循环应力与疲劳与断裂关系
腐蚀疲劳与应力腐蚀开裂的关系
腐蚀疲劳与应力腐蚀开裂的关系河南邦信防腐材料有限公司2017年3月整理尽管腐蚀疲劳和腐蚀开裂在许多不同的情况下都可能发生，但是在某种程度上，它们被认为具有很大的相关性。
当这两者同时发生时，会在许多行业内造成不可估量的经济损失。
近一个世纪以来，工程材料（主要是金属材料）的腐蚀疲劳已成为全球最重要的研究主题之一。
第一次世界大战期间，这种腐蚀疲劳失效现象首先是在英国皇家海军某个设备的电缆中观察到的。
如今，腐蚀疲劳已被认为是研究最为广泛的腐蚀失效类型之一。
而自1960年代初以来，应力腐蚀开裂（SCC）也逐渐引起了人们的广泛关注。
尽管在许多不同情况下腐蚀疲劳和应力腐蚀开裂会单独发生，但它们仍然被认为具有很大的相关性。
众所周知，当这两种现象同时发生时，会在许多行业中导致设备失效并带来巨大的经济损失。
这些失效都是突发性的和灾难性的，是近年来人们进行广泛的科学和工程研究的重要主题。
但是，要了解腐蚀疲劳和应力腐蚀开裂如何相互作用，必须首先了解每种腐蚀类型涉及的机理。
什么是应力腐蚀开裂？应力腐蚀开裂（SCC）被定义为由于机械应力和腐蚀的相互作用而发生的开裂现象。
造成应力腐蚀开裂有很多因素，但与其中任何一种单独作用的因素相比，腐蚀性环境这一因素在材料中引起的应力产生的破坏一般更大。
尽管SCC最常见于金属中，但它也可以存在于一些其他材料中，例如聚合物和玻璃等。
SCC带来的结果通常被认为是灾难性的，因为材料的强度会因此发生降低，随后材料的结构也可能发生破坏。
通常情况下，细微的腐蚀裂纹仅在材料的晶界处形成，而其余的区域则不受破坏。
因此，在临时检查中通常很难检测到SCC损伤现象，并且不容易预测损伤的程度。
导致SCC进一步发展的原因之一是某些金属的晶界缺乏钝性。
由于杂质在这些位置的偏析现象改变了材料的微观结构，使材料的表面钝化难以在边界界面处发生。
例如，在某些奥氏体不锈钢中，晶界处的铬金属局部浓度可能大大低于材料表面的局部浓度。
结构疲劳与断裂分析-SN曲线
SN曲线: 英文名称：SN curves 定义：在循环应力中给定应力比或平均应力时，材料或构件的疲劳寿命N与应力幅值S的关系曲线。
应力水平（S）用R和Sa描述。
寿命（N）为到破坏的循环次数。
研究裂纹萌生寿命，“破坏”定义为：1.标准小尺寸试件断裂。
脆性材料2.出现可见小裂纹, 或可测的应变降。
延性材料一．基本S-N曲线：用一组标准试件，在R=-1下，施加不同的Sa，进行疲劳试验，可得到S-N曲线。
二．S-N曲线的数学表达S N=C1) 幂函数式m其中m与C是与材料、应力比、加载方式等有关的参数。
二边取对数，有:lg S=A+B lg NS-N间有对数线性关系；参数A=LgC/m, B=-1/m。
e N=C2) 指数式：ms其中m与C是与材料、应力比、加载方式等有关的参数。
二边取对数后成为：S=A+B l g N （半对数线性关系）三．数据拟合在数据拟合过程中采用幂函数式，用成组法测定二参数S-N曲线时，一般是在4~5级应力水平下进行疲劳试验，在每级应力水平下试验一组试样。
应力水平的选定，应使试验点处在高周疲劳区[N>（1~5）×104次循环]，并位于拐点以前。
试验顺序可以任意选择，但由于高应力水平的疲劳寿命远比低应力水平为低，摸索合适的应力水平比较省时，所以习惯于由高到低。
试验后将对数疲劳寿命的中值或均值在双对数坐标上进行线性回归，即可得出S-N曲线的斜线部分。
将此斜线与由疲劳极限确定出的水平线光滑相连，即可得出S-N曲线的斜线部分。
将此斜线与由疲劳极限确定出的水平线光滑相连，即可得出完整的S-N曲线。
1）数据处理在excel中用log10函数将所给的应力与循环次数数据表取对数得到一组新的数据表，进而可以根据数据进行线性拟合。
2）数据拟合幂函数式下拟合模型如下Lg SS f34567Lg N将处理好的数据通过matlab进行数据拟合得到线性方程，从而确定其中的参数m，C。
程序如下Lgs=[]Lgn=[]save lgs>> save lgn>> load lgs>> load lgnfunction sna=[2.77815125 4.301029996 2.77815125 4.2787536012.77815125 4.6334684562.740362689 4.4913616942.740362689 4.9493900072.740362689 4.9684829492.698970004 4.4913616942.698970004 5.3242824552.698970004 5.2787536012.67669361 5.0374264982.67669361 5.0086001722.67669361 5.4927603892.653212514 5.0755469612.653212514 6.0211892992.653212514 5.1172712962.62838893 5.8926510342.62838893 6.8573324962.62838893 6.8926510342.602059991 5.1003705452.602059991 6.1335389082.602059991 72.574031268 5.3521825182.574031268 5.7489628612.574031268 6.6637009252.574031268 5.7520484482.574031268 72.544068044 5.4913616942.544068044 5.8000293592.544068044 6.6127838572.544068044 6.9400181552.544068044 72.511883361 5.9493900072.511883361 6.5575072022.511883361 72.511883361 72.574031268 8.4927603892.544068044 8.6972293432.511883361 8.296665192.511883361 8.3919];x=a(:,2);y=a(:,1);plot(x,y,'.r');hold onc=4.301029996:0.2:8.501d=-0.4614*c+2.899;plot(c,d)e=[2.511883361 2.511883361]西北工业大学研究生院学 位 研 究 生 课 程 考 试 试 题考试科目：结构疲劳与断裂分析 课程编号：056005 开课学期： 第一学期 考试时间：2012.12 说 明：所有答案必须写在答题册上,否则无效。
简述疲劳断裂的原因和提高零件疲劳强度的方法
简述疲劳断裂的原因和提高零件疲劳强度的方法下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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应力疲劳法,应变疲劳法,断裂疲劳法
应力疲劳法,应变疲劳法,断裂疲劳法应力疲劳法、应变疲劳法和断裂疲劳法是材料科学和工程领域中常用的疲劳试验方法。
这些方法可用于评估材料在长期重复加载下的疲劳性能，以及预测材料的寿命。
下面将分别介绍这三种疲劳试验方法及其应用。
一、应力疲劳法应力疲劳法是通过施加周期性的应力加载来评估材料的疲劳性能。
在应力疲劳试验中，材料会在一定的应力水平下进行重复加载，加载过程中记录应力和应变数据。
通过分析应力-应变曲线，可以得到材料的疲劳寿命和疲劳强度。
应力疲劳法可以用于评估金属材料、复合材料和橡胶等各种材料的疲劳性能。
二、应变疲劳法应变疲劳法是通过施加周期性的应变加载来评估材料的疲劳性能。
在应变疲劳试验中，材料会在一定的应变幅值下进行重复加载，加载过程中记录应力和应变数据。
通过分析应力-应变曲线，可以得到材料的疲劳寿命和疲劳强度。
应变疲劳法在评估纤维增强复合材料等材料的疲劳性能时，具有一定的优势。
三、断裂疲劳法断裂疲劳法是通过施加循环加载并观察材料破裂的方式来评估材料的疲劳性能。
在断裂疲劳试验中，材料会在一定的加载循环数下进行重复加载，加载过程中记录应力和位移等数据。
通过分析应力-位移曲线，可以得到材料的疲劳寿命和疲劳强度。
断裂疲劳法适用于评估金属材料、混凝土和岩石等材料的疲劳性能。
这三种疲劳试验方法在实际工程中有着广泛的应用。
例如，在航空航天领域，疲劳性能是评估飞机部件和发动机部件可靠性的重要指标之一。
通过应力疲劳法、应变疲劳法和断裂疲劳法，可以对材料在复杂载荷下的疲劳行为进行研究，提高航空器的安全性和可靠性。
疲劳试验方法还可以应用于材料的研发和设计过程中。
通过对不同材料的疲劳性能进行评估，可以选择合适的材料用于特定的工程应用，提高产品的寿命和可靠性。
同时，疲劳试验方法也可以用于研究材料的疲劳机制和损伤演化规律，为材料的改进和优化提供科学依据。
应力疲劳法、应变疲劳法和断裂疲劳法是评估材料疲劳性能的重要方法。
这些方法可以通过施加不同的加载方式，对材料的疲劳寿命和疲劳强度进行评估，为工程应用和材料设计提供依据。
4.疲劳与疲劳断裂解析
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4
1 疲劳断裂的基本形式和特征
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5
1 疲劳断裂的基本形式和特征
1、正断疲劳失效
正断疲劳的初裂纹，是由正应力引起的。 正断疲劳的特点是：初裂纹所在平面大致上与应力轴相垂直。 大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以此种形式进行的。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。
2
7
1 疲劳断裂的基本形式和特征 1.2 疲劳断裂失效的一般特征
1、疲劳断裂的突发性
疲劳断裂虽然经过疲劳裂纹的萌生、亚临界扩展、失稳扩展三个元过程， 但是由于断裂前无明显的塑性变形和其它明显征兆，所以断裂具有很强的突发性 。即使在静拉伸条件下具有大量塑性变形的塑性材料，在交变应力作用下也会显 ～ 示出宏观脆性的断裂特征。因而断裂是突然进行的。
疲劳与疲劳断裂
1
绪言
金属在循环载荷作用下，即使所受的应力低于屈服强度，也会发
பைடு நூலகம்
生断裂，这种现象称为疲劳。
疲劳断裂，一般不发生明显的塑性变形，难以检测和预防，因而机
件的疲劳断裂会造成很大的经济以至生命的损失。
疲劳研究的主要目的：为防止机械和结构的疲劳失效。
2
疲劳断裂引起的空难达每年100次以上
国际民航组织 (ICAO)发表的
“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) 工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破坏的5090%，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。
材料力学之材料疲劳分析算法：断裂力学模型：高温下的材料疲劳与断裂.Tex.header
材料力学之材料疲劳分析算法：断裂力学模型：高温下的材料疲劳与断裂1 材料力学之材料疲劳分析算法：断裂力学模型：高温下的材料疲劳与断裂1.1 绪论1.1.1 材料疲劳的基本概念材料疲劳是指材料在反复加载和卸载的循环应力作用下，即使应力低于材料的屈服强度，也会逐渐产生损伤，最终导致材料断裂的现象。
疲劳分析是材料力学中的一个重要分支，它研究材料在动态载荷下的性能和寿命，对于预测和防止工程结构的疲劳失效至关重要。
1.1.2 断裂力学的引入断裂力学是研究材料裂纹扩展和断裂行为的学科，它基于能量平衡原理，通过计算裂纹尖端的应力强度因子（SIF）和材料的断裂韧性，来预测裂纹的稳定性及其扩展路径。
在材料疲劳分析中，断裂力学模型可以用来评估疲劳裂纹的扩展速率，从而预测材料在特定载荷条件下的寿命。
1.1.3 高温对材料性能的影响高温环境对材料的性能有显著影响，主要体现在材料的强度、塑性、韧性以及疲劳寿命的降低。
高温下，材料的微观结构会发生变化，如晶粒长大、相变等，这些变化会直接影响材料的力学性能。
此外，高温还会加速裂纹的扩展，使得材料的疲劳寿命大大缩短。
因此，在高温环境下进行材料疲劳分析时，必须考虑温度对材料性能的影响。
1.2 材料疲劳分析算法1.2.1 断裂力学模型在高温下的应用在高温条件下，断裂力学模型需要进行适当的修正，以考虑温度对材料断裂韧性的影响。
一种常用的方法是使用温度依赖的断裂韧性数据，通过插值或拟合技术，将断裂韧性与温度的关系表达为函数形式。
例如，可以使用Arrhenius方程来描述断裂韧性随温度的变化规律。
1.2.1.1 示例代码：使用Arrhenius方程拟合断裂韧性数据1.2.2 高温下的疲劳裂纹扩展算法高温下的疲劳裂纹扩展算法通常基于Paris公式进行修正，以考虑温度对裂纹扩展速率的影响。
修正后的Paris公式可以表示为：da/dN=C(T)ΔK m其中，da/dN是裂纹扩展速率，ΔK是应力强度因子范围，C(T)和m是与温度相关的材料常数。
材料的疲劳与断裂行为研究
材料的疲劳与断裂行为研究疲劳与断裂行为是材料科学与工程领域的重要研究方向之一。
疲劳是材料在循环加载下的损伤和失效过程，而断裂是在承受外力作用下材料的破裂过程。
研究材料的疲劳与断裂行为对于制定合理的材料设计和工程应用具有重要意义。
1. 引言材料的疲劳与断裂行为是由内在的微观结构和外部环境因素共同决定的。
了解材料的疲劳断裂机制以及其对材料性能和使用寿命的影响，对于材料的可靠性和安全性具有重要意义。
2. 材料疲劳行为研究2.1 疲劳寿命预测疲劳寿命预测是研究材料疲劳行为的重要方法。
通过建立疲劳寿命预测模型，可以评估材料在不同循环载荷下的寿命。
常用的疲劳寿命预测方法包括应力寿命曲线和损伤累积规律等。
2.2 循环载荷下的损伤行为在循环载荷下，材料内部会产生损伤积累，导致疲劳失效。
损伤行为的研究有助于了解材料的疲劳机制。
常见的损伤行为包括微裂纹扩展、晶界滑移等。
3. 材料断裂行为研究3.1 断裂力学理论断裂力学理论是研究材料断裂行为的重要工具。
通过断裂力学理论的应用，可以预测材料在受力下的断裂行为，并对材料的断裂强度进行评估。
3.2 断裂韧性的研究断裂韧性是衡量材料抵抗断裂的能力。
通过研究材料的断裂韧性，可以评估材料在应力集中区域的抗裂纹扩展能力。
常见的断裂韧性测试方法包括冲击试验和拉伸试验等。
4. 材料的疲劳与断裂行为相互关系研究疲劳和断裂行为之间存在着密切的相互关系。
材料的疲劳行为会影响其断裂行为，而材料的断裂行为又会影响其疲劳寿命。
因此，研究材料的疲劳与断裂行为之间的相互关系，对于理解材料的整体性能和应用具有重要意义。
5. 结论疲劳与断裂行为是材料科学与工程中的重要研究方向。
通过研究材料的疲劳与断裂行为，可以为材料设计和工程应用提供有价值的参考。
未来的研究中，需要进一步深入研究材料的疲劳与断裂机制，提高材料的疲劳强度和断裂韧性，以满足不同工程领域对材料性能的需求。
参考文献：[1] Smith J, Zhang Y. Fatigue crack growth prediction[J]. International Journal of Fatigue, 1990,12(2):159-169.[2] Rice J R. A path independent integral and the approximate analysis of strain concentration by notches and cracks[J]. Journal of Applied Mechanics, 1968,35(2):379-386.[3] Lawn B R. Fracture of brittle solids[M]. Cambridge University Press, 1993.。
金属材料疲劳断裂机理分析
金属材料疲劳断裂机理分析一、引言金属材料常见的失效形式之一是疲劳断裂，而疲劳断裂机理的分析对于提高金属材料的使用寿命具有重要意义。
本文将对金属材料疲劳断裂机理进行详细分析。
二、金属材料的疲劳断裂1. 疲劳断裂的概念疲劳断裂是材料受到循环或重复应力作用后，出现裂纹并扩展，最终导致材料破坏的一种失效形式。
2. 疲劳断裂的特点（1）与静态断裂不同，疲劳断裂通常在应力水平低于静态破坏强度时出现。
（2）疲劳断裂往往发生在金属材料受到循环应力或者滞后循环应力的情况下。
（3）疲劳断裂是一个逐渐形成的过程，通常由细小的裂纹开始，然后扩展到整个截面并导致材料断裂。
3. 疲劳断裂的影响因素（1）应力幅值对于金属材料疲劳断裂的影响很大。
一般来说，应力幅值越大，疲劳断裂的损伤就越严重。
（2）材料的力学性质对于疲劳断裂也有很大的影响。
通常来说，强度越高的材料越难发生疲劳断裂，但是当强度相同时，材料的硬度越高，就越容易疲劳断裂。
（3）疲劳断裂还受到持续时间、温度、材料的化学成分和缺陷的影响。
4. 疲劳断裂的分类根据裂纹的扩展速率和应力比，疲劳断裂可以分为以下几类：（1）低周疲劳断裂：在循环应力下，材料的裂纹扩展速率很慢，往往需要上百万以上次循环才会导致疲劳断裂。
（2）中周疲劳断裂：循环应力下材料的裂纹扩展速率较快，在千-十万次循环后就能导致疲劳断裂。
（3）高周疲劳断裂：循环应力下材料的裂纹扩展速率极快，在数十万-数百万次循环内就会导致疲劳断裂。
5. 疲劳断裂的机理（1）金属材料的疲劳断裂过程一般分为始裂阶段和稳定扩展阶段。
（2）始裂阶段：在材料表面出现较小的裂纹，形成的原因是在应力作用下，材料中的微小缺陷和夹杂物开始聚集和扩散。
（3）稳定扩展阶段：当裂纹扩展到一定长度时，会出现塑性形变，当扩展到一定程度时，材料就会出现断裂。
（4）材料疲劳断裂机理可以采用形变、断裂学和金相学等多方面知识进行解释。
三、疲劳断裂机理分析1. 循环应力下的金属变形材料在循环应力下，会出现塑性变形和弹性变形两种不同的变形形式。
06-07疲劳断裂分析4-2
4.2
应变疲劳
3.局部应力－应变法：局部应力应变的确定
解：1）缺口的应力-应变响应
p ( np e ) K
4.2
应变疲劳
3.局部应力－应变法：局部应力应变的确定
解：2）缺口的应力-应变响应如图所示，根据稳态环可 知：
3）将其带入ε-N曲线：
则可求得：N=12470循环
p ( np e ) K
4.2
应变疲劳
3.局部应力－应变法：局部应力应变的确定 在循环载荷作用下，缺口的局部应力-应变也是随时 间变化，此时用反映材料性能的循环应力-应变曲线代 替单调应力-应变曲线，反向加载后，应力-应变响应应 当由滞后环来描述，还要考虑缺口应力集中的影响。
p ( np e ) K
4.2
1 n'
p ( np e ) K
4.2
应变疲劳
材料记得曾为反向加载所 中断的应力－应变路径 应变第二次到达某处， 该处曾经发生过反向应 变，则形成封闭环； 过了封闭环顶点以后， σ-ε路径不受封闭环的 影响，仍然记得原有路 径
④ 循环应力-应变曲线：材料的记忆特性
材料的记忆特性图
4.29
b 疲劳强度指数(-0.06 -0.14,可取-0.1)；
典型应变-寿命曲线
c-疲劳延性指数(-0.5 0.7，可取－0.6)
p ( np e ) K
4.2
应变疲劳
当 ea＝ pa时，有：
2.应变寿命曲线（ε－N曲线）
f
'
E 可得 :
(2 N )b＝ f '(2 N )c
p ( np e ) K
4.2
应变疲劳
金属材料产生疲劳断裂的原因
金属材料产生疲劳断裂的原因疲劳断裂是金属材料在循环载荷作用下出现的一种失效形式。
它是由于金属材料在受到循环载荷作用下，长时间内不断发生应力集中、应力变化和应力幅值逐渐增大等因素的共同作用下，导致金属内部的微观缺陷逐渐扩展并最终导致断裂的现象。
金属材料产生疲劳断裂的原因主要包括以下几个方面。
1. 应力集中：应力集中是金属材料产生疲劳断裂的主要原因之一。
当金属材料受到循环载荷作用时，存在着一些缺陷、凹坑或过小的弯曲等不均匀应力分布的情况，这些地方会承受更高的应力，导致疲劳断裂更容易发生。
2. 应力变化：金属材料在受到循环载荷作用时，会经历应力的周期性变化。
这种应力的变化会导致金属材料内部的晶粒、相界、夹杂物等微观缺陷发生塑性变形和应力集中，从而引起疲劳断裂。
3. 应力幅值：应力幅值是指金属材料在循环载荷作用下，应力的最大值与最小值之间的差值。
应力幅值越大，金属材料的疲劳寿命就越低。
当应力幅值超过金属材料的疲劳极限时，金属材料容易发生疲劳断裂。
4. 微观缺陷：金属材料内部存在着各种微观缺陷，如晶粒界、夹杂物和位错等。
这些微观缺陷在金属材料受到循环载荷作用时会发生塑性变形和应力集中，从而导致疲劳断裂的发生。
5. 环境因素：金属材料的疲劳断裂还受到环境因素的影响。
例如，高温、湿气、腐蚀介质等会加速金属材料的腐蚀和损伤，从而降低金属材料的疲劳寿命，增加疲劳断裂的风险。
为了减少金属材料的疲劳断裂风险，可以采取以下措施：1. 提高材料的强度和韧性，选择具有较高的疲劳强度和延展性的金属材料。
2. 优化设计，避免应力集中区域的产生，减少应力集中的程度，通过合理的几何形状和结构设计来改善金属材料的应力分布情况。
3. 控制循环载荷的幅值，避免超过金属材料的疲劳极限，合理选择载荷幅值，以延长金属材料的使用寿命。
4. 进行表面处理和防护措施，如表面喷涂、镀层和防腐涂层等，减少金属材料与环境因素的接触，降低腐蚀和损伤的风险。
浅论金属材料疲劳断裂的原因及危害
青岛黄海学院机电工程学院2013—2014学年第二学期期中考试科目：工程材料及机械制造基础**：***学号： **********班级： 2011级本科三班专业：机械制造及其自动化浅论金属材料发生疲劳断裂的原因及危害摘要：从人类开始制造结构以来，断裂就是社会面对的一个问题。
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等高科技器具的相继出现之后，使人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得新的成果。
本文浅论金属材料发生疲劳断裂的原因及危害，使人们初步了解金属疲劳断裂的相关知识。
关键词：疲劳断裂原因危害一、金属材料的疲劳现象工程中有许多金属零件，如齿轮、弹簧、滚动轴承、叶片、发动机曲轴等都是在变动载荷下工作的。
根据变动载荷的作用方式不同，金属零件承受的应力可分为交变应力和循环应力。
在交变应力下，虽然零件所承受的应力低于材料的抗拉强度甚至低于材料的屈服强度，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。
人的疲劳感觉来自于长期的劳累或一次过重的负荷，金属材料也是一样。
金属的机械性能会随着时间而慢慢变弱，这就是金属的疲劳。
在正常使用机械时，重复的推、拉、扭或其他的外力情况都会造成机械部件中金属的疲劳。
这是因为机械受压时，金属中原子的排列会大大改变，从而使金属原子间的化学键断裂，导致金属裂开。
二、金属材料疲劳的种类金属材料的疲劳现象，按条件不同可分为下列几种：（1）高周疲劳：指在低应力（工作应力低于材料的屈服极限，甚至低于弹性极限）条件下，应力循环周数在100000以上的疲劳。
它是最常见的一种疲劳破坏。
高周疲劳一般简称为疲劳。
（2）低周疲劳：指在高应力（工作应力接近材料的屈服极限）或高应变条件下，应力循环周数在10000～100000以下的疲劳。
由于交变的塑性应变在这种疲劳破坏中起主要作用，因而，也称为塑性疲劳或应变疲劳。
4.疲劳与疲劳断裂解析
3 疲惫断口形貌及其特征
2
25
5 影响疲惫缘由及措施
4、装配与联接效应 装配与联接效应对构件的疲惫寿命有很大的影响。
正确的拧紧力矩可使其疲惫寿命提高5倍以上。简洁消失的问题是，认 为越大的拧紧力对提高联接的牢靠性越有利，使用实践和疲惫试验说明，这 种看法具有很大的片面性。
5．使用环境 环境因素〔低温、高温及腐蚀介质等〕的变化，使材料的疲惫强度显 著降低，往往引起零件过早的发生断裂失效。例如镍铬钢〔0.28％C，11.5 ％ Ni，0.73％Cr〕，淬火并回火状态下在海水中的条件下疲惫强度大约只是 在大气中的疲惫极限的20％。
2
14
1、疲惫裂纹源区 疲惫裂纹源区是疲惫裂纹萌生的策源地，是疲惫破坏的起点， 多处于机件的外表，源区的断口形貌多数状况下比较平坦、光 亮，且呈半圆形或半椭圆形。
由于裂纹在源区内的扩展速率缓慢，裂纹外表受反复挤压、摩 擦次数多，所以其断口较其他两个区更为平坦，比较光亮。在 整个断口上与其他两个区相比，疲惫裂纹源区所占的面积最小 。
相垂直。
大多数的工程金属构件的疲惫失效都是以此种形式进 展的。特殊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简洁得到满足 ，但当外表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，正断疲惫裂纹也易在外表产生。
高强度、低塑性的材料、大截面零件、小应力振幅、 低的加载频率及腐蚀、低温条件2均有利于正断疲惫裂纹的萌 6
疲劳破坏产生的条件,疲劳断裂过程
疲劳破坏产生的条件,疲劳断裂过程一、疲劳破坏产生的条件疲劳破坏是材料在交变应力作用下，在应力远低于其静态强度极限下，由于交变应力的作用而引起的破坏现象。
在工程材料中，由于外力交变作用引起的疲劳破坏是一种常见的破坏形式。
疲劳破坏产生的条件主要包括：交变应力和循环次数。
1. 交变应力：材料在外力作用下，会产生应力。
当外力是交变应力时，材料内部会产生周期性的应力变化，这种交变应力会导致材料疲劳破坏的产生。
交变应力的大小和频率直接影响着材料的疲劳寿命，如果交变应力的幅值过大或频率过高，就会加速材料的疲劳破坏过程。
2. 循环次数：材料在外力作用下，经历了多个循环过程，每个循环过程都会对材料产生一定的影响。
当循环次数达到一定数量级时，材料就会发生疲劳破坏。
循环次数也是造成材料疲劳破坏的重要条件之一。
二、疲劳断裂过程疲劳断裂是由于材料在受到交变应力作用下，经历了很多次的应力循环后，最终导致材料断裂的现象。
疲劳断裂过程主要包括疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展和终期疲劳断裂三个阶段。
1. 疲劳裂纹萌生：在外力作用下，材料表面会逐渐出现微小的裂纹，这些微小的裂纹称为疲劳裂纹。
这些裂纹通常在材料表面的晶界、夹杂物的周围或应力集中的区域产生。
疲劳裂纹的萌生是疲劳断裂的起始阶段，也是疲劳破坏的先导阶段。
2. 疲劳裂纹扩展：一旦疲劳裂纹产生，它们会随着应力的循环不断扩展。
每个循环过程都会使裂纹的长度增加，最终导致了材料的疲劳断裂。
在这个阶段，裂纹的扩展速度通常会随着循环次数的增加而逐渐加快。
3. 终期疲劳断裂：当裂纹扩展到一定长度时，材料就会发生终期疲劳断裂。
在这个阶段，材料的剩余截面积已经无法承受外力的作用，最终导致了材料的断裂。
终期疲劳断裂是疲劳破坏的最终阶段，也是材料的寿命终结阶段。
个人观点和理解对于疲劳破坏产生的条件和疲劳断裂过程，我认为在材料设计和工程应用中，我们需要仔细考虑外力的交变作用和循环次数对材料的影响，选择合适的材料和工艺，以延长材料的疲劳寿命。
材料科学中的断裂和疲劳
材料科学中的断裂和疲劳材料科学是研究材料结构、性能、制备与应用的一门学科，断裂和疲劳是其中重要的研究内容。
在材料的应力下，出现破裂现象称为断裂，而在反复加载下，产生裂纹逐渐扩展而失效的现象称为疲劳。
了解材料的断裂和疲劳行为对材料的应用和加工具有重要意义。
断裂是材料失效的一种突发性的现象，直接影响材料的使用寿命和安全性。
在断裂过程中，材料常常会发生裂纹扩展和断面形态改变。
研究材料断裂需要从分子、微观结构和宏观层面入手，包括材料的组织、缺陷、微观应力和应变分布等方面。
针对不同的材料类型，断裂研究方法也不尽相同。
一般来说，材料断裂的方式有两种，即韧性断裂和脆性断裂。
韧性材料在受到应力的情况下，能够发生著名的“韧性断裂”，即在承受最大应力之前迅速发生塑性变形，吸收大量的能量，并伴随着断面形态的改变和拉伸变形。
而脆性材料在受到应力时，由于其致密的晶格结构，断裂常常是突然的、不可预测的，并伴随着断面形态的裂纹状。
疲劳是材料失效的另一种常见现象。
在连续循环加载下，材料中的微小裂纹会逐渐扩大，最终导致失效。
疲劳失效是机械工程领域中的重要问题，因为它会直接影响到机械结构的寿命和安全。
疲劳失效的预测需要深入研究材料的疲劳行为、裂纹扩展规律和力学性质。
疲劳试验可以通过不同的加载方式、不同的加载频率和载荷幅值进行，以验证材料的疲劳性能和失效机制。
对于材料的疲劳性能研究，常常会用到S-N（应力-循环次数）曲线。
该曲线将材料的疲劳寿命与应力-循环次数联系起来。
在S-N曲线中，应力水平越高，材料的寿命越短，疲劳强度越低。
材料的疲劳性能还与其他因素有关，如试样几何形状、表面质量、温度等。
最近几十年来，随着材料科学和力学的发展，断裂和疲劳理论得到了不断的加强。
在研究和预测材料的疲劳行为方面，新的模型和算法不断涌现。
例如，弯曲式疲劳试验可以比拉伸式疲劳试验更好地模拟材料在使用环境下承受应力的情况，从而更加准确地预测材料的疲劳寿命。
疲劳断裂的特征分类及基础知识
No.1疲劳与断裂的概念1.疲劳：金属材料在应力或应变的反复作用下发生的性能变化称为疲劳。
2.疲劳断裂：材料承受交变循环应力或应变时，引起的局部结构变化和内部缺陷的不断地发展，使材料的力学性能下降，最终导致产品或材料的完全断裂，这个过程称为疲劳断裂，也可简称为金属的疲劳。
引起疲劳断裂的应力一般很低，疲劳断裂的发生，往往具有突发性、高度局部性及对各种缺陷的敏感性等特点。
No.2疲劳断裂的分类1.高周疲劳与低周疲劳如果作用在零件或构件的应力水平较低，破坏的循环次数高于10万次的疲劳，称为高周疲劳。
例如弹簧、传动轴、紧固件等类产品一般以高周疲劳见多。
作用在零件构件的应力水平较高，破坏的循环次数较低，一般低于1万次的疲劳，称为低周疲劳。
例如压力容器，汽轮机零件的疲劳损坏属于低周疲劳。
2.应力和应变分析应变疲劳——高应力，循环次数较低，称为低周疲劳；应力疲劳——低应力，循环次数较高，称为高周疲劳。
复合疲劳，但在实际中，往往很难区分应力与应变类型，一般情况下二种类型兼而有之，这样称为复合疲劳。
3.按照载荷类型分类弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳、振动疲劳、微动疲劳。
No.3疲劳断裂的特征宏观：裂纹源→扩展区→瞬断区。
裂纹源：表面有凹槽、缺陷，或者应力集中的区域是产生裂纹源的前提条件。
疲劳扩展区：断面较平坦，疲劳扩展与应力方向相垂直，产生明显疲劳弧线，又称为海滩纹或贝纹线。
瞬断区：是疲劳裂纹迅速扩展到瞬间断裂的区域，断口有金属滑移痕迹，有些产品瞬断区有放射性条纹并具有剪切唇区。
微观：疲劳断裂典型的特征是出现疲劳辉纹。
一些微观试样中还会出现解理与准解理现象（晶体学上的名称，在微观显象上出现的小平面），以及韧窝等微观区域特征。
No.4疲劳断裂的特点（1）断裂时没有明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显的预兆，往往是突然性的产生，使机械零件产生的破坏或断裂的现象，危害十分严重。
（2）引起疲劳断裂的应力很低，往往低于静载时屈服强度的应力负荷。
高等工程力学5疲劳断裂
Wohler曲线测定方法：
用旋转弯曲疲劳试验方法测定。
试样：多个相同的试样。
过程：选择不同的最大循环应力1、 2、…、n分别对每个试样进行循环 加载试验并记录其断裂前的循环周次
N1，N2，…，Nn，然后在直角坐标 图上将这些数据绘制成max－N或 max－lgN曲线，如图5-3所示。
变关系就形成滞后回线，如图5-2所示，这时存在弹性应变e和塑性应变p，其
总应变为
2 e p
(5-5)
图5-2 应力—应变滞后回线示意图
5 疲劳断裂
5.1疲劳断裂现象（续4）
应力疲劳：构件发生的总应变中弹性应变e占主要比例的疲劳。 在应力疲劳中，由于其循环应力一般较低，断裂总循环周次较高，所以这种疲 劳也称为高周疲劳。
c
(5-11)
该式表明材料的总应变幅与疲劳寿命的关系。上式中，若弹性应变幅占主要地
位，则属于应力疲劳范畴；而当塑性应变幅占主要地位时，则属于应变疲劳范畴。
当两种应变幅所占比例相当时则属于混合疲劳问题。
该式对于利用金属材料的基本力学性能指标来估计其疲劳曲线有重要意义。
5 疲劳断裂
5.3疲劳断口形貌特征
5 疲劳断裂
5.2高周疲劳与低周疲劳（续4）
在较高的循环应力的作用下，疲劳寿命为102～105次的疲劳断裂称为低周疲 劳。由于循环应力较高，常超过材料的屈服强度而产生塑性应变，所以，这是一 种在塑性应变循环下引起的疲劳断裂。低周疲劳也称为塑性疲劳或应变疲劳。
应变疲劳的特点：作用的应力较高，循环寿命较短，应力的变动频率一般较低 等。
程具有相似的表达形式，只不过所表示的物理量的内容不同，前者描述应力疲劳，
疲劳与断裂综述
论文题目：疲劳与断裂综述院（系）材料与化工学院专业材料工程姓名学号目录1 绪论 (3)1.1 疲劳及断裂力学发展............................................. 3..1.2 疲劳与断裂力学的关系............................................ 3..1.3 疲劳设计方法4...2 疲劳现象及特点4...2.1 变动载荷和循环应力.............................................. 4..2.2 疲劳现象及特点................................................. 5...2.3 疲劳断口宏观特征................................................ 5..3 疲劳过程及机理6...3.1 疲劳裂纹萌生过程及机理........................................... 6..3.2 疲劳裂纹扩展过程及机理.......................................... 7..4 疲劳影响因素及应对措施................................................ 8..4.1 疲劳强度影响因素................................................. 8..4.2 提高疲劳强度的措施.............................................. 9..5 结束语............................................................. 1..0.1 绪论1.1 疲劳及断裂力学发展日内瓦的国际标准化组织（ISO）在1964年发表的报告《金属疲劳试验的一般原理》中给疲劳下了一个描述性定义：“金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能叫疲劳” 。
残余应力在疲劳断裂中的作用
残余应力在疲劳断裂中的作用残余应力在疲劳断裂中的作用残余应力是指在材料受力后释放部分应力，但仍保留一部分应力的状态。
在疲劳断裂中，残余应力起着重要的作用。
首先，疲劳断裂是材料在受到循环加载的情况下发生的断裂。
循环加载会导致材料的疲劳寿命减小，最终导致断裂。
而残余应力会影响材料的疲劳断裂行为。
其次，残余应力可以影响材料的应力集中情况。
当材料受到应力加载时，应力会在材料中产生集中，导致应力集中区域的疲劳寿命降低。
而残余应力可以改变这种应力集中的分布情况，从而改善材料的疲劳性能。
此外，残余应力还可以改变材料的应力分布情况。
在材料断裂前，由于外界加载引起的应力分布并不均匀，可能会导致一些区域的应力过高，从而提前引起疲劳断裂。
而残余应力可以调整应力分布，使得应力更加均匀分布，减少应力集中，从而延缓疲劳断裂的发生。
此外，残余应力还可以影响材料的晶体结构。
材料中的晶体结构是决定材料力学性能的重要因素之一。
而外界加载会改变材料的晶体结构，产生残余应力。
这些残余应力会进一步影响材料的晶体结构，从而影响材料的疲劳断裂行为。
最后，通过适当的残余应力控制，可以改善材料的疲劳寿命。
合理地控制外界加载和残余应力的大小和分布，可以使材料在循环加载下具有更长的疲劳寿命。
这对于一些需要长时间使用并承受循环加载的材料非常重要。
综上所述，残余应力在疲劳断裂中起着重要的作用。
它可以影响材料的应力集中和分布情况，改变材料的晶体结构，并通过合理的控制来改善材料的疲劳寿命。
因此，在材料设计和应用中，需要充分考虑残余应力对疲劳断裂行为的影响，以提高材料的使用寿命和安全性。
钢材的疲劳破坏
钢材的疲劳破坏钢材的疲劳破坏是指在循环荷载作用下，钢材即使应力低于极限强度和屈服强度，仍会发生断裂破坏。
这种破坏形式被称为疲劳破坏，其破坏过程包括裂纹的形成、裂纹的扩展以及最终的迅速断裂。
疲劳破坏的特点是应力小于钢材的屈服强度，属于脆性破坏；其断口特征是放射和年轮状花纹，与一般脆性破坏的断口不同；并且疲劳对缺陷十分敏感。
钢材的疲劳分为高周疲劳和低周疲劳两类。
高周疲劳的断裂寿命较长，断裂前的应力循环次数n≥5×10，断裂应力水平较低；而低周疲劳的断裂寿命较短，破坏前的循环次数n＝102～5×104，断裂应力水平较高，伴有塑性应变发生。
常幅疲劳是指重复荷载的数值不随时间变化，所有应力循环内的应力幅保持常量。
循环应力的特征包括应力谱、应力比、应力幅和循环次数N。
破坏时循环次数越少，说明应力幅越大；破坏时循环次数越多，说明应力幅越小。
规范将不同构造和受力特点的钢构件和连接按疲劳性能的高低归并划分为8个疲劳计算类别，并对每个类别规定了相应的参数取值。
在疲劳计算中，除了个别类别的疲劳强度有随钢材的强度提高而稍有增加外，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度的影响。
容许应力幅的计算公式为Δσ = C(n)^(-β)，其中参数C和β的取值由规范规定。
本文介绍了疲劳计算的方法和应用。
采用容许应力幅法进行计算，只适用于无高温和无严重腐蚀环境中的高周低应变的疲劳计算。
当设计应力幅小于等于容许应力幅时，不会发生疲劳破坏。
对于焊接部位的设计应力幅，取最大拉应力和最小拉应力或压应力之差。
对于非焊接部位的折算应力幅，取最大拉应力和最小拉应力或压应力之差的0.7倍。
每次应力循环中，取最大拉应力和最小拉应力或压应力的绝对值。
常幅疲劳的容许应力幅可以查表得到。
文章还以一个例题介绍了疲劳强度验算的方法，强调了对焊缝表面进行加工磨平可以提高疲劳强度。
最后，文章提到了测量应力变幅规律的方法和等效常幅疲劳应力幅的概念。
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五、讨论
1．K因子通式 K I kI πa K II kII πa K k πa III l III
kI、kII、kIII ：I型、II型和III型几何形状因子。
2．各种载荷及裂纹形式K因子—查表
3．K因子单位(国际单位制)
3 2
七、K因子断裂判据
1． I型裂纹 K I K IC
K I / a 0：稳定扩展 K I / a 0：失稳扩展
注意：KI是带裂纹构件所承受载荷、裂纹与结构几何 形状的函数，KIC是材料常数，称为材料的平面应变 断裂韧度，通过实验测定。
2． II、III型裂纹
KIIC 或 KIIIC 不容易测定，目前一般通过复合型裂纹断裂 判据建立 KIIC或KIIIC与KIC关系。复合型裂纹断裂判据类 似材料力学中的强度理论，人们在科学分析的基础上提 出的一种断裂假说，通过典型试验验证，同时满足 I 型 裂纹断裂判据。
四、深埋裂纹与表面裂纹(三维裂纹)
2．表面裂纹(半椭圆裂纹)
自由边缘修正
M1 KI πa E (k )
引用平板自由边缘修正系数 a/(2c)较大
M 1.12 2 a M 1.0 0.12 1 2c
πa 2w M tan 2w πa M 1.1 工程近似计算
1) ux是 的奇函数，uy是 的偶函数
K II 2)裂纹面上 ux 2
r ( 1) —抛物线分布 2
3．III 型裂纹尖端的应力场和位移场
cos zy K III 2 0 O ( r ) 2 r zx sin 2
§14.1 裂纹的分类
2．按裂纹的力学特征 1)张开型(I型，Opening Mode )裂纹
在与裂纹面正交的拉应力作用下，裂纹 面产生张开位移(位移与裂纹面正交)， 裂纹上下表面垂直于裂纹面的位移不连 续(方向相反)
I型裂纹
2)滑移型(II型， Sliding Mode )裂纹
在与裂纹面平行而与裂纹尖端线垂直的 切应力作用下，使裂纹面产生沿裂纹面 相对滑动位移(位移平行切应力方向 )， 裂纹上下表面垂直于裂纹尖端线方向的 位移不连续(方向相反) Nhomakorabea循环应力实例
载荷 F 的大小循环变化,联杆内应力随之变化
每个齿随齿轮转动循环受力，齿内应力循环变化
（载荷不变, 轴转动）
MyA M R sin t A Iz Iz
起落架因飞机起 落而反复受载
二、疲劳破坏
在循环应力作用下，如果应力足够大， 并经历应力的多次循环后，构件将产生 可见裂纹或完全断裂
1979年一架 DC—10型客机在起飞后不久坠毁 一连串的飞机事故引起世界各国、 特别是航空工业部门的极大关注和震惊！
•经过事故的调查分析，发现这些事故都是由于疲劳破坏造成的。
一、循环应力
随时间作周期性变化的应力。 （交变应力） 产生原因： 载荷的大小、方向、位置随时间作交替变化 载荷不变，构件本身转动、振动 交变应力引起的失效与静应力完全不同
II型裂纹
§14.1 裂纹的分类
2．按裂纹的力学特征 3)撕裂型(III型， Anti-plane Shear Mode )裂纹
在与裂纹面垂直而与裂纹尖端线 平行的切应力作用下，使裂纹面 产生沿裂纹面外相对滑动位移 ( 位 移平行切应力方向 ) ，裂纹上下表 面平行于裂纹尖端线方向的位移 不连续(方向相反)
1948年美国“马丁202”运输机在正常航行中突然坠毁
1951年英国的“鹞式”飞机在澳大利亚出事
1952年美国“F—86”歼击机在空中爆炸 1956年英国的两架“彗星式”喷气客机接连在地中海上空爆炸 1959年，F-111战斗轰炸机在俯冲拉起时一个机翼突然断折不
久以后，C-5A军用运输机机翼又出现裂纹
3．有限宽板裂纹问题
利用无限大板精确解通过表面修正得 到。从无限大板中割取，割取的自由 表面上有位移无应力，而无限大板既 有位移也有应力，因此应考虑自由表 面的影响，进行修正。
y x
a a b b
a b： 边裂纹(单边a，双边a，单边a受纯弯曲)： M 1.12
K I M πa
在循环应力作用下，材料或构件 产生可见裂纹或完全断裂的现象 －称为疲劳破坏，简称疲劳
三、疲劳破坏的特点
（1） 低应力破坏 max b , max s （2） 脆性断裂 即使是塑性材料，也呈现脆性断裂
（3） 断口呈两区：光滑区，粗粒状区
钢拉伸疲劳断裂 断
疲劳破坏三个阶段: 裂纹形成、 裂纹扩展、 突然断裂
M—自由表面修正系数
中心裂纹(长2a)： M 1
三、II、III型裂纹K因子
1．无限大平板II型裂纹K因子
2a
K II πa
l
2．无限大平板III型裂纹K因子
K III l πa
l
2a
四、深埋裂纹与表面裂纹(三维裂纹)
1．深埋裂纹
假设为长轴2c，短轴2a的椭圆裂纹 无限大体深埋椭圆裂纹，远处受均匀拉应力 y (Green和Sneddon解)
§14.2 裂纹尖端的应力场和位移场
1．I 型裂纹尖端的应力场和位移场 几个特征 1) KI：I 型裂纹应力强度因子(stress intensity factor)，简称K因子。衡量裂尖应力场强弱 的唯一指标。应变、位移、应变能密度均 可用K因子表示。 2) ij 1 / r ：应力具有 1 / r 奇异性 3)ux是 的偶函数，uy是 的奇函数； KI r ( 1) —抛物线分布 4)裂纹面上 u y 2 2
MN m 、MPa m
六、用位移和应力表示的K因子
K lim 2 π r ( r， 0) I y r 0 2 π r xy ( r， 0) 1．应力场表示 K II lim r 0 0) K III lim 2 π r yz ( r， r 0
四、深埋裂纹与表面裂纹(三维裂纹)
1．深埋裂纹
各点K因子变化：椭圆短轴端点K最大， 长轴端点最小
max
1 1 k2 ， min E (k ) E (k )
c
y yP a
圆片裂纹：
P xP
x
2 2 ，K I πa π π
c>>a(a/c→0)：
K I πa
| | 0
( a ) a ( 2a )
二、I 型裂纹K因子
2．无限大平板中长度2a的中心贯穿裂纹表面上， 距裂纹中点x=±b各作用一对集中力F
满足边界条件的解析函数为
ZI ( z)
2 Fz a 2 b 2
F
( z 2 b2 ) z 2 a 2
第十六章
疲劳
循环应力与疲劳的概念 材料的疲劳强度 构件的疲劳强度与分析计算 提高构件疲劳强度的措施
第十六章
§16-1
疲劳
引 言
以前我们接触到的问题大多为静载问题 冲击问题是一类动载问题 (接触时间短，相互作用力大) 疲劳问题是另一类动载问题 (载荷随时间循环变化) 人们对疲劳问题的认识与工程实际问题密切相关
ij K m ( r 1 / 2 ) f ij ( )
2．K主导区：能够用主奇异项描述的区域 3．Westergaard应力函数确定K因子
K m lim 2
| | 0
Z m ( )
二、I型裂纹K因子
1．二向均拉无限大平板中长度2a的中心贯穿裂 纹的K因子
K m lim 2
uz
K III
2r
A
sin
2
O( r )
1)KIII：III型裂纹 应力强度因子
2)公式首项适用于r<<a 的裂尖区域 3) uz是 的奇函数
y a a
r
z
x
yz zx zy xz
§14.3 应力强度因子 一、K主导区
1．I、II、III型裂纹尖端应力场的通式(主奇异项)
2 2 x P a cos xP yP 2 1 2 c a y P c sin K I πa
yP a
c
P xP
x
1 (1 k 2 cos 2 )1 / 4 E (k )
k 1 (a / c ) ，E ( k )
2 2
0
π/2
1 k 2 sin 2 d
x
1)KII：II型裂纹应力强度因子
2)公式首项适用于r<<a的裂尖 区域
A r O a a O’
y’
2．II 型裂纹尖端的应力场和位移场 II型裂纹尖端的位移场
u x K II u y 2 2 sin 1 2 cos 2 r 2 O( r ) 2 cos 1 2 sin 2 2 2
F
F y’ b b F
y
x
取裂纹右端点为坐标原点 2F ( a ) a 2 b 2 Z I ( ) [( a )2 b 2 ] ( 2a )
a a
K I lim 2
| | 0
Z I ( )
2F a
(a 2 b 2 )
二、I型裂纹K因子
y
A
xy
x
x
公式首项适用于 r<<a的裂尖区域
r O
§14.2 裂纹尖端的应力场和位移场
1．I 型裂纹尖端的应力场和位移场 I 型裂纹尖端的位移场