疲劳与断裂(1)知识讲解
4.疲劳与疲劳断裂解析
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1 疲劳断裂的基本形式和特征
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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。
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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。
疲劳与断裂力学结构疲劳分析基础课件PPT
疲劳实验测定
耗时耗材
缺口对S-N曲线的影响
缺口敏感系数q
q K f 1 Kt 1
q的取值介于0到1之间，即：
0 q 1
如q=0，则：
Kf 0
无缺口效应
如q=1，则：
K f Kt 对缺口非常敏感
则有：
1 K f Kt
缺口大小和应力梯度对Kf的影响
峰值应力相同 材料损伤相同
平均应力水平较高 Kf较大
（5） 疲劳寿命 可 由 Kt=1.77 ， Sm=212.5MPa 时 拉 杆 的 S-N 曲 线 ， 查
取得到疲劳寿命为：
N=2.34×105
例 题 二 ： 如 图 所 示 一 含 中 心 孔 的 LY12-CZ 铝 合 金 板 ， 板 宽 W=50mm，孔直径D=8mm。名义应力谱见下表，试求其疲劳 寿命。
平均应力水平较低 Kf较小
材料极限强度对Kf的影响
缺口相同 峰值应力相同
低强度钢损伤区大 平均应力水平较低 Kf较小
高强度钢损伤区小 平均应力水平较高 Kf较大
由缺口敏感系数q的定义式可得
K f 1 (Kt 1)q
可见，由q和Kt可以求出Kf。
q的几种典型计算公式：
1、Peterson定义
q
1
解： 1) 修正Neuber方法
首先计算缺口的理论应力集中系数Kt，有: Kt=2.518
再由Peterson公式计算疲劳缺口系数Kf，有: Kf=2.348
最后由修正的Neuber公式计算缺口根部的最大应力 和最大应变。
2) 有限元方法
结论：1）中等塑性范围内，两者十分接近； 2）弹性范围内，Neuber解小于有限元解； 3）大塑性时，Neuber解也小于有限元解。
4.疲劳与疲劳断裂解析
3 疲惫断口形貌及其特征
2
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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
自然科学知识：材料和结构的疲劳和断裂
自然科学知识：材料和结构的疲劳和断裂在工程学领域中，材料的疲劳和断裂是非常重要而且常见的现象。
在使用过程中，不同材料经常会受到不同程度的负载作用，这种负载会导致材料在受力时间的不断变形和损耗，最终可能导致材料的疲劳或断裂。
因此，对于材料疲劳和断裂的研究和防范至关重要。
疲劳是指由反复的应力作用所引起的材料的损耗现象。
当材料受到周期性的应力加载时，材料会出现应力与时间相互作用的疲劳现象。
在材料的正常使用中，疲劳现象是经常出现的，它会使得材料的机械性能逐渐减退甚至最终崩溃。
疲劳引起的断裂主要有以下几种类型：1、疲劳龟裂疲劳龟裂是一种在交替应力作用下出现的微裂纹，一般从材料的表面开始，然后慢慢向内扩展，最终导致材料的断裂。
这种龟裂是通过应力循环来触发的，循环次数越多，龟裂就会越容易形成。
2、疲劳裂纹的扩展当材料遭到负载后，疲劳损伤的形成通常已经在开始阶段完成。
此时，如果继续加载，则已有裂纹将会扩展，导致更大的损伤。
这种情况在机械应用中是十分常见的。
3、中心断裂中心断裂是因为在应力集中区域的过度紧张，在短时间内发生的剪切然后导致在材料的中央产生一条缝隙，这样会在刚性区域出现明显的裂纹。
材料的断裂是指突然发生的材料破裂现象。
材料的断裂在许多行业中都是极为严重的问题。
材料的断裂常常是由过载引起的。
对于那些承受周期性应力的材料来说，这种过载主要来自于不当的使用或维护，未按照文档或建议的使用限制来操作的情况。
材料的疲劳和断裂通常与材料的结构有关。
材料的结构可以被看作是由一种材料元素的不同组合形成的。
这些元素可以是薄片、棒材、管道等形式。
材料的结构对于其对应的机械性能具有至关重要的作用。
当材料的结构发生损伤时，其对应的机械性能会相应地减弱，这也会影响材料的寿命。
为了避免材料的疲劳和断裂，一些重要的策略可供参考。
首先，在设计过程中，应当避免过度的负载和应力极值。
其次，材料的制造应尽可能地遵守相关的规范，以确保材料的质量和结构的稳定性。
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。
疲劳与断裂讲课课件
材料因素
材料类型
不同材料的疲劳性能和断裂韧性各不相同，如金属、塑料、陶瓷 等。
材料微观结构
晶粒大小、相组成、微观缺陷等都会影响材料的疲劳性能和断裂韧 性。
材料成分
化学成分的差异也会影响材料的疲劳性能和断裂韧性，例如合金元 素对金属的疲劳性能有显著影响。
环境因素
温度
01
温度对材料的疲劳性能和断裂韧性有显著影响，有些材料在高
热处理和表面处理
对材料进行适当的热处理和表面处理，以提高其力学性能和抗疲 劳性能，进一步增强结构的耐久性。
质量检测
进行严格的质量检测，确保每个制造环节都符合设计要求和质量 标准，及时发现并处理潜在的问题。
使用阶段
定期检查和维护
建立定期检查和维护制度，对关键部位进行重点检查，及时发现 并修复疲劳裂纹和损伤，以延长结构的使用寿命。
总结词
汽车疲劳断裂事故分析
详细描述
汽车疲劳断裂事故通常是由于汽车零部件在承受重复载荷和热载荷时发生的。这个案例将分析汽车的 结构设计、材料选择以及断裂发生的过程，并讨论如何通过疲劳试验和无损检测来评估汽车的疲劳寿 命。此外，还会讨论汽车维护和检查的重要性，以及如何预防疲劳断裂的发生。
THANKS
感谢观看
载荷分析
准确分析结构所承受的载荷，以确定疲劳和断裂的关键区域，从而 进行针对性的优化设计。
优化设计
采用先进的计算和分析工具，对结构进行优化设计，以降低应力集中 和改善受力分布，从而减少疲劳和断裂的风险。
制造阶段
加工制造
确保制造过程中的精确性和一致性，以减小制造误差和残余应力 ，从而降低疲劳和断裂的可能性。
温下容易发生蠕变或热疲劳。
湿度
02
疲劳断裂的特征分类及基础知识
No.1疲劳与断裂的概念1.疲劳：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。
2.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。
No.2疲劳断裂的分类1.高周疲劳与低周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10万次的疲劳，称为高周疲劳。
例如弹簧、传动轴、紧固件等类产品一般以高周疲劳见多。
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1万次的疲劳，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.应力和应变分析应变疲劳——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.按照载荷类型分类弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳、振动疲劳、微动疲劳。
No.3疲劳断裂的特征宏观：裂纹源→扩展区→瞬断区。
裂纹源：表面有凹槽、缺陷，或者应力集中的区域是产生裂纹源的前提条件。
疲劳扩展区：断面较平坦，疲劳扩展与应力方向相垂直，产生明显疲劳弧线，又称为海滩纹或贝纹线。
瞬断区：是疲劳裂纹迅速扩展到瞬间断裂的区域，断口有金属滑移痕迹，有些产品瞬断区有放射性条纹并具有剪切唇区。
微观：疲劳断裂典型的特征是出现疲劳辉纹。
一些微观试样中还会出现解理与准解理现象（晶体学上的名称，在微观显象上出现的小平面），以及韧窝等微观区域特征。
No.4疲劳断裂的特点（1）断裂时没有明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显的预兆，往往是突然性的产生，使机械零件产生的破坏或断裂的现象，危害十分严重。
（2）引起疲劳断裂的应力很低，往往低于静载时屈服强度的应力负荷。
疲劳断裂的特征分类及基础知识
疲劳断裂的特征分类及基础知识疲劳断裂是一种在重复加载条件下发生的一种损伤形式，可以导致金属及其合金材料的破坏。
疲劳断裂是由于应力集中、材料缺陷、环境影响等多种因素引起的。
以下是对疲劳断裂特征分类及基础知识的详细分析。
1.纵向疲劳断裂：当材料受到拉伸或压缩的加载时，在垂直于加载方向的平面上发生断裂，形成纵向疲劳断裂。
2.横向疲劳断裂：当材料受到扭转或剪切的加载时，在平行于加载方向的平面上发生断裂，形成横向疲劳断裂。
3.中心断裂：当材料受到拉伸或压缩的加载时，在距离加载部位较远的位置发生断裂，这种断裂称为中心断裂。
4.表面断裂：当材料受到磨损、腐蚀等外部因素的影响时，在材料表面形成断裂，这种断裂称为表面断裂。
1.疲劳载荷：是指在一个周期内作用于材料上的变化载荷，其特点是频率较高、幅值较小。
常见的疲劳载荷有交变载荷、脉动载荷和随机载荷等。
2.疲劳寿命：是指材料在一定的应力水平下承受疲劳载荷的循环次数，即能够承受多少次循环载荷而不发生疲劳断裂。
3.S-N曲线：是一种用来描述材料的疲劳性能的荷载寿命曲线。
它描述了应力幅值和循环次数之间的关系，一般呈现出下降递减的趋势。
4.疲劳裂纹：是指在材料使用过程中形成的裂纹。
疲劳裂纹的出现是由于材料在应力循环中发生屈服，导致局部塑性变形，从而形成裂纹。
5.疲劳断裂预测：为了避免材料在使用过程中发生疲劳断裂，科学家和工程师会进行疲劳断裂预测。
这个过程包括材料的疲劳性能测试、疲劳寿命预测和结构设计等。
总结起来，疲劳断裂是一种由应力集中、材料缺陷和环境影响等引起的金属材料破坏形式。
根据断裂的位置和形状可以将其分类为纵向疲劳断裂、横向疲劳断裂、中心断裂和表面断裂。
了解疲劳载荷、疲劳寿命、S-N曲线、疲劳裂纹以及疲劳断裂预测等基础知识有助于理解和预防疲劳断裂的发生。
研究和应用这些知识对于材料的设计和使用至关重要。
材料的疲劳与断裂ppt课件
·疲劳断裂通常发生在远低于材料静强度 的变动应力条件下出现，而且破坏前不 发生明显塑性变形，难以检测和预防。 造成的危害大。
2
什么是材料的疲劳？
·1939年法国工程师poncelet J.V ·在巴黎大学讲课时首先使用“疲劳”这一
1 4
按静强度设计，满足[b]，为什么还发生破坏？ 19世纪30-40年代，英国铁路车辆轮轴在轴肩处
（应力仅为0.4 ys ）多次发生破坏；
1954年1月, 英国慧星(Comet)号喷气客机坠入地中 海（机身在舱门拐角处开裂）；
1 5
大型汽轮机 转子
1 6
轴
叶轮
疲劳断裂破坏
wzhuoyt
术语，用来描述材料在循环载荷作用下 承载能力逐渐耗尽以致最后突然断裂的 现象。
3
什么是材料的疲劳？
在某点或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 (损伤 )或完全断裂的材料中所发生的 局部的永 久性结构变化的发展过程， 称为疲劳。 （P.143，第一段)
4
疲劳断裂的表现形式
·1． 按试样破断时应力（应变）循环周次高低分： 低周疲劳试验、高周疲劳试验。失效循环周次 大 于5X104的称为高周疲劳试验，小于5X104的 称 为低周疲劳试验。
·2． 按试验环境分：室温疲劳试验、低温疲劳试 验、高温疲劳试验、热疲劳试验、腐蚀疲劳试 验、接触疲劳试验、微动磨损疲劳试验等。
·3． 按应力的加载方式分：拉-压疲劳试验、弯 曲疲劳试验、扭转疲劳试验、复合应力疲劳试 验。
循 环 应 力
· 应力比γ =σ min/σ max
· （2）循环应力的种类
疲劳断裂讲义 PPT
有效应力集中系数
1 d K 或K 1 k
与构件的形状、尺寸有关； 与材料性质（极限强度）有关，静载 抗拉强度越高则有效应力集中系数越 大，即对应力集中就越敏感。
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凹凸不平的最后破断区
最后疲劳破坏的阶段,当试样无法承受 所施加的载荷而突然断裂时,因没有经过摩 擦阶段,故其表面将出现粗糙而不规则的特 征, 亦有人称其为粒状表面。
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第五节 影响材料疲劳限或疲劳强度的因素
A. 平均应力的影响 压缩应力会使疲劳裂缝开口闭合, 一般研 究平均应力m＞0或应力比值R ＞-1的循环 应力对材料疲劳破坏的影响。
随着应力比值R 的增加,材料的疲劳 极限亦上升。
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大部分材料的应力振幅a与平均应力 间有线性关系 → Goodman经验方程式:
该材料对缺口敏感 !
粒状表面
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B. 微观特征
借助SEM可发现断口存在微细间隔的平行纹路 (宽约 2.5×10-5mm), 称疲劳条纹(fatigue striation) 。 疲劳条纹垂直于疲劳裂纹 的延伸方向,其每条代表的是 经一次应力循环后疲劳裂纹前 端前进的距离. 材料塑性越佳, 疲劳条纹 越明显;应力范围越大, 疲劳 条纹越宽。 疲劳条纹与贝纹线外观相 似但尺度不同, 单一的贝纹线 内可能包含数千条以上的疲劳 条纹。
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腐蚀疲劳
零件处于腐蚀环境中会出 现小蚀孔造成应力集中， 使疲劳裂纹成核扩展，从 而缩短疲劳寿命。 防止腐蚀疲劳的方法 很多，根本在于尽量降低 腐蚀速率（如：使用保护 性被覆层、降低或隔离环 境的腐蚀性及使用较耐腐 蚀的材料等）。
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疲劳极限消失
D. 温度影响
温度升高时，材料疲劳行为趋于复杂（潜变、 氧化现象、循环应力频率会造成相当大的影响）。
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。
疲劳与疲劳断裂
2
疲劳断裂是一个累积损伤的过程，通常在低于材 料屈服点的应力下发生，具有突发性断裂的特点。
3
疲劳断裂的发生与循环应力的大小、频率、应力 集中程度、材料特性等因素有关。
疲劳断裂的类型
高周疲劳
01
在循环应力较高、频率较低的情况下发生的疲劳断裂，通常与
材料的机械性能有关。
低周疲劳
02
在循环应力较低、频率较高的情况下发生的疲劳断裂，通常与
疲劳与疲劳断裂
目录
• 疲劳概述 • 疲劳断裂概述 • 疲劳断裂的影响因素 • 疲劳断裂的预防与控制 • 疲劳断裂的检测与评估 • 案例分析
01
疲劳概述
疲劳的定义
疲劳
是指由于连续工作或活动过度而导致 的身体或心理上的能量消耗，从而引 发工作效率下降、错误率增加的现象 。
疲劳断裂
疲劳断裂是指由于长期承受疲劳而导 致的结构或材料发生断裂的现象。
详细描述
航空发动机叶片在高温、高转速和高应力的条件下工作，容易受到疲劳损伤。疲劳断裂通常是由于叶 片材料内部微裂纹的扩展和相互连接而形成的。为了防止疲劳断裂，需要深入分析叶片的材料特性、 应力分布和温度变化等因素，并采取相应的措施来提高叶片的抗疲劳性能。
桥梁结构的疲劳断裂研究
总结词
桥梁结构的疲劳断裂是由于长期承受重复载荷而引起的，对桥梁的安全性和使用寿命产 生严重影响。
详细描述
桥梁结构在车辆、风和地震等外部载荷的作用下，会产生反复的应力变化。当应力变化 超过材料的疲劳极限时，就会在材料内部形成微裂纹并逐渐扩展，最终导致结构的疲劳 断裂。为了预防疲劳断裂，需要对桥梁结构进行详细的疲劳分析和寿命预测，并采取相
应的加固措施。
机械零件的疲劳断裂实例
《疲劳与断裂》PPT课件
：
设计目标 初步设计
平衡方程
内强 强
变形几何条件
力 应
度 条
度 计
力件 算
应力应变关系
材料试验 极限应力 选取安全系数 许用应力
满 NO 修改 意 设计 ？
YES
结束
研究对象是无缺陷变形体，
研究目的是保证在最大载荷下有足够的强度。
精选课件ppt
4
有缺陷怎么办？
研究含缺陷材料的强度 --断裂
多次载荷作用下如何破坏？
静强度失效、断抗裂震失模效型和试疲验劳失效，是工程
中最（为破关坏注部的位基、本破失坏效形模式、。抗震能力）
精选课件ppt
16
疲劳与断裂
一. 概述
introduction
二. 应力疲劳 三. 疲劳应用统计学基础 四. 应变疲劳
Crack initiation
精选课件ppt
17
疲劳与断裂
五. 断裂失效与断裂控制设计 六. 表面裂纹 七. 弹塑性断裂力学简介
应力幅
Sa=(Smax-Smin)/2
应力变程 S=Smax-Smin
应力比或循环特性参数 R=Smin/Smax
精选课件ppt
22
定义：平均应力 Sm=(Smax+Smin)/2
(1)
应力幅
Sa=(Smax-Smin)/2
(2)
应力变程 S=Smax-Smin
(3)
应力比或循环特性参数 R=Smin/Smax
精选课件ppt
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轴
叶轮
疲劳断裂破坏
精选课件ppt
10
转子轴
疲劳开裂
疲劳断裂破坏
精选课件ppt
11
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金属疲劳的基本概念和一般规律。
疲劳失效的过程和机制。 介绍估算裂纹形成寿命的方法，以及延寿技术。
介绍一些疲劳研究的新成果。
循环应力 循环应力（交变应力、疲劳应力）是指应
力随时间呈周期性的变化。
常用导出量： 平均应力 m=( max+ min)/2 应力幅 a=( max- min)/2 应力比或循环特性参数 R= min/ max 应力幅度（应力变程 ） D = max- min
位移、温度或应力、应变等。
疲劳引起的大型灾难性事故
第一代喷气客机（英国的彗星式一型）因 失事而被勒令停飞。该型客机于投入服务后， 接连两次在巡航中解体，在立刻禁飞之后，经 过反复模拟测试而复制出机体解体是金属疲劳 所引起。
1979年5月25日，一架满载乘客的美国航 空公司DG-10型三引擎巨型喷气客机，从芝加 哥起飞不久，就失去了左边一具引擎，随即 着火燃烧，然后爆炸坠地。机上273名乘客和 机组人员无一幸免。这是世界航空史上最悲 惨的事件之一。 事后，有关当局对这架失事 飞机的残骸进行检查后发现，这架飞机上连 接一具引擎与机翼的螺栓因金属疲劳折断， 从而导致引擎燃烧爆炸。
事故分析发现，这架飞机几年前发生过小 失事，飞机尾舷材料疲劳而损坏过，检修工作 进行得很马虎，在没有彻底排除病根的情况下 就算检修完毕，并交付使用。
这次飞行，由于高度上升过程的速度快， 机舱内外的气压发生急剧变化，机舱内空气压 缩机受到的压力比机舱外大得多。于是，这一 装置在一个临界时刻承受不了这种压力，使液 压系统受损，导致强大的气流吹进垂直尾翼内 ，使升降航和方向航失去控制，尾翼上部和方 向舵在一瞬间被撕裂而坠落。
1985年8月12日晚上7时许．日本航空公司 的一架波音747宽体客机，撞在群马县附近的 山上，机上509名乘客和15名机组人员仅4人获 救外。其余52O人全部罹难，这是世界民航史 上单机发生的最大空难事件。
对飞机残骸的分析和同“黑匣子”记录仪 进行对照后，飞机起飞12分钟后，发生了“异 常的冲击”，同时，压力隔板损坏，飞机密封 性能的破坏使机舱内急剧减低压力，导致飞机 垂直尾翼损坏并在空中分解。
轴
叶轮
疲劳断裂破坏
转子轴
疲劳开裂
疲劳断裂破坏
疲劳的一般特征
• 发生在应力水平远小于材料的静强度极限下。 • 疲劳破坏在宏观上无明显塑性变形，近似脆断。 • 对材料的缺陷十分敏感； • 是一个累积的过程，即裂纹形成、扩展、断裂。 • 疲劳破坏常具有局部性质，因此改变局部设计可以明
显延长结构寿命（细节设计）。 • 疲劳断口在宏观和微观上均具有特征，可以借助断口
主要控制参量： a ；重要影响参量：R
循环应力
稳定循环应力
不稳定循环应力
稳定循环应力
非规律性:如汽车的钢板弹簧
规律性:机床的主轴
σ
非规律性
σ
不稳定循环应力
t
规律性
t
稳定循环应力 循环应力变化范围不变，即波形不变。波
形通常是正弦波，此外还有三角波以及其它波 形。
循环应力-时间图 ——应力历程
稳定循环应力
台“飞安会 ”公布事故调查 报告，华航飞机 由于金属疲劳， 造成空中解体， 华航维修不当是 重要原因。
疲劳、腐蚀和磨损是引起飞机等机械设备 和装置的事故的3种主要模式。
据国外资料统计，飞机等由结构引发的故 障，80%以上是由疲劳失效引起的。疲劳是否 发生主要取决于两个方面因素： ■ 一方面是自身的内部因素，即结构的疲劳设 计、材料和加工质量等； ■ 另一方面是外部因素，即实际使用载荷等。
=104 低周疲劳 高周疲劳
－N 疲劳曲线
分析判断是否属于疲劳破坏。
疲劳的分类 （1）按应力状态：弯曲疲劳、扭转疲劳、复 合疲劳等； （2）按环境：腐蚀疲劳、热疲劳、高温疲劳、 接触疲劳等； （3）按循环周期：高周疲劳、低周疲劳； （4）按破坏原因：机械疲劳、腐蚀疲劳、热 疲劳。 （5）按初始状态：无裂纹零件和裂纹零件的 疲劳
疲劳研究、设计及分析的具体目的： ▲ 精确地估算机械结构的零构件的疲劳寿命 ，简称定寿，保证在服役期内零构件不会发生 疲劳失效； ▲ 采用经济而有效的技术和管理措施以延长 疲劳寿命，简称延寿，从而提高产品质量。
结构中某些支撑件受到这种循环应力。 ——小拉大压的作用
脉动循环应力 σm=σa，R＝0
齿轮的齿根和某些压力容器受到这种脉 动循环应力的作用。
波动循环应力 σm>σa，0＜R＜1
飞机机翼下翼面、钢梁的下翼缘以及预紧 螺栓等，均承受这种循环应力的作用。
静（循环）应力 σa=0，R＝1
静应力是一种特殊的循环应力。
稳定循环应力分为下列几种典型情况：
对称循环应力 σm=0，R＝-1。
大多数轴类零件，通常受到对称循环应力的 作用。
不对称循环应力 σm≠0，R ≠ -1。
不对称拉伸平均应力循环应力 0＜σm＜σa，-1＜R＜0。
比较常见的不对称循环应力。 ——大拉小压循环。
不对称压缩平均应力循环应力 -σa＜σm＜0，-1＜R＜0
疲劳与断裂(1)
零件的主要失效形式
断裂、磨损和腐蚀。
缓慢的过程 突变行为
断裂 静态断裂 动态断裂 疲劳断裂 冲击断裂
结构或材料在交变载荷作用下，即使所受 的应力低于屈服强度（变形处于弹性范围内） ，经过若干次循环后，也会发生断裂， 这种 现象称为疲劳。
交变载荷 是指随时间变化的载荷，载荷可以是力、
1998年德国一列高速列车在行驶中突然出 轨。事故是因为一节车厢的车轮内部疲劳断裂 而引起，导致了近50年来德国最惨重铁路事故 的发生。
2002年华航CI611号航班的波音747﹣200型 客机，在从台湾飞港途中，突然从地面的雷达 荧光屏上消失。据报道，地面航空管制部门并 没有收到无线电通话或是二级雷达显示的求救 信号。
循环应力-时间图 ——应力历程
应力比R反映了载荷的循环特性。如
S R= -1
S R=0
S R=1
0
t
0
max=- min
对称循环
t
mБайду номын сангаасn=0
脉冲循环
0
t
max= min
静载
设计：用 max， min ，直观； 试验：用 m， a ，便于加载； 分析：用 a，R，突出主要控制参量, 便于分类讨论。