疲劳与断裂PPT课件
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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.
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。
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
t0ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
变幅循环 t 0 随机载荷 t
图1.1 疲劳载荷形式分类
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
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
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
Smin=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。
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
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
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)
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
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。
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；
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
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。
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.
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。
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
t0ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
变幅循环 t 0 随机载荷 t
图1.1 疲劳载荷形式分类
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
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
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
Smin=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。
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
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
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)
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
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。
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；
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
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。