Engineering-Fracture-Mechanics-lecture4-fatigue

材料的疲劳损伤与断裂朱明亮华东理工大学机械与动力工程学院[e-mail]hanics-2014主要内容工程中的疲劳现象疲劳研究的主要范畴疲劳与损伤疲劳与断裂1234工程中的疲劳现象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）工程中的疲劳现象工程中的疲劳现象工程中的疲劳现象二次大战期间，400余艘全焊接舰船断裂工程中的疲劳现象2005.4.25,上午9：20,日本兵库县尼崎市列车脱轨：死亡106人，伤400人1998.6.3，德国埃舍德小镇，高速列车脱轨：101人死亡，200人受伤，88人重伤预防疲劳失效！是轨道交通的核心科技问题之一工程中的疲劳现象转子轴工程中的疲劳现象整机结构强度试验:机翼破坏试验工程中的疲劳现象上海东方明珠电视塔高300m球径45m工程中的疲劳现象Case1:simplysupportedcranegirderServiceconditioins:LoadW,constantTwocranepasses/hr,12hr/day,240days/yr40yearsofservicelife:21224040=230,400cyclesofbendingmomentWL/4.LowerflangeatA-A行车大梁工程中的疲劳现象Case2:rotatingshaftwithoverhungflywheelServiceconditions:LoadW,constantShaftrotatesat250rev/min,8hr/day,300days/yrInaservicelifeof40yearstheshaftaccumulates25060830040=1.44109cyclesofbendingmoment,WL工程中的疲劳现象疲劳失效是工程中最重要、最常见的失效模式疲劳的核心问题1•疲劳性能的影响因素有哪些？2•材料疲劳的宏微观损伤机制？3•疲劳裂纹的扩展特性？4•结构抗疲劳破坏的控制参数是什么？5•如何预测结构的疲劳寿命？疲劳研究的主要范畴疲劳断裂力学损伤力学化学材料科学环境疲劳疲劳损伤疲劳断裂材料的疲劳疲劳的发展历史疲劳的发展历史十九世纪的疲劳发展182918391860德国矿业工程师Albert.金属疲劳的最初研究。巴黎大学教授JU.Poncelet提出金属疲劳的概念。德国工程师Wöhler提出了应力-寿命曲线（S-N曲线）和疲劳极限的概念。18901.Gerber研究了平均应力对疲劳寿命的影响。2.Goodman提出了考虑平均应力影响的简单理论。3.Bauschinger提出了应力-应变滞后回线的概念。经验试验1871年，Wohler首先对铁路车轴进行了系统的疲劳研究，发展了旋转弯曲疲劳试验，S-N曲线及疲劳极限概念。疲劳的发展历史1910s-1960s疲劳发展191019501960Basquin提出了S与N的关系式。Bairstow给出了形变滞后与疲劳破坏的关系。1.光镜和电子显微镜的发展促进了人们对传统疲劳破坏机制的研究。2.电液伺服疲劳试验机的出现。3.疲劳发展成为重要的学科领域。1.Manson-Coffin关系。2.1963年Paris提出da/dN-K关系。提出了PSB的概念，观察到了疲劳辉纹，P-M累积损伤理论。损伤容限设计，疲劳与断裂力学融合。理论工程运用机理疲劳的发展历史1970s-今疲劳发展197019802000损伤容限方法运用到具体的设计规范中，断裂力学开始在疲劳研究中发挥重要作用1.传统疲劳研究领域进一步拓展：蠕变疲劳，热机械疲劳，微动疲劳，多轴疲劳…….2.随着分析手段的提高，新材料和传统材料疲劳破坏的微观机制得到进一步发展。3.疲劳模拟技术的发展成为研究疲劳的重要方法，使人们对疲劳的认识进一步深入。4.超高周疲劳的研究逐渐成为研究的热点。低周疲劳高周疲劳超高周疲劳疲劳的发展历史疲劳的基本概念疲劳的基本概念在某点或某些点承受交变应力，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，称为疲劳。Whatisfatigue?Theprocessofprogressivelocalizedpermanentstructuralchangeoccurringinamaterialsubjectedtoconditionswhichproducefluctuatingstressesandstrainsatsomepointorpointsandwhichmayculminateincrackorcompletefractureafterasufficientnumberoffluctuations.ASTME206-72疲劳的分类——重要的学科体系疲劳的基本概念研究对象•材料•结构应力状态•单轴•多轴载荷变化情况•恒幅•变幅•随机工况、环境•蠕变疲劳•热机械疲劳•腐蚀疲劳•微动疲劳•冲击疲劳循环周次•低周•高周•超高周疲劳的基本概念交变应力，是指随时间变化的应力。也可更一般地称为交变载荷（载荷可以是力、应力、应变、位移等）00t0SSSmax恒幅循环S变幅循环S随机载荷疲劳载荷的类型tt疲劳的基本概念平均应力Sm=(Smax+Smin)/2(1)应力幅Sa=(Smax-Smin)/2(2)应力范围S=Smax-Smin(3)应力比R=Smin/Smax恒幅循环参数设计：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。疲劳的基本概念应力比R0StR=1静载Smax=Smin0StR=0脉冲循环Smin=00StR=-1对称循环Smax=-SminR=-2/0=∞R=-2/1=-2疲劳的基本概念0St三角波S0t正弦波0St矩形波0St梯形波波形频率f=N/tf=100Hz,t=100h,N=ft=3.6107(cycles)材料的疲劳性能材料的疲劳性能材料的疲劳性能材料的循环变形特性载荷寿命关系-relationship-Ncurve-Ncurve疲劳裂纹扩展特性da/dNcurve材料的疲劳性能拉伸应力-应变关系单调拉伸和单调压缩曲线关于原点O对称；在屈服极限A点以内是直线。σ-εS-eσε单调σ-ε曲线材料的疲劳性能Bauschingereffect在一定量的正向拉伸或压缩塑性变形之后进行反方向加载，材料的屈服强度会低于连续正向变形的屈服强度。材料的疲劳性能滞后回线(迟滞回线)：一个完整的循环所对应的应力-应变曲线形成的封闭曲线。tpE总应变幅=弹性应变幅+塑性应变幅材料的疲劳性能材料的循环硬化与循环软化CyclichardeningCyclicsoftening材料的屈强比：σs/σb0.7，循环硬化材料；σs/σb0.8，循环软化材料。材料的疲劳性能A为循环强化系数，为循环硬化指数。tpE1/tEA()pA循环应力-应变曲线材料的疲劳性能在恒幅应力控制下，应变不断提升的现象叫做循环蠕变；循环蠕变和循环松弛对于非金属材料比较明显，金属材料在高温下需考虑。循环蠕变和循环松弛在恒幅应变控制下，应力不断下滑的现象叫做循环松弛。材料的疲劳性能Basquin’sequationManson-CoffinrelationshipTransitionfatiguelife材料的疲劳性能材料的疲劳性能材料的疲劳性能S-N曲线：表示S（或者logS）和Nf（或者logNf）关系的曲线。疲劳极限Sf：某一应力比条件下，对应循环次数下不发生断裂的应力。疲劳强度的影响因素疲劳强度的影响因素有利有害！拉伸平均应力降低疲劳强度，压缩平均应力提高疲劳强度。疲劳强度的影响因素平均应力m（横坐标）与应力幅a（纵坐标）之间的关系曲线（由实验数据获得），反映相同材料在不同应力循环特性时疲劳极限的差异。塑性材料的疲劳极限应力图如下图所示，曲线近似呈抛物线分布。曲线上A点的坐标表示对称循环点，B点的坐标表示脉动循环点，C点的坐标表示静应力点。2minmaxm2minmaxamaxmin/r疲劳极限应力图疲劳强度的影响因素ModifiedGoodmanlineGerberParabola疲劳强度的影响因素等效应力幅疲劳强度的影响因素疲劳裂纹通常起始于零件表面表面状况对疲劳寿命有很大的影响表面光洁度越高，形成疲劳裂纹的时间越长。疲劳强度的影响因素表面经过冷轧(coldrolling)、渗氮(nitriding)、喷丸(shotpeening)、激化冲击(lasershockpeening)处理等都可以在表面引入残余压应力，从而延缓高周疲劳裂纹的萌生。疲劳强度的影响因素•缺口应力集中系数Kt•疲劳缺口系数Kf•疲劳缺口敏感性q疲劳强度的影响因素加载方式疲劳强度的影响因素•弯曲载荷下，尺寸影响试样承载面的应力梯度，尺寸增大，应力梯度减小，但表面局部的平均应力增大，疲劳强度下降。•轴向载荷下，应力梯度较小，试样的尺寸效应不明显。疲劳强度的影响因素•平均应力1•表面加工与处理2•加载形式3•缺口与应力集中4•试样尺寸5疲劳与损伤疲劳损伤力学疲劳与损伤损伤的概念损伤的概念损伤(Damage)是材料和工程构件中细微“结构”的变化，引起微裂纹的萌生、成长与合并，导致材料的变质和恶化。损伤积累的结果往往产生宏观裂纹，导致最终断裂。1958年，Kachanov在研究蠕变断裂问题时，第一个引入了一个新的本构方程－损伤演变方程，同时第一个引入了一个描述材料内部损伤的内变量－连续性变量。1969年，Rabatnov改进了Kachanov的工作，在蠕变本构方程中引入了损伤变量以描述损伤对材料本构行为的影响。损伤的概念损伤变量微观的或物理的宏观的或唯象的疲劳损伤区内微观裂纹的密度空洞体积（面积）比声发射量电阻抗变化显微硬度变化等Miner疲劳损伤D＝1/N剩余刚度E，D＝1-E/E0剩余强度循环耗散能阻尼系数、滞后能等损伤的概念损伤力学主要研究三方面内容：1.研究材料中微裂纹和微孔洞及外在条件对本身演变的影响及其发展规律；2.研究损伤对材料本构关系的影响；3.研究工程构件中宏观裂纹形成寿命的估算方法。构件受载条件，本构方程和演变方程的确定－弹性和塑性的－疲劳与蠕变的－损伤的应力、应变和损伤的演变构件力学分析和损伤力学分析临界状态损伤力学分析步骤疲劳累积损伤理论疲劳累积损伤理论1•每个循环引起多少损伤？2•多个载荷循环时，损伤如何累加？3•失效时的临界损伤？疲劳损伤D疲劳累积损伤理论Palmgren-Miner理论，简称Miner理论。①一个循环造成的损伤：D＝1/N②n个循环造成的损伤：③临界疲劳损伤Dcr：Dcr＝1niiND11缺点：没有考虑载荷次序的影响疲劳累积损伤理论疲劳损伤的微观机制疲劳损伤的微观机制拉伸试样表面形成滑移台阶循环变形试样表面出现“挤出”与“侵入”，试样内部的位错密度高，形成驻留滑移带(PSB)。循环变形的特点CoarseslipFineslipStressconcentration疲劳损伤的微观机制104cycles5104cycles2.7105cyclesSliplinesintensified永久滑移带(PSB)的形成Earlystagesoffatigueareprimarilyasurfacephenomenon.疲劳损伤的微观机制疲劳损伤的微观机制CyclicSlip-initialarrangementsCyclicHardening疲劳损伤的微观机制SurfacereliefShearcracksformation疲劳损伤的微观机制Crackinitiation疲劳损伤的微观机制疲劳裂纹的萌生位置：1.材料表面（PSB，表面缺陷，腐蚀坑等）2.材料内部（1）内部PSB（2）内部不连续的组织处（夹杂物，气孔，相界，晶界，孪