疲劳断裂讲义课件
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材料的疲劳损伤与断裂ppt课件
S
S
S
S
0
t0
t0
t0
t
三角波
正弦波
矩形波
梯形波
26
材料的疲劳性能
27
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
28
材料的疲劳性能
拉伸应力-应变关系
σ-ε
S-e
σ ε
m
max min
2
a
max min
2
r min / max
疲劳极限应力图
41
疲劳强度的影响因素
Gerber Parabola
Modified Goodman line
42
疲劳强度的影响因素
等效应力幅
43
疲劳强度的影响因素
疲 劳 裂 纹 通 常 起始于零件表面 表 面 状 况 对 疲 劳寿命有很大的 影响 表 面 光 洁 度 越 高，形成疲劳裂 纹的时间越长。
S
S
S
0 恒幅循环
t
0
变幅循环
t
0 随机载荷
t
疲劳载荷的类型
23
疲劳的基本概念
恒幅循环参数
平均应力
Sm=(Smax+Smin)/2 (1) 应力幅
Sa=(Smax-Smin)/2 (2) 应力范围
S=Smax-Smin
(3)
应力比 R=Smin/Smax
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。 24
疲劳断裂失效分析精品PPT课件
2
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。
2
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。
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。
2
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。
《疲劳断裂分析》PPT课件
如右图所示：雨流路径为A-B-D-E -A´
5. 随机载荷谱与循环计数法：
简化雨流计数法：
第三步：记下雨滴流过的最大峰、 谷值，作为一个循环。第一次流 经的路径，给出的循环为ADA´， 载荷历程可有图中读出：
Δσ=5-（-4）=9 σm=[5+（-4）]/2=0.5
5. 随机载荷谱与循环计数法：
C (0.9b )m 106
4.14
将4.14式所得值带入4.1式则可得近似103－106 内的S-N曲线，预测结果偏保守。
4.1 应力疲劳
1. S-N 曲线：近似估计
假设当N=103时，有：
1 0.9b
疲劳极限取偏保守估计即：
N 106时
1 k b
k：式4.5-4.10中系数 将4.11和4.12带入Sm·N=C ,可得：
k
D
Di
ni
/
N i
1.75
1
1
因此，如σ=200MPa，则构件会发生破坏，应降低应力水平。
令σ=150MPa，则计算后可得：
k
D
Di
ni
/
N i
0.985
1
1
由此可得，基本上可承受的最大应力水平为150MPa。
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
破坏准则为：
D
ni
/
N i
1
4.23
变幅载荷谱
线性累计损伤
4.1 应力疲劳
4. Miner线性累计损伤理论：
Miner理论的应用步骤：
① 确定构件在设计寿命期的载荷谱，确定拟用的设计载荷或者应 力水平；
5. 随机载荷谱与循环计数法：
简化雨流计数法：
第三步：记下雨滴流过的最大峰、 谷值，作为一个循环。第一次流 经的路径，给出的循环为ADA´， 载荷历程可有图中读出：
Δσ=5-（-4）=9 σm=[5+（-4）]/2=0.5
5. 随机载荷谱与循环计数法：
C (0.9b )m 106
4.14
将4.14式所得值带入4.1式则可得近似103－106 内的S-N曲线，预测结果偏保守。
4.1 应力疲劳
1. S-N 曲线：近似估计
假设当N=103时，有：
1 0.9b
疲劳极限取偏保守估计即：
N 106时
1 k b
k：式4.5-4.10中系数 将4.11和4.12带入Sm·N=C ,可得：
k
D
Di
ni
/
N i
1.75
1
1
因此，如σ=200MPa，则构件会发生破坏，应降低应力水平。
令σ=150MPa，则计算后可得：
k
D
Di
ni
/
N i
0.985
1
1
由此可得，基本上可承受的最大应力水平为150MPa。
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
破坏准则为：
D
ni
/
N i
1
4.23
变幅载荷谱
线性累计损伤
4.1 应力疲劳
4. Miner线性累计损伤理论：
Miner理论的应用步骤：
① 确定构件在设计寿命期的载荷谱，确定拟用的设计载荷或者应 力水平；
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。
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：
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
疲劳断裂讲义 PPT
30
有效应力集中系数
1 d K 或K 1 k
与构件的形状、尺寸有关； 与材料性质（极限强度）有关，静载 抗拉强度越高则有效应力集中系数越 大，即对应力集中就越敏感。
31
凹凸不平的最后破断区
最后疲劳破坏的阶段,当试样无法承受 所施加的载荷而突然断裂时,因没有经过摩 擦阶段,故其表面将出现粗糙而不规则的特 征, 亦有人称其为粒状表面。
38
第五节 影响材料疲劳限或疲劳强度的因素
A. 平均应力的影响 压缩应力会使疲劳裂缝开口闭合, 一般研 究平均应力m＞0或应力比值R ＞-1的循环 应力对材料疲劳破坏的影响。
随着应力比值R 的增加,材料的疲劳 极限亦上升。
39
大部分材料的应力振幅a与平均应力 间有线性关系 → Goodman经验方程式:
该材料对缺口敏感 !
粒状表面
32
B. 微观特征
借助SEM可发现断口存在微细间隔的平行纹路 (宽约 2.5×10-5mm), 称疲劳条纹(fatigue striation) 。 疲劳条纹垂直于疲劳裂纹 的延伸方向,其每条代表的是 经一次应力循环后疲劳裂纹前 端前进的距离. 材料塑性越佳, 疲劳条纹 越明显;应力范围越大, 疲劳 条纹越宽。 疲劳条纹与贝纹线外观相 似但尺度不同, 单一的贝纹线 内可能包含数千条以上的疲劳 条纹。
43
腐蚀疲劳
零件处于腐蚀环境中会出 现小蚀孔造成应力集中， 使疲劳裂纹成核扩展，从 而缩短疲劳寿命。 防止腐蚀疲劳的方法 很多，根本在于尽量降低 腐蚀速率（如：使用保护 性被覆层、降低或隔离环 境的腐蚀性及使用较耐腐 蚀的材料等）。
44
疲劳极限消失
D. 温度影响
温度升高时，材料疲劳行为趋于复杂（潜变、 氧化现象、循环应力频率会造成相当大的影响）。
有效应力集中系数
1 d K 或K 1 k
与构件的形状、尺寸有关； 与材料性质（极限强度）有关，静载 抗拉强度越高则有效应力集中系数越 大，即对应力集中就越敏感。
31
凹凸不平的最后破断区
最后疲劳破坏的阶段,当试样无法承受 所施加的载荷而突然断裂时,因没有经过摩 擦阶段,故其表面将出现粗糙而不规则的特 征, 亦有人称其为粒状表面。
38
第五节 影响材料疲劳限或疲劳强度的因素
A. 平均应力的影响 压缩应力会使疲劳裂缝开口闭合, 一般研 究平均应力m＞0或应力比值R ＞-1的循环 应力对材料疲劳破坏的影响。
随着应力比值R 的增加,材料的疲劳 极限亦上升。
39
大部分材料的应力振幅a与平均应力 间有线性关系 → Goodman经验方程式:
该材料对缺口敏感 !
粒状表面
32
B. 微观特征
借助SEM可发现断口存在微细间隔的平行纹路 (宽约 2.5×10-5mm), 称疲劳条纹(fatigue striation) 。 疲劳条纹垂直于疲劳裂纹 的延伸方向,其每条代表的是 经一次应力循环后疲劳裂纹前 端前进的距离. 材料塑性越佳, 疲劳条纹 越明显;应力范围越大, 疲劳 条纹越宽。 疲劳条纹与贝纹线外观相 似但尺度不同, 单一的贝纹线 内可能包含数千条以上的疲劳 条纹。
43
腐蚀疲劳
零件处于腐蚀环境中会出 现小蚀孔造成应力集中， 使疲劳裂纹成核扩展，从 而缩短疲劳寿命。 防止腐蚀疲劳的方法 很多，根本在于尽量降低 腐蚀速率（如：使用保护 性被覆层、降低或隔离环 境的腐蚀性及使用较耐腐 蚀的材料等）。
44
疲劳极限消失
D. 温度影响
温度升高时，材料疲劳行为趋于复杂（潜变、 氧化现象、循环应力频率会造成相当大的影响）。
《疲劳断裂分析》课件
分析一起因桥梁疲劳断裂导致的事故，并总结教训。
2Hale Waihona Puke 案例二：飞机翼疲劳断裂事故
探讨飞机翼疲劳断裂事故的原因和改进措施。
总结
疲劳断裂的重要性
说明疲劳断裂对工程结构的重 要性和影响。
影响疲劳断裂的因素
列举影响疲劳断裂的常见因素 和变量。
预测与避免疲劳断裂
提供预测和避免疲劳断裂的一 些建议和方法。
《疲劳断裂分析》
本课程将介绍疲劳断裂的基本概念和理论，以及对材料和结构性能的影响。 你将学习疲劳断裂的形成机理、试验方法、预测与分析技术，以及如何防止 疲劳断裂发生。
疲劳断裂简介
什么是疲劳断裂
介绍疲劳断裂的定义和特点。
疲劳断裂对材料性能的影响
说明疲劳断裂对材料强度和可靠性的影响。
疲劳断裂形成机理
循环应力
循环应变
疲劳断裂曲线
解释循环应力如何导致疲劳断裂。 描述循环应变对疲劳断裂的作用。 阐述疲劳断裂曲线的特点和意义。
疲劳断裂试验
1 疲劳试验方法
介绍常用的疲劳试验方法 和标准。
2 疲劳试验数据与分析
讲解如何获取和分析疲劳 试验数据。
3 试验过程中需要注意
的问题
提醒试验中需要注意的关 键问题和技巧。
疲劳断裂的预测与分析
1
疲劳断裂寿命的评定
介绍常见的疲劳寿命评定方法和理论模型。
2
疲劳断裂的预测模型
讲解使用预测模型来预测疲劳断裂寿命。
3
疲劳断裂分析软件
推荐一些常用的疲劳断裂分析软件和工具。
防止疲劳断裂的方法
材料设计与选择 建立可靠的疲劳寿命预测模型 合理的结构设计
疲劳断裂事故案例分析
1
案例一：桥梁疲劳断裂事故
疲劳断裂机理及对策PPT课件(模板)
原因： 可减缓应力梯度 有利于减少加工过程造成的裂纹缺陷
优
优
抗疲劳对策--材料选用
适用条件下选用屈服强度低（塑形好）的材料
原因： 屈服强度指标低反应材料晶体缺陷（位错）少，
晶界裂纹少
抗疲劳对策--加工过程
避免加工过程中造成微小裂纹或晶体位错增加
切削加工采用锋利刃具，小进给量，恰当的热量 传递等措施，可减少加工过程的裂纹
位错和晶界缺陷
晶界缺陷
晶体缺陷-位错
疲劳断裂机理-宏观缺陷
1.材料杂质，孔洞，切口等 2.加工过程形成的微小裂纹 3.构件几何特征（尖角，台阶）引起的加工过程造
成的残留内应力集中，释放后形成应变（缺陷） 4.构件存在的台阶断差等在负载下的材料应力突变
裂纹扩展
在交变应力或脉冲应力作用下，裂纹扩展--疲劳断裂定义。 幅度越大，频率越大则扩展速度越快
5，4）作为结构设计参数。
有利于减少加工过程造成的裂纹缺陷
或热变形处理改变晶体组织
避免尖锐形状，适当增大过渡圆弧
实际构件应用中只有极少量构件断裂或破损由于强度不足造成塑形变形或脆性断裂
表面强化（如喷丸处理）细化材料晶粒 疲劳断裂机理-材料缺陷和裂纹 屈服(Yielding)：开始产生塑性变形的临界状态
断裂力学即以裂纹形成，发展，扩充， 直至断裂过程为研究对象的学科
疲劳断裂过程，图片
疲劳断裂机理-裂纹
疲劳断裂机理-裂纹
疲劳断裂过程
疲劳断裂机理-缺陷形成
✓ 1 裂尖位错发射和断裂位错 ✓ 2 晶体疲劳和晶界 ✓ 3 脆性材料微小裂纹扩展 ✓ 4 变形和损伤
疲劳断裂机理-材料缺陷和裂纹
疲劳断裂机理-微观缺陷
实际构件应用中只有极少量构件断裂或破损由于 强度：构件抵抗破坏的能力
优
优
抗疲劳对策--材料选用
适用条件下选用屈服强度低（塑形好）的材料
原因： 屈服强度指标低反应材料晶体缺陷（位错）少，
晶界裂纹少
抗疲劳对策--加工过程
避免加工过程中造成微小裂纹或晶体位错增加
切削加工采用锋利刃具，小进给量，恰当的热量 传递等措施，可减少加工过程的裂纹
位错和晶界缺陷
晶界缺陷
晶体缺陷-位错
疲劳断裂机理-宏观缺陷
1.材料杂质，孔洞，切口等 2.加工过程形成的微小裂纹 3.构件几何特征（尖角，台阶）引起的加工过程造
成的残留内应力集中，释放后形成应变（缺陷） 4.构件存在的台阶断差等在负载下的材料应力突变
裂纹扩展
在交变应力或脉冲应力作用下，裂纹扩展--疲劳断裂定义。 幅度越大，频率越大则扩展速度越快
5，4）作为结构设计参数。
有利于减少加工过程造成的裂纹缺陷
或热变形处理改变晶体组织
避免尖锐形状，适当增大过渡圆弧
实际构件应用中只有极少量构件断裂或破损由于强度不足造成塑形变形或脆性断裂
表面强化（如喷丸处理）细化材料晶粒 疲劳断裂机理-材料缺陷和裂纹 屈服(Yielding)：开始产生塑性变形的临界状态
断裂力学即以裂纹形成，发展，扩充， 直至断裂过程为研究对象的学科
疲劳断裂过程，图片
疲劳断裂机理-裂纹
疲劳断裂机理-裂纹
疲劳断裂过程
疲劳断裂机理-缺陷形成
✓ 1 裂尖位错发射和断裂位错 ✓ 2 晶体疲劳和晶界 ✓ 3 脆性材料微小裂纹扩展 ✓ 4 变形和损伤
疲劳断裂机理-材料缺陷和裂纹
疲劳断裂机理-微观缺陷
实际构件应用中只有极少量构件断裂或破损由于 强度：构件抵抗破坏的能力
《疲劳与断裂》PPT课件
：
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 ？
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。
精选课件ppt
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？
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）
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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
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
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轴
叶轮
疲劳断裂破坏
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转子轴
疲劳开裂
疲劳断裂破坏
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• 典型的应变-寿命关系曲线
Coffin与Manson提出 材料塑性变形与疲劳寿命之 间的关系式：
C值介于-0.05 — -0.7之间。
Basquin与Coffin-Manson关系式合并，得到完整的应力、应变 与疲劳寿命关系式：
材料本身的特性也会使应变PPT-学寿习交流命曲线有所不同！
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铜单晶中PSB上的挤出 与挤入区实际照片
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B.疲劳微裂缝成长
成长速率与成长方向为局部应力集中的状 况及裂缝尖端的材料性质所控制。
疲劳裂缝成长，依先后顺序分成： ◇ 第I阶段：疲劳裂缝沿PSB方向进行 ◇ 第II阶段：垂直应力方向进行
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第I阶段： 疲劳裂缝沿PSB方向进行
与N0对应的就是持久极限。 PPT学习交流
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• 通常钢铁材料（除铸铁外）具有明显的疲劳 限特性→对应S-N曲线图随着应力 降低而呈现水平状态。
条件持久极限
耐久比：
通常非铁材料（如：Al、
Cu合金）都无真正的水
平疲劳限。 PPT学习交流
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依疲劳寿命N f 来分类：
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低周疲劳的特点
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第三节 疲劳破坏的宏观与微观特 征
A. 宏观特征(Macroscopic Character)
＜105许）多，应如用：的汽工车程启零动件器无上需的承弹受簧数零万件次、循热环交（换即管N及f
涡轮转子和叶片等。 → 依此循环寿命进行零件设计，可大 量减轻零件质量，降低生产成本。
• 典型低周疲劳的应力-应变迟滞曲线
Basquin提出关系式：
疲劳强度系数近似于抗拉强度 b值介于-0.05 — -0.12之间。
进行
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当疲劳裂 缝前端的塑性变 形由单一滑移进 入多重滑移或 是疲劳裂缝成 长被障碍物阻 挡时会进入第II 阶段,且成长速 度加快,成长方 向改变为垂直于 应力方向进行. 疲劳裂缝尖端 反复地塑性钝 化和尖锐化,逐 渐生长成宏观疲 劳裂纹,而达到 临界裂纹长度.
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C.最终失效断裂
当疲劳裂纹达到临界长度时,则材料 本身剩下的截面积将无法承受所施加的负 荷,会突然进入最终失效断裂阶段而产生异 常快速且具有毁灭性的材料失效.
• 疲劳裂缝沿着高剪切应力平面（即PSB）成长， 使初期疲劳裂缝加深，其成长速率相对缓慢， 且为单一滑移。
• 若在低应力下，或试片方向具有优选方向（即 邻近晶粒的滑移平面几乎相等），则疲劳裂缝 可延伸甚至跨越晶粒而都在单一平面上滑移， 将有利于第I阶段的成长。
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第II阶段： 疲劳裂缝垂直应力方向
A. 交变应力
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齿轮传动：齿轮啮合点处的应力随 时间作周期性变化。
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0
从构件的应力-时间曲线中可看出： 在承受交变应力的构件中，轴中的弯曲应力每转
一周就要从最大值σmax变到最小值σmin ，然后又恢复 到最大值，即：轴每转一周， 应力就完成一次循环, 称为一个应力循环。∣ σmax ∣= ∣ σmin ∣ 为对称 循环，否则为非对称循环。
生，损伤严重。→ 事先预防是关键！
1998年德国高铁出轨事故
（200Km，近百人亡，伤300余人）
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交变应力是导致疲劳破坏产生的重要条件！ 工程中的许多载荷是随时间而发生变化的，而其 中有相当一部分载荷是随时间作周期性变化的。 例如：火车的轮轴。
交变应力→构件中点的应力 状态随时间而作周期性变化 的应力。
循环硬化
循环软化
多种材料的单向拉伸应力PPT与学习循交流环应力的应力-应变曲线
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第二节 疲劳破坏机制
疲劳破坏过程依先后次序可区分为三个 主要阶段，即：
• 疲劳微裂缝形成 • 疲劳裂纹扩展 • 最终失效断裂
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A.疲劳微裂缝形成
• 表面上最大局部应力或最小截面积处，或因材 料差异导致的强度最弱的地方。
疲劳断裂讲义
第一节 交变应力与疲劳破坏现象 第二节 疲劳破坏机制 第三节 疲劳破坏的宏观与微观特征 第四节 疲劳断裂力学 第五节 影响材料疲劳极限或疲劳强度的因素 第六节 改善材料疲劳极限或疲劳强度的方法
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第一节 交变应力与疲劳破坏现 象
结构材料与机械零件失效案例中，疲劳破坏占 ＞50%，其破坏有别于静载破坏，破坏时外观没有明 显的征兆，大多是在无预警且不可预期的情况下发
任意振幅、应力
（4）静应力也可以看成是交变应力的一种特性:
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构件在交变应力下，当最大应力低于屈 服极限时，就可能发生疲劳破坏。
即使是塑性较好的材料断裂前也无明显 的塑性变形。
疲劳破坏过程依先后 次序可区分为三个主要阶 段，即：
疲劳裂缝形成
疲劳裂纹扩展
最终失效断裂。
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→ 不同性质材料的应变-寿命曲线
① 循环硬化
当循环应力继续作用， 材料的应力-应变曲线形状 会产生变化，代表其材质对 应力-应变反应的改变。根 据迟滞曲线形状变化的不同， 可分为四种：
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② 循环软化
③ 混合行为
应变范围固定，则应
力范围越来越小。
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④循环稳定←应变范围和塑性变形皆不明显
如：表面刮痕、缺口等。
内部缺陷，如夹杂物、晶界、双晶界等强 度较低之处。
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ห้องสมุดไป่ตู้
循环应力作用几千次后，某些晶粒
中发生位错滑移，滑移线增多将形成永 久滑移带（PSB,含5000余条滑移线)， 导致材料表面上出现挤出与挤入，此两 者均会沿着永久滑移带平行发展，最终 形成疲劳微裂缝。
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B. 疲劳破坏的分类
屈服极限或强度极限等静强度指标已不能作为疲劳破坏 的强度指标。故在交变应力下，材料的强度指标应重新设定。
持疲 久劳 极寿 限命
应力-寿命曲线
旋转梁疲劳试验机
持久极限
实际上，试验不可能无限期的进行下去，
一般规定一个循环次数N0来代替无限长的持久
寿命，这个规定的循环次数N0称为循环基数。
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交变应力的几个名词术语:
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交变应力的几种模式：
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脉动循环：
变动于零到某一最
大值之间的交变应力循
环，称为脉动循环。
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（3）稳定交变应力：
交变应力的最大应力和最小应力的值，在工作 过程中始终保持不变，否则称不稳定交变应力。
不稳定交变应力