疲劳与断裂PPT课件
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疲劳断裂失效分析精品PPT课件
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3.1 疲劳断裂的基本形式和特征
5、疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性
金属材料的疲劳断裂除取决于材料本身的性能 外，还与零件运行的环境条件有着密切的关系。对 材料敏感的环境条件虽然对材料的静强度也有一定 的影响，但其影响程度远不如对材料疲劳强度的影 响来得显著。大量实验数据表明，在腐蚀环境下材 料的疲劳极限较在大气条件下低得多，甚至就没有 所说的疲劳极限。
2
5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以正断形 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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5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
1、切断疲劳失效
切断疲劳初始裂纹是由切应力引起的。切应力引 起疲劳初裂纹萌生的力学条件是：切应力／缺口切断 强度≥1；正应力／缺口正断强度＜1。
切断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应力应变 场为平面应力状态；初裂纹的所在平面与应力轴约成 45º角，并沿其滑移面扩展。
2
5.2 疲劳断口形貌及其特征
5.2.1 疲劳断口的宏观形貌及其特征
由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，因而形成了疲劳断 裂 特有的断口形貌，这是疲劳断裂分析时的根本依据。
典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区 、疲劳裂纹的选择发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等 五个区域。一般疲劳断口在宏观上也可粗略地分为疲劳源区、 疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个区域，更粗略地可将其分为 疲劳区和瞬时断裂区两个部分。大多数工程构件的疲劳断裂断 口上一般可观察到三个区域，因此这一划分更有实际意义。
3.1 疲劳断裂的基本形式和特征
5、疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性
金属材料的疲劳断裂除取决于材料本身的性能 外，还与零件运行的环境条件有着密切的关系。对 材料敏感的环境条件虽然对材料的静强度也有一定 的影响，但其影响程度远不如对材料疲劳强度的影 响来得显著。大量实验数据表明，在腐蚀环境下材 料的疲劳极限较在大气条件下低得多，甚至就没有 所说的疲劳极限。
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5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以正断形 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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5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
1、切断疲劳失效
切断疲劳初始裂纹是由切应力引起的。切应力引 起疲劳初裂纹萌生的力学条件是：切应力／缺口切断 强度≥1；正应力／缺口正断强度＜1。
切断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应力应变 场为平面应力状态；初裂纹的所在平面与应力轴约成 45º角，并沿其滑移面扩展。
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5.2 疲劳断口形貌及其特征
5.2.1 疲劳断口的宏观形貌及其特征
由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，因而形成了疲劳断 裂 特有的断口形貌，这是疲劳断裂分析时的根本依据。
典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区 、疲劳裂纹的选择发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等 五个区域。一般疲劳断口在宏观上也可粗略地分为疲劳源区、 疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个区域，更粗略地可将其分为 疲劳区和瞬时断裂区两个部分。大多数工程构件的疲劳断裂断 口上一般可观察到三个区域，因此这一划分更有实际意义。
材料的疲劳损伤与断裂.完整版PPT资料
1970 1980
2000
疲劳的根本概念
疲劳的根本概念
What is fatigue ?
The process of progressive localized permanent structural change occurring in a material subjected to conditions which produce fluctuating stresses and strains at some point or points and which may culminate in crack or complete fracture after a sufficient number of fluctuations.
S
S
S
0
t0
t0
t0
t
三角波
正弦波
矩形波
梯形波
材料的疲劳性能
材料的疲劳性能
材料的疲 劳性能
材料的循环变形特性 - relationship
载荷寿命关系 -N curve -N curve
疲劳裂纹扩展特性 da/dN curve
材料的疲劳性能
拉伸应力-应变关系
σ-ε
S-e
σ ε
单调σ-ε曲线
单调拉伸和单调压缩曲线关于原点O对称；在 屈服极限A点以内是直线。
工程中的疲劳现象
Case 2: rotating shaft with overhung flywheel
Service conditions: Load W, constant Shaft rotates at 250 rev/min, 8hr/day, 300 days/yr
In a service life of 40 years the shaft accumulates 25060830040 =1.44109 cycles of bending moment, WL
疲劳断裂分析课件
疲劳断裂分析
4.1 应力疲劳
1. S-N 曲线：疲劳极限经验关系式
疲劳极限σR与抗拉强度σb 的关系
钢的疲劳极限与抗拉强度的关系 疲劳断裂分析
4.1 应力疲劳
1. S-N 曲线：疲劳极限经验关系式
疲劳极限σR与抗拉强度σb 的关系：0.35～0.5 之间（R=-1）
旋转弯曲： 1 0.5b
4.2
式中：m与C是与材料、应力比、加载方式等有关的 参数，A=lgC/m; B=-1/m.
✓ 最常用的一种拟合形式
疲劳断裂分析
4.1 应力疲劳
1. S-N 曲线：数学表达
指数式（半对数曲线）
emS NC
4.3
SABlgN 4.4
式中：m与C是与材料、应力比、加载方式等有关的 参数，A=lgC/mlge; B=1/mlge.
疲劳断裂分析
4.1 应力疲劳
3. 缺口构件S-N曲线：
① 疲劳缺口系数
定义：Kf＝光滑试样的疲劳强度/缺口试样的疲劳强度
Kf 1q(Kt 1)
4.17
q：缺口敏感系数介于0～1 之间，与材料性质及缺 口几何形状有关
q=1：表示材料对应力集中非常敏感，如塑性差的
结构钢等
塑性好的材料对应力集疲劳中断裂不分析敏感！
由此可得，基本上可承受的最大应力水平为150MPa。
疲劳断裂分析
Miner理论的应用实例：
例4-3：已知构件的S-N曲线满足σ2N=2.5*1010,一年内承
受的载荷谱如表4.2所示，试估算其寿命。 表4.2 典型块谱及其损伤计算
解：分别计算后的损伤如表中第四栏所示，可知一年内
的损伤累计：D1=0.121，则其服役年限可为： N=1/D1=1/0.疲1劳2断1裂=分8析.27年
疲劳与断裂-讲课PPT课件
“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) Int. J. Fatigue, Vol.6, No.1, 1984
工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破 坏的50-90%，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。
.
8
1993年，美国政府报告 ( PB94-143336, 1993)发 表了1973-1990年期间的飞机使用故障统计结果，表 中列出了四种常用机型的数据。
SDR-使用故障报告 （美国） （1973-1990)
机型
Boeing 727 737 747
DC-9
SDR 报告总次数 飞机数 报告数 2364 36315 1097 15437
各种方法互相补充，适应不同设计需求， 不是相互取代的。
.
1.4 疲劳破坏机理与断口特征
14
一、断口宏观特征
典型疲劳断口，特征明显： 1)有裂纹源、裂纹扩展区和
最后断裂区三个部分。 2)裂纹扩展区断面较光滑，
通常可见 “海滩条带”, 还可能有腐蚀痕迹。
裂纹扩展区 海滩条带 最后断裂区
裂纹源
飞孔机边轮角毂裂疲纹劳断断口口
.
疲劳断口观察工具与观察内容的关系:
22
观察 肉眼，放大镜 金相显微镜 工具
电子显微镜
放大 倍数
1-10×
10-1000× 1000×以上
观察 宏观断口， 裂纹源，滑移， 条纹，微解理 对象 海滩条带； 夹杂，缺陷； 微孔聚合
.
4. 由疲劳断口进行初步失效分析
23
断口宏观形貌: 是否疲劳破坏? 裂纹临界尺寸? 破坏载荷？ 是否正常破坏？
重大事故，平均每年100次。(不包括中、苏) Int. J. Fatigue, Vol.6, No.1, 1984
工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破 坏的50-90%，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。
.
8
1993年，美国政府报告 ( PB94-143336, 1993)发 表了1973-1990年期间的飞机使用故障统计结果，表 中列出了四种常用机型的数据。
SDR-使用故障报告 （美国） （1973-1990)
机型
Boeing 727 737 747
DC-9
SDR 报告总次数 飞机数 报告数 2364 36315 1097 15437
各种方法互相补充，适应不同设计需求， 不是相互取代的。
.
1.4 疲劳破坏机理与断口特征
14
一、断口宏观特征
典型疲劳断口，特征明显： 1)有裂纹源、裂纹扩展区和
最后断裂区三个部分。 2)裂纹扩展区断面较光滑，
通常可见 “海滩条带”, 还可能有腐蚀痕迹。
裂纹扩展区 海滩条带 最后断裂区
裂纹源
飞孔机边轮角毂裂疲纹劳断断口口
.
疲劳断口观察工具与观察内容的关系:
22
观察 肉眼，放大镜 金相显微镜 工具
电子显微镜
放大 倍数
1-10×
10-1000× 1000×以上
观察 宏观断口， 裂纹源，滑移， 条纹，微解理 对象 海滩条带； 夹杂，缺陷； 微孔聚合
.
4. 由疲劳断口进行初步失效分析
23
断口宏观形貌: 是否疲劳破坏? 裂纹临界尺寸? 破坏载荷？ 是否正常破坏？
疲劳与断裂5PPT课件
所幸的是，断裂力学的发展帮助我们避免了一些潜 在的危险。我们对材料如何破坏的理解、避免这类 破坏发生的能力，自二次世界大战以来已显著增加。 然而，还有许多要研究，已有的断裂力学知识也并 未总是在适当的时候得到应用。
7
5.2 裂纹尖端的应力强度因子
裂纹的 三种基 本受载 形式：
y
x
t
z
1型 t
y
x
作用(、a)越大，抗力(K1C )越低，越可能断裂。
K是低应力脆性断裂（线弹性断裂）发生与否 的控制参量，断裂判据可写为：
K= f (Wa ,L) pa K1c 16
断裂判据：
K= f (Wa ,L) pa K1c 或 KK1C
这是进行抗断设计的基本控制方程。
f是裂纹尺寸a和构件几何(如W)的函数，查手册； K1C是断裂韧性(材料抗断指标)，由试验确定。
r， ij趋于零；但显然可知, 当q=0时，在x轴 上远离裂纹处，应有y=，且不受r的影响。故 此时应以其后的r0阶项为主项。
断裂力学关心的是裂纹尖端附近的应力场。
11
裂尖的应力强度因子K1： K1= p a
K反映了裂尖应力场的强弱；足标1表示是1型。
ij越大，K越大；裂纹尺寸a越大，K越大。 K的量纲为[应力][长度]1/2，常用MPa m。
内压 p ，则 ，临界裂纹尺寸 ac ；
若内压不变，容器直径 d ， ， ac ， 抗断裂能力越差。
22
本章基本概念
低应力断裂：在静强度足够的情况下发生的断裂。
剩余强度: 受裂纹影响降低后的强度。 工程中最常见的、危害最大的是 I (张开)型裂纹。 用弹性力学方法可以得到裂纹尖端附近任一点 (r,q)处的正应力x、y和剪应力txy为：
7
5.2 裂纹尖端的应力强度因子
裂纹的 三种基 本受载 形式：
y
x
t
z
1型 t
y
x
作用(、a)越大，抗力(K1C )越低，越可能断裂。
K是低应力脆性断裂（线弹性断裂）发生与否 的控制参量，断裂判据可写为：
K= f (Wa ,L) pa K1c 16
断裂判据：
K= f (Wa ,L) pa K1c 或 KK1C
这是进行抗断设计的基本控制方程。
f是裂纹尺寸a和构件几何(如W)的函数，查手册； K1C是断裂韧性(材料抗断指标)，由试验确定。
r， ij趋于零；但显然可知, 当q=0时，在x轴 上远离裂纹处，应有y=，且不受r的影响。故 此时应以其后的r0阶项为主项。
断裂力学关心的是裂纹尖端附近的应力场。
11
裂尖的应力强度因子K1： K1= p a
K反映了裂尖应力场的强弱；足标1表示是1型。
ij越大，K越大；裂纹尺寸a越大，K越大。 K的量纲为[应力][长度]1/2，常用MPa m。
内压 p ，则 ，临界裂纹尺寸 ac ；
若内压不变，容器直径 d ， ， ac ， 抗断裂能力越差。
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本章基本概念
低应力断裂：在静强度足够的情况下发生的断裂。
剩余强度: 受裂纹影响降低后的强度。 工程中最常见的、危害最大的是 I (张开)型裂纹。 用弹性力学方法可以得到裂纹尖端附近任一点 (r,q)处的正应力x、y和剪应力txy为：
疲劳与断裂-应变疲劳培训课件
采用各级应变水平由小到大再由大到小构成的程序块，由一根试 样反复试验直至响应应力达到稳定值，将这个稳定循环程序块得到的 许多滞回环顶点连接起来即可得到循环应力应变曲线。
Masing效应
在不同应力水平得到的滞回环通过坐标平移，使其最低点与原点 重合，如果滞回环最高点的连线与其上行线重合，则该材料具有 Masing效应。
6
2. 单调应力-应变曲线
s
A
均匀变形阶段，s-e曲线上任一点的应
变e，均可表示为：
e=ee+ep
s-ee关系用Hooke定理表达为：s=Eee
0 ep ee e
s-ep关系用Holomon关系表达为：s=K(ep)n
Remberg-Osgood 弹塑性应力-应变关系：
e=eeep=E s(K s)1n
疲劳与断裂-应变疲劳
尽管大部分工程结构和构件设计的名 义载荷是保持弹性的，应力集中也会在缺 口附近引起塑性应变。
应变--寿命法假定在应变控制下试验的光滑试件 可以模拟工程构件缺口根部的疲劳损伤。如果承 受相同的应力--应变历程，则缺口根部材料有与 光滑件相同的疲劳损伤（和疲劳寿命）。
2
问题：
循环载荷下，应变如何分析？ 应变-寿命关系如何描述？
K为强度系数，应力量纲(MPa); n为应变硬化指数，无量纲。 n=0，理想塑性材料。
7
4.2 滞后(回)环和循环应力-应变响应
循环滞回环
Bauschinger效应
循环软/硬化行为 应变控制循环加载
循环软/硬化行为 应力控制循环加载
OFHC紫铜的循环硬化行为
其它材料的循环软/硬化行为
SA333 C–Mn钢
思路：
单调应力-应变 关系
Masing效应
在不同应力水平得到的滞回环通过坐标平移，使其最低点与原点 重合，如果滞回环最高点的连线与其上行线重合，则该材料具有 Masing效应。
6
2. 单调应力-应变曲线
s
A
均匀变形阶段，s-e曲线上任一点的应
变e，均可表示为：
e=ee+ep
s-ee关系用Hooke定理表达为：s=Eee
0 ep ee e
s-ep关系用Holomon关系表达为：s=K(ep)n
Remberg-Osgood 弹塑性应力-应变关系：
e=eeep=E s(K s)1n
疲劳与断裂-应变疲劳
尽管大部分工程结构和构件设计的名 义载荷是保持弹性的，应力集中也会在缺 口附近引起塑性应变。
应变--寿命法假定在应变控制下试验的光滑试件 可以模拟工程构件缺口根部的疲劳损伤。如果承 受相同的应力--应变历程，则缺口根部材料有与 光滑件相同的疲劳损伤（和疲劳寿命）。
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问题：
循环载荷下，应变如何分析？ 应变-寿命关系如何描述？
K为强度系数，应力量纲(MPa); n为应变硬化指数，无量纲。 n=0，理想塑性材料。
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4.2 滞后(回)环和循环应力-应变响应
循环滞回环
Bauschinger效应
循环软/硬化行为 应变控制循环加载
循环软/硬化行为 应力控制循环加载
OFHC紫铜的循环硬化行为
其它材料的循环软/硬化行为
SA333 C–Mn钢
思路：
单调应力-应变 关系
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
第5章-疲劳断裂失效分析PPT课件
降低
材料强度
增加
升高
材料塑性
增加
降低
温度
升高
降低
腐蚀介质
强
降低
2021
14
4、疲劳断裂对材料缺陷的敏感性
• 金属的疲劳失较具有对材料的各种缺陷均 为敏感的特点。因为疲劳断裂总是起源于 微裂纹处。这些微裂纹有的是材料本身的 冶金缺陷，有的是加工制造过程中留下的， 有的则是使用过程中产生的。
2021
15
2021
16
5.2 疲劳断口形貌及其特征
5.2.1 疲劳断口的宏观特征
1.金属疲劳断口宏观形貌
• 由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，因 而形成了疲劳断裂特有的断口形貌，这是 疲劳断裂分析时的根本依据。
2021
17
图5-1 疲劳断口示意图
2021
18
• 典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲 劳核心、疲劳源区、疲劳裂纹的选择发展 区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等五 个区域。一般疲劳断口在宏观上也可粗略 地分为疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时 断裂区三个区域，更粗略地可将其分为疲 劳区和瞬时断裂区两个部分。大多数工程 构件的疲劳断裂断口上一般可观察到三个 区域，因此这一划分更有实际意义。
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图5-10 锯齿状断口形成过程示意图
2021
40
图5-11 锯齿状断口
2021
41
5.2.3 疲劳断口的微观形貌特征
• 疲劳断口微观形貌的基本特征是在电子显 微镜下观察到的条状花样，通常称为疲劳 条痕、疲劳条带、疲劳辉纹等。疲劳辉纹 是具有一定间距的、垂直于裂纹扩展方向、 明暗相交且互相平行的条状花样 。
2021
24
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1980年3月27日，英国北海油田Kielland 号钻井 平台倾复；127人落水只救起 89人；
主要原因是由缺陷或裂纹导致的断裂。 8
大型汽轮机 转子
9
轴
叶轮
疲劳断裂破坏 10
转子轴
疲劳开裂
疲劳断裂破坏
11
叶片击穿厂房
12
飞机整机结构强度实验
机翼破坏实验
13
飞机整机结构强度实验 机身破坏实验
Smax、Smin、Sm 、Sa、S、R等量中，
只要已知二个，即可导出其余各量。
24
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
t
Smax=-Smin
SmHale Waihona Puke n=0对称循环脉冲循环
0
t
Smax=Smin
静载
设计：用Smax，Smin ，直观； 试验：用Sm，Sa ，便于加载； 分析：用Sa，R，突出主要控制参量, 便于分类讨论。
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。
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？
研究多次使用载荷作用下的破坏 --疲劳
缺陷从何而来？
材料固有或使用中萌生 --疲劳与断裂
5
结构/构件强度的控制参量是应力。
23
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
(1)式二端除以Smax，有 Sm=[(1+R)/2]Smax (4) (2)式二端除以Smax，有 Sa=[(1-R)/2]Smax (5) (5)式除以(4)式，有 Sa=[(1-R)/(1+R)]Sm (6)
14
上海 东方电视塔
高300m
球径45m 15
控制疲劳强度、断裂强度的是什么？
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、本破失坏效形模式式、。抗震能力）
16
2019/9/18
17
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
22
循环应力 (cycle stress)的描述：
恒幅循环应力是最简单的。
S Smax
描述循环应力水平的基本量： 0
Smax， Smin
Smin
Sm Sa
Sa t
常用导出量：
平均应力 Sm=(Smax+Smin)/2
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
1.1 什么是疲劳？ ASTM E206-72
The process of progressive localized permanent structural change occurring in a material subjected to conditions which produce fluctuating stresses and strains at some point or points and which may culminate in crack or complete fracture after a sufficient number of fluctuations.
工作应力： 构件在可能受到的最大工作载荷作用下的应力。
( 由力学分析计算得到 )
极限应力： ys 、 b 材料可以承受的强度指标。 延性材料： ys ； 脆性材料： b
( 通过材料力学性能的实验得到 )
强度判据：
( 作用 抗力 )
结构或构件的工作应力 材料的极限应力
ys b
主要控制参量： Sa，重要影响参量：R 频率 (f=N/t) 和 波形的影响是较次要的。 25
研究目的：预测寿命。 N=Ni+Np 裂纹萌生+ 扩展
21
1. 只有在扰动应力作用下，疲劳才会发生。
扰动应力，是指随时间变化的应力。 也可更一般地称为扰动载荷，
载荷可以是力、应力、应变、位移等。
S
S
S
要研究
Sm a x
载荷谱 S 的描述
与简化
0
恒幅循环
t0
变幅循环 t 0 随机载荷 t
图1.1 疲劳载荷形式分类
Crack initiation
18
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
Fracture mechanics
八. 疲劳裂纹扩展 九. 裂纹闭合理论与高载迟滞效应 十. 疲劳寿命预测与抗疲劳设计
Crack propagation
19
第一章 概述 introduction
疲劳与断裂
Fatigue & Fracture
陈传尧
1
回顾
工程力学（或者应用力学）是: 将力学原理应用实际工程系统的科学。
其目的是： 了解工程系统的性态 并为其设计提供合理的规则。
机械、结构等
受力如何？ 如何运动？ 如何变形？破坏？ 如何控制设计？
性态
规则
2
受力如何？ 如何运动？
理论力学、振动理论等， 研究对象为刚体； 基本方程是平衡方程、运动方程等。
如何变形？破坏？
材料力学、弹性力学、塑性力学等， 研究对象为变形体； 基本方程是平衡方程、物理方程、几何方程等。
3
控制设计：强度是最主要的控制指标。 强度设计的一般方法：
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
延性材料 脆性材料
6
按静强度设计，满足[]，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（机身舱门拐角处开裂）；
7
二次大战期间，400余艘全焊接舰船断裂。
1967年12月15日，美国西弗吉尼亚的 Point Pleasant桥倒塌， 46人死亡；
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或完全断裂的材料中所 发生的局部永久结构变化的发展过程，称为疲劳。
20
疲劳是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或完全断裂的 材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程。
疲劳问题的特点与研究目的：
特点： 扰动应力，高应力局部， 裂纹，发展过程。
主要原因是由缺陷或裂纹导致的断裂。 8
大型汽轮机 转子
9
轴
叶轮
疲劳断裂破坏 10
转子轴
疲劳开裂
疲劳断裂破坏
11
叶片击穿厂房
12
飞机整机结构强度实验
机翼破坏实验
13
飞机整机结构强度实验 机身破坏实验
Smax、Smin、Sm 、Sa、S、R等量中，
只要已知二个，即可导出其余各量。
24
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
t
Smax=-Smin
SmHale Waihona Puke n=0对称循环脉冲循环
0
t
Smax=Smin
静载
设计：用Smax，Smin ，直观； 试验：用Sm，Sa ，便于加载； 分析：用Sa，R，突出主要控制参量, 便于分类讨论。
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。
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？
研究多次使用载荷作用下的破坏 --疲劳
缺陷从何而来？
材料固有或使用中萌生 --疲劳与断裂
5
结构/构件强度的控制参量是应力。
23
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
(1)式二端除以Smax，有 Sm=[(1+R)/2]Smax (4) (2)式二端除以Smax，有 Sa=[(1-R)/2]Smax (5) (5)式除以(4)式，有 Sa=[(1-R)/(1+R)]Sm (6)
14
上海 东方电视塔
高300m
球径45m 15
控制疲劳强度、断裂强度的是什么？
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、本破失坏效形模式式、。抗震能力）
16
2019/9/18
17
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
22
循环应力 (cycle stress)的描述：
恒幅循环应力是最简单的。
S Smax
描述循环应力水平的基本量： 0
Smax， Smin
Smin
Sm Sa
Sa t
常用导出量：
平均应力 Sm=(Smax+Smin)/2
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
1.1 什么是疲劳？ ASTM E206-72
The process of progressive localized permanent structural change occurring in a material subjected to conditions which produce fluctuating stresses and strains at some point or points and which may culminate in crack or complete fracture after a sufficient number of fluctuations.
工作应力： 构件在可能受到的最大工作载荷作用下的应力。
( 由力学分析计算得到 )
极限应力： ys 、 b 材料可以承受的强度指标。 延性材料： ys ； 脆性材料： b
( 通过材料力学性能的实验得到 )
强度判据：
( 作用 抗力 )
结构或构件的工作应力 材料的极限应力
ys b
主要控制参量： Sa，重要影响参量：R 频率 (f=N/t) 和 波形的影响是较次要的。 25
研究目的：预测寿命。 N=Ni+Np 裂纹萌生+ 扩展
21
1. 只有在扰动应力作用下，疲劳才会发生。
扰动应力，是指随时间变化的应力。 也可更一般地称为扰动载荷，
载荷可以是力、应力、应变、位移等。
S
S
S
要研究
Sm a x
载荷谱 S 的描述
与简化
0
恒幅循环
t0
变幅循环 t 0 随机载荷 t
图1.1 疲劳载荷形式分类
Crack initiation
18
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
Fracture mechanics
八. 疲劳裂纹扩展 九. 裂纹闭合理论与高载迟滞效应 十. 疲劳寿命预测与抗疲劳设计
Crack propagation
19
第一章 概述 introduction
疲劳与断裂
Fatigue & Fracture
陈传尧
1
回顾
工程力学（或者应用力学）是: 将力学原理应用实际工程系统的科学。
其目的是： 了解工程系统的性态 并为其设计提供合理的规则。
机械、结构等
受力如何？ 如何运动？ 如何变形？破坏？ 如何控制设计？
性态
规则
2
受力如何？ 如何运动？
理论力学、振动理论等， 研究对象为刚体； 基本方程是平衡方程、运动方程等。
如何变形？破坏？
材料力学、弹性力学、塑性力学等， 研究对象为变形体； 基本方程是平衡方程、物理方程、几何方程等。
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控制设计：强度是最主要的控制指标。 强度设计的一般方法：
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
延性材料 脆性材料
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按静强度设计，满足[]，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（机身舱门拐角处开裂）；
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二次大战期间，400余艘全焊接舰船断裂。
1967年12月15日，美国西弗吉尼亚的 Point Pleasant桥倒塌， 46人死亡；
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或完全断裂的材料中所 发生的局部永久结构变化的发展过程，称为疲劳。
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疲劳是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或完全断裂的 材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程。
疲劳问题的特点与研究目的：
特点： 扰动应力，高应力局部， 裂纹，发展过程。