钢结构的疲劳破坏事故ppt课件
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《钢结构疲劳》课件
总结词
结构细节和连接方式对钢结构疲劳性能具有重要影响，合理的细节设计和连接方式可以有效提高结构的疲劳寿命 。
详细描述
钢结构的细节设计和连接方式决定了结构内部的应力分布和传递。不合理的细节设计和连接方式可能导致局部应 力集中，加速裂纹萌生和扩展。因此，在设计和制造钢结构时，应注重细节处理和连接方式的优化，以提高结构 的疲劳性能。
超声检测
利用超声波在材料中的传播特性 ，检测内部缺陷和裂纹。
涡流检测
利用涡流对材料进行检测，通过 分析涡流的变化来检测裂纹。
损伤识别与评估
损伤识别
通过各种无损检测手段，如声发射、 红外成像等，对钢结构进行全面检测 ，以确定损伤的位置和程度。
损伤评估
根据损伤的严重程度，对钢结构的剩 余寿命和安全性进行评估，为维修和 加固提供依据。
采用无损检测技术，如超声波、磁 粉等方法，对钢结构进行监测和评 估，了解结构疲劳状况。
维修与更换
对于发现的疲劳裂纹和损伤，及时 进行修复或更换，防止裂纹扩大。
增强结构整体性
增加支撑和连接
加强节点连接
通过增加支撑和连接件，提高钢结构 的整体稳定性，减少结构变形和应力 集中。
对节点连接进行加强，提高节点刚度 和承载能力，减少应力集中和变形。
优化结构设计
对钢结构进行详细的结构分析和优化 设计，合理布置支撑和连接件，提高 结构整体性。
局部加固与修复
1 2
焊接加固
对于疲劳裂纹和损伤，可以采用焊接方法进行加 固和修复。焊接前应进行焊接工艺评定和焊接质 量检测。
粘贴钢板加固
在钢结构表面粘贴钢板，提高结构的承载能力和 刚度，适用于大型结构件和厚板的加固。
《钢结构疲劳》ppt课件
结构细节和连接方式对钢结构疲劳性能具有重要影响，合理的细节设计和连接方式可以有效提高结构的疲劳寿命 。
详细描述
钢结构的细节设计和连接方式决定了结构内部的应力分布和传递。不合理的细节设计和连接方式可能导致局部应 力集中，加速裂纹萌生和扩展。因此，在设计和制造钢结构时，应注重细节处理和连接方式的优化，以提高结构 的疲劳性能。
超声检测
利用超声波在材料中的传播特性 ，检测内部缺陷和裂纹。
涡流检测
利用涡流对材料进行检测，通过 分析涡流的变化来检测裂纹。
损伤识别与评估
损伤识别
通过各种无损检测手段，如声发射、 红外成像等，对钢结构进行全面检测 ，以确定损伤的位置和程度。
损伤评估
根据损伤的严重程度，对钢结构的剩 余寿命和安全性进行评估，为维修和 加固提供依据。
采用无损检测技术，如超声波、磁 粉等方法，对钢结构进行监测和评 估，了解结构疲劳状况。
维修与更换
对于发现的疲劳裂纹和损伤，及时 进行修复或更换，防止裂纹扩大。
增强结构整体性
增加支撑和连接
加强节点连接
通过增加支撑和连接件，提高钢结构 的整体稳定性，减少结构变形和应力 集中。
对节点连接进行加强，提高节点刚度 和承载能力，减少应力集中和变形。
优化结构设计
对钢结构进行详细的结构分析和优化 设计，合理布置支撑和连接件，提高 结构整体性。
局部加固与修复
1 2
焊接加固
对于疲劳裂纹和损伤，可以采用焊接方法进行加 固和修复。焊接前应进行焊接工艺评定和焊接质 量检测。
粘贴钢板加固
在钢结构表面粘贴钢板，提高结构的承载能力和 刚度，适用于大型结构件和厚板的加固。
《钢结构疲劳》ppt课件
疲劳破坏ppt课件
染色液体渗入法：是使带燃料的液体渗入表面的细裂纹，然后通 过显色剂，把燃料吸上来以显示裂纹轮廓。在检验时，把焊缝表面 清理干净并保持干燥，然后刷上一薄层渗入液，待燃料渗入却先后， 把表面擦净再涂上显色剂。已渗入的液体这时回到金属表面和显色 剂起反应，从而可以清晰地看出裂纹轮廓。
射线照相检查：依靠电磁射线来确定焊缝是否完好。X光线和 β射线都能穿透像焊缝这样的非透明体。在焊缝背后放上敏感胶片， 即可取得焊缝结构的永久记录。射线穿过焊缝材料后达到敏感胶片， 产生不同反差的负片，在射线穿过气泡、夹渣或裂纹时，在这些密 度小的区域透过得很多，在胶片上造成黑色区。
图1.2裂纹尺寸
图1.3示出疲劳断裂面的分区，裂纹大体上以同心圆的形 式从表面的裂源向内部逐渐扩展。扩展到一定程度后截面削 弱过甚，即被拉断。当构件应力较小时，扩展区所占范围较大， 而当构件应力很大时，扩展区就比较小。扩展区的表面光滑，
而且是愈近裂源愈光，这是因为裂纹经过多次开合的缘故。 拉断区可以使脆性的颗粒状断口，也可以使带有一定韧性的 断口。图1.4给出焊接工形截面翼缘和腹板间角焊缝从表面 或内部发展疲劳裂纹的情况。
所有应力循环内的应力幅保持为常量，这种循环荷载 作用称为常幅破坏。
对于常幅疲劳，其计算表达式如下 19401012
[Δ ] ( C )1/
n
Δσ≤[σ]
[σ]——容许应力幅 Δσ——循环荷载产生的应力幅
表1.1 参数C、β
构件及
1
2
3
4
5
6
7
8
连接类
别
C 19401012 8611012 3.261012 2.181012 1.471012 0.961012 0.6510120.411012
射线照相检查：依靠电磁射线来确定焊缝是否完好。X光线和 β射线都能穿透像焊缝这样的非透明体。在焊缝背后放上敏感胶片， 即可取得焊缝结构的永久记录。射线穿过焊缝材料后达到敏感胶片， 产生不同反差的负片，在射线穿过气泡、夹渣或裂纹时，在这些密 度小的区域透过得很多，在胶片上造成黑色区。
图1.2裂纹尺寸
图1.3示出疲劳断裂面的分区，裂纹大体上以同心圆的形 式从表面的裂源向内部逐渐扩展。扩展到一定程度后截面削 弱过甚，即被拉断。当构件应力较小时，扩展区所占范围较大， 而当构件应力很大时，扩展区就比较小。扩展区的表面光滑，
而且是愈近裂源愈光，这是因为裂纹经过多次开合的缘故。 拉断区可以使脆性的颗粒状断口，也可以使带有一定韧性的 断口。图1.4给出焊接工形截面翼缘和腹板间角焊缝从表面 或内部发展疲劳裂纹的情况。
所有应力循环内的应力幅保持为常量，这种循环荷载 作用称为常幅破坏。
对于常幅疲劳，其计算表达式如下 19401012
[Δ ] ( C )1/
n
Δσ≤[σ]
[σ]——容许应力幅 Δσ——循环荷载产生的应力幅
表1.1 参数C、β
构件及
1
2
3
4
5
6
7
8
连接类
别
C 19401012 8611012 3.261012 2.181012 1.471012 0.961012 0.6510120.411012
钢桥的疲劳分析ppt课件
一、钢桥疲劳的基本概念
➢ 疲劳破坏定义： 疲劳破坏是材料在低于强度极限的反复荷载作用下，由于缺陷局
部微细裂纹的形成和发展直到最后发生脆性断裂的一种破坏。 ➢ 疲劳破坏产生的原因:
钢桥在反复交变荷载作用下，先在其缺陷处生成一些极小的裂痕， 此后这种微观裂痕逐渐发展成宏观裂缝，试件截面削弱，而在裂 纹根部出现应力集中现象，使材料处于三向拉伸应力状态，塑性 变形受到限制，当反复荷载达到一定的循环次数时，材料终于破 坏，并表现为突然的脆性断裂。
二、钢桥抗疲劳设计原理
标准疲劳车为一四轴单车，轴重均为80kN，总重为320kN。标准车示意 图如图1、图2所示:
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“精 准扶贫 ”项目
二、钢桥抗疲劳设计原理
2欧洲规范EC1中所规定的疲劳疲劳荷载谱 欧洲疲劳规范了5种不同的疲劳荷载模型（Fatigue Load Modle,简称
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“精 准扶贫 ”项目
二、钢桥抗疲劳设计原理
➢ 疲劳荷载模型二 疲劳荷载模型二采用一系列的理想加载车成，共有5种货车形式，加
载车辆的轴数、轴距轴重以及车轮形式如表3所示。
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“精 准扶贫 ”项目
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“精 准扶贫 ”项目
二、钢桥抗疲劳设计原理
➢ 疲劳破坏定义： 疲劳破坏是材料在低于强度极限的反复荷载作用下，由于缺陷局
部微细裂纹的形成和发展直到最后发生脆性断裂的一种破坏。 ➢ 疲劳破坏产生的原因:
钢桥在反复交变荷载作用下，先在其缺陷处生成一些极小的裂痕， 此后这种微观裂痕逐渐发展成宏观裂缝，试件截面削弱，而在裂 纹根部出现应力集中现象，使材料处于三向拉伸应力状态，塑性 变形受到限制，当反复荷载达到一定的循环次数时，材料终于破 坏，并表现为突然的脆性断裂。
二、钢桥抗疲劳设计原理
标准疲劳车为一四轴单车，轴重均为80kN，总重为320kN。标准车示意 图如图1、图2所示:
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“精 准扶贫 ”项目
二、钢桥抗疲劳设计原理
2欧洲规范EC1中所规定的疲劳疲劳荷载谱 欧洲疲劳规范了5种不同的疲劳荷载模型（Fatigue Load Modle,简称
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“精 准扶贫 ”项目
二、钢桥抗疲劳设计原理
➢ 疲劳荷载模型二 疲劳荷载模型二采用一系列的理想加载车成，共有5种货车形式，加
载车辆的轴数、轴距轴重以及车轮形式如表3所示。
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“精 准扶贫 ”项目
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“精 准扶贫 ”项目
二、钢桥抗疲劳设计原理
金属材料疲劳案例分析PPT课件
• 该处裂开后，造成空中失压解体。根据事故后回收的机身 残骸，该处裂痕至少长达约2.3米，而研究显示在高空中 飞机上的裂痕超过约1.5米时就会有结构崩毁的可能。
精选PPT课件
5
飞机金属疲劳与交变载荷
精选PPT课件
6
• 台湾“飞航安全委员会”于2005年2月25日正式发布华航 CI611班机澎湖空难事故调查报告：根据加强补片上所发 现的环状磨擦痕迹、断裂面上的规则亮纹及镀铝层挤压变 形现象，相信该机于解体前，机身上存在一个至少71寸、 长度足以造成机身结构失效的连续裂纹。大部分的疲劳裂 纹生长的起源点为1980年2月7日事故航机在香港发生机 尾触地事件造成的刮痕处。
疲劳及设计案例
精选PPT课件
1
疲劳破坏
• 材料在连续反复荷载作用下，其应力虽然没有达到抗拉强 度，甚至还低于屈服强度时，也可能发生突然破坏，这种 现象称为疲劳破坏
• 在疲劳破坏之前，没有明显的变形，是一种突然发生的脆 性断裂，所以疲劳破坏属于反复荷载作用下的脆性破坏。
• 疲劳破坏是经过长时间的发展过程才出现的，其破坏过程 可分为三个阶段：裂纹的形成、裂纹缓慢扩展、最后迅速 断裂而破坏。疲劳破坏首先是由于机件内部结构不均匀和 应力分布不均匀所引起的。应力集中可以使个别晶粒很快 出现塑性变形及硬化，从而大大降低机件的疲劳强度。对 于承受连续反复荷载的结构，设计时必须考虑疲劳问题。
命大大缩短。
精选PPT课件
8
例2:摩托车发动机连杆断裂原因分析
•
广东某摩托车厂一辆摩
托车在运行了2000km后发
生机械故障，经拆机检查，
发现发动机曲轴连杆断裂。
• 据悉该连杆材料为 20CrMnTi，表面经过渗碳处 理。
• 连杆工作原理见图1，连 杆的往返运动带动两传动曲 轴转动。
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5
飞机金属疲劳与交变载荷
精选PPT课件
6
• 台湾“飞航安全委员会”于2005年2月25日正式发布华航 CI611班机澎湖空难事故调查报告：根据加强补片上所发 现的环状磨擦痕迹、断裂面上的规则亮纹及镀铝层挤压变 形现象，相信该机于解体前，机身上存在一个至少71寸、 长度足以造成机身结构失效的连续裂纹。大部分的疲劳裂 纹生长的起源点为1980年2月7日事故航机在香港发生机 尾触地事件造成的刮痕处。
疲劳及设计案例
精选PPT课件
1
疲劳破坏
• 材料在连续反复荷载作用下，其应力虽然没有达到抗拉强 度，甚至还低于屈服强度时，也可能发生突然破坏，这种 现象称为疲劳破坏
• 在疲劳破坏之前，没有明显的变形，是一种突然发生的脆 性断裂，所以疲劳破坏属于反复荷载作用下的脆性破坏。
• 疲劳破坏是经过长时间的发展过程才出现的，其破坏过程 可分为三个阶段：裂纹的形成、裂纹缓慢扩展、最后迅速 断裂而破坏。疲劳破坏首先是由于机件内部结构不均匀和 应力分布不均匀所引起的。应力集中可以使个别晶粒很快 出现塑性变形及硬化，从而大大降低机件的疲劳强度。对 于承受连续反复荷载的结构，设计时必须考虑疲劳问题。
命大大缩短。
精选PPT课件
8
例2:摩托车发动机连杆断裂原因分析
•
广东某摩托车厂一辆摩
托车在运行了2000km后发
生机械故障，经拆机检查，
发现发动机曲轴连杆断裂。
• 据悉该连杆材料为 20CrMnTi，表面经过渗碳处 理。
• 连杆工作原理见图1，连 杆的往返运动带动两传动曲 轴转动。
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。
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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：
钢结构的疲劳破坏事故讲解
(3)材料缺陷 钢材中总是存在各种各样的缺陷，它们对
疲劳强度有很大髟响。其影响的程度取决于 缺陷的大小、形状、数量、位置、方向。
2 构造及加工
构造细节对高强螺栓疲劳性能的影响十分显著，它主要反 映了应力集中的严重程度。如螺栓的螺纹形式、键槽、螺帽 过渡圆角以及制作工艺和热处理加工等。
通常，高强螺栓的疲劳危险区有三处：①与螺栓球节点连 接处第一螺纹牙根部，经理论分析，各螺纹牙上的应力分配 是不均匀的，一般第一螺纹牙传递的应力为最大；②螺栓头 与螺杆的过渡圆角处；③螺纹与光滑部分的过渡处。试验表 明：疲劳破坏大都发生存第①最险区。
3. 破损-安全设计
破损--安全设计准则首先是在航空工程中发展起 来的。它认为裂纹可以出现，但在整个裂纹被检测 和进行修理前，所出现的裂纹不会导致整个结构的 破坏。这就要求定期检查和维修，以便及时发现裂 纹，同时要求裂纹扩张速度较慢。此外，希望所设 计的结构能够进行载荷多路径传递转移，即将结构 某一环节破坏后，载荷能够被转移并重新分布。
制作安装缺陷;螺栓的预紧力 4. 工作应力
应力幅;平均应力
1材料性能 (1)钢材种类 目前，螺栓球节点网架中高强螺栓的钢材种
类有：40Cr、20MnTiB、35VB、35CrMo钢材 种类对于疲劳强度的影响可以通过极限强度值 反映出来。凡具有相同屈服强度或极限强度的 各种钢材，其疲劳强度一般没有太大的差别。
总之，依靠精心的选材、设计、制作、安装和使用，再加上焊接之后的 一些特殊工艺措施，可以达到提高和改善疲劳性能的作用。
6.4 疲劳设计准则
• 无限寿命设计 • 有限寿命设计 • 破损-安全设计 • 损伤-容限设计
1. 无限寿命设计
这是一种最保险的方法。采用此准则 设计的许用应力必须低于疲劳极限，因 应力很低，造价过高，往往不现实。
第5章-疲劳断裂失效分析PPT课件
降低
材料强度
增加
升高
材料塑性
增加
降低
温度
升高
降低
腐蚀介质
强
降低
2021
14
4、疲劳断裂对材料缺陷的敏感性
• 金属的疲劳失较具有对材料的各种缺陷均 为敏感的特点。因为疲劳断裂总是起源于 微裂纹处。这些微裂纹有的是材料本身的 冶金缺陷，有的是加工制造过程中留下的， 有的则是使用过程中产生的。
2021
15
2021
16
5.2 疲劳断口形貌及其特征
5.2.1 疲劳断口的宏观特征
1.金属疲劳断口宏观形貌
• 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。
2021
17
图5-1 疲劳断口示意图
2021
18
• 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。
2021
39
图5-10 锯齿状断口形成过程示意图
2021
40
图5-11 锯齿状断口
2021
41
5.2.3 疲劳断口的微观形貌特征
• 疲劳断口微观形貌的基本特征是在电子显 微镜下观察到的条状花样，通常称为疲劳 条痕、疲劳条带、疲劳辉纹等。疲劳辉纹 是具有一定间距的、垂直于裂纹扩展方向、 明暗相交且互相平行的条状花样 。
2021
24
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
第5章-疲劳断裂失效分析PPT课件
• 疲劳辉纹的形貌随金属材料的组织结构、 晶粒位向及载荷性质的不同而发生多种变 化，通常具有以下特征：
2021
42
a）塑性疲劳纹（1000×）
b）塑性疲（1000×）
图5-12 疲劳断口中的疲劳辉纹花样
2021
43
（1）疲劳辉纹的间距在裂纹扩展初期较小， 而后逐渐变大。每一条疲劳辉纹间距对应 一个应力循环过程中疲劳裂纹前沿向前的 推进量；
2021
21
图5-3 疲劳断裂叶片断口
2021
22
图5-6 螺栓疲劳断裂断口
2021
23
2.疲劳断口宏观形貌的基本特征 疲劳弧线（or贝纹线、贝克花样、海滩花
样）：它是以疲劳源为中心，与裂纹扩展 方向相垂直的呈半圆或扇形的弧形线。
疲劳台阶：包括一次疲劳和二次疲劳台阶。 疲劳断口上的光亮区。
5.1.1 疲劳断裂失效的基本形式
• 按交变载荷的形式不同，可分为拉压疲劳、 弯曲疲劳、扭转疲劳、接触疲劳、振动疲 劳等；
• 按疲劳断裂的总周次的大小（Nf）可分为 高周疲劳（Nf＞105）和低周疲劳（Nf＜ 104）；
2021
3
• 按零件服役的温度及介质条件可分为机械 疲劳（常温、空气中的疲劳）、高温疲劳、 低温疲劳、冷热疲劳及腐蚀疲劳等。
2021
7
• 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。
• 高强度、低塑性的材料、大截面零件、小应
第5章 疲劳断裂失效分析
2021
42
a）塑性疲劳纹（1000×）
b）塑性疲（1000×）
图5-12 疲劳断口中的疲劳辉纹花样
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（1）疲劳辉纹的间距在裂纹扩展初期较小， 而后逐渐变大。每一条疲劳辉纹间距对应 一个应力循环过程中疲劳裂纹前沿向前的 推进量；
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图5-3 疲劳断裂叶片断口
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图5-6 螺栓疲劳断裂断口
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2.疲劳断口宏观形貌的基本特征 疲劳弧线（or贝纹线、贝克花样、海滩花
样）：它是以疲劳源为中心，与裂纹扩展 方向相垂直的呈半圆或扇形的弧形线。
疲劳台阶：包括一次疲劳和二次疲劳台阶。 疲劳断口上的光亮区。
5.1.1 疲劳断裂失效的基本形式
• 按交变载荷的形式不同，可分为拉压疲劳、 弯曲疲劳、扭转疲劳、接触疲劳、振动疲 劳等；
• 按疲劳断裂的总周次的大小（Nf）可分为 高周疲劳（Nf＞105）和低周疲劳（Nf＜ 104）；
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• 按零件服役的温度及介质条件可分为机械 疲劳（常温、空气中的疲劳）、高温疲劳、 低温疲劳、冷热疲劳及腐蚀疲劳等。
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7
• 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。
• 高强度、低塑性的材料、大截面零件、小应
第5章 疲劳断裂失效分析
钢结构的可能破坏形式课件.ppt
• 3.3.3内力塑性重分布
• 在超静定结构中其某个构件的某个截面出现塑性铰并不 意味结构失去承载能力。由于塑性内力重分布结构可以 继续承受增加的荷载。
3.4结构的疲劳破坏
• 3.4.1疲劳破坏现象 • 钢结构或钢构件在连续反复荷载的作用下，要发生疲
劳破坏。
• 钢结构或钢构件总是存在裂纹，疲劳破坏就是裂纹发 展导致最后断裂。
• 3.4.2影响疲劳强度的因素 • 包括应力集中、缺陷、残余应力等因素，它们相互交
织在一起，通常用试验判定。 • 3.4.3疲劳强度的确定 • 《钢规》当应力变化的循环次数 n大于或等于 5 ×104
次时，应进行疲劳计算。
• 由试验可知，焊接结构应力幅△σ与疲劳破坏荷载循
环次数一一对应，而与钢材种类没有关系。
•
对一般简支实腹吊车梁疲劳验算位置有4处(见图)： • ①下翼缘与腹板连接角焊缝； • ②横向加劲肋下端的主体金属； • ③下翼缘螺栓和虚孔处的主体金属； • ④下翼缘连接焊缝处的主体金属。
•简支吊车梁疲 劳计算位置
3.5结构的累积损伤破坏
• 钢构件在荷载反复作用下，要发生此类破坏。如钢柱或 梁柱节点在强地震作用下的破坏。由于构件累积损伤造 成的破坏是再强度很大的荷载作用下，反复次数不多情 况下发生的，又称低周疲劳断裂。
• 2、极值型失稳
• 结构变形随荷载增加而增加，且愈来愈快，直到结构 不能承受增加的外荷载而压溃。又称第二类稳定。
• 3、屈曲后极值型失稳
• 失稳时有平衡分岔现象，但不立即破坏，有较显著的 屈曲后强度，可继续承载直到出现极值型失稳。
• 4、有限干扰型失稳
• 结构屈曲后承载力迅速下降，如有缺陷结构在受荷过 程中就不出现屈曲现象而直接进入承载力较低的极值 型失稳。又称不稳定分岔屈曲，这类结构称缺陷敏感 型结构。
• 在超静定结构中其某个构件的某个截面出现塑性铰并不 意味结构失去承载能力。由于塑性内力重分布结构可以 继续承受增加的荷载。
3.4结构的疲劳破坏
• 3.4.1疲劳破坏现象 • 钢结构或钢构件在连续反复荷载的作用下，要发生疲
劳破坏。
• 钢结构或钢构件总是存在裂纹，疲劳破坏就是裂纹发 展导致最后断裂。
• 3.4.2影响疲劳强度的因素 • 包括应力集中、缺陷、残余应力等因素，它们相互交
织在一起，通常用试验判定。 • 3.4.3疲劳强度的确定 • 《钢规》当应力变化的循环次数 n大于或等于 5 ×104
次时，应进行疲劳计算。
• 由试验可知，焊接结构应力幅△σ与疲劳破坏荷载循
环次数一一对应，而与钢材种类没有关系。
•
对一般简支实腹吊车梁疲劳验算位置有4处(见图)： • ①下翼缘与腹板连接角焊缝； • ②横向加劲肋下端的主体金属； • ③下翼缘螺栓和虚孔处的主体金属； • ④下翼缘连接焊缝处的主体金属。
•简支吊车梁疲 劳计算位置
3.5结构的累积损伤破坏
• 钢构件在荷载反复作用下，要发生此类破坏。如钢柱或 梁柱节点在强地震作用下的破坏。由于构件累积损伤造 成的破坏是再强度很大的荷载作用下，反复次数不多情 况下发生的，又称低周疲劳断裂。
• 2、极值型失稳
• 结构变形随荷载增加而增加，且愈来愈快，直到结构 不能承受增加的外荷载而压溃。又称第二类稳定。
• 3、屈曲后极值型失稳
• 失稳时有平衡分岔现象，但不立即破坏，有较显著的 屈曲后强度，可继续承载直到出现极值型失稳。
• 4、有限干扰型失稳
• 结构屈曲后承载力迅速下降，如有缺陷结构在受荷过 程中就不出现屈曲现象而直接进入承载力较低的极值 型失稳。又称不稳定分岔屈曲，这类结构称缺陷敏感 型结构。
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6.6.2 焊接空心பைடு நூலகம்节点网架的疲劳性能
与螺栓球节点网架相比，其整体刚度大，更适用
于悬挂吊车动载作用的工业厂房。试验证明受压时
不存在疲劳问题。
1984年，太原理工大学开始对焊接空心球节点网
架的静力及疲劳性能进行系统的理论及试验研究，
通过对4种规格、15个试件的常幅疲劳试验，得到
了工程中常用的管--球节点在剖口焊情况下的疲劳
裂纹等；
(2) 制作过程中剪切、冲孔、切割；
(3) 焊接结构中产生的残余应力；
(4) 焊接缺陷的存在，如：气孔、夹渣、咬肉、
未焊透等； (5) 非焊接结构的孔洞、刻槽等； (6) 构件的截面突变； (7) 结构由于安装、温度应力、不均匀沉降等
产生的附加应力集中。
6.3 提高改善疲劳性能的措施
• • • • • • 精心选材； 精心设计； 精心制作； 精心施工； 精心使用； 修补焊缝；方法如下：
键物件在这一荷载谱作用下的预期寿命．再引入安全系数以
达到安全寿命。但事实上，我们很难预测使用期间所有的载 荷条件，且疲劳实验结果又有很大的离散性。因此，安全系 数确定中有许多不定因素，只有取的足够大，才能使疲劳破 坏的可能性降到很低。
3. 破损-安全设计
破损--安全设计准则首先是在航空工程中发展起
曲线(如图)。
6.6.3 螺栓球节点网架的疲劳性能
作为一种工程预制、现场拼装、适用于工业化生产 的网架形式，就应用范围而言，目前已跃居首位； 其疲劳性能关键是高强螺栓的疲劳。 1999年至今，太原理工大学在国家自然科学基金 的资助下，开始对螺栓球节点网架设置悬挂吊车的 变幅疲劳性能进行了系统的理论与试验研究，已获 得成果如下：
来的。它认为裂纹可以出现，但在整个裂纹被检测 和进行修理前，所出现的裂纹不会导致整个结构的 破坏。这就要求定期检查和维修，以便及时发现裂 纹，同时要求裂纹扩张速度较慢。此外，希望所设 计的结构能够进行载荷多路径传递转移，即将结构 某一环节破坏后，载荷能够被转移并重新分布。
4. 损伤-容限设计
损伤-容限设计准则是破损-安全设计的改进，
会产生疲劳破坏，即达到通称的疲劳极限。《钢结构设计规 范》参照有关标准的建议，将n=5×106次被视为各类构件和 连接疲劳极限对应的应力循环次数。
6.2.3 构造细节
应力集中对钢结构的疲劳性能影响显著， 而构造细节是应力集中产生的根源。构造 细节常见的不利因素如下：
(1) 钢材的内部缺陷，如偏析、夹渣、分层、
钢结构的疲劳 破坏事故
6.1 疲劳破坏的概念
钢材或构件在反复交变荷载作用下在应
力远低于抗拉极限强度发生的一种破坏。 1. 疲劳破坏是钢结构在反复交变动荷载作用 下的破坏形式，而塑性破坏和脆性破坏是 钢结构在静载作用下的破坏形式；
2. 虽然具有脆性破坏特征，但不完全相同；
3. 断口分为疲劳区和瞬断区。
1. 通过对随机荷载谱相关问题的理论研究，编制了我国螺栓
球节点网架疲劳载荷谱程序。 2. 借助有限元分析软件，对螺栓球节点相关的高强螺栓、锥 头、封板等部件进行了应力分析，求得了各种螺纹形式下 的高强螺栓螺纹根部的应力集中系数，为今后疲劳累积理
论估算疲劳寿命或以热点应力幅为参量建立疲劳验算方法
(1)对于对接焊缝，磨去焊缝表面部分，如对接焊缝的余高。如果焊缝内部 无显著缺陷，疲劳强度可以提高到和母材相同。 (2)对于角焊缝，应打磨焊趾。焊缝的趾部时常存在咬肉(咬边)等切口（如 图），且有焊渣侵入。对于纵向角焊缝，则可打磨它的端部，使截面变化趋 于缓和，打磨后的表面不应有明显刻痕。 (3)对于角焊缝的趾部，用气体保护钨弧重新熔化，可以起到消除切口的作
用。此方法在不同应力幅的情况下疲劳寿命都能同样提高。
(4)在焊缝及附近金属表层采用喷射金属丸粒或锤击等方法引入残余压应力， 是改善疲劳性能的一个有效方法。残余压应力和锤击造成的冷工硬化均会使
疲劳强度提高．同时尖锐切口也被缓减。
总之，依靠精心的选材、设计、制作、安装和使用，再加上焊接之后的 一些特殊工艺措施，可以达到提高和改善疲劳性能的作用。
比 也是标志应力谱特征的参 m i n/ m a x
量。
6.2.2 循环次数
应力循环次数是指在连续重复荷载作用下应力由最大到 最小的循环次数。在不同应力幅作用下，各类构件和连接产 生疲劳破坏的应力循环次数不同，应力幅愈大，循环次数愈
少。当应力幅小于一定数值时，即使应力无限次循环，也不
此法首先是假定裂纹预先存在．再用断裂力
学的分析和试验方法判断裂纹是否扩展到临
界尺寸，以致造成破坏。此准则适用于裂纹
扩展较慢并有高断裂韧性的材料。
6.5 钢结构疲劳计算方法
• 常幅疲劳计算
• 变幅疲劳计算
e
• 吊车梁及吊车桁架疲劳计算
f
6 2 1 0
6.6 网架结构疲劳问题的系统研究
6.6.1 疲劳问题的提出 网架是一种高次超静定的空间结构，由于 其外形美观、受力合理、制作简便、形式灵 活等特点，得到了迅猛发展。网架结构不仅 应用于体育场馆等公共建筑，也广泛应用于 工业建筑中。悬挂吊车充分发挥了超静定结 构对集中力扩散快的优点，而且布置灵活， 便于工业流程改造。悬挂吊车吨位及运行频 繁程度增大，疲劳问题也日趋严重。
6.2 疲劳破坏的影响因素分析
1. 应力幅 m a x m i n 2. 循环次数 规范将5×106次视为疲劳极限的循环次数 3. 构造细节 应力集中对疲劳性能影响显著，而构造细 节是应力集中产生的根源。
6.2.1 应力幅
应力循环特征可分为常幅循环应力
谱和变幅循环应力谱。除应力幅外应力
6.4 疲劳设计准则
• • • • 无限寿命设计 有限寿命设计 破损-安全设计 损伤-容限设计
1. 无限寿命设计
这是一种最保险的方法。采用此准则 设计的许用应力必须低于疲劳极限，因
应力很低，造价过高，往往不现实。
2.有限寿命设计
有限寿命设计准则要求零部件或结构在给定的使用周期内 不能产生任何疲劳裂纹。为满足此要求，必须准确掌握整个 使用寿命期间可能承受的载荷；然后通过分析和实验找出关