疲劳断裂学术报告

w昆明理工大学2011年（第十一届）研究生学术交流年会

学术交流报告

院－系：机电工程学院

专业：机械工程

年级： 2011级

学生姓名：张云华

学号： 2011703026

导师：陈猛

2011年12月

昆明理工大学2011年研究生学术交流报告

报告名称：谈谈疲劳和断裂

报告人：王瑞杰

报告地点：机电楼202

报告时间：2011年12月 16日

报告内容简介：疲劳、疲劳破坏产生的过程及其特点，研究目的，载荷谱描述与简化的研究，疲劳破坏的种类，疲劳失效机理，影响零件疲劳强度三个主要因素，断裂力学理论基础，断裂力学的理论。

正文：这学期是我作为研究生新生入学的第一学期，在研究生部的安排下听了好几场学术交流报告，有《基于视频图像测量的母线折弯技术研究》、《基于独立分量分析和包络阶比分析的齿轮箱多振源故障分离》、《基于谱峭度的滚动轴承故障包络阶比跟踪分析》、《谈谈疲劳与断裂》、《微传感器简介》等，最后我选择了《谈谈疲劳与断裂》写这篇总结报告，我之所以选择这一篇，因为疲劳断裂与我的研究方向有很大关系，对我来说很有现实意义。

12月16号听了《谈谈疲劳与断裂》的学术报告，使我对疲劳和断裂这两个学术名词有了更深一步的了解。联想起了本科阶段所学的课程《工程力学》和《机械设计》中有关疲劳和断裂这方面的知识，本科阶段从《机械设计》中了解到了影响疲劳断裂的几个主要因素分别是1）应力幅的大小，2）应力循环特性，3）

应力作用次数，4）材料的许用疲劳强度，5）综合影响系数（包括应力集中、表面质量、尺寸系数、表面强化系数），从这次学术交流报告中得到了更深的了解。

（一）疲劳断裂基础理论概述

所谓疲劳就是在某点或者某些点承受扰动应力，且在足个多的循环扰动作用之后形成裂纹或者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。疲劳在机械零件失效中是个很重要的因素，因此研究疲劳破坏产生的过程和原因显得尤为重要。疲劳破坏的产生的过程：1.在变应力作用下，零件表面首先产生初始裂纹形成一个或者数个疲劳源，2.在变应力继续作用下初始裂纹处的应力集中促使裂纹扩展，使零件的实际承载面积逐渐减小，3.直至不能承载外载荷时，导致零件突然发生脆性断裂。在机械工业的各大领域，疲劳是零件和构件失效的主要形式。在各种机械的断裂事故中，有80%是疲劳引起的，且疲劳过程不容易被发觉，且造成了严重的事故。所以对于承受交变应力的构件，我们在设计过程中一定要进行疲劳分析。疲劳断裂主要有几个特点1.零件在交变载荷作用下经过较长时间的使用2.断裂应力小于材料的抗拉强度，甚至小于材料的屈服强度3.断裂是突然的，没任何征兆4.断口形貌特殊，断口上有明显不同的区域5零件的几何形状、尺寸、表面质量和表面受力状态等均直接影响零件的疲劳断裂。疲劳的发生是有条件，只有在扰动应力作用下，疲劳才会发生（扰动应力是指随时间变化的应力）

（二）载荷谱描述与简化的研究

首先了解循环应力的分类1.对称循环应力（r=-1）2.非对称循环应力（0

描述循环应力水平的基本量max S min S min σmax σ，常用的导出量可以通

过知二求四法求出： 平均应力2)(min max S S S m +=， 应力幅2)(min max S S S a -=

应力变程min max S S s -=∆

应力比或者应力循环系数R=man S S min

主要控制参量a S

重要影响参量R

频率和波形的影响研究是较

次要。 频率（t N f

）

（三）疲劳破坏的机理研究

疲劳破坏的端口特征：1.疲劳源2.裂纹扩展区3.最后断裂区域 疲劳断裂的过程：1.疲劳断裂的形成2.疲劳裂纹的扩展3.疲劳断裂。

疲劳失效机理1.疲劳裂纹的萌生 2.疲劳裂纹的扩展

（四）影响零件疲劳强度的因素

1.应力集中（台阶，键槽，有孔或有螺纹等截面变化处）

2.表面状态和尺寸因素（粗糙度、应力状态、成分和性能的变化等）

3.使用条件（载荷状况、工作温度和环境介质）

（五）线弹性断裂力学的基本理论

能量释放率理论

应力强度因子理论：裂纹尖端存在奇异性，

基于这种性质提出了新的物理

量——应力强度因子

（六）疲劳损伤积累理论提出

大多数零件所承受的载荷为多幅载荷，多幅载荷下的疲劳破坏是不同频率和幅值的载荷所造成的损伤逐渐积累起来的，这样就促使了许多疲劳损伤积累理论的提出。所谓损伤就是在疲劳过程中，初期材料内的细微结构的变化和后期裂纹的形成和扩展。当材料承受高于疲劳极限的应力时，每一个循环都使材料产生一定的损伤，每一个循环所造成的平均损伤N 1,这种损伤是可以积累的，n 次恒幅载荷所造成的损伤等于其循环比N n C =,变幅载荷的损伤等于其循环比之和，即∑==l i i i N n D 1

其中l 是变幅载荷下应力水平的级数，i n 是第i 级载荷的循环

次数i N 是第i 级载荷下的疲劳寿命。当损伤积累到临界值时，f l i i i D N n D ==∑=1就发生疲劳破坏。f D 是临界损伤和。

个人认为零件的结构工艺性对机械零件疲劳强度有很大的影响。零件的疲劳破坏，在零件失效造成设备损坏中占有很大的比例。而零件的结构工艺性是否合理，对疲劳强度影响很大。例如轴截面直径的“突变”、台阶轴圆根半径的大小，等。 据称，一次飞机失事，最后查到的原因，是某个轴的半径做小了，造成疲劳破坏，而引发事故的。确实是因小失大。

关于疲劳破坏带来危害的案例很多，在此举几个关于疲劳破坏影响比较大的案例。1956年，英国的两架“彗星式”喷气客机接连在地中海上空爆炸。最后检查出来的原因是由于金属疲劳引起飞机蒙皮发生了裂痕。1979年，美国DE-10型飞机失事，死亡270人，原因是螺旋桨转轴发生疲劳破坏，该型号飞机停飞一年，全面检修，是设计问题。1980年3月27日，欧洲北海油田“基尔兰”号平台覆灭，死亡123人，原因疲劳破坏，横梁在海浪的交变应力作用下，横梁承孔边裂缝，当时大风掀起7米巨浪，10105吨的浮台沉没于大海之中。可以看出疲劳破坏不仅是人的生命杀手，更是企业经济效益的杀手，设法提高零件的疲劳强度就显得尤为重要。所以我们要改善结构工艺性，提高表面质量，改善工作坏境，从根本出来最大限度的提高疲劳强度 。