实用疲劳理论-林晓斌

nCode 疲劳耐久性工程高级培训班课程

实用疲劳理论

实用疲劳理论

•材料的物理性能

•疲劳载荷

•应力寿命（S-N）法

•局部应变法（e-N）

什么是金属疲劳？

What is Fatigue?

Quiz 1:

•How can you

break a metal

spoon?

Quiz 2:

•How can you

break a ceramic

spoon?

Quiz 3:

•Why a metal spoon can be broken, and a ceramic spoon cannot?

金属疲劳失效的原因是什么？

•外因：载荷的变化

•内因：金属中有位错

什么是金属疲劳？

•疲劳是一种机械损伤过程，

在这一过程中即使名义应力

低于材料的屈服强度，载荷

的反复变化也将引起失效

•疲劳一般包含裂纹萌生和随

后的裂纹扩展两个过程，循

环塑性变形是金属产生疲劳

的主要原因

什么是金属疲劳？

Quiz 4:

•Can you name a metal

fatigue failure you

experienced?

飞机空难(The De Havilland Comet Story)

•The first passenger jet airliner (1949 -1980)

•Suffered two tragic air accidents due to fatigue failure

•68 people killed as a result

•Order books fell by 50 aircraft

•Ultimately heralded the collapse of the British civil aircraft industry

火车出轨

汽车零部件失效

•Truck frame

•Manifold

•Bracket

•Crankshaft

•Brake

•Exhaust pipe

•Wheel

•…

桥梁坍塌

疲劳失效

•在美国已经得到确认，由于产

品的疲劳问题所引起的损失占

国民生产总值的4％左右(约

1200 亿美元).

•中国机械工程手册在第6章“结

构疲劳强度设计”中指出：机

械零构件80％以上为疲劳破

坏，因此对于承受循环载荷的

零构件都应进行疲劳强度设计。

疲劳失效所涉及的领域

•汽车、航天、航空、航海、能源、国防、铁路、海洋工程及一般的机器制造等工业领域

铁路

国防工程车辆

机器能源

农用车辆航空航天

轿车

疲劳失效机理：小裂纹的起始和扩展

~1mm

第一阶段第二阶段位错滑移位错滑移和阶段一裂纹扩展

Alternating Stress

Crystal surface

Slip bands form

along planes of

maximum shear

giving rise to

surface extrusions

and intrusions

裂纹起始和扩展

Formation of a crack causes

local stress concentration at

the crack tip. The area ahead of

the crack is now undergoing

cyclic plastic deformation.

Crack

Stress

concentration

阶段二裂纹扩展

Striations

Fast

fracture Beacharks due to

crack propagation

长裂纹的扩展

单裂纹扩展

多裂纹扩展耦合

疲劳寿命定义

•裂纹起始寿命

•裂纹扩展寿命

•总寿命

怎样预测疲劳寿命？

How fatigue life is predicted?

疲劳发展简史

疲劳发展简史(1/2)

•1839年，Poncelet首先使用“疲劳”一词。

•1849年，英国机械工程学会（IMechE）辩论结晶理论•1864年，Fairbairn 用交变载荷对船链进行了实验

•1871 年，Wohler首先对铁路车轴进行了系统的疲劳研究。

发展了旋转弯曲疲劳试验，S-N曲线及疲劳极限概念•1886年，Bauschinger首先确证了应力-应变滞回线

•1903年，Ewing 和Humphrey 证明结晶理论是不正确的，

指出疲劳是由于塑性变形所引起

•1910年，Bairstow调查了应变循环中的应力-应变响应，

提出了循环硬化和循环软化概念

•1920年，Griffith 研究了玻璃中的裂纹，由此诞生了断裂力学

Wohler 疲劳试验

1871 年，Wohler 首先对铁路车轴进行了系统的疲劳研究。发展了旋转弯曲疲劳试验，S-N 曲线及疲劳极限概念。

Wohler 曲线和疲劳极限

Unnotched Shaft Log (Nf , 疲劳循环次数)

S

t r e

s

s A m

p l i

t

u d e

应力

幅

Notched Shaft 光滑试样缺口试样应力幅(Y)

1 个应力循环

疲劳发展简史(2/2)

•1955年，Manson 和Coffin 研究了应变条件控制下的疲劳，

热循环、低周疲劳及塑性应变问题。

•1959年，Paris 首先提出了一种用断裂力学参数处理

裂纹扩展的方法。

•1961年，Neuber 建议了一种方法，估计应力集中处的

弹塑性应力应变。

•1968年，Matsuishi 和Endo 提出了雨流循环计数方法。•1981年，能够进行合理疲劳计算的计算机得到了发展。•1982年，nCode 国际有限公司成立，开发和销售疲劳寿命

预测软件，提供疲劳咨询服务

•2002年，nCode 推出了ICE-flow 疲劳软件