疲劳与断裂
机械结构疲劳与断裂性能研究
机械结构疲劳与断裂性能研究引言：机械结构疲劳与断裂性能是一个关键的研究领域，它涉及到各种工程材料和结构的寿命分析和设计。
随着工程技术的不断发展，越来越多的机械结构需要在恶劣环境和高强度工况下工作，因此对于疲劳与断裂性能的研究变得非常重要。
疲劳性能与断裂性能：机械结构的疲劳性能是指在循环加载下材料或结构经历疲劳寿命之前产生裂纹和失效的能力。
机械结构疲劳和断裂性能是相互关联的，因为疲劳载荷会加速断裂的发生。
疲劳寿命和断裂性能是工程设计和材料选择的关键因素之一。
研究方法：研究机械结构疲劳与断裂性能的方法有很多种，其中最常用的方法之一是实验研究。
实验研究可以通过在不同的加载条件下对材料和结构进行测试来评估其疲劳性能和断裂特性。
这些测试可以通过应力-应变曲线、疲劳寿命曲线和断裂韧性等参数来衡量。
另一种研究方法是数值模拟，通过建立材料和结构的数学模型来分析其疲劳和断裂行为。
数值模拟可以提供更详细和全面的信息，如应力分布、裂纹扩展轨迹和疲劳寿命预测。
影响因素：机械结构的疲劳与断裂性能受到多种因素的影响，其中最主要的是材料的力学性能和结构设计的合理性。
材料的力学性能包括强度、韧性和硬度等。
结构设计的合理性涉及到载荷、几何形状和连接方式等因素。
此外，温度、腐蚀、应力集中和加载频率等环境因素也对机械结构的疲劳与断裂性能有重要影响。
应用：机械结构疲劳与断裂性能的研究对于各行各业的工程应用具有重要意义。
例如，在航空航天行业，机械结构必须能够承受极高的应变和温度变化。
同时，在汽车工业中，机械结构需要具有较长的使用寿命和高可靠性。
因此，对于机械结构的疲劳与断裂性能研究，可以为各个工程领域提供更安全和可靠的设计。
未来发展：随着新材料的不断涌现和工程设计的不断创新，机械结构疲劳与断裂性能的研究将继续深入。
同时，随着计算力的提升和数值模拟技术的发展，数值模拟将成为研究疲劳与断裂性能的有力工具，能够更准确地预测材料和结构的疲劳寿命和断裂特性。
结构材料的疲劳与断裂分析
结构材料的疲劳与断裂分析疲劳与断裂是结构材料领域中重要的研究方向之一。
本文将就疲劳与断裂分析的基本原理、应用方法以及相关工程实例进行介绍和讨论。
一、疲劳分析疲劳是结构材料在交变应力作用下的损伤积累过程。
疲劳分析的目的是通过对材料的疲劳性能进行评估，为结构的寿命预测和优化设计提供依据。
A. 疲劳机理1. 应力集中：应力集中是导致疲劳破坏的主要原因之一。
在结构材料中，存在各种应力集中因素，如几何形状的不连续性、孔洞、切口等。
这些应力集中因素会导致应力集中，从而增加了疲劳破坏的可能性。
2. 微裂纹扩展：在结构材料的疲劳过程中，微裂纹的扩展是一个重要的损伤机制。
当材料受到交变应力作用后，应力集中处的微裂纹开始扩展，逐渐导致疲劳破坏。
B. 疲劳评估方法1. 高周疲劳：高周疲劳是指工作循环数大于10^4次的情况。
常用的高周疲劳评估方法有SN曲线法、TF曲线法等。
SN曲线法通过实验得到应力与寿命的关系曲线，用于寿命预测和材料性能评估。
2. 低周疲劳：低周疲劳是指工作循环数小于10^4次的情况。
对于低周疲劳，常用的评估方法有塑性应变能法、能量积累法等。
这些方法通过评估材料的能量损耗和塑性应变能来进行疲劳寿命预测。
二、断裂分析断裂是结构材料在受到过大应力作用下发生的破坏。
断裂分析的目的是评估材料的断裂性能，为结构设计提供参考。
A. 断裂机理1. 裂纹扩展：在结构材料受到应力作用时，裂纹的孔洞周围会产生高应力集中，导致裂纹扩展并最终引发断裂破坏。
裂纹扩展过程可以使用线弹性力学理论和断裂力学原理进行分析。
2. 断裂模式：材料的断裂模式包括拉伸、压缩、剪切等。
不同的断裂模式对应不同的应力应变行为和断裂形态，需要通过实验和数值模拟进行评估和描述。
B. 断裂评估方法1. 线性弹性断裂力学：线性弹性断裂力学使用线性弹性力学理论对裂纹尖端附近应力状态进行分析，以确定断裂参数，如应力强度因子和断裂韧性。
这些参数对于评估材料的断裂性能和裂纹扩展行为至关重要。
材料的疲劳和断裂行为
材料的疲劳和断裂行为疲劳和断裂是材料工程中的重要研究领域。
疲劳是指材料在经历了重复加载或应力变化后，由于内部微观缺陷逐渐积累，最终导致材料的失效。
而断裂则是指材料在承受高应力或者外力集中作用下发生裂纹扩展的现象。
本文将深入探讨材料的疲劳和断裂行为，并分析其机理和影响因素。
一、疲劳行为材料的疲劳行为广泛存在于我们生活和工作的各个领域。
例如，金属材料在机械工程中的零部件、桥梁结构和飞机构件等地方，由于长期受到复杂的力学载荷，易出现疲劳失效。
疲劳失效不仅会给工程的安全性和可靠性带来威胁，也会增加维修和更换的成本。
1. 疲劳断裂机理在受疲劳加载作用下，材料内部的微观缺陷会逐渐积累导致裂纹的形成和扩展。
这些微观缺陷包括晶界、夹杂物、夹层、腐蚀坑等。
当应力斑马纹通过这些缺陷时，会导致位错的生成和扩展，从而引起材料的疲劳断裂。
2. 疲劳寿命与应力幅关系材料的疲劳寿命与应力幅之间存在一定的关系。
应力幅越大，疲劳寿命越短；应力幅越小，疲劳寿命越长。
这是由于应力幅增加会导致材料内部位错、裂纹等缺陷的生成和扩展速度增加，从而缩短了材料的使用寿命。
3. 影响疲劳行为的因素除了应力幅外，疲劳行为还受到多种因素的影响。
其中包括材料的力学性能、表面质量、温度、湿度、载荷频率、环境介质等。
材料的力学性能如强度、韧性、硬度等，对材料的疲劳行为具有重要影响。
同时，表面质量的好坏、温度和湿度的变化也会引起材料内部微观缺陷的形成和扩展。
二、断裂行为除了疲劳行为外，材料的断裂行为也是值得重视的。
断裂指的是材料在受到高应力或者外力集中作用下发生裂纹扩展的现象。
在工程实践中，为了减缓断裂失效对工程结构和设备造成的危害，需要对材料的断裂行为进行深入研究。
1. 断裂机理材料的断裂机理可以分为静态断裂和动态裂纹扩展两个阶段。
静态断裂是指在裂纹形成之前，材料的应力集中到达临界值，导致断裂开始。
而动态裂纹扩展则是指裂纹在外力作用下迅速扩展，直到材料完全失效。
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。
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机械结构疲劳与断裂分析
机械结构疲劳与断裂分析机械结构在长时间的使用过程中，常常会经历重复加载的工况。
这种重复加载会导致材料内部的应力积累，最终引发疲劳和断裂问题。
疲劳和断裂是机械结构设计中非常重要的考虑因素，对于确保结构的可靠性和安全性至关重要。
疲劳是材料在循环加载下发生的失效现象。
常见的疲劳失效模式包括裂纹萌生、裂纹扩展和最终破裂。
疲劳失效往往不会在单次加载时发生，而是在多次加载过程中逐渐积累应力，从而导致裂纹的形成和扩展。
裂纹的萌生过程是一个非常重要的阶段，因为一旦裂纹形成，它就会作为一个应力集中点，导致应力集中的增加和破坏的风险。
为了预测结构的疲劳寿命，工程师需要对裂纹的萌生和扩展进行分析，使得结构在设计寿命范围内保持安全可靠。
疲劳寿命的预测主要依赖于材料的疲劳性能和应力历程的分析。
对于材料的疲劳性能，往往通过实验测试来获取。
通过在实验室中对材料进行疲劳试验，可以得到应力幅与循环寿命之间的关系曲线，通常被称为疲劳曲线。
这个曲线描述了材料在一定应力水平下的疲劳寿命，可以作为预测结构寿命的依据。
应力历程的分析是指对于特定工况下的应力情况进行计算和分析。
通常，通过有限元分析来得到结构的应力分布情况，然后与疲劳曲线进行对比，可以得到结构的疲劳寿命。
当结构的疲劳寿命小于使用要求时，需要采取相应的措施，例如增加材料强度、改变结构设计或者增加循环间隔等。
断裂是机械结构失效的另一种形式。
与疲劳不同，断裂更多地涉及到结构的强度问题。
当结构内部应力超过了材料的强度极限时，就会发生断裂。
断裂失效常常是突然发生的，很少有明显的预兆。
因此，对结构的断裂强度进行评估和分析，是确保结构安全的关键。
在分析断裂强度时，需要确定结构所受的最大载荷和应力状态，这可以通过有限元分析和试验测试来获得。
同时，还需要考虑不同材料之间的断裂性能差异，以确保结构在设计寿命内不会发生断裂。
除了疲劳和断裂分析，还有一些其他的结构分析方法，可以帮助工程师更好地评估结构的可靠性和安全性。
材料疲劳与断裂力学特性研究
材料疲劳与断裂力学特性研究材料疲劳与断裂力学特性研究是材料科学领域中的重要研究方向之一。
疲劳和断裂是材料在长期使用过程中可能会遇到的问题，对于保证材料的可靠性和寿命具有重要意义。
本文将从疲劳和断裂两个方面进行探讨。
疲劳是指材料在受到交变载荷作用下，在循环应力下发生的渐进性损伤和破坏。
疲劳断裂是材料在受到交变载荷作用下发生的断裂现象。
疲劳断裂是一种特殊的断裂形式，其断裂过程与静态断裂有很大的差异。
疲劳断裂的特点主要有以下几个方面：1. 疲劳寿命：疲劳寿命是指材料在一定的载荷条件下能够承受的循环载荷次数。
疲劳寿命是材料疲劳性能的重要指标之一。
2. 疲劳裂纹的产生和扩展：疲劳裂纹是疲劳断裂的主要形式之一。
在循环载荷下，材料中的微裂纹会逐渐扩展，最终导致材料的疲劳断裂。
3. 疲劳断裂的断口形貌：疲劳断裂的断口形貌与静态断裂的断口形貌有很大的差异。
疲劳断裂的断口通常呈现出一种特殊的韧窝状形貌。
疲劳断裂的研究主要包括疲劳寿命预测、疲劳裂纹扩展机理和疲劳断裂的断口形貌等方面。
疲劳寿命预测是疲劳断裂研究的重要内容之一。
通过对材料的疲劳试验数据进行统计分析和建模，可以预测材料在不同载荷条件下的疲劳寿命。
疲劳裂纹扩展机理的研究是疲劳断裂研究的核心内容之一。
疲劳裂纹扩展机理的研究可以揭示材料在循环载荷下裂纹扩展的机制和规律，为预测疲劳寿命和设计可靠的结构提供依据。
疲劳断裂的断口形貌是疲劳断裂研究的重要内容之一。
通过对疲劳断裂的断口形貌进行观察和分析，可以了解材料在疲劳断裂过程中的变形和破坏机制，为改善材料的疲劳性能提供指导。
除了疲劳断裂，材料还可能发生静态断裂。
静态断裂是指材料在受到静态载荷作用下发生的断裂现象。
静态断裂的研究主要包括断裂韧性、断裂韧性的测试方法和断裂机理等方面。
断裂韧性是材料断裂性能的重要指标之一。
断裂韧性是指材料在受到载荷作用下能够抵抗断裂的能力。
断裂韧性的测试方法主要有冲击试验、拉伸试验和三点弯曲试验等。
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。
疲劳与疲劳断裂
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4.1 疲劳断裂旳基本形式和特征
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4.1 疲劳断裂旳基本形式和特征
1、切断疲劳失效
切断疲劳初始裂纹是由切应力引起旳。切应力引起疲劳初裂纹萌生旳 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。
切断疲劳旳特点是：疲劳裂纹起源处旳应力应变场为平面应力状态； 初裂纹旳所在平面与应力轴约成45º角，并沿其滑移面扩展。
一定旳影响，但其影响程度远不如对材料疲劳强度旳影响来得明显。大量
试验数据表白，在腐蚀环境下材料旳疲劳极限较在大气条件下低得多，甚
至就没有所说旳疲劳极限。
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4.2 疲劳断口形貌及其特征
4.2.1 疲劳断口旳宏观形貌及其特征
因为疲劳断裂旳过程不同于其他断裂，因而形成了疲劳断 裂 特有旳断口形貌，这是疲劳断裂分析时旳根本根据。
疲劳设计目前已从无限寿命设计发展到有限寿命设计。零 件、构件和设备旳寿命估算，已成为疲劳强度旳一种主要构成 部分。疲劳已从一种古老旳概念发展成为材料科学、力学和工 程设计相结合旳一门新兴学科——疲劳强度。
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4.1 疲劳断裂旳基本形式和特征
4.1.1 疲劳断裂失效旳基本形式
机械零件疲劳断裂失效形式诸多。 按交变载荷旳形式不同，可分为拉压疲劳、弯曲疲劳、扭转疲劳、 接触疲劳、振动疲劳等；
1×105 5×103 2×104 1×103
初始可见裂纹长度 （mm）
2.03×10-3
5×10-4
4×10-4
1.01×10-1 1.01×10-1
2.03×10-2 1.0×10-2
7.62×10-2 7.62×10-2
3×10-3 7.62×10-2
材料疲劳与断裂力学分析
材料疲劳与断裂力学分析材料疲劳和断裂力学是材料科学中的重要分支，它们研究材料在长期使用过程中的疲劳和断裂行为。
疲劳是指材料在受到交变载荷作用下，经过一定次数的循环加载后发生破坏的现象。
而断裂则是指材料在受到外界力作用下，发生裂纹扩展并最终破坏的过程。
本文将从材料疲劳和断裂的基本概念入手，探讨其力学分析方法和应用。
材料疲劳是材料工程中非常重要的问题之一。
在实际工程中，材料常常会受到交变载荷的作用，如机械零件的振动、车辆的行驶等。
这些交变载荷会导致材料内部的微观缺陷逐渐扩展，最终引发疲劳破坏。
疲劳寿命是评估材料抗疲劳性能的重要指标，它表示材料在一定的载荷条件下能够承受多少次循环加载。
疲劳寿命的预测是材料疲劳力学的核心问题之一。
疲劳寿命的预测可以通过应力-应变曲线和材料的疲劳强度来实现。
应力-应变曲线描述了材料在受到外力作用下的应变响应。
在疲劳加载下，应力-应变曲线会发生变化，出现应力集中和应变集中现象。
这些应力和应变集中会导致材料内部的微观缺陷逐渐扩展，最终引发疲劳破坏。
材料的疲劳强度是指在一定的载荷条件下，材料能够承受的最大疲劳应力水平。
通过疲劳强度和应力-应变曲线，可以预测材料的疲劳寿命。
断裂力学是研究材料断裂行为的重要学科。
材料的断裂行为是指在受到外界力作用下，材料内部出现裂纹并逐渐扩展，最终导致材料破坏的过程。
断裂行为的研究对于材料的设计和安全评估具有重要意义。
断裂力学的基本概念包括裂纹尖端应力场、应力强度因子和断裂韧性等。
裂纹尖端应力场是指裂纹附近的应力分布情况。
在裂纹尖端附近，应力集中现象非常明显，应力值会远远超过材料的强度极限。
应力强度因子是描述裂纹尖端应力场的重要参数，它表示裂纹尖端的应力强度。
断裂韧性是指材料抵抗裂纹扩展的能力，它是评估材料抗断裂性能的重要指标。
通过研究裂纹尖端应力场、应力强度因子和断裂韧性，可以预测材料的断裂行为。
材料疲劳和断裂力学的研究对于材料的设计和安全评估具有重要意义。
金属学与热处理原理中的金属疲劳与断裂
金属学与热处理原理中的金属疲劳与断裂金属材料在长期的应力作用下，由于疲劳引起的断裂是一种非常重要的失效形式。
研究金属疲劳与断裂是金属学与热处理领域的重要内容之一。
本文将介绍金属疲劳与断裂的概念、机制、影响因素以及预防措施。
一、概念金属疲劳是指在周期的应力作用下，金属材料发生断裂的现象。
疲劳断裂通常发生在金属材料循环应力作用下的高应力集中区域，尤其在其实际应力低于金属材料的屈服强度时。
通过加载和卸载周期性变化的应力，会导致金属材料中微小裂纹的扩展，最终导致疲劳断裂。
二、机制金属疲劳断裂主要包括微裂纹形成、扩展和最终断裂三个阶段。
在起始阶段，金属材料表面的微小缺陷会逐渐形成微裂纹，这些微裂纹通常沿着材料的晶界或者金属材料中的非金属夹杂物分布处开始扩展。
随着加载和卸载的循环次数增加，裂纹逐渐扩展进一步，直到达到材料的疲劳强度极限，材料最终发生断裂。
在裂纹扩展过程中，裂纹的扩展速率会逐渐加快。
三、影响因素金属疲劳与断裂的速率和程度受到多种因素的影响，包括加载频率、应力幅值、温度、湿度等。
高频率的加载会导致疲劳断裂更快发生，较大的应力幅值也会增加材料发生疲劳断裂的可能性。
此外，高温和高湿度环境也会加速疲劳断裂的发生。
四、预防措施为了预防金属材料的疲劳断裂，可以采取一系列措施。
首先，合理设计和选择材料，确保其能够承受所需的应力循环。
其次，降低应力集中，通过改善结构设计或者增加过渡区域，减少应力集中的程度。
此外，可以通过表面处理、提高金属材料的表面光滑度来减少疲劳断裂的发生。
最后，定期检测和维护金属材料，及时更换存在疲劳断裂风险的部件。
综上所述，金属疲劳与断裂是金属学与热处理原理中的重要内容之一。
了解金属疲劳与断裂的概念、机制、影响因素以及预防措施，对于提高金属材料的使用寿命和安全性具有重要意义。
在实践中，我们应该注重合理设计和选择材料，有效减少应力集中，加强对金属材料的定期检测和维护，最大程度地降低金属疲劳与断裂的风险。
材料力学中的断裂与疲劳问题
材料力学中的断裂与疲劳问题材料力学是研究物质的力学特性和行为的学科，其中断裂与疲劳问题是其重要的一个方面。
本文将通过对断裂与疲劳问题的探讨，介绍材料力学中与之相关的理论和应用。
一、断裂问题断裂是指物体在受到力作用下，发生突然破裂的过程。
在材料力学中，我们经常关注材料的强度和韧性两个指标。
强度是指材料抵抗外部载荷破坏的能力，而韧性则是指材料在断裂前能够吸收的能量。
断裂问题的研究主要涉及到断裂力学和断裂力学试验。
断裂力学是研究材料在受到外部载荷作用下的断裂行为，包括了断裂的形态、断裂的机理等。
断裂力学试验则是通过实验来测量和评估材料的断裂性能。
常用的试验方法包括拉伸试验、冲击试验等。
二、疲劳问题疲劳是指材料在反复加载下产生损伤和破坏的现象。
与断裂不同，疲劳是一个逐渐发展的过程，往往在受到载荷作用后的多次循环加载中产生。
疲劳过程中，材料的强度和韧性会逐渐减小，最终导致破坏。
材料的疲劳性能与加载作用、材料结构、工艺等因素有关。
不同材料对于疲劳的抵抗能力也不同。
在疲劳问题的研究中，我们常用的方法是通过应力-寿命曲线来描述材料的疲劳寿命。
应力-寿命曲线是指在不同应力水平下，材料经受多少次循环加载会导致破坏。
研究疲劳问题的目的在于确定材料的疲劳极限，从而预测材料的使用寿命。
这对于很多工程应用来说是非常重要的，例如航空航天、汽车制造等领域。
三、断裂与疲劳的联系断裂与疲劳问题在材料力学中常常被联系在一起研究。
事实上，疲劳往往是导致断裂的一个重要因素。
在疲劳加载下，材料会逐渐发生微裂纹，这些微裂纹在加载过程中会逐渐扩展，最终导致断裂。
断裂与疲劳之间的联系也可通过断裂韧性来解释。
在疲劳加载下，材料的韧性会逐渐降低，这意味着材料更容易发生断裂。
因此，了解和研究材料的断裂行为对于预测和控制疲劳问题至关重要。
四、应用与进展断裂与疲劳问题的研究在材料科学和工程领域具有广泛的应用价值。
在航空航天、汽车制造、建筑工程等领域，对材料的断裂与疲劳行为进行研究和控制，可以提高产品的安全性和可靠性。
第11章疲劳和断裂
K 1 qK t 1
此式对于正应力和切应力集中都适用。 一般来说，静载抗拉强度越高，有效应力集中因数 越大，即对应力集中越敏感。
18
§11-4 构件持久极限及其计算
尺寸因数
前面所讲的疲劳极限为光滑小试样（直径6~10 mm）的 试验结果，称为“试样的疲劳极限”或“材料的疲劳极限”。 试验结果表明，随着试样直径的增加，疲劳极限将下降，而 且对于钢材，强度愈高，疲劳极限下降愈明显。因此，当零 件尺寸大于标准试样尺寸时，必须考虑尺寸的影响。 零件尺寸对疲劳极限的影响用尺寸因数度量：
构件持久极限
光滑试件持久极限
( 1 ) ( 1 )d
20
§11-4 构件持久极限及其计算
一般来说，表面加工质量越低，持久极限降低越多； 静载抗拉强度越高，加工质量对构件持久极限的影响越
显著。
上述各种影响零件疲劳极限的因数都可 以在有关的设计手册中查到。
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§11-4 构件持久极限及其计算
形而强化，同时产生较大的残余压应力。
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第11章完
§11-3 材料的持久极限及其测定
三、条件疲劳极限 铝合金等有色金属，其 － N曲线如图所示，它没有明显的 水平部分，规定疲劳寿命N0＝ 5×106－107 时的最大应力值为条
O
N0=5×10 6 ~10 7 N
件疲劳极限，用 r 0 表示。
N
13
§11-4 构件持久极限及其计算
前面介绍了光滑小试样的疲劳极限，并不是零件 的疲劳极限，零件的疲劳极限则与零件状态和工作条
久极限（疲劳极限）。用r表示，r代表循环特征。
r与材料变形形式，循环特征有关，用疲劳试验测定。
9
疲劳与疲劳断裂
2
疲劳断裂是一个累积损伤的过程，通常在低于材 料屈服点的应力下发生，具有突发性断裂的特点。
3
疲劳断裂的发生与循环应力的大小、频率、应力 集中程度、材料特性等因素有关。
疲劳断裂的类型
高周疲劳
01
在循环应力较高、频率较低的情况下发生的疲劳断裂，通常与
材料的机械性能有关。
低周疲劳
02
在循环应力较低、频率较高的情况下发生的疲劳断裂，通常与
疲劳与疲劳断裂
目录
• 疲劳概述 • 疲劳断裂概述 • 疲劳断裂的影响因素 • 疲劳断裂的预防与控制 • 疲劳断裂的检测与评估 • 案例分析
01
疲劳概述
疲劳的定义
疲劳
是指由于连续工作或活动过度而导致 的身体或心理上的能量消耗，从而引 发工作效率下降、错误率增加的现象 。
疲劳断裂
疲劳断裂是指由于长期承受疲劳而导 致的结构或材料发生断裂的现象。
详细描述
航空发动机叶片在高温、高转速和高应力的条件下工作，容易受到疲劳损伤。疲劳断裂通常是由于叶 片材料内部微裂纹的扩展和相互连接而形成的。为了防止疲劳断裂，需要深入分析叶片的材料特性、 应力分布和温度变化等因素，并采取相应的措施来提高叶片的抗疲劳性能。
桥梁结构的疲劳断裂研究
总结词
桥梁结构的疲劳断裂是由于长期承受重复载荷而引起的，对桥梁的安全性和使用寿命产 生严重影响。
详细描述
桥梁结构在车辆、风和地震等外部载荷的作用下，会产生反复的应力变化。当应力变化 超过材料的疲劳极限时，就会在材料内部形成微裂纹并逐渐扩展，最终导致结构的疲劳 断裂。为了预防疲劳断裂，需要对桥梁结构进行详细的疲劳分析和寿命预测，并采取相
应的加固措施。
机械零件的疲劳断裂实例
金属材料的断裂与疲劳行为
金属材料的断裂与疲劳行为断裂和疲劳行为是金属材料在实际应用中常见的失效形式。
了解金属材料的断裂与疲劳行为对于设计和使用金属结构具有重要意义。
本文将介绍金属材料的断裂和疲劳机制，以及减缓断裂和疲劳行为的方法。
一、金属材料的断裂行为金属材料的断裂行为是指材料在承受外力作用下发生断裂的过程。
断裂行为可以分为韧性断裂和脆性断裂两种。
1. 韧性断裂韧性断裂是指金属材料在拉伸或弯曲等受力过程中，先出现局部塑性变形，然后逐渐发展成裂纹，并最终导致材料的断裂。
韧性断裂一般发生在高韧性的金属材料上，如钢铁等。
这种断裂行为是可逆的，材料在受力时会发生塑性变形。
2. 脆性断裂脆性断裂是指金属材料在受到较小的应力下，很快发生断裂的行为。
脆性断裂一般发生在低韧性的金属材料上，如铸铁等。
这种断裂行为是不可逆的，材料在受力时发生的变形很小。
二、金属材料的疲劳行为金属材料的疲劳行为是指材料在交变载荷或周期性的载荷下，逐渐失去强度并最终发生断裂的现象。
疲劳断裂是金属材料在常规加载下的主要失效模式之一。
疲劳行为的特点是在应力远低于材料的屈服强度时发生，其断裂过程包括裂纹的发育、扩展和最终断裂。
疲劳断裂是一个逐渐发展的过程，当疲劳裂纹达到一定尺寸时，材料的强度急剧下降，进而引发断裂。
三、减缓断裂和疲劳行为的方法为了延长金属材料的使用寿命，减缓断裂和疲劳行为的发生是非常重要的。
以下是几种常用的方法：1. 合理设计在金属结构的设计中，合理选择材料、结构形式和尺寸对于减缓断裂和疲劳行为具有重要意义。
考虑到材料的强度、韧性和抗疲劳性能，设计合理的结构，合理分配应力和应变，可以降低断裂和疲劳的风险。
2. 表面处理表面处理是一种常用的减缓断裂和疲劳行为的方法。
通过对金属材料表面进行加工，如抛光、镀层、涂层等，可以提高材料的表面质量和耐疲劳性能。
例如，对于金属零件，可以进行光亮抛光处理来消除微小的表面缺陷，提高其疲劳寿命。
3. 应力控制适当控制金属材料的应力和应变状态是减缓断裂和疲劳行为的关键。
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变幅载荷
随机载荷
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Three primary fatigue analysis methods which are the stress-life approach, strainlife approach, and the fracture mechanics approach, will be discussed. These methods have their own region of application with some degree of overlap between them.
二、疲劳破坏机理及断口微观特征
疲劳裂纹萌生机理：
疲劳裂纹的起始或萌生，称为疲劳裂纹成核。 疲劳裂 纹成核 扩展至临 界尺寸 断裂 发生
裂纹起源（裂纹源）在何处？ 高应力处： 1）应力集中处；缺陷、夹杂，或孔、切口、台阶等 2）构件表面； 应力较高，有加工痕迹， 平面应力状态，易于滑移发生。
16
延性金属中的滑移
19
疲劳条纹(striation) 不同于海滩条带(beach mark) Cr12Ni2WMoV钢疲劳条纹:(金属学报,85)
透射电镜：1-3万倍
S
谱块
t
循环
条纹
20
条带
疲劳裂纹扩展的微观机理 1976 Crooker
Cr12Ni2WMoV钢疲劳断口微观照片:(金属学报,85)
三种破坏形式:
微解理型 microcleavage
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1.5 疲劳问题研究方法
裂纹扩展规律 断裂力学规律
缺口影响 尺寸、光洁度 等影响 平均应力的影响 Goodman直线 Miner 累积损伤理论 雨流计数法
损伤容限设计 构件S-N曲线 （各种修正） 无限寿 命设计 安全寿 命设计
恒幅载荷
S ，R=-1 实验研究
基本疲劳性能 S-N曲线
寿 命 预 测
1.4 疲劳破坏机理与断口特征
1.5 疲劳问题研究方法
3
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1.2 疲劳断裂破坏的严重性
1982年，美国众议院科学技术委员会委托商业 部国家标准局(NBS)调查断裂破坏对美国经济的影 响。 提交综合报告 “美国断裂破坏的经济影响” SP647-1 最终报告 “数据资料和经济分析方法” 断裂使美国一年损失1190亿美元 SP647-2
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对策
普及断裂的基本知识，可减少损失29%(345亿/年)。
设计、制造人员了解断裂，主动采取改进措施， 如设计；材料断裂韧性；冷、热加工质量等。
利用现有研究成果，可再减少损失24%(285亿/年)。
包括提高对缺陷影响、材料韧性、工作应力的预测 能力；改进检查、使用、维护；建立力学性能数据 库；改善设计方法更新标准规范等。 剩余的47%，有待于进一步基础研究的突破。 如裂纹起始、扩展的进一步基础研究；高强度、 高韧性、无缺陷材料的研究等。
按照S-N或e-N曲线设计，使构件在有限长设 计寿命内，不发生疲劳破坏的设计---安全或有 限寿命设计。 用于民用飞机，容器，管道，汽车等。
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损伤容限设计 ( Damage tolerance design)
由于裂纹存在，安全寿命设计并不能完全确保安全。
20世纪70年代提出的损伤容限设计： 假定构件中存在着裂纹，用断裂分析、疲 劳纹扩展分析和试验验证，保证在定期检查肯 定能发现前，裂纹不会扩展到足以引起破坏。
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基本S-N曲线：
R=-1 (Sa=Smax)条件下得到的S-N曲线。
S
1. 一般形状及特性值
施加不同的Sa，进行疲劳试 验，可得到S-N曲线。
用一组标准试件，在R=-1下，S N
10 3 10 4 10 5 10 6 10 7
Nf
疲劳强度(fatigue strength) SN： S-N曲线上对应于寿命N的应力，称为寿命为N循环 的疲劳强度。
选用韧性较好、裂纹扩展缓慢的材料，以保证有足 够大的ac和充分的时间，安排检查并发现裂纹。
12
耐久性设计 ( Durability design)
20世纪80年代起，以经济寿命为目标的耐久性设计 概念形成。耐久性是构件和结构在规定的使用条件 下抗疲劳断裂性能的一种定量度量。
先定义疲劳破坏严重细节群（如孔等）的初始疲劳 质量---初始损伤状态；再用疲劳或疲劳裂纹扩展分 析预测在不同使用时刻损伤状态的变化；然后确定 其经济寿命，制订使用、维修方案。
控制应力水平，使裂纹不萌生或不扩展，即： S<Sf or K<Kth 对于气缸阀门、顶杆、弹簧，长期频繁运行的轮轴 等，无限寿命设计至今仍是简单而合理的方法。
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安全寿命设计 ( Safe-life design )
不需经受很多次循环的构件，无限寿命设计很不经济。 研究载荷水平与疲劳寿命的关系； 建立描述材料疲劳性能的S-N、e-N曲线。
3)裂纹源在高应力局部或材料缺陷处。 4)与静载破坏相比，即使是延性材料，也没有明显 的塑性变形。 5)工程实际中的表面裂纹，一般呈半椭圆形。
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疲劳破坏与静载破坏之比较
疲劳破坏 S＜Su 静载破坏 S＞Su 破坏是局部损伤累积的结 破坏是瞬间发生的。 果。 断口光滑，有海滩条带或 断口粗糙，新鲜，无表面 腐蚀痕迹。有裂纹源、裂 磨蚀及腐蚀痕迹。 纹扩展区、瞬断区。 韧性材料塑性变形明显。 无明显塑性变形。 应力集中对极限承载能力 应力集中对寿命影响大。 影响不大。 由断口可分析裂纹起因、扩展信息、临界裂纹 尺寸、破坏载荷等，是失效分析的重要依据。 15
低应力、脆性材料
条纹型 striation 条纹间距=da/dN?
微孔聚合型 microvoid coalescence
高应力、韧材料
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疲劳断口观察工具与观察内容的关系:
观察 工具 放大 倍数 观察 对象 肉眼，放大镜
1-10×
金相显微镜
10-1000×
电子显微镜
1000×以上
宏观断口， 海滩条带；
约0.1m
材料表面 材料表面
a) 粗滑移
b) 细滑移
N=10 N=2.7 105 扰动载荷 4应力集中 滑移带 驻留滑移带 N=5 104 微裂纹、扩展 宏观裂纹、扩展 （多晶体镍恒幅应力循环）
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裂纹由持久滑移带成核，最大剪应力控制。
循环 载荷 作用
持久 滑移 带 几条 微裂 纹 一条 主裂 纹
因此，工程技术人员必须认真考虑可能的疲劳断 裂问题。
7
1993年，美国政府报告 ( PB94-143336, 1993)发
表了1973-1990年期间的飞机使用故障统计结果，表
中列出了四种常用机型的数据。
SDR-使用故障报告
机型
（美国）
（1973-1990)
Boeing 727 737 747 DC-9
各种方法互相补充，适应不同设计需求， 不是相互取代的。
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1.4 疲劳破坏机理与断口特征
一、断口宏观特征
典型疲劳断口，特征明显： 1)有裂纹源、裂纹扩展区和 最后断裂区三个部分。 2)裂纹扩展区断面较光滑， 通常可见 “海滩条带”, 还可能有腐蚀痕迹。
裂纹扩展区 海滩条带
最后断裂区
裂纹源
孔边角裂纹 断口 飞机轮毂疲劳断口
裂纹源，滑移， 条纹，微解理 夹杂，缺陷； 微孔聚合
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4. 由疲劳断口进行初步失效分析
断口宏观形貌: 是否疲劳破坏? 裂纹临界尺寸? 是否正常破坏？
破坏载荷？
金相或低倍观察： 裂纹源？是否有材料缺陷？缺陷的类型和大小？
高倍电镜微观观察： “海滩条带”+“疲劳条纹”，使用载荷谱，估计速率。 疲劳断口分析，有助于判断失效原因，可为改进 疲劳研究和抗疲劳设计提供参考。 因此，应尽量保护断口，避免损失了宝贵的信息。
2.5 变幅载荷谱下的疲劳寿命
2.6 随机谱与循环计数法
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第二章 应力疲劳
应力 s
Sy 应力疲劳: Smax<Sy， Nf>104， 也称高周疲劳。 应变疲劳: Smax>Sy， Nf<104， o 也称低周应变疲劳。
应变 e
2.1 S-N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
耐久性设计 抗断裂设计
抗疲劳设计 静强度设计 1800 2000
1900
年代
9
1.3 抗疲劳设计方法
无限寿命设计 (Infinite-life design)
控制疲劳裂纹萌生的是应力幅Sa 。 Sa 小于疲劳极限值 Sf 时，将不发生疲劳破坏。 控制疲劳裂纹扩展的是应力强度因子K=f(S, a)。 K小于疲劳裂纹扩展门槛值Kth时，裂纹不扩展。
6
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) Int. J. Fatigue, Vol.6, No.1, 1984 工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破 坏的50-90%，是机械、结构失效的最常见形式。
摘要发表于 Int. J. of Fracture, Vol23, No.3, 1983 译文见 力学进展， Vol15，No2，1985
4
断裂(包括疲劳、腐蚀引起的断裂)
使美国一年损失1190亿美元,
为其1982年国家总产值的4%。
损失最严重的是： 车辆业 (125亿/年)， 建筑业 (100亿/年)， 航空 (67亿/年)， 金属结构及制品 (55亿/年).
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