旋 800
转
弯
曲 500
疲
劳
极 限
200
Sf /Su =0.5
AB
Sf=700
分散在(0.3-0.6)Su间
0
500 1000 1500
材料极限强度 Su MPa
Sf(bending)=700MPa 常用金属材料数据图
(Su >1400MPa)
轴向拉压载荷作用下的疲劳极限可估计为：
Sf(tension)=0.7Sf(benting)=0.35Su
2.1 S-N曲线
应变 e
应力水平（S）用R和Sa描述。 寿命（N）为到破坏的循环次数。
研究裂纹萌生寿命，“破坏”定义为：
1.标准小尺寸试件断裂。
脆性材料
2.出现可见小裂纹, 或可测的应变降。延性材料
基本S-N曲线：
R=-1 (Sa=Smax)条件下得到的S-N曲线，是材料的 基本疲劳性能曲线。
1. 一般形状及特性值
第二章 应力疲劳
2.1 S-N曲线 2.2 平均应力的影响 2.3 影响疲劳性能的若干因素 2.4 缺口疲劳 2.5 变幅载荷谱下的疲劳寿命 2.6 随机谱与循环计数法
应力疲劳: Smax<Sy， Nf>104， 也称高周疲劳。
应力 s
Sy
应变疲劳: Smax>Sy， Nf<104， 也称低周应变疲劳。 o
3) 三参数式 (S-Sf)m.N=C
考虑疲劳极限S力疲劳，适合于 N>103-104。
3. S-N曲线的近似估计
1)疲劳极限Sf与极限强度Su之关系
斜线OA+水平线AB R=-1，旋转弯曲时有：
Sf(bending)=0.5Su
(Su <1400MPa)
若基本S-N曲线用幂函数式 SmN=C 表达，则 m=3/lg(0.9/k)=7.314 ； C=(0.9Su)m×103=1.536×1025
3. 循环应力水平等寿命转换
利用基本S-N曲线估计疲劳寿命，需将实际工 作循环应力水平, 等寿命地转换为对称循环下的应 力水平Sa(R=-1)，由Goodman方程有：
“无穷大”一般被定义为： 钢材，107次循环； 焊接件，2×106次循环； 有色金属，108次循环。
S
SN Sf 103 104 105 106 107 Nf
特别地，对称循环下的疲劳极限Sf(R=-1)，简记为S-1.
满足S＜Sf的设计，即无限寿命设计。
2. S-N曲线的数学表达
1) 幂函数式
Sm.N=C
例2.1: 构件受拉压循环应力作用，Smax=800 MPa, Smin=80 MPa。 若已知材料的极限强度为 Su=1200 MPa，试估算其疲劳寿命。
解： 1. 工作循环应力幅和平均应力： Sa=(Smax-Smin)/2=360 MPa Sm=(Smax+Smin)/2=440 MPa
2. 估计对称循环下的基本S-N曲线： Sf(tension)=0.35Su=420 MPa