工程力学课件(12)

112.1疲劳破坏及其断口特征12.2S-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12.4da/dN-DK曲线及疲劳裂纹扩展寿命第十二章疲劳与断裂返回主目录2机械、结构等受力如何？如何运动？如何变形？破坏？如何控制设计？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。工程力学:将力学原理应用实际工程系统的科学。性态规则力学分析强度稳定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。应力控制回顾12.1疲劳破坏及其断口特征3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）；41967年12月15日，美国西弗吉尼亚的PointPleasant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；主要原因是由缺陷或裂纹导致的断裂。5有缺陷怎么办？研究含缺陷材料的强度--断裂Fracture多次载荷作用下如何破坏？研究多次使用载荷作用下裂纹如何萌生、扩展。--疲劳Fatigue&Fracture缺陷从何而来？材料固有或使用中萌生、扩展--疲劳与断裂裂纹如何萌生？有裂纹是否发生破坏？构件能用多长时间？(寿命)6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1190亿美元摘要发表于Int.J.ofFracture,Vol23,No.3,1983译文见力学进展，Vol15，No2，19857普及断裂的基本知识，可减少损失29%(345亿/年)。对策设计、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。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。8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疲劳断裂引起的空难达每年100次以上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。返回主目录9一、什么是疲劳？ASTME206-72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。研究目的：发展过程有多长？预测寿命N。N=Ni+Np裂纹萌生+扩展扰动应力，高应力局部，裂纹，发展过程。问题的特点：12.1疲劳破坏及其断口特征返回主目录101.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。恒幅循环载荷最简单。0SDSSmax恒幅循环t0S变幅循环tt0S随机载荷车轮轴电梯风力11恒幅循环应力是最简单的。循环应力(cyclicstress)的描述：常用导出量：平均应力Sm=(Smax+Smin)/2描述循环应力水平的基本量：Smax，SminSSmax0SmintSmSaSaDS应力幅Sa=(Smax-Smin)/2应力比或循环特性参数R=Smin/Smax应力变程DS=Smax-Smin已知任意二个量，其余即可导出。12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。应力比R反映了载荷的循环特性。如0StR=-1Smax=-Smin0StR=1Smax=Smin0StR=0Smin=0对称循环静载脉冲循环132.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。143.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。15飞机轮毂疲劳断口1)有裂纹源、裂纹扩展区和最后断裂区三个部分。裂纹源裂纹扩展区海滩条带最后断裂区二、疲劳断口特征2)裂纹扩展区断面较光滑，可见“海滩条带”,还有腐蚀痕迹。高倍电镜可见疲劳条纹(Cr12Ni2WMoV钢)金属学报,85)肉眼透射电镜，1-3万倍163)裂纹源在高应力局部或材料缺陷处。飞机轮毂疲劳断口裂纹源二、疲劳断口特征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)实际工程中的表面裂纹，多呈半椭圆形。延性材料静载破坏疲劳破坏裂纹源17疲劳破坏与静载破坏之比较疲劳破坏S＜Su破坏是局部损伤累积的结果。断口光滑，有海滩条带或腐蚀痕迹。有裂纹源、裂纹扩展区、瞬断区。无明显塑性变形。应力集中对寿命影响大。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。静载破坏S＞Su破坏是瞬间发生的。断口粗糙，新鲜，无表面磨蚀及腐蚀痕迹。韧性材料塑性变形明显。应力集中对极限承载能力影响不大。18疲劳断口分析，有助于判断失效原因，可为改进疲劳研究和抗疲劳设计提供参考。因此，应尽量保护断口，避免损失了宝贵的信息。由疲劳断口进行初步失效分析断口宏观形貌:是否疲劳破坏?裂纹临界尺寸?破坏载荷？是否正常破坏？金相或低倍观察：裂纹源？是否有材料缺陷？缺陷的类型和大小？高倍电镜微观观察：“海滩条带”+“疲劳条纹”，使用载荷谱，估计速率。19再见！谢谢！再见！习题：1-5，1-6返回主目录20应力疲劳:Smaxys，Nf104，也称高周(长寿命)疲劳。S---应力水平，用Sa和R描述。N---寿命，为到破坏的循环次数。应力s应变eyso1.S-N曲线应力疲劳研究裂纹萌生寿命，“破坏”定义为：1.标准小尺寸试件断裂。脆性材料2.出现可见小裂纹,或可测的应变降。延性材料应变疲劳:Smaxys，Nf104，也称低周应变疲劳。应变疲劳12.2S-N曲线及疲劳裂纹萌生寿命返回主目录21R=-1(Sa=Smax)条件下得到的应力S-寿命N曲线。基本S-N曲线：1.一般形状及特性值用一组标准试件，在R=-1下，施加不同的Sa，进行疲劳试验，可得到S-N曲线。S-N曲线上对应于寿命N的应力，称为寿命为N循环的疲劳强度。S103104105106107NfSN疲劳强度(fatiguestrength)SN：22“无穷大”一般被定义为：钢材，107次循环；焊接件，2×106次循环；疲劳极限(endurancelimit)Sf：寿命N趋于无穷大时所对应的应力S的极限值Sf。对称循环下的疲劳极限Sf(R=-1)，简记为S-1。满足S＜Sf的设计，即无限寿命设计。S103104105106107NfSNSf有色金属，108次循环。23S-N曲线的数学表达得到S-N曲线为：SmN=Cm与C是与材料、应力比、加载方式等有关的参数。且有:A=LgC/m，B=-1/m。实验结果表明，S-N间有对数线性关系；lgS=A+BlgNA、B由线性拟合给出。LgS34567LgNSf24R，Sm；且有：Sm=(1+R)Sa/(1-R)R的影响Sm的影响Sm0,对疲劳有不利的影响；Sm0,压缩平均应力存在，对疲劳是有利的。喷丸、挤压和预应变残余压应力提高寿命。1)一般趋势Sa不变，RorSm；N；N不变，RorSm；SN;SNR=-1R=-1/3R=0Sm0SaNSm0Sm=0Sm0R增大2.平均应力的影响返回主目录252）Sa-Sm关系SaS-1SuSmN=104N=107Sa/S-101Sm/SuN=107Haigh图如图，在等寿命线上，Sm，Sa；SmSu。Haigh图:(无量纲形式)N=107,当Sm=0时，Sa=S-1；当Sa=0时，Sm=Su。对于其他给定的N，只需将S-1换成Sa(R=-1)即可。利用上述关系，已知Su和基本S-N曲线，即可估计不同Sm下的Sa或SN。Goodman等寿命直线：(Sa/S-1)+(Sm/Su)=1Goodman126已知应力比R应力幅Sa恒幅疲劳寿命估算方法：已知材料的基本S-N曲线R=-1YesSaS-1Sm=(1+R)/(1-R)SaNoNfYesNo求寿命Nf=C/Sa由Goodman直线：(Sa/S-1)+(Sm/Su)=1求Sa(R=-1)27解：1.工作循环应力幅和平均应力：Sa=(Smax-Smin)/2=360MPaSm=(Smax+Smin)/2=440MPa例2.1:构件受拉压循环应力作用，Smax=800MPa,Smin=80MPa。材料的极限强度为Su=1200MPa，基本S-N曲线为S4N=1.21016，试估算其寿命。2.求Sa(R=-1)。由方程：(Sa/Sa(R=-1))+(Sm/Su)=1可解出：Sa(R=-1)=568.4MPa3.估计构件寿命N=C/Sm=1.2×1016/568.44=1.15×105(次)Sa=568.4Sm=0等寿命28若构件在某恒幅应力水平S作用下，循环至破坏的寿命为N，则循环至n次时的损伤定义为：D=n/N若n=0,则D=0，构件未受损伤；nD0n1D1D随循环数n线性增长：N1若n=N，则D=1，发生疲劳破坏。疲劳破坏判据为：D=1Di=ni/Ni3.线性累积损伤理论返回主目录29ni是在Si作用下的循环次数，由载荷谱给出；Ni是在Si下循环到破坏的寿命，由S-N曲线确定。若构件在k个应力水平Si作用下，各经受ni次循环，总损伤为：(i=1,2,...k)Miner累积损伤理论是线性的；损伤和D与载荷Si的作用次序无关。DDnNikii==1Miner线性累积损伤理论的破坏准则为：DnNii==1SS1n3S2S3n2n10n变幅载荷谱30A01DnN2N1BD1D2n1n2线性累积损伤理论与载荷的作用次序无关。DnNii==11122NnNnD+==12211NnNnD+==1A01DnN2N1BD1D2n1n231解：由S-N曲线算Ni例2构件S-N曲线为S2N=2.5×1010；若其一年内所承受的典型应力谱如表，试估计其寿命。设构件寿命为年，则总损伤应当是D=(ni/Ni)。1.1111.7363.0866.9440.0090.0290.0330.050计算Di=ni/Ni一年的损伤为：(ni/Ni)=0.121(ni/Ni)=0.121Si(MPa)15012090600.010.050.100.35一年的典型谱ni(106)损伤计算Ni(106)ni/NiMiner理论给出：D=(ni/Ni)=1故有：=1/(ni/Ni)=1/0.121=8.27（年）4.变幅载荷下的疲劳分析返回主目录32例3已知S-N曲线为S2N=2.5×1010；设计寿命期间载荷谱如表。试估计最大可用应力水平S。解：假定载荷F时的应力水平为Si=200MPa。由S-N曲线得到Ni,计算损伤Di，列入表中。可知，若取S=200MPa,D=1.751,发生疲劳破坏。再取S=150MPa,算得