疲劳断裂机理及对策

结构设计 材料选用 加工过程 后处理 构件加载状态
抗疲劳对策--结构设计
避免尖锐形状，适当增大过渡圆弧 减少尺寸梯度 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--加载（使用）
减小交变应力或脉冲应力幅度，频率 如下的疲劳过程：疲劳源，裂纹萌生，早期扩展 区，快速扩展区，剪切断裂区，最后断裂区，因此限 制早期扩展（如定期保养）有助于提高整体寿命及保 障安全
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
交变力（应变）和脉冲力（应变）
交变力
如循环受到拉/压力
脉冲力
如循环受到压力 *由某个正值减小为零的循环
Байду номын сангаас
**弯矩/扭曲也适用
抗疲劳对策
基于以上断裂分析，工程应用中为提高疲 劳寿命，通过减少裂纹数量 裂纹大小程度 减少裂纹数量，裂纹大小程度 减少裂纹数量 裂纹大小程度及 减缓裂纹扩展速度进行对策 减缓裂纹扩展
断裂力学基本概念
构件断裂破坏原因主要为：
低应力条件下造成裂纹扩展直至断裂 应力腐蚀（应力和腐蚀作用）产生裂纹及扩张， 造成构件强度不足 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
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
材料变形过程
以单向拉伸为例说明弹塑性变形过程与特点。 以单向拉伸为例说明弹塑性变形过程与特点。金属变形 分为弹性、塑性变形、破裂三个阶段。 分为弹性、塑性变形、破裂三个阶段。
se- 弹性极限
屈服强度， ss- 屈服强度，材料塑形变形
sb- 抗拉强度，材料断裂 抗拉强度， sk- 断裂应力
材料特性指标
E-弹性模量（抗压） 弹性模量（抗压） G-抗剪模量 u-泊松比
金属试样断裂形式
脆性材料尺度小
传统强度设计方法
传统强度设计方法通常以设定最大载荷下计算材料受 力状态（拉伸，压缩或剪切），以材料屈服强度（或剪切 强度）校核，并设定安全系数（如1.5，4）作为结构设计 参数。
传统的强度校核设计弊端
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 热加工（热锻）及热处理过程的微小裂纹或晶体 位错控制
抗疲劳对策-- 加工后处理
减少或消除表面受力部位微小裂纹（抛光，涂覆等） 表面强化（如喷丸处理）细化材料晶粒 或热变形处理改变晶体组织
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
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
疲劳断裂机理及对策
断裂力学基本概念 疲劳断裂机理 抗疲劳对策
脆性材料和韧性材料
脆性：指材料受到外力时，其内部容易产生裂纹并 破坏的性质 韧性：塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力 ，通 过变形松弛应力，重新分布
材料的几个基本概念
强度：构件抵抗破坏的能力 强度 刚性：构件抵抗变形的能力 刚性
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弹性(Elasticity)：卸载后变形可以恢复特性，可逆性。 弹性 塑性(Plasticity)：固体金属在外力作用下能稳定地产生永久变 塑性 形而不破坏其完整性的能力 屈服(Yielding)：开始产生塑性变形的临界状态 屈服 损伤(Damage)：材料内部缺陷产生及发展的过程 损伤 断裂(Fracture)：宏观裂纹产生、扩展到变形体破断的过程 断裂