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1、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,Engineering Fracture Mechanics-2014,主要内容,1,2,3,4,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,，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
2、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,Case 1:simply supported crane girder,Service conditioins:Load W,constantTwo crane passes/hr,12hr/day,240 days/yr40 years of service life:21224040=230,400 cycles of bending moment WL/4.,Lower flange at A-A,行车大梁,工程中的疲劳现象,Case 2:rotating s
3、haft with overhung flywheel,Service conditions:Load W,constantShaft rotates at 250 rev/min,8hr/day,300 days/yrIn a service life of 40 years the shaft accumulates25060830040=1.44109 cycles of bending moment,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,疲劳研究的主要范畴,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
4、劳发展,1829,1839,1860,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Whler提出了应力-寿命曲线（S-N曲线）和疲劳极限的概念。,1890,1.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,1910,1950,1960,Basqu
5、in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,1970,1980,2000,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
6、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。,What is fatigue?,The process of progressive localized permanent structural change occ
7、urring in a material subjected to conditions which produce fluctuating stresses and strains at some point or points and which may culminate in crack or complete fracture after a sufficient number of fluctuations.,ASTM E206-72,疲劳的分类重要的学科体系,疲劳的基本概念,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
8、）,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R,R=-2/0=,R=-2/1=-2,疲劳的基本概念,波形,频率 f=N/t,f=100 Hz,t=100 h,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,
9、-N curve,-N curve,疲劳裂纹扩展特性,da/dN curve,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。,-,S-e,单调-曲线,材料的疲劳性能,Bauschinger effect,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。,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,Cyclic hardening,Cyclic softening,材料的屈
10、强比：s/b0.8，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。,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,Basquins equation,Manson-Coffin relationship,Transition fatigue life,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：
11、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。,疲劳极限应力图,疲劳强度的影响因素,Modified Goodman line,Gerber Parabola,疲劳强度的影响因素,等效应力幅,疲劳强度
12、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(cold rolling)、渗氮(nitriding)、喷丸(shot peening)、激化冲击(laser shock peening)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
13、度较小，试样的尺寸效应不明显。,疲劳强度的影响因素,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
14、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D1/N,剩余刚度E，D1-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,疲劳损伤D,疲劳累积损伤理论,Palmgren-Miner理论，简称M
15、iner理论。,一个循环造成的损伤：D1/Nn个循环造成的损伤：临界疲劳损伤Dcr：Dcr1,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,Coarse slip,Fine slip,Stress concentration,疲劳损伤的微观机制,104cycles,5104cycles,2.7105cycles,Slip lines intensified,永久滑移带(PSB)的形成,Early stages of fat
16、igue are primarily a surface phenomenon.,疲劳损伤的微观机制,疲劳损伤的微观机制,Cyclic Slip-initial arrangements,Cyclic Hardening,疲劳损伤的微观机制,Surface relief,Shear cracks formation,疲劳损伤的微观机制,Crack initiation,疲劳损伤的微观机制,疲劳裂纹的萌生位置：材料表面（PSB，表面缺陷，腐蚀坑等）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，孪晶界，二次相颗粒，孔洞等）,疲劳损伤的微观机制,Crack initia
17、tion at pores,疲劳损伤的微观机制,Cracks initiated in microstructures,疲劳损伤的微观机制,inclusions,Interior microstructures,疲劳损伤的微观机制,Process of fatigue,疲劳与断裂,裂纹扩展规律及其运用,疲劳裂纹扩展过程,疲劳裂纹扩展过程,疲劳裂纹扩展的两阶段：Stage I(controlled by shear stress or shear strain);Stage II(controlled by maximum tensile stress range).,Intergranular
18、 or transgranular?It depends,Short crack,Loading direction,Cyclic plastic zone size,疲劳裂纹扩展过程,Stage I crack growth,疲劳裂纹扩展过程,Stage II crack growth,疲劳裂纹扩展过程,Stage Ia stage Ib,Stage Ia:single slipStage Ib:double slipStage II:multiple slip,疲劳裂纹扩展过程,疲劳裂纹扩展过程,Laird model for Stage II fatigue crack growth,疲
19、劳辉纹形成过程：拉伸过程中，裂纹尖端发生钝化，裂纹扩展a，在压应力下裂纹尖端重新锐化，随后的拉伸应力下重新钝化。,loading,unloading,loading,疲劳裂纹的尺度问题,疲劳裂纹的尺度问题,Several grain diameters,Interactions with grain and phase boundaries,precipitates and pores,有裂纹萌生-扩展-断裂三个阶段。,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,Irreversible cyclic slip ac
20、cumulation,Microstructurally short cracksMechanically short cracksPhysically short cracksLong cracks,fracture,疲劳裂纹的尺度问题,疲劳裂纹的尺度问题,疲劳破坏的多尺度特性,长裂纹扩展规律,长裂纹扩展规律,1963年Paris首先把断裂力学引入了疲劳裂纹的扩展，并认为扩展速率受控于裂纹尖端的应力强度因子范围K，K=Kmax-Kmin。,式中C与n均为与材料有关的常数，n通常在2-4之间。,Paris regime,Unstable regime,Near-threshold regime
21、,应力比，环境影响较大，微观组织影响较小,微观组织、应力比，环境影响较大,长裂纹扩展规律,疲劳门槛值Kth:fatigue threshold,理论上，是裂纹扩展速率为零时的应力强度因子范围。试验测量中，规定在空气介质和平面应变条件下，材料裂纹扩展速率接近10-7 mmcycle(或更低)对应的应力强度因子范围K。,CrMoV steel,长裂纹扩展规律,随着应力比增大，疲劳裂纹扩展速率增大，疲劳门槛值减小。,长裂纹扩展规律,Microstructure difference,组织对Paris区的da/dN影响不大，而对门槛值区有较大影响。,长裂纹扩展规律,In air,R=0.1,f=35H
22、z，钛合金,In vacuum,TiAl intermetallics,300C时，真空中的da/dN比空气中小。,温度升高，扩展速率增大。,长裂纹扩展规律,短裂纹扩展行为,短裂纹扩展行为,短裂纹的扩展特性：短裂纹的扩展受到微观组织的影响很大；短裂纹的扩展速率会高于长裂纹的扩展速率；短裂纹的扩展能在K低于长裂纹疲劳门槛值时扩展。,疲劳裂纹闭合,疲劳裂纹闭合,Kcl：裂纹闭合强度因子Keff=Kmax-Kcl疲劳门槛值区的闭合机制复杂,疲劳裂纹闭合,裂纹闭合因子:U,疲劳裂纹闭合,plastic-induced crack closure（塑性诱发裂纹闭合）transformation-indu
23、ced crack closure（变形诱发相变裂纹闭合）oxidation-induced crack closure（氧化诱发裂纹闭合）fluid-induced crack closure（流体诱发裂纹闭合）roughness-induced crack closure（粗糙度诱发裂纹闭合）,疲劳试验,疲劳试验机,显微疲劳试验装置,原位疲劳试验,疲劳试验标准,疲劳断口形貌,疲劳断口形貌,Final fracture zone,Crack propagation zone,Crack initiation zone,tension-compression mode,疲劳断口形貌,Plana
24、r transgranular fracture,Intergranular faceted fracture,Transgranular fracture,K increasing,微观形貌与扩展驱动力的大小有关！,疲劳断口形貌,疲劳断口形貌,疲劳辉纹:fatigue striation,疲劳断裂的特征,疲劳断裂的特征,课程总结,环境疲劳,疲劳损伤,疲劳断裂,材料的疲劳,课程总结,裂纹扩展规律驱动参量短、长裂纹断裂尺度问题裂纹闭合,疲劳损伤机制累积损伤模型裂纹萌生阶段裂纹萌生位置,材料的循环变形响应应变疲劳应力疲劳疲劳强度及其影响因素,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,课程总结,思考题,疲劳的概念？疲劳断裂的特点有哪些？疲劳断口的组成？疲劳裂纹的萌生机制？疲劳线性累积损伤理论的基本思想？疲劳裂纹的扩展过程（尺度问题）？长裂纹与短裂纹扩展的区别与联系？疲劳长裂纹扩展的规律及机理？,谢谢！,
