疲劳与断裂-讲课PPT课件
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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。
2021
安全寿命设计 ( Safe-life design )
11
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。
2021
8
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 （美国） （1973-1990)
机型
Boeing 727 737 747
DC-9
Leabharlann Baidu
SDR 报告总次数 飞机数 报告数
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。
各种方法互相补充，适应不同设计需求， 不是相互取代的。
2021
1.4 疲劳破坏机理与断口特征
14
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
“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。
因此，工程技术人员必须认真考虑可能的疲劳断 裂问题。
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。
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。
2021
耐久性设计 ( Durability design)
13
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。
2021
疲劳破坏与静载破坏之比较
15
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。
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
飞孔机边轮角毂裂疲纹劳断断口口
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。
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。
2021
12
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
1.1 什么是疲劳？ 1.2 疲劳断裂破坏的严重性 1.3 抗疲劳设计方法 1.4 疲劳破坏机理与断口特征 1.5 疲劳问题研究方法
2021
返回主目录
1.2 疲劳断裂破坏的严重性
4
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”
SP6断47-裂2 使美国一年损失1190亿美 摘要元发表于 Int. J. of Fracture, Vol23, No.3, 1983
译文见 力学进展， Vol15，No2，1985
2021
5
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%。
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。
2021
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。
2021
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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
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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对策
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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)。
1800
2021
1900
2000 年代
1.3 抗疲劳设计方法
10
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。
1
疲劳与断裂
2021
2
提纲
第一章 概述………………………… 3-27 第二章 应力疲劳…………………… 28-83 第三章 疲劳应用统计学基础……… 84-137 第四章 应变疲劳……………………138-194 第五章 断裂失效与断裂控制设计…195-251
2021
3
疲劳与断裂
第一章 概述 introduction
2364 36315 1097 15437
381 6936 1465 26128
涉及蒙皮开裂的SDR次数
飞机数
报告数
774
3294
257
2069
134
543
493
1532
可见疲劳开裂仍然是值得严密关注的。
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设 计 水 使用故障、失效研究 平
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可靠性设计 耐久性设计
抗断裂设计
抗疲劳设计
静强度设计
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。
2021
安全寿命设计 ( Safe-life design )
11
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。
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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 （美国） （1973-1990)
机型
Boeing 727 737 747
DC-9
Leabharlann Baidu
SDR 报告总次数 飞机数 报告数
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。
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
14
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
“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。
因此，工程技术人员必须认真考虑可能的疲劳断 裂问题。
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。
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。
2021
耐久性设计 ( Durability design)
13
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。
2021
疲劳破坏与静载破坏之比较
15
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。
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
飞孔机边轮角毂裂疲纹劳断断口口
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。
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。
2021
12
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
1.1 什么是疲劳？ 1.2 疲劳断裂破坏的严重性 1.3 抗疲劳设计方法 1.4 疲劳破坏机理与断口特征 1.5 疲劳问题研究方法
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1.2 疲劳断裂破坏的严重性
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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”
SP6断47-裂2 使美国一年损失1190亿美 摘要元发表于 Int. J. of Fracture, Vol23, No.3, 1983
译文见 力学进展， Vol15，No2，1985
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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%。
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。
2021
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。
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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
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).
2021
对策
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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)。
1800
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1900
2000 年代
1.3 抗疲劳设计方法
10
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。
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疲劳与断裂
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提纲
第一章 概述………………………… 3-27 第二章 应力疲劳…………………… 28-83 第三章 疲劳应用统计学基础……… 84-137 第四章 应变疲劳……………………138-194 第五章 断裂失效与断裂控制设计…195-251
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疲劳与断裂
第一章 概述 introduction
2364 36315 1097 15437
381 6936 1465 26128
涉及蒙皮开裂的SDR次数
飞机数
报告数
774
3294
257
2069
134
543
493
1532
可见疲劳开裂仍然是值得严密关注的。
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设 计 水 使用故障、失效研究 平
9
可靠性设计 耐久性设计
抗断裂设计
抗疲劳设计
静强度设计