疲劳与断裂(1)知识讲解
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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。
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。
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。
本讲座主要介绍
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
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
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。
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。
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
min=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。
=104 低周疲劳 高周疲劳
－N 疲劳曲线
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、
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。
wk.baidu.com
不对称压缩平均应力循环应力 -σa＜σm＜0，-1＜R＜0
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
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。
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。
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。
本讲座主要介绍
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
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
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。
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。
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
min=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。
=104 低周疲劳 高周疲劳
－N 疲劳曲线
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、
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。
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不对称压缩平均应力循环应力 -σa＜σm＜0，-1＜R＜0
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