疲劳与断裂-陈传尧

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。 24
主要控制参量： Sa，重要影响参量：R
频率 (f=N/t)
S R= -1
f=100Hz, t=100h,
N=ft=3.6 107 (次循环) 波形
0
t
Smax=-Smin
对称循环
S
S
S
S
0
t0
t0
t0
t
三角波
TI然nhi而itsia，dtiso定tnin义lcift从eioi起ns ud始seup到aeln扩lyds展asus的puom转nem变d at，ony常be常th是e vp很aor困itai难obnl的eos,f。ilnifceluspdeinngt cdoemveploopnienngtsasnize, menagtienreiearl,inagndcrtahcekm, wethhiochd iussaebdotuotd0e.t3emctm cforracskmsa. ller components.
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3.疲劳损伤的结果是形成裂纹
有裂纹萌生-扩展-断裂三个阶段。 要研究疲劳裂纹萌生和扩展的机理及规律。
4. 疲劳是从开始使用到最后破坏的发展过程。
寿命（过程的长短） --取决于载荷、作用次数和材料的疲劳抗力。 Ntotal=Ninitiation+Npropagation
要研究寿命预测的方法---疲劳研究的目的。 27
O起n始e 寿of命th包e括m小os裂t i纹m的po形rta成nt和p早hy期si扩ca展l 。 Observation is that the fatigue process can generally be broken two distinct phase -扩i展nit寿iat命io是n 总lif寿e a命n中d 裂pr纹op扩ag展ati到on破l坏ife的. 部分。
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起这Ho始取w寿决ev命e于r,通许it常多is 被因oft假素en定，ve为包ry形括d成构iff一件icu个尺lt工,寸if程、no裂材t 纹料 的和im那检po一出ss部i裂bl分纹e, 寿t所o 命采de，用fin对的e t于方he小法tr尺等an寸。si构tio件n f，ro工m程 裂ini纹tia大tio约n为to0p.3rmopmag。ation.
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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。
疲劳研究的主要内容是：
载荷谱的描述与简化 应力集中细节处的应力应变
疲劳裂纹萌生和扩展的机理及规律 寿命预测与抗疲劳设计方法
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习题：1-5，1-6
再谢见谢！
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Crack propagation
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第一章 概述 introduction
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.
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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
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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)
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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
Crack initiation
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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
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
满 NO 修改 意 设计 ？
Smax、Smin、Sm 、Sa、S、R等量中，
只要已知二个，即可导出其余各量。
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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
ຫໍສະໝຸດ Baidu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。
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。
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。
工作应力： 构件在可能受到的最大工作载荷作用下的应力。
The initiation life encompasses the development and early growth of a small crack.
The propagation life is the portion of the total life spent growing a crack to failure.
研究目的：预测寿命。 N=Ni+Np 裂纹萌生+ 扩展
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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。
要研究 载荷谱 的描述 与简化
S
S
Sm a x
S
0 恒幅循环 t 0
S 变幅循环t 0 随机载荷 t
图1.1 疲劳载荷形式分类
（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；
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；
正弦波
矩形波
梯形波
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2. 破坏起源于高应力、高应变局部。
应力集中处，常常是疲劳破坏的起源。 要研究细节处的应力应变。
静载下的破坏，取决于结构整体； 疲劳破坏则由应力或应变较高的局部开始， 形成损伤并逐渐累积，导致破坏发生。 可见，局部性是疲劳的明显特点。
因此，要注意细节设计，研究细节处的 应力应变，尽可能减小应力集中。
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
14
上海 东方电视塔
高300m 球径45m
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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、。抗震能力）
疲劳与断裂
Fatigue & Fracture
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
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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。
( 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
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