疲劳断裂总结

第三部分疲劳断裂

疲劳断裂是金属结构失效的一种主要型式，典型焊接结构疲劳破坏事例表明疲劳断裂几率高，具有广泛研究意义。疲劳破坏发生在承受交变或波动应变的构件中，一般说来，其最大应力低于材料抗拉强度，甚至低于材料的屈服点，因此

断裂往往是无明显塑性变形的低应力断裂。

疲劳断裂过程的研究表明，疲劳寿命不是决定于裂纹产生，而是决定于裂纹增大和扩展。因此，本章将在介绍疲劳断裂的基本特征和基本概念基础上，利用断裂力学原理着重分析疲劳裂纹的扩展机理、规律、影响因素及疲劳寿命估算。

§3-1疲劳的基本概念

在交变载荷作用下，金属结构产生的破坏现象称为疲劳破坏。为防止结构在工作时发生疲劳破坏传统疲劳设计采用σ―N曲线法确定疲劳强度。

一、应力疲劳和应变疲劳

1、应力疲劳

在低应力、高循环、低扩展速率的疲劳称为应力疲劳，也叫弹性疲劳。七特

点是在应力循环条件下，裂纹在弹性区内扩展，且裂纹扩展速率低。

2、应变疲劳

在高应力、低循环、高扩展速率下的疲劳称为应变疲劳，也叫塑性疲劳。其

特点是应变幅值很高，最大应变接近屈服应变，故疲劳裂纹扩展速率高（达每次循环10-2mm），寿命短（小于104周）。

二、疲劳强度和疲劳极限

1、乌勒（W?hler）疲劳曲线

（1）结构在多次循环载荷作用下，在工作应力σ（σmax）小于强度极限σb时即破坏，在不同载荷下使结构破坏所需的加载次数N也不同，表达结构破坏载荷σ和所需加载次数N之间的关系（σ―N）即为乌勒（W?hler）疲劳曲线。

（2）疲劳曲线在加载次数N很大时趋于水平，若以σ―lgN表示则为两段直线关系

（3）图示（略）

2、疲劳强度（条件疲劳极限）

（1）疲劳曲线上对应于某一循环次数N的强度极限σ即为该循环下的疲劳强度（σr）

（2）σr =f（N）σr对应σmax，一般N<107

3、疲劳极限

（1）结构对应于无限次应力循环而不破坏的强度极限即疲劳极限

（2）为σ―lgN疲劳图中的水平渐近线

三、应力循环特性

1、应力循环中各参数及应力循环特性系数

①σmax―应力循环中最大应力值，σmax=σm+σa

②σmin―应力循环中最小应力值，σmin=σm-σa

③σm=（σmax+σmin）/2--应力循环中平均应力值

④σa=（σmax-σmin）/2―应力循环中应力振幅

⑤ r=σmin/σmax―应力循环中应力循环特性系数

2、特殊循环特性

(1)对称交变载荷，r=-1，疲劳强度σ-1

(2)脉动载荷，r=0，疲劳强度σ0

(3)拉伸变载荷，0

拉伸变载荷σmin和σmax均为拉应力，但大小不等，0<γ<1，其疲劳强度用σr，脚标γ用相应的特性系数表示。

图4疲劳强度和疲劳极限图5具有不同循环特征的变动载荷

四、疲劳强度表示法

为了表达疲劳强度和循环特性之间关系，可绘出下列几种形式的疲劳图，从其图中可得出各种循环特性下的疲劳强度，表示某种材料疲劳性能。

1、疲劳图概念

表示在一定循环次数下疲劳强度σr与应力循环特性系数r之间关系的曲线即疲劳图，有四种表示法：σmax―r、σmax―σm 、σa―σm、σmax―σmin。

2、疲劳图意义

（1）工程上可用疲劳图查找疲劳强度用于结构设计

（2）用于疲劳断裂机理探讨

3、疲劳强度表示法

已知应力循环特性r要求会用疲劳图求疲劳强度σr，并熟练掌握特殊循环特性的疲劳强度σ1、σ0、σ-1。

（1）σmax―r

σmax和r表示的疲劳图(如图6所示)，它能直榜的将σmax和r的关系表示出来。

（2）σmax―σm

用σmax和σm表示的疲劳图如图7所示，横坐标表示平均应力σm，纵坐标表示应力σmax和σmin，在与水平线成45角的方向绘一虚线，将振幅的数值σ

a对称地绘在斜线两侧，两曲线相交于C点表示振幅σa=0，其疲劳强度为静载强度σb，线段ON表示对称循环时的疲劳强度σ-1，此时σm等于零，线段O1N 1表示脉动循环时疲劳强度σ0。从该疲劳图上可以用作图法求出任何循环特性系

数(r)下的疲劳强度，自0点作一与水平线成α角的直线，使tgα=σmax/σm=2σmax/（σmax+σmin）=2/（1+r）则直线与图形上部曲线交点的纵坐标就是r 循环特性下的疲劳强度σr。

（3）σa―σm

用σa和σm表示的疲劳图如图8所示。横坐标为σm，纵坐标为σa，曲线上各点疲劳强度σr=σa+σm。纵坐标A交点为对称循环时疲劳强度σ-1，横坐标B交点为静载强度σb，从0作45射线与曲线交点C表示脉动循环，其疲劳强度σ0=σa+σm=2σa=2σm。若自0点作α角射线与曲线相交，并使tgα=σa/σm=（1-r）/（1+r），则交点的σa+σm=σr，即为r时的疲劳强度。

（4）σmax―σmin

用σmax和σmin表示的疲劳图如图9所示，由原点0出发的每条射线代表一种循环特性，如原点向左与横坐标成45°的直线表示交变载荷，r =σmim/σmax=-1，它与曲线交于B点，BB1即为σ-1；向右与横坐标成45的直线表示静载r=l，它与曲线交于D点DD1即为静载强度σb，而纵坐标本身又表示脉动载荷r =0，CC1即为σ0。

图6用σmax和r表示的疲劳图图7用σmax和σm表示的疲劳图

图8用σa和σm表示的疲劳图图9用σmax和σmin表示的疲劳图（5）实例

图10为σmax―σmin疲劳图应用实例。该钢种的静载强度为60kgf/mm2(588Mpa)，200万次脉冲循环的疲劳强度为3lkgf/mm2(304Mpa)，而其交变载荷r = -1的疲劳强度为20kgf／mm2(196Mpa)。对于r=1/2疲劳强度，根据ADEC线的交点即可找出为42kgf／mm2等。同样在图上也可找出n=100万次的