结构疲劳寿命分析1-金属疲劳理论与试验测试基础汇总.
金属疲劳试验方法
金属疲劳试验方法
金属疲劳试验是一种对金属材料进行疲劳性能评估的方法。
它可以用来测试材料在循环加载下的疲劳寿命以及疲劳行为。
常用的金属疲劳试验方法包括：
1. 疲劳弯曲试验：将金属试样固定在两个支撑点上，通过加载作用使其产生弯曲变形，并进行循环加载，记录试样的破坏次数或使用寿命。
2. 疲劳拉伸试验：将金属试样固定于试验机上，通过加载作用使其产生拉伸变形，并进行循环加载，记录试样的破坏次数或使用寿命。
3. 疲劳扭转试验：将金属试样固定在两个夹具上，通过加载作用使其产生扭转变形，并进行循环加载，记录试样的破坏次数或使用寿命。
4. 疲劳冲击试验：将金属试样固定在冲击机上，通过冲击作用使其产生变形，并进行循环冲击加载，记录试样的破坏次数或使用寿命。
这些试验方法可以通过变化加载幅值、加载频率、试样几何形状等参数的方式，来评估金属材料在不同加载条件下的疲劳性能。
金属疲劳实验方法成组法
金属疲劳实验方法成组法金属疲劳实验方法-成组法引言：金属材料的疲劳寿命是指在一定的应力水平下，材料在循环加载下发生疲劳破坏之前所能承受的循环载荷次数。
研究金属疲劳寿命对于工程结构的设计和使用具有重要意义。
成组法是一种常用的金属疲劳实验方法，本文将对成组法的原理、实验步骤和应用进行介绍。
一、原理成组法是通过将多个试样按一定的规则分组进行循环加载，以模拟实际工程中的疲劳载荷情况，从而获取金属材料的疲劳寿命。
该方法的原理是通过试样间的应力状态和载荷频率的差异，引起不同试样的疲劳寿命差异。
通过统计多组试样的疲劳寿命数据，可以获得金属材料的疲劳寿命曲线和可靠度。
二、实验步骤1. 试样制备：根据实验要求和金属材料的特性，制备一定数量的试样。
试样的形状和尺寸应符合标准规范，以保证实验结果的可靠性和可比性。
2. 分组设计：根据实验要求和试样的数量，设计成若干组，每组试样的数量可以相同也可以不同。
一般情况下，每组试样的数量不少于3个，以保证实验数据的可靠性。
3. 载荷设定：根据实验要求和金属材料的特性，确定载荷水平和载荷频率。
载荷水平表示试样所承受的最大应力值，载荷频率表示单位时间内施加的循环次数。
载荷水平和载荷频率的选择应符合实际工程的应用条件。
4. 实验执行：按照设计的分组和载荷设定，对每组试样进行循环加载实验。
实验过程中，需要记录试样的载荷历程和破坏次数，以便后续的数据处理和分析。
5. 数据处理：根据实验结果，统计每组试样的疲劳寿命数据。
可以使用生命表分析、概率统计等方法对数据进行处理，得到金属材料的疲劳寿命曲线和可靠度。
三、应用成组法是金属疲劳实验中常用的方法之一，广泛应用于工程材料的疲劳性能研究和工程结构的疲劳寿命评估。
具体应用包括：1. 材料筛选：通过成组法可以对不同材料进行疲劳寿命的比较，从而选择最适合工程应用的材料。
2. 试验验证：成组法可以验证材料的疲劳寿命曲线和可靠度，为工程设计提供依据。
3. 结构评估：通过成组法可以评估工程结构的疲劳寿命，为结构维护和安全管理提供参考。
金属疲劳试验
KI KIC (KC )
Y a KIC (KC )
裂纹体受力时，只有满足上述条件就会发生脆性断裂。反之，即使存 在裂纹，也不会断裂。此称为破损安全。
条件： - 小尺度塑性变形 - 平面应变
高强度马氏体时效钢不同试样厚度的KC变化
2
a, B,
W
-a
2.5
实验三、金属疲劳试验
一、实验目的：
1.了解金属轴向疲劳测试方法、断裂韧性Kic 测试方法及裂纹扩展速率DA/DN测试方法 。
2.了解疲劳试验机工作原理
1988年4月28日阿罗哈航空波音737-200型客机243号班机在飞行途中发生 爆裂性失压的事故，约头等舱部位的上半部外壳完全破损，机头与机身随时 有分离解体的危险，但10多分钟后奇迹地安全迫降。事件当时，一名机组人 员不幸被吸出机舱外死亡，而其余65名机组人员和乘客则分别受到轻重伤。
并形成循环滑移带。随着加载循环次数的增加，循环滑移带不断地加宽，由 于位错的塞积和交割作用，会在滑移带处形成微裂纹。
循环滑移带生成和一个纯铜试样的裂纹 Sm=0，Sa=77.5MPa N=2×106
在裂纹的萌生期，疲劳是一种发生在材料表面的现象。
2.2 相界面开裂产生裂纹 在大量的疲劳失效分析中发现很
式中 KI 值的大小直接影响应力场的大小，KI 可以表示应力场的强弱程度故称为 应力场强度因子
当θ= 0 r→0 时 由上式可得：
KI
lim r 0
2r y 0
裂纹I型应力场强度系数的一般表达式：
KI Y a
Y——裂纹形状系数
-半无限边缘缺口试样 -有限宽度的中心开裂纹试样 -有限宽度的边缘缺口试样
事故原因是由裂缝氧化导致金属疲劳引起
疲劳强度理论分析
1. 名义应立法：计算全寿命，主要用于高周疲劳； 2. 局部应力—应变法：计算裂纹形成寿命； 3. 断裂力学法：计算裂纹扩展寿命。
（四）：疲劳试验 材料试验，实物结构试验，高周疲劳试验，低周疲劳试验，裂纹扩展寿命试验
（五）：常规疲劳强度设计：
），可
4.P-S-N 曲线 不同可靠度下的应力——寿命曲线
（1） S-N曲线中S,N的概率密度函数
大量实验表明：疲劳强度符合正态分布
（同寿命下的应力分布）。疲劳寿命符合对数
正态或威布尔分布（同应力水平下的寿命）
正态分布
——均值，也叫数学期望。
——标准差，数学上叫均方根值。
对数正态分布，将随机变量的对数函数进行分析。威布尔分布（寿命）
随机载荷下疲劳寿命研究实测载荷谱当量成对称循环下的载荷谱ii根据材料的sn曲线实物试验值和实测载荷谱代入计算模型638可计算不同可靠度下的疲劳寿命图612表621表622这里进行了两种构件侧架和摇枕的疲劳寿命计算iii与实际统计数据比较讲实际统计数据进行整理表627采用常规定时截尾试验发最后论证摇枕的实际平均寿命为328年计算值为3537年两值接近说明计算公式可以
疲劳试验在疲劳试验机上进行，有弯曲疲劳试验机和拉—压疲劳 试验机等。
2 疲劳分析的有关参数
应力幅
平均应力 最大应力 最小应力 应力范围
应力比
对称循环， 脉动循环 静应力
3 材料的S—N曲线 根据不同应力水平分组进行疲劳试验，
根据实验数据进行拟合，一般采用最小二乘 法。 曲线为指数曲线，即： 对上式两边去对数 ：
也就是许用应力法： 存在问题：
a. 设计的机械零件特别笨重（为了安全，只有加大整个截面尺寸）； b. 尽管笨重，但仍有疲劳裂纹产生。 原因： a. 疲劳裂纹发生在构件的危险点的局部区域，通过裂纹不断扩展，
金属疲劳
(3)静力破坏通常有明显的塑性变形产生:疲劳破坏通常没有外在宏观的显著塑性变形迹象，哪怕是塑性良好 的金属也这样，就像脆性破坏一样，事先不易觉察出来，这就表明疲劳破坏具有更大的危险性。
相关区别
材料力学是根据静力实验来确定材料的机械性能(比如弹性极限、屈服极限、强度极限)的，这些机械性能没 有充分反映材料在交变应力作用下的特性。因此，在交变载荷作用下工作的零件或结构，如果还是按静载荷去设 计，在使用过程中往往会发生突发性故障。
疲劳破坏与传统的静力破坏有着许多明显的本质区别:
(1)静力破坏是一次最大载荷作用下的破坏:疲劳破坏是多次反复载荷作用下的破坏，它不是短期内发生的， 而是要经历一定的时间，甚至很长时间才发生破坏。
在金属材料中添加各种“维生素”是增强金属抗疲劳的有效办法。例如，在钢铁和有色金属里，加进万分之 几或千万分之几的稀土元素，就可以大大提高这些金属抗疲劳的本领，延长使用寿命。随着科学技术的发展，现 已出现“金属免疫疗法”新技术，通过事先引入的办法来增强金属的疲劳强度，以抵抗疲劳损坏。此外，在金属 构件上，应尽量减少薄弱环节，还可以用一些辅助性工艺增加表面光洁度，以免发生锈蚀。
感谢观看
金属内部结构并不均匀，从而造成应力传递的不平衡，有的地方会成为应力集中区。与此同时，金属内部的 缺陷处还存在许多微小的裂纹。在力的持续作用下，裂纹会越来越大，材料中能够传递应力部分越来越少，直至 剩余部分不能继续传递负载时，金属构件就会全部毁坏。
早在100多年以前，人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。但由于技术的落后，还不能查明疲劳破 坏的原因。直到显微镜和电子显微镜相继出现之后，使人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得新的成果，并 atigue of metal。金属疲劳是指一种在交变应力作用下，金属材料发生破坏的现象。 机械零件在交变压力作用下，经过一段时间后，在局部高应力区形成微小裂纹，再由微小裂纹逐渐扩展以致断裂。 疲劳破坏具有在时间上的突发性，在位置上的局部性及对环境和缺陷的敏感性等特点，故疲劳破坏常不易被及时 发现且易于造成事故。应力幅值、平均应力大小和循环次数是影响金属疲劳的三个主要因素。
金属疲劳试验
金属疲劳试验主讲教师:一、实验目的1. 了解疲劳试验的基本原理。
2. 掌握疲劳极限、S-N曲线的测试方法。
二、实验原理1．疲劳抗力指标的意义目前评定金属材料疲劳性能的基本方法就是通过试验测定其S-N曲线(疲劳曲线)，即建立最大应力σmax 或应力振幅σα与其相应的断裂循环周次N之间的关系曲线。
不同金属材料的S-N曲线形状是不同的，大致可以分为两类，如图1所示。
其中一类曲线从某应力水平以下开始出现明显的水平部分，如图1(a)所示。
这表明当所加交变应力降低到这个水平数值时，试样可承受无限次应力循环而不断裂。
这表明当所加交变应力降低到这个水平数值时，试样可承受无限次应力循环而不断裂。
因此将水平部分所对应的应力称之为金属的疲劳极限，用符号σR 表示(R为最小应力与最大应力之比，称为应力比)。
若试验在对称循环应力(即R=-1)下进行，则其疲劳极限以σ-1表示。
中低强度结构钢、铸铁等材料的S-N曲线属于这一类。
对这一类材料在测试其疲劳极限时，不可能做到无限次应力循环，而试验表明，这类材料在交变应力作用下，如果应力循环达到107周次不断裂，则表明它可承受无限次应力循环也不会断裂，所以对这类材料常用107周次作为测定疲劳极限的基数。
另一类疲劳曲线没有水平部分，其特点是随应力降低，循环周次N不断增大，但不存在无限寿命。
如图1(b)所示。
在这种情况下，常根据实际需要定出一定循环周次(108或5×107…)下所对应的应力作为金属材料的“条件疲劳极限”，用符号σR(N)表示。
2．S-N 曲线的测定(1) 条件疲劳极限的测定测试条件疲劳极限采用升降法，试件取13根以上。
每级应力增量取预计疲劳极限的5％以内。
第一根试件的试验应力水平略高于预计疲劳极限。
根据上根试件的试验结果，是失效还是通过（即达到循环基数不破坏）来决定下根试件应力增量是减还是增，失效则减，通过则增。
直到全部试件做完。
第一次出现相反结果（失效和通过，或通过和失效）以前的试验数据，如在以后试验数据波动范围之外，则予以舍弃；否则，作为有效数据，连同其他数据加以利用，按下列公式计算疲劳极限：()11n R N i i i v m σσ==∑ 1式中m——有效试验总次数；n—应力水平级数；—第i级应力水平；—第i级应力水平下的试验次数。
第5章-结构疲劳寿命分析
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
3. 平均应力对疲劳寿命的影响
材料的基本S-N曲线是在R= -1（对称循环）情况下得到，以下讨 论应力比R变化对疲劳性能的影响。由于Sm与R的关系，即
Sm = (1+ R) Sa / (1− R)
给定应力幅Sa时，R增大，表示Sm增大。 讨论应力比R的影响，实际上是讨论平均应力Sm的影响。
Sf = (拉压） 0.35Su
R= -1时，扭转载荷作用下的疲劳极限为
Sf = (扭转） 0.29Su
¾ 注意：不同载荷作用形式下的疲劳极限和S-N曲线不同。
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
2. S-N曲线的近似估计
（2） 无实验数据时S-N曲线的估计 若疲劳极限Sf和材料极限强度Su为已知，S-N曲线可用下述方法 作偏于保守的估计。
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
3. 平均应力对疲劳寿命的影响
a) 一般趋势
当Sa给定时，R增大，平均应力Sm增大。 平均应力对S-N曲线影响的一般趋势如图所示。
¾ 平均应力Sm=0（R= -1）的S-N曲线是基本S-N 曲线；当Sm>0，即拉伸平均应力，S-N曲线下 移，表示同样的应力幅作用下的寿命下降，对疲 劳有不利影响；Sm<0（压缩平均应力），S-N曲 线上移，表示同样的应力幅作用下的寿命增大， 对疲劳寿命的影响是有利的。
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
1. 基本S-N曲线
由S-N曲线确定的，对应于寿命 N的应力SN称为寿命为N的疲劳 强度（Fatigue Strength）。
寿命N趋于无穷大时所对应的应 力Sf称为材料的疲劳极限 （Endurance Limit）。
第八章 金属疲劳试验
没有水平部分。铝合金、不锈钢、高强度钢。（条件疲劳强度）
（二）疲劳曲线及疲劳极限的测定
1、方法及特点：常用旋转弯曲疲劳试验。试验机结构简单、操作方便，应用广泛。
3、冲击疲劳的特点
试验表明，冲击疲劳抗力是一个取决于强度和塑性的综合性能，具有以下特点：
①冲击能量高时，材料的冲击疲劳抗力主要取决于塑性；冲击能量低时，材料的冲击疲劳抗力主要取决于强度。从此可以看出，不能仅根据工件承受冲击就要求高的冲击吸收功。
②不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合。淬火回火钢的冲击疲劳抗力随回火温度的变化有一峰值，该峰值随冲击能量的增加向高温方向移动（见图5-36）。
二、冲击疲劳
1、定义：是机件在重复冲击载荷作用下的疲劳断裂。
实际工作中，很少有仅经过一次或几次冲击就断裂的机件，即便是通常认为承受剧烈冲击载荷的机件，大多数是承受小能量的多次冲击才断裂。试验表明，当试样于破坏前承受的冲击次数较少时（500～1000次），试样断裂的原因与一次冲击相同；当冲击次数>105次时。破坏具有典型的疲劳断口，属于疲劳断裂，即为冲击疲劳。
3冲击韧度对冲击疲劳抗力的影响因材料的强度水平不同而异。
高强度钢和超高强度钢的塑性和冲击韧度对冲击疲劳抗力有较大影响。
（因其强度高、冲击韧度低，适当提高韧度对提高冲击疲劳抗力的影响较突出）
中、低强度钢的塑性和冲击韧度对冲击疲劳抗力的影响较小。
（因其冲击韧度已经比较高，在增加Ak值对提高冲击疲劳抗力已影响较不大）当我被上帝造出来时，上帝问我想在人间当一个怎样的人，我不假思索的说，我要做一个伟大的世人皆知的人。于是，我降临在了人间。
金属疲劳试验
K IC
Y
Kc = KIC
4.断裂韧度试验
疲劳试验机工作原理图
参照标准: ASTM E-399,
疲劳预裂纹试样
ASTM Standard Single Edge notched Bend (SENB) Specimen
KI
LOAD * S B *W 3 2
*
f
a W
一、引言
工程材料对循环变形和对波动载荷作用下的裂纹萌生与成长的敏感性 是许多工程应用中一个相当重要的课题。
疲劳通常指的是由于应力或应变的反复作用而引起材料性能发生变化 ，导致了开裂或失效。
有关工程材料疲劳的研究大约已经有160多年的历史。 据统计，疲劳破坏在整个失效件中占80%以上。 结构疲劳正作为一个重大的问题进行研究。
（平面应变） （平面应力）
位移分量（平面应变状态）：
u
1 v E
KI
2r cos 1 2v sin 2
2
2
1 v E
KI
2r
sin
2
2(1
v)
cos
2
应变分量（平面应变状态）：
x
1 v
E 2r
KI
cos 1 2v sin
x
KI cos 1 sin sin 3
2r 2
2 2
应力分量： y
KI cos 3 1 sin sin 3 2r 2 2 2
xy
KI sin cos cos 3 2r 2 2 2
欧文（Irwin)
Z ( X Y ) Z 0
金属材料疲劳寿命预测方法研究
金属材料疲劳寿命预测方法研究在金属材料工程领域中，疲劳寿命预测方法是最重要的研究方向之一。
由于疲劳过程是金属受到多次循环载荷引起的，因此其疲劳行为和疲劳寿命非常难以预测。
研究者需要对金属结构材料的微观组织和力学行为有深入的理解，以便找到合适的预测方法。
在研究疲劳寿命预测方法之前，首先需要了解材料的整体疲劳性能。
工程师通常使用疲劳试验来评估材料的疲劳性能。
此类试验通常需要将材料用特定频率和应力水平进行循环载荷，以确定材料失效前产生的循环次数和应力幅度。
这种试验可以为疲劳寿命预测方法的研究提供基础数据。
目前，疲劳寿命预测方法可以归为三类：基于弹性应力、基于本构关系和基于损伤演化。
不同的方法使用不同的理论和模型来预测材料的疲劳寿命。
下面将分别介绍这三种方法。
基于弹性应力的方法基于弹性应力的方法是最为常用的疲劳寿命预测方法之一。
它是基于弹性应力范式的线性模型，可以非常准确地预测材料的疲劳寿命。
该方法使用标准的S-N曲线作为疲劳寿命预测的指导。
S-N曲线是一种数学表示方法，用于描述应力幅度和循环次数之间的关系。
研究者通常使用样本的S-N曲线来预测其在实际应用中的疲劳寿命。
这个方法可以用来预测平面蠕变、轴向疲劳、计数疲劳等。
对于不同类型的金属材料，研究者可以使用不同的弹性应力范式来预测其疲劳寿命。
基于本构关系的方法基于本构关系的疲劳寿命预测方法是一种高级的方法，可以提供更为准确的预测结果。
它是通过分析材料的细节结构和应变本构关系来预测其疲劳行为。
本构关系描述了材料在不同应力条件下的应变响应。
基于本构关系的方法可以提供更为准确的疲劳寿命预测，但也需要更为复杂的试验和分析程序。
尽管如此，在许多应用中，该方法仍然是最优秀的疲劳寿命预测方法。
基于损伤演化的方法基于损伤演化的方法是最新的疲劳寿命预测方法之一。
它是通过综合考虑材料的微观组织和应力状态来预测材料的疲劳寿命。
该方法使用材料的损伤程度作为疲劳失效的指标，因此它可以预测金属材料的损伤位置和失效时间。
金属材料疲劳寿命预测模型研究
金属材料疲劳寿命预测模型研究疲劳寿命是指材料在特定载荷循环下发生疲劳破坏之前能够承受的循环次数。
随着工程实践的不断发展，越来越多的金属材料在实际应用中需要长时间承受循环载荷，因此对于金属材料疲劳寿命的预测和评估变得尤为重要。
在过去的几十年里，许多学者和工程师致力于金属材料疲劳寿命预测模型的研究。
这些模型旨在通过测量和分析金属材料的力学性能、微观结构和载荷历史来提前预测疲劳破坏的发生。
其中最经典的模型之一是S—N曲线，即应力-寿命曲线。
S—N曲线通过将不同应力水平下的疲劳寿命数据绘制在同一坐标系上，形成一条拟合线，从而揭示了应力与寿命之间的关系。
然而，在实际应用中，由于材料的微观结构和力学行为的复杂性，仅仅使用S—N曲线来预测金属材料的疲劳寿命往往是不准确的。
因此，学者们提出了许多新的预测模型，以提高预测精度和准确性。
其中之一是基于应力强度因子的模型。
应力强度因子是用来描述裂纹尖端附近应力状态的关键参数。
通过研究应力强度因子与裂纹扩展速率之间的关系，可以建立更准确的疲劳寿命预测模型。
这种模型的优势在于它不仅考虑到了材料的力学性能，还能够考虑到裂纹形态和应力分布的影响。
另一个值得关注的预测模型是基于微观结构演化的模型。
这种模型通过考虑材料的微观缺陷、晶粒取向、相互作用等因素，将材料的疲劳寿命与其微观结构之间建立联系。
通过对材料微观结构演化过程的研究，可以预测出材料在不同载荷历史下的疲劳寿命。
此外，还有一些新兴的疲劳寿命预测模型，如基于机器学习和人工智能的模型。
这些模型通过大量实验数据的输入，以及针对不同材料和应用的特定算法，可以更加准确地预测疲劳寿命，并为材料设计和工程实践提供指导。
可见，金属材料疲劳寿命预测模型的研究正日益深入和多样化。
从经典的S—N曲线模型到基于应力强度因子、微观结构演化甚至机器学习的模型，不断有新的方法和思路被提出，为金属材料疲劳寿命的预测和评估带来新的突破。
然而，研究人员仍然面临着许多挑战，如如何将这些模型应用于实际工程实践中，如何提高预测模型的可靠性和准确性等。
结构疲劳寿命分析1-金属疲劳理论与试验测试基础.
Inglis 1913 & Griffith 1921 提出了能量概念定量处理脆性固 体断裂的数学工具，但这个理论不能直接用来描述材料的疲劳 破坏。 Irwin 1957 提出K（应力强度因子）表示裂纹尖端应力奇异大 小。标志着线弹性断裂力学方法的出现。 Paris Gomez & Anderson 1961 提出在恒幅循环加载下，疲 劳裂纹在每个应力循环中的扩展量da/dN与应力强度因子幅DK 有关，虽然这个理论没有被当时主要杂志所接受，但这个方法 被广泛用来描述在裂纹顶端存在小范围塑性变形条件下的疲劳 裂纹扩展。
结构疲劳寿命分析
第一讲 金属疲劳理 论及试验测试基础
§第一部分:金属疲劳理论
1 疲劳的定义及类型
1.1 疲劳定义: ISO定义为金属材料（也适用于非金属材料）在应力或 应变反复作用下材料性能的变化（特指开裂或破坏）。 1.2 疲劳破坏的形式：
a 机械疲劳：仅由外加动应力或动应变造成。转向架构架等车辆结构。 b 蠕变疲劳：循环载荷同高温联合作用造成。飞机喷气发动机叶片等结 构。 c 腐蚀疲劳：在腐蚀性介质或致脆介质环境下动载荷造成。海洋石油平 台等结构。 d 滑动接触疲劳和滚动接触疲劳：载荷的反复作用与材料之间的滑动和 滚动共同作用造成。车轮和钢轨的接触疲劳。 e…
3、结构的全尺寸疲劳试验是结构定型最重要的一步，它在一 定程度上能揭示疲劳设计寿命的满足情况。 4、所有的试验数据结果都需要经过统计学处理。
5、材料和设计要保证结构的时效裂纹有较低的扩展速率，必 须强化检查，在裂纹扩展到失稳之前发现并采取补救措施。
6、设计时必须有‘失效安全’的意识，当结构的某以单元时 效后，结构整体必须能保证完整并且能在一定的短期时间内继 续承载。
材料力学性能第五章-金属的疲劳
材料力学性能第五章-金属的疲劳一、前言金属是工业中广泛使用的材料之一，而疲劳是金属失效的常见原因。
疲劳现象是指材料在循环加载下，由于应力的交变和变形的累积，导致材料最终发生断裂的失效现象。
由于疲劳是材料失效的高发期之一，因此疲劳强度及其寿命评估在工程实践中极其重要。
本文将对金属疲劳相关的概念、实验方法、疲劳表征和机理等方面进行详细介绍。
二、疲劳相关概念2.1 疲劳应力和疲劳极限疲劳应力是指材料在循环加载下，在一个给定的时间内重复加载的最大应力，其值通常低于材料的屈服强度。
疲劳极限是指材料在循环加载下，在一个给定的时间内可以承受的最大应力，其值也低于材料的屈服强度。
2.2 疲劳曲线疲劳曲线通常是由应力-amplitude循环次数(N)图给出，包括S-N曲线和e-N 曲线。
其中S-N曲线是指材料应力振幅和循环次数之间的关系曲线，其垂直轴是应力振幅，水平轴是循环次数(N)。
e-N曲线是指材料应变振幅和循环次数之间的关系曲线，其垂直轴是应变振幅，水平轴也是循环次数(N)。
三、疲劳实验方法3.1 疲劳试验机疲劳试验机一般分为拉伸疲劳试验机、弯曲疲劳试验机和转子疲劳试验机等。
其中拉伸疲劳试验机主要用于金属杆件、薄壁件等线性部件的疲劳试验。
弯曲疲劳试验机主要用于梁疲劳试验，其挠度和载荷均可调节。
转子疲劳试验机主要用于模拟飞机、发动机等转子叶片的疲劳试验。
3.2 疲劳试验方法常用的疲劳试验方法包括：恒振幅疲劳试验、逐渐增加振幅疲劳试验、多级疲劳试验和积累损伤疲劳试验等。
其中恒振幅疲劳试验是常见的疲劳试验方法，以波形、频率和振幅不变的周期周次循环载入，记录疲劳寿命。
逐渐增加振幅疲劳试验是从小到大逐渐增加载荷振幅的疲劳试验，称为低对高试验。
多级疲劳试验则是将恒定载荷振幅的疲劳试验进行多个不同振幅载荷循环，记录没个载荷级的疲劳寿命，绘制多级S-N曲线。
四、疲劳表征4.1 疲劳极限疲劳极限是材料在循环加载下允许承受的最大应力，疲劳极限的单位是MPa(N/mm^2)。
材料力学性能金属的疲劳课件
由于温度变化引起的热应力导致的疲劳。
疲劳的机理
01
02
03
滑移与位错
在循环应力作用下，金属 内部的滑移面和位错发生 移动，逐渐形成微裂纹。
微裂纹扩展
微裂纹在应力作用下逐渐 扩展，最终导致宏观断裂 。
疲劳断口形貌
疲劳断口通常呈现脆性断 裂的特征，如光滑表面和 放射区。
PART 02
金属的疲劳性能
随机疲劳测试
模拟实际工况中的随机载荷对金属进行疲劳测 试。
断裂力学测试
通过测量裂纹扩展速率来评估金属的疲劳性能。
疲劳数据的处理与评估
1 2
数据整理
对实验数据进行整理，绘制疲劳曲线，分析金属 的S-N曲线。
疲劳极限确定
根据实验结果确定金属的疲劳极限，即金属在一 定循环次数下不发生疲劳断裂的最大应力。
环境因素的影响
•·
在高温环境下，金属材料容易发生蠕变和松弛，导致疲劳强度下降；在腐蚀介质中，金属表面容易发 生腐蚀，产生腐蚀疲劳。因此，在高温或腐蚀环境下工作的金属结构需要进行特殊处理或选择耐腐蚀 材料。
温度的影响
显著影响
温度对金属的疲劳性能有显著影响。在低温环境下，金属材料的脆性增加，可能导致疲劳强度下降；而在高温环境下，金属 材料的抗蠕变性能降低，也会影响疲劳性能。
高速列车车轮的疲劳分析
总结词
高速列车车轮在频繁的制动和加速过程中承受着交变 载荷，对其疲劳性能的分析是保证列车安全运行的关 键。
详细描述
高速列车车轮在运行过程中，由于频繁的制动和加速 ，承受着周期性的交变载荷。这种循环载荷会导致车 轮产生疲劳裂纹，甚至发生断裂。为了确保列车的安 全运行，需要对车轮进行疲劳分析，评估其疲劳寿命 和可靠性。这需要考虑车轮的材料、几何形状、表面 处理、工作环境以及制动和加速模式等因素，采用适 当的疲劳分析方法和实验手段进行验证。
第5章 结构疲劳寿命分析
R= -1时，弯曲载荷作用下的疲劳极限可估计为
Sf (弯曲）= 0.5Su
（当Su < 1400MPa）
Sf (弯曲）= 700MPa （当Su ≥ 1400MPa）
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
2. S-N曲线的近似估计
（1） 疲劳极限Sf与极限强度Su的关系
R= -1时，轴向拉压载荷作用下的疲劳极限为
主要内容
一．疲劳的基本概念 二．疲劳分析基本理论 三．疲劳设计分析方法 四．疲劳分析工程应用案例
二．疲劳分析基本理论
根据结构作用的循环应力的大小，疲劳可分为 应力疲劳 和 应变疲劳
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
若最大循环应力Smax小于材料屈服应力Sy ，则称为应 力疲劳；因作用的应力循环水平较低，寿命循环次数 较高（疲劳寿命Nf一般大于106次），故称为高周疲 劳。
Sf (拉压）= 0.35Su
R= -1时，扭转载荷作用下的疲劳极限为
Sf (扭转）= 0.29Su
¾
注意：不同载荷作用形式下的疲劳极限和S-N曲线不同。
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
2. S-N曲线的近似估计
（2） 无实验数据时S-N曲线的估计 若疲劳极限Sf和材料极限强度Su为已知，S-N曲线可用下述方法 作偏于保守的估计。 由S-N曲线的幂函数形式 S m N = C ，通过一定假设确定参数m和C。
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
破坏的定义：
疲劳破坏有裂纹萌生、稳定扩展和失稳扩展断裂三个阶段。应 力疲劳理论只研究裂纹萌生寿命。因此定义“破坏”为
① ②
高级焊接培训中焊接结构的疲劳分析与寿命预测
高级焊接培训中焊接结构的疲劳分析与寿命预测焊接结构的疲劳分析与寿命预测在高级焊接培训中起着重要的作用。
随着工程领域对焊接结构性能要求的提高，了解焊接结构在长期使用过程中的疲劳性能变化，以及寿命预测，对于确保结构的安全运行至关重要。
本文将介绍焊接结构的疲劳分析方法和寿命预测技术，并探讨在高级焊接培训中的应用。
一、焊接结构的疲劳分析方法1.1 疲劳理论疲劳理论是焊接结构疲劳分析的基础，它基于材料疲劳断裂机制和循环加载影响。
常见的疲劳理论有极限理论、应力幅值法等。
在高级焊接培训中，学员需要掌握不同疲劳理论的原理和适用范围，以便根据具体工程要求选择合适的分析方法。
1.2 应力分析焊接结构的应力分析是进行疲劳分析的关键步骤。
通过分析焊接接头的工作状态和受力情况，确定焊接结构上的应力分布。
常用的应力分析方法包括有限元法、解析法等。
在高级焊接培训中，学员需要学会使用各种应力分析方法，并能够根据具体工程要求进行合理的应力计算。
1.3 疲劳寿命预测根据疲劳曲线和应力应变分析结果，可以进行焊接结构的疲劳寿命预测。
通过确定焊接结构的应力水平和加载次数，结合材料的疲劳性能曲线，预测焊接结构在特定工况下的寿命。
高级焊接培训中，学员需要熟悉寿命预测的方法和步骤，并能够针对具体案例进行合理的寿命预测。
二、焊接结构疲劳分析与寿命预测的应用案例2.1 航空航天领域在航空航天领域，焊接结构的疲劳分析与寿命预测是确保航天器长期飞行安全的关键。
通过分析焊接结构处于复杂空间环境下所受到的应力，进行疲劳寿命预测，可帮助工程师合理选用焊接工艺和材料，确保航天器在极端工况下的可靠性。
2.2 桥梁工程领域焊接结构在大型桥梁工程中广泛应用，对焊接结构的疲劳性能分析与寿命预测要求较高。
通过对桥梁焊接接头进行应力分析和疲劳寿命预测，工程师可以提前检测出可能的疲劳破坏点，并采取相应的加固和修复措施，保证桥梁的安全运行。
三、高级焊接培训中疲劳分析与寿命预测的教学方法在高级焊接培训中，为了提高学员的实践能力和问题解决能力，可以采取以下教学方法：3.1 理论讲解结合实例分析通过讲解焊接结构的疲劳分析理论，结合实际工程案例，让学员深入理解疲劳分析的原理和方法，并能够根据具体案例进行分析。
《金属疲劳试验》课件
优化机械部件设计
通过金属疲劳试验，可以了解机械部件的疲劳性能，进一步优化其 设计，提高机械部件的抗疲劳性能。
检测机械部件的损伤
金属疲劳试验可以检测机械部件内部的微裂纹和损伤，及时发现潜 在的安全隐患，预防重大事故的发生。
高强度材料
随着技术的进步，高强度材料的应用越来越广泛。这些材料 的疲劳性能与传统材料相比有较大差异，因此需要深入研究 高强度材料的疲劳性能，以适应未来发展的需求。
智能化技术在金属疲劳试验中的应用
智能化数据采集
利用先进的传感器和数据采集技术， 实现金属疲劳试验过程中数据的实时 采集和监控，提高试验的准确性和可 靠性。
随机疲劳试验
随机疲劳试验是一种模拟实际 工作环境中随机应力的疲劳试
验方法。
在随机疲劳试验中，金属材料 承受的应力是一个随机过程， 以模拟实际工作过程中应力的
随机变化。
随机疲劳试验的优点是能够更 真实地模拟实际工作状态，获 得更接近实际的疲劳性能数据 。
随机疲劳试验的缺点是需要特 殊的设备和试验条件，操作相 对复杂。
法
通过观察试样的断裂时间、应力 幅值或循环次数，结合试验数据 ，计算出金属材料的疲劳寿命。
影响因素
金属材料的疲劳寿命受到多种因 素的影响，如材料成分、微观组 织结构、表面处理、应力集中等 。
S-N曲线的绘制与分析
S-N曲线
表示金属材料在不同应力水平下的疲劳寿命的曲线，横坐 标为应力水平（S），纵坐标为疲劳寿命（N）。
料选择和应用提供依据。
评估材料的疲劳性能
02
金属疲劳试验可以评估材料的疲劳性能，包括抗疲劳性能、损
机械设计基础中的材料疲劳与寿命分析
机械设计基础中的材料疲劳与寿命分析材料疲劳与寿命分析在机械设计基础中扮演着重要的角色。
随着机械工程领域的不断发展，材料疲劳与寿命分析对于提高机械设备的可靠性和安全性具有至关重要的意义。
本文将介绍材料疲劳与寿命分析的概念、方法以及在机械设计中的应用。
一、材料疲劳与寿命分析的概念材料疲劳是指在循环应力作用下，材料在应力远远低于其抗拉强度的情况下发生断裂现象的过程。
材料的疲劳寿命是指材料在特定循环应力作用下能够承受的循环载荷次数。
在机械设计中，了解材料的疲劳特性和寿命是非常重要的，因为材料的疲劳断裂是导致机械设备失效的主要原因之一。
二、材料疲劳与寿命分析的方法1. S-N曲线法：S-N曲线是指应力振幅（S）和疲劳寿命（N）之间的关系曲线。
通过实验测试和数据处理，可以绘制出材料的S-N曲线，从而预测材料在不同应力水平下的疲劳寿命。
在机械设计中，可以根据所用材料的S-N曲线，结合实际工况条件，评估机械设备的疲劳强度和使用寿命。
2. 极限应力法：极限应力法是指根据材料的屈服强度和应变硬化指数，通过构建应变计算方程来预测材料的疲劳寿命。
该方法适用于高强度钢等材料的疲劳寿命预测，其优点是相比于S-N曲线法，具有更高的精度和准确性。
三、材料疲劳与寿命分析在机械设计中的应用材料疲劳与寿命分析在机械设计中具有重要的应用价值。
首先，通过针对所用材料的疲劳特性进行分析，可以为机械设备的设计提供参考依据。
例如，在设计机械零部件时，可以根据材料的疲劳寿命选择合适的材料，并进行必要的工艺处理，以提高机械设备的疲劳强度和使用寿命。
其次，材料疲劳与寿命分析可以帮助预测机械设备在特定工况条件下的寿命。
通过分析材料的S-N曲线或者应变计算方程，可以估计机械设备在实际使用中的疲劳寿命。
这对于机械设备的维护和保养至关重要，可以避免因材料疲劳导致的突然故障和损坏。
此外，材料疲劳与寿命分析还可以帮助改进机械设备的设计。
通过分析材料在疲劳断裂前的应力分布和变形特征，可以找到机械零部件的薄弱环节，并进行结构优化和改进。
机械设计中的结构疲劳与寿命预测研究
机械设计中的结构疲劳与寿命预测研究引言机械设计中的结构疲劳与寿命预测一直是一个关键的研究领域。
随着工业的发展和要求的不断提高，提高机械结构的耐久性和使用寿命成为一项非常重要的任务。
本文将从结构疲劳的原理、分类和影响因素入手，探讨当前机械设计中的寿命预测研究及其应用。
一、结构疲劳的原理结构疲劳是指在交变载荷作用下，材料或结构出现循环应力和循环变形，导致材料或结构在加载次数不断增加的情况下产生损伤和破坏的现象。
它是机械结构破坏的主要形式之一，具有不可忽视的重要性。
二、结构疲劳的分类结构疲劳可以分为低周疲劳和高周疲劳。
低周疲劳一般发生在较高载荷下，次数较少，应力循环幅值较大的情况下，例如机械设备中的起重臂；而高周疲劳通常发生在低载荷下，次数较多，应力循环幅值较小的情况下，例如机械结构中的连杆。
三、影响结构疲劳的因素结构疲劳寿命受到许多因素的影响，主要包括材料的特性、载荷历史、应力状态和表面状态等。
材料的特性包括材料的力学性能、化学成分和显微组织等，这些因素直接影响材料的强度和抗疲劳能力。
载荷历史主要指载荷的大小、作用时间和施加载荷的方式等，不同的载荷历史会导致不同的应力循环，从而影响结构的疲劳寿命。
应力状态指的是结构的应力分布情况，不同的应力状态也会导致不同的疲劳寿命。
表面状态包括表面质量和表面处理方式等，不良的表面状态会使疲劳损伤加速发展。
四、结构疲劳寿命预测的方法目前，结构疲劳寿命预测主要采用数值模拟和试验研究相结合的方法。
数值模拟可以通过建立合适的疲劳损伤累积模型来预测结构寿命，该模型基于材料的疲劳性能曲线和载荷历史，并考虑结构的应力状态和表面状态等因素。
试验研究方面，通常通过疲劳试验来获取材料的疲劳性能曲线和结构的疲劳寿命，然后将试验结果与数值模拟进行对比验证。
五、机械设计中的寿命预测研究与应用在机械设计中，对结构疲劳与寿命的研究主要体现在以下几个方面：1. 材料选择与优化研究人员通过分析不同材料的疲劳性能和强度等指标，选择适合的材料用于机械结构，以提高结构的寿命。
金属疲劳及疲劳统计
金属疲劳及疲劳统计 21金属疲劳的基本概念和一般规律 (3)1.1 交变应力 (3)1.2 高周疲劳和低周疲劳 (4)1.3 循环应力－应变滞后回线（滞后环） (5)1.4 循环应力－应变曲线 (7)1.5 疲劳曲线 (8)1.6 完整的疲劳曲线 (9)1.7 疲劳强度、疲劳极限和条件疲劳极限 (10)与材料静强度ζb的关系 (11)1.8 疲劳极限ζ－11.9 不同应力状态下疲劳极限的经验关系 (12)1.10 非对称循环条件下的疲劳极限和疲劳图 (13)1.11 平均应力为压应力条件下的疲劳图 (16)1.12 Miner线性疲劳损伤积累理论 (17)1.13其它类型的疲劳 (18)2金属疲劳的主要影响因素 (21)2.1 应力集中的影响 (22)2.2 尺寸因素的影响 (23)2.3 表面加工状态的影响 (23)2.4 加载经历的影响 (23)2.5 化学成分的影响 (24)2.6 热处理和显微组织的影响 (24)2.7 夹杂物的影响 (25)2.8 表面性能变化及残余应力的影响 (26)3疲劳数据的统计分析 (27)3.1 母体、个体、子样和子样大小 (28)3.2 观测数据的特征值 (28)3.3 正态及对数正态频率分布函数 (29)3.4 威布尔频率分布函数 (31)4疲劳数据的统计推断 (34)4.1 检验一个子样是否来自已知平均值的母体 (35)4.2 检验两个子样母体平均值是否相等 (37)5t分布和F分布及其在疲劳检验中的应用 (39)5.1 检验一个小子样是否来自已知平均值的母体 (40)5.2 正态母体平均值的区间估计 (41)5.3 一定误差限度下的最少试样个数 (41)5.4 检验两个小子样是否来自标准差相同的两个母体 (42)5.5 疲劳对比试验 (42)6 疲劳极限测试 (44)6.1 疲劳试验机 (44)6.2 疲劳极限测试方法 (44)金属疲劳及疲劳统计金属的疲劳是指金属材料或零（部）件在变动载荷的作用下，经过较长应力循环周次运转后发生突然失效或破坏的现象。
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第一讲 金属疲劳理 论及试验测试基础
§第一部分:金属疲劳理论
1 疲劳的定义及类型
1.1 疲劳定义: ISO定义为金属材料（也适用于非金属材料）在应力或 应变反复作用下材料性能的变化（特指开裂或破坏）。 1.2 疲劳破坏的形式：
a 机械疲劳：仅由外加动应力或动应变造成。转向架构架等车辆结构。 b 蠕变疲劳：循环载荷同高温联合作用造成。飞机喷气发动机叶片等结 构。 c 腐蚀疲劳：在腐蚀性介质或致脆介质环境下动载荷造成。海洋石油平 台等结构。 d 滑动接触疲劳和滚动接触疲劳：载荷的反复作用与材料之间的滑动和 滚动共同作用造成。车轮和钢轨的接触疲劳。 e…
3 疲劳裂纹萌生及扩展机理
结构在承受循环载荷作用下，将经历疲劳裂纹成核、微 裂纹形成及宏裂纹扩展三个阶段。掌握疲劳机理可理解构 件表面处理、表面残余应力和服役环境等因素对结构疲劳 寿命和疲劳裂纹扩展的影响。这方面的知识也对结构疲劳 寿命预测和结构抗疲劳设计也有重要意义。
Hale Waihona Puke 显微观察从20世纪就已开始，随着观察尺度不断变小，人 们发现结构在循环应力作用下，几乎同时就出现了疲劳裂 纹成核（位错）。 疲劳裂纹成核后，由于晶界等金相组织的影响其扩展是非 常缓慢和不稳定的。 从成核点出现了几条微裂纹后，经历了微裂纹融合阶段， 扩展变相对稳定一些，这就是疲劳裂纹扩展的初始阶段。
现代轨道交通车辆向高速重载方向发展，对结构提出了 高性能、轻量化和长寿命的设计要求。这些要求显然相互冲 突，总体而言，疲劳学科有以下特点： 1、寿命计算往往比强度计算精度差得多，寿命计算的误差量 级甚至都很难确定，寿命计算考虑的随机因素太多，有些很难 做的定量描述。
2、材料的基本疲劳性能很难精确的从其他性能指标推导出来， 只能依靠试验获取。这种材料疲劳性能试验往往规模较大，样 本数越大，所得到的信息越可靠。
Thompson Wadsworth & Louat 1956 试验表明，已经产生 滑移带的金属疲劳试样在表面去除一层之后继续循环，滑移带 继续在原位出现，他们把这种表面痕迹称为驻留滑移带， Zappfe & Ryder（1960）通过断口观察到疲劳辉纹，提出了辉 纹间距与裂纹扩展速率之间的关系，这对工程失效分析有重要 意义。
Inglis 1913 & Griffith 1921 提出了能量概念定量处理脆性固 体断裂的数学工具，但这个理论不能直接用来描述材料的疲劳 破坏。 Irwin 1957 提出K（应力强度因子）表示裂纹尖端应力奇异大 小。标志着线弹性断裂力学方法的出现。 Paris Gomez & Anderson 1961 提出在恒幅循环加载下，疲 劳裂纹在每个应力循环中的扩展量da/dN与应力强度因子幅DK 有关，虽然这个理论没有被当时主要杂志所接受，但这个方法 被广泛用来描述在裂纹顶端存在小范围塑性变形条件下的疲劳 裂纹扩展。
Ewing & Rosenhain 1900 通过对瑞典铁的研究说明在多晶 材料的许多晶粒内都会出现滑移带，这些滑移带在疲劳形变过 程中逐渐变宽形成裂纹，试样的突然破坏是某条主导裂纹向前 扩展造成的。 O.H. Basquin 1910 提出了描述金属S-N曲线的经验规律。同 一时期做出过重要贡献的还有: Smith（1910）Haigh（1915） Palmgren 1924 & Miner 1945 疲劳破坏的累积损伤模型。 Weibull 1939 材料强度的统计理论。 Neuber 1946 单向形变和循环形变的缺口效应。 Coffin 1954 & Manson 1954 塑性应变造成的损伤理论。各 自提出了发生疲劳破坏时载荷反向次数同塑性应变幅的经验关 系，即Coffin-Manson关系。
2 疲劳研究的历史发展过程
W.A.J. Albert 1929 对矿山升降机链条反复加载以验证其可 靠性。 W.J.M. Rankine 1843 注意到机器部件存在应力集中的危险 性。 A. Wöhler 1852-1857 对车轴疲劳破坏做了系统的研究，利用 设计的旋转弯曲疲劳试验机进行疲劳试验，提出了利用应力-寿 命曲线来描述疲劳行为，并且提出了‘疲劳极限’的概念。 H. Gerber 1874; Goodman 1899 提出考虑平均应力影响的 寿命计算方法。 Bauschinger 1886 金属在反向载荷作用下的弹性极限可能与 在单向形变中观察到的弹性极限有所差别。确认了金属材料循 环应变软化和循环应变硬化的现象。
3、结构的全尺寸疲劳试验是结构定型最重要的一步，它在一 定程度上能揭示疲劳设计寿命的满足情况。 4、所有的试验数据结果都需要经过统计学处理。
5、材料和设计要保证结构的时效裂纹有较低的扩展速率，必 须强化检查，在裂纹扩展到失稳之前发现并采取补救措施。
6、设计时必须有‘失效安全’的意识，当结构的某以单元时 效后，结构整体必须能保证完整并且能在一定的短期时间内继 续承载。
虽然恒定循环应力幅作用下疲劳破坏是疲劳研究的基 本内容，但由于工程应用中的服役条件不可避免的存 在变幅载荷谱、腐蚀环境、低温或高温及多轴应力状 态，因此建立能处理这些复杂服役条件的可靠寿命预 测模型是疲劳研究中最棘手的问题。考虑这些因素的 影响往往都是采用半经验的方法。 虽然习惯上认为出现滑移带是延性固体发生疲劳破坏 的必要条件，但非金属材料在没有位错反复运动情况 下，循环载荷产生的微观形变动力学不可逆机制是多 种多样的，当前研究的重点是把现有的金属体系的疲 劳知识扩展到这些先进功能材料上去。
对于成核和裂纹初始扩展两个阶段，各影响因素作用 程度是不同的。例如表面粗糙影响裂纹成核阶段但不影响 裂纹扩展；腐蚀环境对这两个阶段虽都有重要影响，但机 理不同。如上图所示，应力集中系数（Kt）是预测裂纹形 成的重要参数；应力强度因子（K）是预测裂纹扩展的重 要参数。
3.1 裂纹形成阶段— a、名义无缺陷的纯金属及合金，机理性解释