疲劳破坏及其断口特征

扰动应力，是指随时间变化的应力。
S
Smax
S
S
DS
0 恒幅循环 t 0 变幅循环 t 0 随机载荷 t
车轮轴
电梯
风力
恒幅循环载荷最简单。
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循环应力 (cyclic stress)的描述：
恒幅循环应力是最简单的。
S
Smax
描述循环应力水平的基本量：
Smax， Smin
Sm 0 DS Smin
Sa Sa t
常用导出量：
平均应力 应力幅 应力变程
Sm=(Smax+Smin)/2 Sa=(Smax-Smin)/2 DS=Smax-Smin
已知任意二 个量，其余 即可导出。
应力比或循环特性参数 疲劳破坏及其断口特征
R=Smin/Smax
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应力比R反映了载荷的循环特性。如
S R=-1
S R=0
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3.疲劳损伤的结果是形成裂纹
有裂纹萌生-扩展-断裂三个阶段。 要研究疲劳裂纹萌生和扩展的机理及规律。
4. 疲劳是从开始使用到最后破坏的发展过程。
寿命（过程的长短） --取决于载荷、作用次数和材料的疲劳抗力。
Ntotal=Ninitiation+Npropagation
要研究寿命预测的方法---疲劳研究的目的。
疲劳是在某点或某些点承受扰动应力，且在 足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的 材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程。
问题的 特点：
扰动应力，高应力局部， 裂纹，发展过程。
研究目的：发展过程有多长？ 预测寿命N。
N=Ni+Np
裂纹萌生+
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扩展
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1. 只有在扰动应力作用下，疲劳才会发生。
S R=1
0
t
Smax=-Smin 对称循环
0 Smin=0 t 脉冲循环
0
t
Smax=Smin
静载
设计：用Smax，Smin；直观； 试验：用Sm，Sa； 便于加载； 分析：用Sa，R；突出主要控制参量, 便于分类讨论。
主要控制参量： Sa，重要影响参量：R 频率 (f=N/t) 和 波形的影响是较次要的。
第十二章 疲劳与断裂
12.1 疲劳破坏及其断口特征 12.2 S-N曲线及疲劳裂纹萌生寿命 12.3 断裂失效与断裂控制设计 12.4 da/dN-DK曲线及疲劳
裂纹扩展寿命
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12.1 疲劳破坏及其断口特征
回
顾
工程力学:
将力学原理应用实际工程 系统的科学。
其目的是：了解工程系统的性态， 并为其设计提供合理的规则。
主要原因是由缺陷或裂纹导致的断裂。
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有缺陷怎么办？ 有裂纹是否发生破坏？
研究含缺陷材料的强度 --断裂 Fracture
缺陷从何而来？ 裂纹如何萌生？
材料固有或使用中萌生、扩展 --疲劳与断裂
多次载荷作用下如何破坏？ 构件能用多长
研究多次使用载荷作用下 时间？(寿命)
裂纹如何萌生、扩展。
机械、结构等
力学分析
应力控制
受力如何？ 强度 如何运动？ 稳定 如何变形？破坏？ 如何控制设计？
性态 规则
研究对象是无缺陷变形体；目的是保证在一
次最大载荷作用下有足够的强度和稳定性。
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按静强度设计，满足[]，为什么还发生破坏？
19世纪30-40年代，英国铁路车辆轮轴在轴肩处
（应力仅为0.4 ys ）多次发生破坏；
1954年1月, 英国慧星(Comet)号喷气客机坠入地中 海（机身舱门拐角处开裂）；
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1967年12月15日，美国西弗吉尼亚的 Point Pleasant桥倒塌， 46人死亡；
1980年3月27日，英国北海油田Kielland 号钻井 平台倾复；127人落水只救起 89人；
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二、 疲劳断口特征
译文见 力学进展， Vol15，No2，1985
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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。
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2. 破坏起源于高应力、高应变局部。
应力集中处，常常是疲劳破坏的起源。 要研究细节处的应力应变。
静载下的破坏，取决于结构整体； 疲劳破坏则由应力或应变较高的局部开始， 形成损伤并逐渐累积，导致破坏发生。 可见，局部性是疲劳的明显特点。
因此，要注意细节设计，研究细节处的
应力应变，尽可能减小应力集中。
--疲劳 Fatigue & Fracture
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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。提交报告:
“美国断裂破坏的经济影响” SP647-1 “数据资料和经济分析方法” SP647-2
断裂使美国一年损失1190亿美 摘要元发表于 Int. J. of Fracture, Vol23, No.3, 1983
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二、 疲劳断口特征
1) 有裂纹源、裂纹扩展 区和最后断裂区三个 部分。
裂纹扩展区 海滩条带 最后
断裂区 裂纹源
2) 裂纹扩展区断面较光 滑，可见 “海滩条带”, 还有腐蚀痕迹。 肉眼
高倍电镜可见疲劳条纹
飞机轮毂疲劳断口
(Cr12Ni2WMoV钢) 金属学报,85)
透射电镜，1-3万倍
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ。
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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
“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。
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12.1 疲劳破坏及其断口特征
一、 什么是疲劳？ ASTM E206-72