《疲劳与断裂》PPT课件.ppt

华中科技大学华中科技大学疲劳与断裂课程组疲劳与断裂课程组 疲劳与断裂疲劳与断裂Fatigue&Fracture返回主目录返回主目录返回主目录返回主目录1机械、结构等机械、结构等 受力如何？受力如何？如何运动？如何运动？如何变形？破坏？如何变形？破坏？如何控制设计？如何控制设计？其其目的目的是：是：了解工程系统的性态了解工程系统的性态 并为其设计提供合理的规则并为其设计提供合理的规则。工程力学工程力学（或者应用力学）（或者应用力学）是是:将力学原理应用实际工程系统的科学将力学原理应用实际工程系统的科学。性态性态规则规则回顾回顾2受力如何？受力如何？如何运动？如何运动？理论力学、振动理论等，理论力学、振动理论等，研究对象为刚体；研究对象为刚体；基本方程是平衡方程、运动方程等。基本方程是平衡方程、运动方程等。如何变形？破坏？如何变形？破坏？材料力学、弹性力学、塑性力学等，材料力学、弹性力学、塑性力学等，研究对象为变形体；研究对象为变形体；基本方程是平衡方程、物理方程、几何方程等。基本方程是平衡方程、物理方程、几何方程等。3 强度设计的一般方法：强度设计的一般方法：平衡方程平衡方程平衡方程平衡方程变形几何条件变形几何条件变形几何条件变形几何条件应力应变关系应力应变关系应力应变关系应力应变关系内内内内力力力力应应应应力力力力初步设计初步设计初步设计初步设计设计目标设计目标设计目标设计目标强强强强度度度度条条条条件件件件满满满满意意意意？结束结束结束结束YESYESNONO修改修改修改修改设计设计设计设计强强强强度度度度计计计计算算算算材料试验材料试验材料试验材料试验极限应力极限应力极限应力极限应力选取安全系数选取安全系数选取安全系数选取安全系数许用应力许用应力许用应力许用应力控制设计：强度是最主要的控制指标。控制设计：强度是最主要的控制指标。研究对象是无缺陷变形体，研究对象是无缺陷变形体，研究对象是无缺陷变形体，研究对象是无缺陷变形体，研究目的是保证在最大载荷下有足够的强度。研究目的是保证在最大载荷下有足够的强度。研究目的是保证在最大载荷下有足够的强度。研究目的是保证在最大载荷下有足够的强度。4有缺陷怎么办？有缺陷怎么办？研究含缺陷材料的强度研究含缺陷材料的强度 -断裂断裂多次载荷作用下如何破坏？多次载荷作用下如何破坏？研究多次使用载荷作用下的破坏研究多次使用载荷作用下的破坏 -疲劳疲劳缺陷从何而来？缺陷从何而来？材料固有或使用中萌生材料固有或使用中萌生,扩展扩展 -疲劳与断裂疲劳与断裂5结构结构/构件强度的控制参量是应力构件强度的控制参量是应力。工作应力：工作应力：构件在可能受到的最大工作载荷作用下的应力。构件在可能受到的最大工作载荷作用下的应力。(由力学分析计算得到由力学分析计算得到由力学分析计算得到由力学分析计算得到)极限应力：极限应力：ys、b 材料可以承受的强度指标。材料可以承受的强度指标。延性材料：延性材料：ys；脆性材料：脆性材料：b (通过材料力学性能的实验得到通过材料力学性能的实验得到通过材料力学性能的实验得到通过材料力学性能的实验得到)ys ys 延性材料延性材料 b b 脆性材料脆性材料强度判据强度判据：(作用作用作用作用 抗力抗力抗力抗力)结构或构件的工作应力结构或构件的工作应力 材料的极限应力材料的极限应力6按静强度设计，满足按静强度设计，满足 ，为什么还发生破坏？，为什么还发生破坏？19世纪世纪30-40年代，英国铁路车辆轮轴在轴肩处年代，英国铁路车辆轮轴在轴肩处 （应力仅为（应力仅为0.4 ys ys）多次发生破坏；）多次发生破坏；19541954年年1 1月月,英国慧星英国慧星(Comet)(Comet)号喷气客机坠入地中号喷气客机坠入地中 海（机身舱门拐角处开裂）；海（机身舱门拐角处开裂）；71967年年12月月15日，美国西弗吉尼亚的日，美国西弗吉尼亚的 Point Pleasant桥倒塌，桥倒塌，46人死亡；人死亡；1980年年3月月27日，英国北海油田日，英国北海油田Kielland 号钻井号钻井 平台倾复；平台倾复；127人落水只救起人落水只救起 89人；人；二次大战期间，二次大战期间，400余艘全焊接舰船断裂。余艘全焊接舰船断裂。主要原因是由缺陷或裂纹导致的断裂主要原因是由缺陷或裂纹导致的断裂。8 大型汽轮机大型汽轮机 转子转子9 轴轴轴轴 叶轮叶轮叶轮叶轮 疲劳断裂破坏疲劳断裂破坏10 转子轴转子轴转子轴转子轴 疲劳开裂疲劳开裂疲劳开裂疲劳开裂 疲劳断裂破坏疲劳断裂破坏11 叶片击穿厂房叶片击穿厂房叶片击穿厂房叶片击穿厂房12 飞飞 机机 整整 机机 结结 构构 强强 度度 实实 验验 机翼破坏实验机翼破坏实验 13 飞飞 机机 整整 机机 结结 构构 强强 度度 实实 验验 机身破坏实验机身破坏实验 14 上海上海 东方电视塔东方电视塔 高高300m 300m 球径球径45m45m15 抗震模型试验抗震模型试验 （破坏部位、破坏形式、抗震能力）（破坏部位、破坏形式、抗震能力）静强度失效、断裂失效和疲劳失效，是工程静强度失效、断裂失效和疲劳失效，是工程中最为关注的基本失效模式中最为关注的基本失效模式。控制疲劳强度、断裂强度的是什么？控制疲劳强度、断裂强度的是什么？16疲劳与断裂疲劳与断裂一一.概述概述四四.应变疲劳应变疲劳二二.应力疲劳应力疲劳三三.疲劳应用统计学基础疲劳应用统计学基础introductionCrack initiation17十十.疲劳寿命预测与抗疲劳设计疲劳寿命预测与抗疲劳设计九九.裂纹闭合理论与高载迟滞效应裂纹闭合理论与高载迟滞效应八八.疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展疲劳与断裂疲劳与断裂七七.弹塑性断裂力学简介弹塑性断裂力学简介六六.表面裂纹表面裂纹五五.断裂失效与断裂控制设计断裂失效与断裂控制设计Fracture mechanicsCrack propagation18第一章第一章 概述概述 introduction1.1 1.1 什么是疲劳？什么是疲劳？The The process process of of progressive progressive localized localized permanent permanent structural structural change change occurring occurring in in a a material material subjected subjected to to conditions conditions which which produce produce fluctuating fluctuating stresses stresses and and strains strains at at some some point point or or points points and and which which may may culminate culminate in in crack crack or or complete complete fracture fracture after after a a sufficient number of fluctuations.sufficient number of fluctuations.ASTM E206-72 在某点或某些点承受在某点或某些点承受在某点或某些点承受在某点或某些点承受扰动应力扰动应力扰动应力扰动应力，且在足够多的，且在足够多的，且在足够多的，且在足够多的循环扰动作用之后形成循环扰动作用之后形成循环扰动作用之后形成循环扰动作用之后形成裂纹裂纹裂纹裂纹或完全断裂的材料中所或完全断裂的材料中所或完全断裂的材料中所或完全断裂的材料中所发生的发生的发生的发生的局部局部局部局部永久结构变化的永久结构变化的永久结构变化的永久结构变化的发展过程发展过程发展过程发展过程，称为疲劳。，称为疲劳。，称为疲劳。，称为疲劳。19 疲劳疲劳是在某点或某些点承受是在某点或某些点承受扰动应力扰动应力，且在，且在足够多的循环扰动作用之后形成足够多的循环扰动作用之后形成裂纹裂纹或完全断裂的或完全断裂的材料中所发生的材料中所发生的局部局部永久结构变化的永久结构变化的发展过程发展过程。研究目的：预测寿命研究目的：预测寿命。N=Ni i+Np p 裂纹裂纹萌生萌生+扩展扩展疲劳问题的特点与研究目的：疲劳问题的特点与研究目的：扰动应力，高应力局部，扰动应力，高应力局部，裂纹，发展过程。裂纹，发展过程。特点：特点：201.只有在扰动应力作用下，疲劳才会发生。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。扰动应力，是指随时间变化的应力。也可更一般地称为扰动载荷，也可更一般地称为扰动载荷，载荷可以是力、应力、应变、位移等。载荷可以是力、应力、应变、位移等。要研究要研究载荷谱载荷谱的描述的描述与简化与简化21恒幅循环应力是最简单的恒幅循环应力是最简单的SSmaxSmax0SminSmint循环应力循环应力 (cyclic stress)的描述：的描述：常用导出量：常用导出量：常用导出量：常用导出量：平均应力平均应力平均应力平均应力 S Smm=(S=(Smaxmax+S+Sminmin)/2)/2 应力幅应力幅应力幅应力幅 S Sa a=(S=(Smaxmax-S-Sminmin)/2 )/2 应力变程应力变程应力变程应力变程 S=SS=Smaxmax-S-Sminmin 应力比或循环特性参数应力比或循环特性参数应力比或循环特性参数应力比或循环特性参数 R=S R=Sminmin/S/Smaxmax描述描述循环应力水平循环应力水平的基本量：的基本量：Smax，SminSmSmSaSaSaSa22定义：平均应力定义：平均应力定义：平均应力定义：平均应力 S Smm=(S=(Smaxmax+S+Sminmin)/2 (1)/2 (1)应力幅应力幅应力幅应力幅 S Sa a=(S=(Smaxmax-S-Sminmin)/2 (2)/2 (2)应力变程应力变程应力变程应力变程 S=SS=Smaxmax-S-Smin min (3)(3)应力比或循环特性参数应力比或循环特性参数应力比或循环特性参数应力比或循环特性参数 R=S R=Sminmin/S/Smaxmax(1)(1)式二端除以式二端除以式二端除以式二端除以S Smaxmax，有，有，有，有 S Smm=(1+R)/2S=(1+R)/2Smaxmax (4)(4)(2)(2)式二端除以式二端除以式二端除以式二端除以S Smaxmax，有，有，有，有 S Sa a=(1-R)/2S=(1-R)/2Smaxmax (5)(5)(5)(5)式除以式除以式除以式除以(4)(4)式，有式，有式，有式，有 S Sa a=(1-R)/(1+R)S=(1-R)/(1+R)Sm m (6)(6)Smax、Smin、Sm、Sa、S、R等量中，等量中，只要已知二个，即可导出其余各量。只要已知二个，即可导出其余各量。23设计：用设计：用设计：用设计：用S Smaxmax，S Sminmin ，直观；，直观；，直观；，直观；试验：用试验：用试验：用试验：用S Smm，S Sa a ，便于加载；，便于加载；，便于加载；，便于加载；分析：用分析：用分析：用分析：用S Sa a，R R，突出主要控制参量，突出主要控制参量，突出主要控制参量，突出主要控制参量,便于分类讨论。便于分类讨论。便于分类讨论。便于分类讨论。0StR=-1对称循环Smax=-Smin0StR=1静载Smax=Smin0StR=0脉冲循环Smin=0主要控制参量主要控制参量主要控制参量主要控制参量：S Sa a，重要影响参量：，重要影响参量：，重要影响参量：，重要影响参量：R R 频率频率频率频率(f=N/t)(f=N/t)和和和和 波形的影响是较次要的。波形的影响是较次要的。波形的影响是较次要的。波形的影响是较次要的。应力比应力比R反映了载荷的循环特性。如反映了载荷的循环特性。如24主要控制参量主要控制参量主要控制参量主要控制参量：S Sa a，重要影响参量：，重要影响参量：，重要影响参量：，重要影响参量：R R0StR=-1对称循环Smax=-Smin0St三角波三角波S S0t t正弦波正弦波0St t矩形波矩形波频率频率(f=N/t)波形波形f=100Hz,t=100h,N=ft=3.6 107(次循环次循环)0St梯形波梯形波252.破坏起源于高应力、高应变局部。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。应力集中处，常常是疲劳破坏的起源。要研究要研究细节处的应力应变细节处的应力应变。静载下的破坏，取决于结构整体；静载下的破坏，取决于结构整体；疲疲劳劳破破坏坏则则由由应应力力或或应应变变较较高高的的局局部部开开始始，形成损伤并逐渐累积，导致破坏发生。形成损伤并逐渐累积，导致破坏发生。可见，可见，局部性局部性是疲劳的明显特点。是疲劳的明显特点。因此，要注意细节设计，研究细节处的因此，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。应力应变，尽可能减小应力集中。263.疲劳损伤的结果是形成裂纹疲劳损伤的结果是形成裂纹有有裂纹萌生裂纹萌生-扩展扩展-断裂断裂三个阶段。三个阶段。要研究要研究疲劳裂纹萌生和扩展的机理及规律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。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）寿命（过程的长短）寿命（过程的长短）寿命（过程的长短）-取决于载荷、作用次数和材料的疲劳抗力。取决于载荷、作用次数和材料的疲劳抗力。取决于载荷、作用次数和材料的疲劳抗力。取决于载荷、作用次数和材料的疲劳抗力。N Ntotaltotal=N=Ninitiationinitiation+N+Npropagationpropagation 要研究要研究要研究要研究寿命预测的方法寿命预测的方法-疲劳研究的疲劳研究的疲劳研究的疲劳研究的目的目的目的目的。27One of the most important physical Observation is that the fatigue process can generally be broken two distinct phase-initiation life and propagation life.The propagation life is the portion of the total life spent growing a crack to failure.The initiation life encompasses the development and early growth of a small crack.起始寿命包括小裂纹的形成和早期扩展。起始寿命包括小裂纹的形成和早期扩展。扩展寿命是总寿命中裂纹扩展到破坏的部分。扩展寿命是总寿命中裂纹扩展到破坏的部分。28However,it is often very difficult,if not impossible,to define the transition from initiation to propagation.然而，定义从起始到扩展的转变，常常是很困难的。This distinction depends upon many variables,including components size,material,and the method used to detect cracks.这取决于许多因素，包括构件尺寸、材料这取决于许多因素，包括构件尺寸、材料和检出裂纹所采用的方法等。和检出裂纹所采用的方法等。Initiation life is usually assumed to be the portion of life spent developing an engineering crack,which is about 0.3mm for smaller components.起始寿命通常被假定为形成一个工程裂纹起始寿命通常被假定为形成一个工程裂纹的那一部分寿命，对于小尺寸构件，工程的那一部分寿命，对于小尺寸构件，工程裂纹大约为。裂纹大约为。29 疲劳疲劳是在某点或某些点承受是在某点或某些点承受扰动应力扰动应力，且在，且在足够多的循环扰动作用之后形成足够多的循环扰动作用之后形成裂纹裂纹或完全断裂的或完全断裂的材料中所发生的材料中所发生的局部局部永久结构变化的永久结构变化的发展过程发展过程。寿命预测与抗疲劳设计方法寿命预测与抗疲劳设计方法疲劳裂纹萌生和扩展的机理及规律疲劳裂纹萌生和扩展的机理及规律疲劳研究的主要内容是：疲劳研究的主要内容是：载荷谱的描述与简化载荷谱的描述与简化应力集中应力集中细节处的应力应变细节处的应力应变30再见！谢谢！第一次课完请继续第二次课习题：习题：1-5，1-6返回主目录返回主目录返回主目录返回主目录311.2 疲劳断裂破坏的严重性疲劳断裂破坏的严重性第一章第一章 概述概述 introduction introduction1.1 什么是疲劳？什么是疲劳？疲劳与断裂疲劳与断裂1.3 抗疲劳设计方法抗疲劳设计方法1.4 疲劳破坏机理与断口特征疲劳破坏机理与断口特征1.5 疲劳问题研究方法疲劳问题研究方法返回主目录返回主目录返回主目录返回主目录321.2 疲劳断裂破坏的严重性疲劳断裂破坏的严重性 1982 1982年，美国众议院科学技术委员会委托商业年，美国众议院科学技术委员会委托商业年，美国众议院科学技术委员会委托商业年，美国众议院科学技术委员会委托商业部国家标准局部国家标准局部国家标准局部国家标准局(NBS)(NBS)调查断裂破坏对美国经济的影响。调查断裂破坏对美国经济的影响。调查断裂破坏对美国经济的影响。调查断裂破坏对美国经济的影响。提交综合报告提交综合报告提交综合报告提交综合报告 “美国断裂破坏的经济影响美国断裂破坏的经济影响美国断裂破坏的经济影响美国断裂破坏的经济影响”SP647-1SP647-1 最终报告最终报告最终报告最终报告 “数据资料和经济分析方法数据资料和经济分析方法数据资料和经济分析方法数据资料和经济分析方法”SP647-2SP647-2断裂使美国一年损失断裂使美国一年损失11901190亿美元亿美元摘要发表于摘要发表于摘要发表于摘要发表于 Int.J.of Fracture,Vol23,No.3,1983 Int.J.of Fracture,Vol23,No.3,1983 译文见译文见译文见译文见 力学进展，力学进展，力学进展，力学进展，Vol15 Vol15，No2No2，1985198533损失最严重的是：损失最严重的是：车辆业车辆业 (125亿亿/年年)，建筑业建筑业 (100亿亿/年年)，航空航空(67亿亿/年年)，金属结构及制品金属结构及制品 (55亿亿/年年).断裂断裂(包括疲劳、腐蚀引起的断裂包括疲劳、腐蚀引起的断裂)使美国一年损失使美国一年损失11901190亿美元亿美元,为其为其19821982年国家总产值的年国家总产值的4%4%。34普及断裂的基本知识，可减少损失普及断裂的基本知识，可减少损失29%(345亿亿/年年)。对策对策设计、制造人员了解断裂，主动采取改进措施，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。如设计；材料断裂韧性；冷、热加工质量等。利用现有研究成果，可再减少损失利用现有研究成果，可再减少损失24%(285亿亿/年年)。包括提高对缺陷影响、材料韧性、工作应力的预测能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；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。改善设计方法更新标准规范等。剩余的剩余的47%，有待于进一步基础研究的突破。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、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。高韧性、无缺陷材料的研究等。35 国际民航组织国际民航组织国际民航组织国际民航组织(ICAO)(ICAO)发表的发表的发表的发表的“涉及金属疲劳断裂的重大飞机失事调查涉及金属疲劳断裂的重大飞机失事调查涉及金属疲劳断裂的重大飞机失事调查涉及金属疲劳断裂的重大飞机失事调查”指出：指出：指出：指出：80 80年代以来，由金属疲劳断裂引起的机毁人亡年代以来，由金属疲劳断裂引起的机毁人亡年代以来，由金属疲劳断裂引起的机毁人亡年代以来，由金属疲劳断裂引起的机毁人亡重大事故，平均每年重大事故，平均每年重大事故，平均每年重大事故，平均每年100100次。次。次。次。(不包括中、苏不包括中、苏不包括中、苏不包括中、苏)Int.J.Fatigue,Vol.6,No.1,1984 Int.J.Fatigue,Vol.6,No.1,1984疲劳断裂引起的空难达每年疲劳断裂引起的空难达每年100100次以上次以上 工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破坏的坏的坏的坏的50-90%50-90%，是机械、结构失效的最常见形式。，是机械、结构失效的最常见形式。，是机械、结构失效的最常见形式。，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因此，工程技术人员必须认真考虑可能的疲劳断因此，工程技术人员必须认真考虑可能的疲劳断因此，工程技术人员必须认真考虑可能的疲劳断裂问题。裂问题。裂问题。裂问题。36机机机机 型型型型 SDR SDR 报告总次数报告总次数报告总次数报告总次数 涉及蒙皮开裂的涉及蒙皮开裂的涉及蒙皮开裂的涉及蒙皮开裂的SDRSDR次数次数次数次数 飞机数飞机数飞机数飞机数 报告数报告数报告数报告数 飞机数飞机数飞机数飞机数 报告数报告数报告数报告数Boeing 727Boeing 727 2364 36315 2364 36315 774 774 3294 3294 737 737 1097 15437 1097 15437 257 257 2069 2069 747 381 6936 747 381 6936 134 134 543 543DC-9DC-9 1465 26128 1465 26128 493 493 1532 1532 SDR-SDR-使用故障报告使用故障报告使用故障报告使用故障报告 （美国）（美国）（美国）（美国）（1973-1990)1973-1990)1993 1993年，美国政府报告年，美国政府报告年，美国政府报告年，美国政府报告(PB94-143336,1993)(PB94-143336,1993)发表了发表了发表了发表了1973-19901973-1990年期间的飞机使用故障统计结果，年期间的飞机使用故障统计结果，年期间的飞机使用故障统计结果，年期间的飞机使用故障统计结果，表中列出了四种常用机型的数据。表中列出了四种常用机型的数据。表中列出了四种常用机型的数据。表中列出了四种常用机型的数据。可见疲劳开裂仍然是值得严密关注的。可见疲劳开裂仍然是值得严密关注的。37年代设设设设计计计计水水水水平平平平190020001800静强度设计静强度设计静强度设计静强度设计使用故障、失效研究使用故障、失效研究使用故障、失效研究使用故障、失效研究抗疲劳设计抗疲劳设计抗疲劳设计抗疲劳设计抗断裂设计抗断裂设计抗断裂设计抗断裂设计耐久性设计耐久性设计耐久性设计耐久性设计可靠性设计可靠性设计可靠性设计可靠性设计381.3 抗疲劳设计方法抗疲劳设计方法控制应力水平，使裂纹不萌生或不扩展，即：控制应力水平，使裂纹不萌生或不扩展，即：SSf or K Kth 无限寿命设计无限寿命设计 (Infinite-life design)控制疲劳裂纹萌生的是应力幅控制疲劳裂纹萌生的是应力幅Sa。Sa 小于疲劳极限值小于疲劳极限值 Sf 时，将不发生疲劳破坏。时，将不发生疲劳破坏。控制疲劳裂纹扩展的是应力强度因子控制疲劳裂纹扩展的是应力强度因子 K=f(S,a)。K小于疲劳裂纹扩展门槛值小于疲劳裂纹扩展门槛值 Kth时，裂纹不时，裂纹不扩展扩展。对于气缸阀门、顶杆、弹簧，长期频繁运行的轮轴等，对于气缸阀门、顶杆、弹簧，长期频繁运行的轮轴等，无限寿命设计至今仍是简单而合理的方法。无限寿命设计至今仍是简单而合理的方法。39研究载荷水平与疲劳寿命的关系；研究载荷水平与疲劳寿命的关系；建立描述材料疲劳性能的建立描述材料疲劳性能的S S-N N、-N-N曲线。曲线。不需经受很多次循环的构件，无限寿命设计很不经济。不需经受很多次循环的构件，无限寿命设计很不经济。用于民用飞机，容器，管道，汽车等。用于民用飞机，容器，管道，汽车等。按照按照S-N或或-N曲线设计，使构件在有限长设计曲线设计，使构件在有限长设计寿命内，不发生疲劳破坏的设计寿命内，不发生疲劳破坏的设计-安全或有限安全或有限寿命设计寿命设计。安全寿命设计安全寿命设计 (Safe-life design)40要选用韧性较好、裂纹扩展缓慢的材料，以保证有要选用韧性较好、裂纹扩展缓慢的材料，以保证有足够大的足够大的ac c和充分的时间，安排检查并发现裂纹。和充分的时间，安排检查并发现裂纹。20世纪世纪70年代提出年代提出的损伤容限设计：的损伤容限设计：假定构件中存在着裂纹，用断裂分析、疲劳假定构件中存在着裂纹，用断裂分析、疲劳纹扩展分析和试验验证，保证在定期检查肯定能纹扩展分析和试验验证，保证在定期检查肯定能发现前，裂纹不会扩展到足以引起破坏。发现前，裂纹不会扩展到足以引起破坏。由于裂纹存在，安全寿命设计并不能完全确保安全。由于裂纹存在，安全寿命设计并不能完全确保安全。损伤容限设计损伤容限设计 (Damage tolerance design)41各种方法互相补充，适应不同设计需求，各种方法互相补充，适应不同设计需求，不是相互取代的。不是相互取代的。耐久性设计耐久性设计 (Durability design)2020世纪世纪世纪世纪8080年代起，以经济寿命为目标的耐久性设计年代起，以经济寿命为目标的耐久性设计年代起，以经济寿命为目标的耐久性设计年代起，以经济寿命为目标的耐久性设计概念形成。耐久性是构件和结构在规定的使用条件概念形成。耐久性是构件和结构在规定的使用条件概念形成。耐久性是构件和结构在规定的使用条件概念形成。耐久性是构件和结构在规定的使用条件下抗疲劳断裂性能的一种定量度量。下抗疲劳断裂性能的一种定量度量。下抗疲劳断裂性能的一种定量度量。下抗疲劳断裂性能的一种定量度量。先定义疲劳破坏严重细节群（如孔等）的初始疲劳先定义疲劳破坏严重细节群（如孔等）的初始疲劳先定义疲劳破坏严重细节群（如孔等）的初始疲劳先定义疲劳破坏严重细节群（如孔等）的初始疲劳质量质量质量质量-初始损伤状态；再用疲劳或疲劳裂纹扩展分初始损伤状态；再用疲劳或疲劳裂纹扩展分初始损伤状态；再用疲劳或疲劳裂纹扩展分初始损伤状态；再用疲劳或疲劳裂纹扩展分析预测在不同使用时刻损伤状态的变化；然后确定析预测在不同使用时刻损伤状态的变化；然后确定析预测在不同使用时刻损伤状态的变化；然后确定析预测在不同使用时刻损伤状态的变化；然后确定其经济寿命，制订使用、维修方案。其经济寿命，制订使用、维修方案。其经济寿命，制订使用、维修方案。其经济寿命，制订使用、维修方案。423)3)裂纹源在高应力局部或材料缺陷处。裂纹源在高应力局部或材料缺陷处。4)4)与静载破坏相比，即使是延性材料，也没有明显与静载破坏相比，即使是延性材料，也没有明显 的塑性变形。的塑性变形。5)5)工程实际中的表面裂纹，一般呈半椭圆形。工程实际中的表面裂纹，一般呈半椭圆形。飞机轮毂疲劳断口飞机轮毂疲劳断口典型疲劳断口典型疲劳断口，特征明显：特征明显：1)1)有裂纹源、裂纹扩展区和有裂纹源、裂纹扩展区和 最后断裂区三个部分。最后断裂区三个部分。2)2)裂纹扩展区断面较光滑，裂纹扩展区断面较光滑，通常可见通常可见“海滩条带海滩条带”,”,还可能有腐蚀痕迹。还可能有腐蚀痕迹。裂纹源裂纹源裂纹扩展区裂纹扩展区海滩条带海滩条带最后断裂区最后断裂区 孔边角裂纹孔边角裂纹 断口断口1.4 疲劳破坏机理与断口特征疲劳破坏机理与断口特征一、断口宏观特征一、断口宏观特征43疲劳破坏与静载破坏之比较疲劳破坏与静载破坏之比较疲劳破坏疲劳破坏 S SSuSu破坏是局部损伤累积的结破坏是局部损伤累积的结果。果。断口光滑，有海滩条带或断口光滑，有海滩条带或腐蚀痕迹。有裂纹源、裂腐蚀痕迹。有裂纹源、裂纹扩展区、瞬断区。纹扩展区、瞬断区。无明显塑性变形。无明显塑性变形。应力集中对寿命影响大。应力集中对寿命影响大。由断口可分析由断口可分析裂纹起因裂纹起因裂纹起因裂纹起因、扩展信息扩展信息扩展信息扩展信息、临界裂纹临界裂纹临界裂纹临界裂纹尺寸尺寸尺寸尺寸、破坏载荷破坏载荷破坏载荷破坏载荷等，是等，是失效分析失效分析的重要依据。的重要依据。静载破坏静载破坏 S SSuSu破坏是瞬间发生的。破坏是瞬间发生的。断口粗糙，新鲜，无表面断口粗糙，新鲜，无表面磨蚀及腐蚀痕迹。磨蚀及腐蚀痕迹。韧性材料塑性变形明显。韧性材料塑性变形明显。应力集中对极限承载能力应力集中对极限承载能力 影响不大。影响不大。44二、疲劳破坏机理及断口微观特征二、疲劳破坏机理及断口微观特征疲劳裂纹萌生机理：疲劳裂纹萌生机理：裂纹起源（裂纹源）在何处？裂纹起源（裂纹源）在何处？高应力处：高应力处：1 1）应力集中处；缺陷、夹杂，或孔、切口、台阶等）应力集中处；缺陷、夹杂，或孔、切口、台阶等2 2）构件表面；）构件表面；应力较高，有加工痕迹，应力较高，有加工痕迹，平面应力状态，易于滑移发生。平面应力状态，易于滑移发生。疲劳裂纹的起始或萌生，称为疲劳裂纹成核。疲劳裂纹的起始或萌生，称为疲劳裂纹成核。疲劳裂疲劳裂纹成核纹成核扩展至临扩展至临界尺寸界尺寸断裂断裂发生发生45延性金属中的滑移延性金属中的滑移材料表面材料表面a)粗滑移b)细滑移约0.1mN=104N=5 104N=2.7 105（多晶体镍恒幅应力循环）（多晶体镍恒幅应力循环）扰动载荷扰动载荷 应力集中应力集中 滑移带滑移带 驻留滑移带驻留滑移带 微裂纹、扩展微裂纹、扩展 宏观裂纹、扩展宏观裂纹、扩展46 裂纹由持久滑移带成核，最大剪应力控制。裂纹由持久滑移带成核，最大剪应力控制。裂纹由持久滑移带成核，最大剪应力控制。裂纹由持久滑移带成核，最大剪应力控制。沿最大剪应力面，第一阶段扩展沿最大剪应力面，第一阶段扩展沿最大剪应力面，第一阶段扩展沿最大剪应力面，第一阶段扩展沿垂直于载荷作用线的最大拉应沿垂直于载荷作用线的最大拉应沿垂直于载荷作用线的最大拉应沿垂直于载荷作用线的最大拉应力面扩展，第二阶段力面扩展，第二阶段力面扩展，第二阶段力面扩展，第二阶段 从第从第从第从第1 1阶段向第阶段向第阶段向第阶段向第2 2阶段转变所对应的裂纹尺寸阶段转变所对应的裂纹尺寸阶段转变所对应的裂纹尺寸阶段转变所对应的裂纹尺寸主要取决于材料和作用应力水平，一般只有几个主要取决于材料和作用应力水平，一般只有几个主要取决于材料和作用应力水平，一般只有几个主要取决于材料和作用应力水平，一般只有几个晶粒的尺寸晶粒的尺寸晶粒的尺寸晶粒的尺寸(0.05mm)(0.05mm)。第第第第1 1阶段裂纹扩展的尺寸虽小，对寿命的贡献阶段裂纹扩展的尺寸虽小，对寿命的贡献阶段裂纹扩展的尺寸虽小，对寿命的贡献阶段裂纹扩展的尺寸虽小，对寿命的贡献却很大，对于高强材料，尤其如此。却很大，对于高强材料，尤其如此。却很大，对于高强材料，尤其如此。却很大，对于高强材料，尤其如此。阶段1阶段2DSDS疲劳裂纹扩展二阶段DS材料表面循环循环循环循环载荷载荷载荷载荷作用作用作用作用持久持久持久持久滑移滑移滑移滑移带带带带几条几条几条几条微裂微裂微裂微裂纹纹纹纹一条一条一条一条主裂主裂主裂主裂纹纹纹纹47疲劳裂纹扩展机理疲劳裂纹扩展机理c.充分张开，裂尖钝化，充分张开，裂尖钝化，开创新表面；开创新表面；d.卸载卸载,裂纹收缩，但新开创的裂纹面却不能消失裂纹收缩，但新开创的裂纹面却不能消失;e.裂纹锐化，但已扩展了一个裂纹锐化，但已扩展了一个 a。裂纹张开、钝化、锐化、扩展，每一个应力循环，裂纹张开、钝化、锐化、扩展，每一个应力循环，裂纹张开、钝化、锐化、扩展，每一个应力循环，裂纹张开、钝化、锐化、扩展，每一个应力循环，将在裂纹面上留下一条痕迹（将在裂纹面上留下一条痕迹（将在裂纹面上留下一条痕迹（将在裂纹面上留下一条痕迹（striationstriation）。）。）。）。“塑性钝化模型塑性钝化模型塑性钝化模型塑性钝化模型”C.Laird(1967)C.Laird(1967)a.开始时的裂尖形状；开始时的裂尖形状；b.应力增加，裂纹张开，应力增加，裂纹张开，裂尖材料沿裂尖材料沿t tmax方向滑移；方向滑移；t(e)(d)(c)(b)(a)S0cbade 塑性钝化过程48CrCr12121212NiNi2 2 2 2WMoVWMoV钢疲劳条纹钢疲劳条纹钢疲劳条纹钢疲劳条纹:(:(金属学报金属学报金属学报金属学报,85),85)透射电镜：透射电镜：透射电镜：透射电镜：1-31-3万倍万倍万倍万倍疲劳条纹疲劳条纹疲劳条纹疲劳条纹(striation)(striation)不同于海滩条带不同于海滩条带不同于海滩条带不同于海滩条带(beach(beach mark)mark)tS 谱块谱块 循环循环 条带条带 条纹条纹 49疲劳裂纹扩展的微观机理疲劳裂纹扩展的微观机理 1976 Crooker微孔聚合型微孔聚合型微孔聚合型微孔聚合型microvoid microvoid coalescencecoalescence高应力、韧材料高应力、韧材料高应力、韧材料高应力、韧材料微解理型微解理型微解理型微解理型microcleavagemicrocleavage低应力、脆性材料低应力、脆性材料低应力、脆性材料低应力、脆性材料条纹型条纹型条纹型条纹型striationstriationCrCr12121212NiNi2 2 2 2WMoVWMoV钢疲劳断口微观照片钢疲劳断口微观照片钢疲劳断口微观照片钢疲劳断口微观照片:(:(金属学报金属学报金属学报金属学报,85),85)三种破坏形式三种破坏形式三种破坏形式三种破坏形式:条纹间距条纹间距条纹间距条纹间距=da/dN?=da/dN?50疲劳断口观察工具与观察内容的关系疲劳断口观察工具与观察内容的关系:1-10 1-10 1-10 1-10 10-1000 10-1000 10-1000 10-1000 1000 1000 1000 1000以上以上以上以上放大放大放大放大倍数倍数倍数倍数观察观察观察观察工具工具工具工具肉眼，放大镜肉眼，放大镜肉眼，放大镜肉眼，放大镜金相显微镜金相显微镜金相显微镜金相显微镜 电子显微镜电子显微镜电子显微镜电子显微镜观察观察观察观察对象对象对象对象 宏观断口，宏观断口，宏观断口，宏观断口，裂纹源，滑移，裂纹源，滑移，裂纹源，滑移，裂纹源，滑移，条纹，微解理条纹，微解理条纹，微解理条纹，微解理 海滩条带；海滩条带；海滩条带；海滩条带；夹杂，缺陷；夹杂，缺陷；夹杂，缺陷；夹杂，缺陷；微孔聚合微孔聚合微孔聚合微孔聚合51 疲劳断口分析，有助于判断失效原因，可为改进疲劳断口分析，有助于判断失效原因，可为改进疲劳断口分析，有助于判断失效原因，可为改进疲劳断口分析，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。疲劳研究和抗疲劳设计提供参考。疲劳研究和抗疲劳设计提供参考。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。因此，应尽量保护断口，避免损失了宝贵的信息。因此，应尽量保护断口，避免损