结构疲劳
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
¾ 在循环应力水平较低时，弹性应变起主导 作用，此时疲劳寿命较长，称之为应力疲 劳或高周疲劳
¾ 在循环应力水平较高时，塑性应变起主导 作用，此时疲劳寿命较短，称之为应变疲 劳或低周疲劳
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
8
第1章 概论
按载荷种类分类
不同的外部荷载将造成不同的疲劳破 坏形式，由此可以将疲劳分为：
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
第1章 概论
3
1.1.1 “彗星号”客机失事
第1章 概论
翼展30多米 机高9米 发动机4台 载客80人 时速800千
米/小时
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
4
1.1.2 疲劳定义
第1章 概论
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》中给出 的描述性定义：
21
第1章 概论
1.2 金属材料疲劳裂纹萌生机制
1.2.1 滑移带的形成 1.2.2 裂纹萌生部位 1.2.3 裂纹的形成 1.2.4 裂纹形成的微观模型
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
22
1.2.1 滑移带形成
第1章 概论
滑移带的形成，可以用四个阶段来描述：
1∘ 在数百到一千周内，位错密度从106cm-2增加 到109cm-2
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
6
1.1.3 疲劳分类
第1章 概论
对疲劳，可以从不同的角度进行分类：
Z 按应力水平的大小分类 Z 按外部荷载的不同分类
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
7
按应力水平分类
第1章 概论
在常温下工作的结构和机械的疲劳破坏 取决于外载的大小。
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
34
1. 3 疲劳研究方法
第1章 概论
1.3.1 疲劳寿命估算方法发展简史 1.3.2 疲劳研究的三个尺度
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
35
第1章 概论
1.3.1 发展简史
材料和结构疲劳问题的研究是一门既新兴又古老 的学科。
¾ 1837： Albert 首次公开发表了疲劳试验结果 ¾ 1858：Wöhler 测试了火车轮轴的使用载荷，并建议
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
26
晶界带照片
第1章 概论
孪晶界处的疲劳裂纹(多晶材料)
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
27
夹杂物照片
第1章 概论
夹杂处的疲劳裂纹(4340钢)
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
28
1.2.3 裂纹形成
何为裂纹形成，至今尚无定论。
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
24
1.2.2 裂纹萌生部位
第1章 概论
金属材料的疲劳裂纹萌生部位主要有 三种类型：
1∘ 驻留滑移带
2∘ 晶界
3∘ 夹杂物
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
25
驻留滑移带照片
第1章 概论
晶粒内的驻留滑移带 (铜试样白光干涉像，箭头所指为疲劳裂纹)
30
滑移带挤出侵入模型
第1章 概论
滑移带挤出侵入模型把疲劳裂纹形核 机制看作是位错滑动到自由表面（侵入槽） 的几何学结果。
滑移带挤出侵入模型有很多，其代表 性模型有：Wood模型，Cottrell-Hull模型， Mott模型等。
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
31
Wood模型
第1章 概论
1∘ 疲劳与材料的性质关系极大 2∘ 疲劳是一个累积的过程每个挤出/侵入的
台阶只有几十～几千埃 3∘ 疲劳与局部应力的大小密切相关 4∘ 疲劳损伤起始于表面
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
32
位错塞积模型
第1章 概论
位错塞积模型认为，当位错运动到晶界或 第二相界面处或夹杂物粒子等处，便出现大量 塞积，导致晶界处裂纹萌生。
疲劳指的是金属材料在应力或应变的 反复作用下所发生的性能变化；虽然在一 般情况下，这个术语特指那些导致开裂或 破坏的性能变化。
这一描述也普遍适用于非金属材料。
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
5
1.1.2 疲劳定义
第1章 概论
美国材料试验学会(ASTM)对疲劳的定义 为：
材料在某一点或某些点上受到变化 的应力和应变，经过足够次数的变化后 最终产生裂纹或完全断裂，在材料结构 中局部渐进发生的这种永久变化过程称 之为疲劳。
¾ 1889： Kirsch首先计算了应力集中系数
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
37
第1章 概论
1.3.1 发展简史
¾ 1920 –1945：以Schütz 为代表的德国人在此领域有
很大贡献，开创或研究了如下几个方面：
测量了载荷谱、疲劳载荷和疲劳应力 认识到高静强度材料并不一定具有较高的疲劳
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
40
第1章 概论
1.3.2 疲劳研究的三个尺度
微观：物理学家 细观：力学家 宏观：力学＋结构设计工作者
物理学
o
A
材料科学
m
宏观力学
mm cm
设计
m 102 103
晶格缺陷
有缺陷的结构
微观裂纹扩展
断裂过程区 塑性区 宏观裂纹
结构或机械
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
1∘ 从疲劳损伤发展过程看，有：
¾ 二阶段疲劳寿命模型 ¾ 三阶段疲劳寿命模型 ¾ 多阶段疲劳寿命模型
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
16
1.1.4 疲劳寿命
2∘ 从设计准则看，又有： ¾ 安全寿命 ¾ 经济寿命 ¾ 可靠性寿命 ¾ 使用寿命 ¾ 设计寿命 ¾ 剩余寿命 ……
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
12
腐蚀疲劳
第1章 概论
腐蚀疲劳指的是在存在侵蚀性化学介质 或致脆介质的环境中施加循环载荷而引起的 疲劳失效。
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
13
接触疲劳
第1章 概论
滑动接触疲劳和滚动接触疲劳指载荷的 反复作用与材料间的滑动和滚动接触分别相 结合产生的疲劳失效。
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
1.3.1 发展简史
¾ 1920 –1945：这一时期同时还有如下进展：
腐蚀疲劳开始提及 将疲劳分成裂纹形成期和裂纹扩展期 疲劳缺口系数小于应力集中系数，也即Kt > Kf
¾ 1954：两架彗星号飞机失事，从而导致了大规模的研
究和试验计划，包括全尺寸疲劳试验
¾ 1955：提出了安全寿命设计准则 ¾ 50年代：对Miner理论的可靠性提出了疑问，因为临
蠕变疲劳指循环载荷同高温联合 作用而引起的疲劳失效。
蠕变－在高温和持续载荷作用下 材料产生的随时间而发展的塑性变形。
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
11
热机械疲劳
第1章 概论
热机械疲劳指的是由循环载荷和循 环温度同时作用所引起的疲劳失效。
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
设计时的要大；他同时注意到了疲劳裂纹扩展的问 题，发现铸钢的疲劳裂纹扩展率较大
¾ Spangenberg 首先给出了S-N曲线(也即Wöhler曲线，
而Wöhler采用的是表格形式)，但直到1920才由 Basquin 用公式σa =CRn表述了有限寿命的S-N曲线
¾ 1886：Bauschinger 提出了 “Bauschinger效应”
采用无限寿命设计
¾ 1860： WÖhler 开始公开发表火车轮轴的疲劳试验结
果；从这些结果中，他得出了应力幅值对疲劳寿命影 响最大的结论；他还探讨了平均应力的影响以及有限 疲劳寿命和无限疲劳寿命间的差别
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
36
1.3.1 发展简史
第1章 概论
¾ WÖhler 还建议疲劳设计时的安全系数应比静强度
界损伤的试验值在0.1～10之间
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
39
1.3.1 发展简史
第1章 概论
¾ 1954：Manson-Coffin 公式 ¾ 1958：Irwin基Griffith思想建立了LEFM ¾ 1962：基于LEFM，Paris提出了Paris公式 ¾ 1968：德国人Elber发现了裂纹闭合效应 ¾ 1974：美国空军提出了损伤容限设计准则
2∘ 在1000~5000周内，塑性应变不再增加而趋 于稳定，但位错开始集群化
3∘ 塑性应变量达到饱和值，位错胞的胞壁渐渐 清晰，裂纹核心随即形成
4∘ 裂纹形核后，塑性应变回升
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
23
滑移带照片
第1章 概论
104循环
5×104循环
27×104循环
在循环加载过程中滑移线逐渐增加且加粗
第1章 概论
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
29
第1章 概论
1.2.4 裂纹形成的微观模型
目前已提出了很多裂纹萌生模型，不同 的材料、不同源自文库热处理、不同的试验条件会 得到不同的微观试验结果。
这些模型可分为：
Z 滑移带挤出侵入模型
Z 位错塞积模型
Z 位错反应模型
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
1
第1章 绪 论
1.1 疲劳和疲劳寿命
1.2 金属材料疲劳裂纹萌生的机制
1.3 疲劳研究方法
1.4 影响结构疲劳寿命的主要因素
1.5 确定疲劳寿命的方法
1.6 小结
参考文献
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星 ©©
2
1.1 疲劳和疲劳寿命 1.1.1 疲劳的重要性 1.1.2 疲劳定义 1.1.3 疲劳的分类 1.1.4 疲劳寿命
强度 利用残余压应力来改善疲劳强度 累积损伤假设(Palmgren 1924, Serensen 1938，
Miner 1945) 应变夹 疲劳试验的统计值 裂纹扩展试验 断裂力学(Griffith 1920)
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
38
第1章 概论
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
42
第1章 概论
1.4 影响结构疲劳寿命的主要因素
影响疲劳强度或疲劳寿命的因素众多是至 今人们对疲劳问题的认识尚未很好解决的根本 原因。下面主要讨论四种影响因素：
1.4.1 应力集中 1.4.2 尺寸效应 1.4.3 表面状态 1.4.4 载荷
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
43
1.4.1 应力集中的影响
第1章 概论
17
二阶段模型
第1章 概论
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
18
三阶段模型
第1章 概论
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
19
多阶段模型
第1章 概论
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
20
第1章 概论
1.2 金属材料疲劳裂纹萌生机制
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
41
第1章 概论
1.4 影响结构疲劳寿命的主要因素
按结构的使用，影响结构疲劳寿命的因素可分为三类：
工作条件 零件状态 材料本质
载荷特性 加载频率 服役温度 环境介质
缺口效应 尺寸效应 零件热处理 表面光洁度 表面热处理 残余应力应变
化学成分 金相组织 纤维方向 内部缺陷分布
按结构疲劳的机理，也可将影响因素分为三类： 影响局部应力应变大小(载荷特性、零件几何形状等) 影响材料微观结构(材料种类、热处理、加工工艺等) 影响疲劳损伤源(表面质量、腐蚀等)
根据夹杂物类型、尺寸及基体的力学性质， 裂纹萌生机制又分为以下三类：
1∘ 微裂纹萌生于夹杂物前的局部变形区域 2∘ 夹杂物与基体脱开 3∘ 夹杂物断裂机制
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
33
位错反应模型
第1章 概论
位错反应模型认为，位错发生反应 产生空位，或在一循环硬化区内，由于 应力的增加出现局部损伤的结果。
¾ 机械疲劳 ¾ 蠕变疲劳 ¾ 热机械疲劳 ¾ 腐蚀疲劳 ¾ 滑动接触疲劳和滚动接触疲劳 ¾ 微动疲劳
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
9
机械疲劳
第1章 概论
机械疲劳指仅有外加应力或应变 波动所造成的疲劳失效。
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
10
蠕变疲劳
第1章 概论
14
微动疲劳
第1章 概论
微动疲劳是指由脉动应力与表面间的来 回相对运动和摩擦滑动共同作用产生的疲劳 失效。
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
15
第1章 概论
1.1.4 疲劳寿命
疲劳寿命是指结构或机械直至破坏所作用的循环 载荷的次数或时间。
所谓疲劳破坏或失效的定义或准则是多种多样的。
¾ 在循环应力水平较高时，塑性应变起主导 作用，此时疲劳寿命较短，称之为应变疲 劳或低周疲劳
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
8
第1章 概论
按载荷种类分类
不同的外部荷载将造成不同的疲劳破 坏形式，由此可以将疲劳分为：
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
第1章 概论
3
1.1.1 “彗星号”客机失事
第1章 概论
翼展30多米 机高9米 发动机4台 载客80人 时速800千
米/小时
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
4
1.1.2 疲劳定义
第1章 概论
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》中给出 的描述性定义：
21
第1章 概论
1.2 金属材料疲劳裂纹萌生机制
1.2.1 滑移带的形成 1.2.2 裂纹萌生部位 1.2.3 裂纹的形成 1.2.4 裂纹形成的微观模型
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
22
1.2.1 滑移带形成
第1章 概论
滑移带的形成，可以用四个阶段来描述：
1∘ 在数百到一千周内，位错密度从106cm-2增加 到109cm-2
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
6
1.1.3 疲劳分类
第1章 概论
对疲劳，可以从不同的角度进行分类：
Z 按应力水平的大小分类 Z 按外部荷载的不同分类
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
7
按应力水平分类
第1章 概论
在常温下工作的结构和机械的疲劳破坏 取决于外载的大小。
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
34
1. 3 疲劳研究方法
第1章 概论
1.3.1 疲劳寿命估算方法发展简史 1.3.2 疲劳研究的三个尺度
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
35
第1章 概论
1.3.1 发展简史
材料和结构疲劳问题的研究是一门既新兴又古老 的学科。
¾ 1837： Albert 首次公开发表了疲劳试验结果 ¾ 1858：Wöhler 测试了火车轮轴的使用载荷，并建议
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
26
晶界带照片
第1章 概论
孪晶界处的疲劳裂纹(多晶材料)
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
27
夹杂物照片
第1章 概论
夹杂处的疲劳裂纹(4340钢)
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
28
1.2.3 裂纹形成
何为裂纹形成，至今尚无定论。
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
24
1.2.2 裂纹萌生部位
第1章 概论
金属材料的疲劳裂纹萌生部位主要有 三种类型：
1∘ 驻留滑移带
2∘ 晶界
3∘ 夹杂物
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
25
驻留滑移带照片
第1章 概论
晶粒内的驻留滑移带 (铜试样白光干涉像，箭头所指为疲劳裂纹)
30
滑移带挤出侵入模型
第1章 概论
滑移带挤出侵入模型把疲劳裂纹形核 机制看作是位错滑动到自由表面（侵入槽） 的几何学结果。
滑移带挤出侵入模型有很多，其代表 性模型有：Wood模型，Cottrell-Hull模型， Mott模型等。
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
31
Wood模型
第1章 概论
1∘ 疲劳与材料的性质关系极大 2∘ 疲劳是一个累积的过程每个挤出/侵入的
台阶只有几十～几千埃 3∘ 疲劳与局部应力的大小密切相关 4∘ 疲劳损伤起始于表面
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
32
位错塞积模型
第1章 概论
位错塞积模型认为，当位错运动到晶界或 第二相界面处或夹杂物粒子等处，便出现大量 塞积，导致晶界处裂纹萌生。
疲劳指的是金属材料在应力或应变的 反复作用下所发生的性能变化；虽然在一 般情况下，这个术语特指那些导致开裂或 破坏的性能变化。
这一描述也普遍适用于非金属材料。
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
5
1.1.2 疲劳定义
第1章 概论
美国材料试验学会(ASTM)对疲劳的定义 为：
材料在某一点或某些点上受到变化 的应力和应变，经过足够次数的变化后 最终产生裂纹或完全断裂，在材料结构 中局部渐进发生的这种永久变化过程称 之为疲劳。
¾ 1889： Kirsch首先计算了应力集中系数
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
37
第1章 概论
1.3.1 发展简史
¾ 1920 –1945：以Schütz 为代表的德国人在此领域有
很大贡献，开创或研究了如下几个方面：
测量了载荷谱、疲劳载荷和疲劳应力 认识到高静强度材料并不一定具有较高的疲劳
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
40
第1章 概论
1.3.2 疲劳研究的三个尺度
微观：物理学家 细观：力学家 宏观：力学＋结构设计工作者
物理学
o
A
材料科学
m
宏观力学
mm cm
设计
m 102 103
晶格缺陷
有缺陷的结构
微观裂纹扩展
断裂过程区 塑性区 宏观裂纹
结构或机械
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
1∘ 从疲劳损伤发展过程看，有：
¾ 二阶段疲劳寿命模型 ¾ 三阶段疲劳寿命模型 ¾ 多阶段疲劳寿命模型
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
16
1.1.4 疲劳寿命
2∘ 从设计准则看，又有： ¾ 安全寿命 ¾ 经济寿命 ¾ 可靠性寿命 ¾ 使用寿命 ¾ 设计寿命 ¾ 剩余寿命 ……
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
12
腐蚀疲劳
第1章 概论
腐蚀疲劳指的是在存在侵蚀性化学介质 或致脆介质的环境中施加循环载荷而引起的 疲劳失效。
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
13
接触疲劳
第1章 概论
滑动接触疲劳和滚动接触疲劳指载荷的 反复作用与材料间的滑动和滚动接触分别相 结合产生的疲劳失效。
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
1.3.1 发展简史
¾ 1920 –1945：这一时期同时还有如下进展：
腐蚀疲劳开始提及 将疲劳分成裂纹形成期和裂纹扩展期 疲劳缺口系数小于应力集中系数，也即Kt > Kf
¾ 1954：两架彗星号飞机失事，从而导致了大规模的研
究和试验计划，包括全尺寸疲劳试验
¾ 1955：提出了安全寿命设计准则 ¾ 50年代：对Miner理论的可靠性提出了疑问，因为临
蠕变疲劳指循环载荷同高温联合 作用而引起的疲劳失效。
蠕变－在高温和持续载荷作用下 材料产生的随时间而发展的塑性变形。
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
11
热机械疲劳
第1章 概论
热机械疲劳指的是由循环载荷和循 环温度同时作用所引起的疲劳失效。
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
设计时的要大；他同时注意到了疲劳裂纹扩展的问 题，发现铸钢的疲劳裂纹扩展率较大
¾ Spangenberg 首先给出了S-N曲线(也即Wöhler曲线，
而Wöhler采用的是表格形式)，但直到1920才由 Basquin 用公式σa =CRn表述了有限寿命的S-N曲线
¾ 1886：Bauschinger 提出了 “Bauschinger效应”
采用无限寿命设计
¾ 1860： WÖhler 开始公开发表火车轮轴的疲劳试验结
果；从这些结果中，他得出了应力幅值对疲劳寿命影 响最大的结论；他还探讨了平均应力的影响以及有限 疲劳寿命和无限疲劳寿命间的差别
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
36
1.3.1 发展简史
第1章 概论
¾ WÖhler 还建议疲劳设计时的安全系数应比静强度
界损伤的试验值在0.1～10之间
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
39
1.3.1 发展简史
第1章 概论
¾ 1954：Manson-Coffin 公式 ¾ 1958：Irwin基Griffith思想建立了LEFM ¾ 1962：基于LEFM，Paris提出了Paris公式 ¾ 1968：德国人Elber发现了裂纹闭合效应 ¾ 1974：美国空军提出了损伤容限设计准则
2∘ 在1000~5000周内，塑性应变不再增加而趋 于稳定，但位错开始集群化
3∘ 塑性应变量达到饱和值，位错胞的胞壁渐渐 清晰，裂纹核心随即形成
4∘ 裂纹形核后，塑性应变回升
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
23
滑移带照片
第1章 概论
104循环
5×104循环
27×104循环
在循环加载过程中滑移线逐渐增加且加粗
第1章 概论
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
29
第1章 概论
1.2.4 裂纹形成的微观模型
目前已提出了很多裂纹萌生模型，不同 的材料、不同源自文库热处理、不同的试验条件会 得到不同的微观试验结果。
这些模型可分为：
Z 滑移带挤出侵入模型
Z 位错塞积模型
Z 位错反应模型
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
1
第1章 绪 论
1.1 疲劳和疲劳寿命
1.2 金属材料疲劳裂纹萌生的机制
1.3 疲劳研究方法
1.4 影响结构疲劳寿命的主要因素
1.5 确定疲劳寿命的方法
1.6 小结
参考文献
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星 ©©
2
1.1 疲劳和疲劳寿命 1.1.1 疲劳的重要性 1.1.2 疲劳定义 1.1.3 疲劳的分类 1.1.4 疲劳寿命
强度 利用残余压应力来改善疲劳强度 累积损伤假设(Palmgren 1924, Serensen 1938，
Miner 1945) 应变夹 疲劳试验的统计值 裂纹扩展试验 断裂力学(Griffith 1920)
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
38
第1章 概论
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
42
第1章 概论
1.4 影响结构疲劳寿命的主要因素
影响疲劳强度或疲劳寿命的因素众多是至 今人们对疲劳问题的认识尚未很好解决的根本 原因。下面主要讨论四种影响因素：
1.4.1 应力集中 1.4.2 尺寸效应 1.4.3 表面状态 1.4.4 载荷
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
43
1.4.1 应力集中的影响
第1章 概论
17
二阶段模型
第1章 概论
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
18
三阶段模型
第1章 概论
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
19
多阶段模型
第1章 概论
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
20
第1章 概论
1.2 金属材料疲劳裂纹萌生机制
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
41
第1章 概论
1.4 影响结构疲劳寿命的主要因素
按结构的使用，影响结构疲劳寿命的因素可分为三类：
工作条件 零件状态 材料本质
载荷特性 加载频率 服役温度 环境介质
缺口效应 尺寸效应 零件热处理 表面光洁度 表面热处理 残余应力应变
化学成分 金相组织 纤维方向 内部缺陷分布
按结构疲劳的机理，也可将影响因素分为三类： 影响局部应力应变大小(载荷特性、零件几何形状等) 影响材料微观结构(材料种类、热处理、加工工艺等) 影响疲劳损伤源(表面质量、腐蚀等)
根据夹杂物类型、尺寸及基体的力学性质， 裂纹萌生机制又分为以下三类：
1∘ 微裂纹萌生于夹杂物前的局部变形区域 2∘ 夹杂物与基体脱开 3∘ 夹杂物断裂机制
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
33
位错反应模型
第1章 概论
位错反应模型认为，位错发生反应 产生空位，或在一循环硬化区内，由于 应力的增加出现局部损伤的结果。
¾ 机械疲劳 ¾ 蠕变疲劳 ¾ 热机械疲劳 ¾ 腐蚀疲劳 ¾ 滑动接触疲劳和滚动接触疲劳 ¾ 微动疲劳
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
9
机械疲劳
第1章 概论
机械疲劳指仅有外加应力或应变 波动所造成的疲劳失效。
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
10
蠕变疲劳
第1章 概论
14
微动疲劳
第1章 概论
微动疲劳是指由脉动应力与表面间的来 回相对运动和摩擦滑动共同作用产生的疲劳 失效。
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
15
第1章 概论
1.1.4 疲劳寿命
疲劳寿命是指结构或机械直至破坏所作用的循环 载荷的次数或时间。
所谓疲劳破坏或失效的定义或准则是多种多样的。