材料的疲劳损伤与断裂参考文档课件.ppt

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1、材料的疲劳损伤与断裂材料的疲劳损伤与断裂朱明亮朱明亮华东理工大学机械与动力工程学院华东理工大学机械与动力工程学院Engineering Fracture Mechanics -201412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123422022-4-20工程中的疲劳现象32022-4-201954年年1月月, 英国慧星英国慧星(Comet)号喷气客机坠入地中海（机身舱门拐角处开裂）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42022-4-20工程中的疲劳现象52022-4-20工程中的疲劳现象二次大战期间，二次大战期间，400400余艘全焊接舰船断裂余艘

2、全焊接舰船断裂62022-4-20工程中的疲劳现象2005.4.25, 2005.4.25, 上午上午9 9：20, 20, 日本兵库县尼崎日本兵库县尼崎市列车脱轨：死亡市列车脱轨：死亡106106人，伤人，伤400400人人 1998.6.31998.6.3，德国埃舍德小镇，高速列，德国埃舍德小镇，高速列车脱轨：车脱轨：101101人死亡，人死亡，200200人受伤，人受伤，8888人重伤人重伤 预防疲劳失效！是轨道交通的核心科技问题之一预防疲劳失效！是轨道交通的核心科技问题之一72022-4-20工程中的疲劳现象转子轴转子轴82022-4-20工程中的疲劳现象整机结构强度试验整机结构强度试

3、验: :机翼破坏试验机翼破坏试验92022-4-20工程中的疲劳现象上海上海 东方明珠电视塔高东方明珠电视塔高300m300m 球径球径45m45m102022-4-20工程中的疲劳现象Case 1: simply supported crane girderService 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

4、车大梁112022-4-20工程中的疲劳现象Case 2: rotating shaft with overhung flywheelService 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, WL122022-4-20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1 疲劳性能的影响因

5、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？132022-4-20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142022-4-20152022-4-20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Whler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

6、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162022-4-201871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172022-4-201910s-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/d

7、N-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182022-4-201970s-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19202

8、2-4-20202022-4-20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 occurring in a material subjected to conditions which produce fluctuating stresses and strains at some point or points and which m

9、ay culminate in crack or complete fracture after a sufficient number of fluctuations. ASTM E206-72212022-4-20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222022-4-20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）00t0SSSmax 恒幅循环S变幅循环S随机载荷疲劳载

10、荷的类型 tt 232022-4-20疲劳的基本概念平均应力平均应力 Sm=(Smax+Smin)/2 (1)应力幅应力幅 Sa=(Smax-Smin)/2 (2)应力范围应力范围 S=Smax-Smin (3)应力比应力比 R=Smin/Smax恒幅循环参数设计：设计：用用Smax，Smin ，直观；，直观；试验：用试验：用Sm，Sa ，便于加载；，便于加载；分析：用分析：用Sa，R，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。242022-4-20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=

11、-SminR=-2/0=R=-2/1=-2252022-4-20疲劳的基本概念0St三角波三角波S0t正弦波正弦波0St矩形波矩形波0St梯形波梯形波u 波形波形u 频率频率 f=N/tf =100 Hz, t=100 h, N=ft=3.6 107 (cycles)262022-4-20272022-4-20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-N curve-N curve疲劳裂纹扩展特性da/dN curve282022-4-20材料的疲劳性能拉伸应力-应变关系-S-e单调-曲线292022-4-20材料的疲劳性能Bauschinger

12、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。302022-4-20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312022-4-20材料的疲劳性能材料的循环硬化与循环软化Cyclic hardeningCyclic softening材料的屈强比：s/b0.8 ，循环软化材料。322022-4-20材料的疲劳性能A为循环强化系数，为循环硬化指数。tpE1/tEA()pA循环应力-应变曲线332022-4-20材料的疲劳性能在恒幅应力控制下，应变不断提

13、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，应力不断下滑的在恒幅应变控制下，应力不断下滑的现象叫做循环松弛。现象叫做循环松弛。342022-4-20材料的疲劳性能Basquins equationManson-Coffin relationshipTransition fatigue life352022-4-20材料的疲劳性能362022-4-20材料的疲劳性能372022-4-20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

14、发生断裂的应力。382022-4-20392022-4-20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。402022-4-20疲劳强度的影响因素平均应力平均应力 m（横坐标）与（横坐标）与应力幅应力幅 a（纵坐标）之间的关系曲线（由（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。异。塑性材料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。的疲劳极限应力图如下图所示，曲线近似呈抛物线分布。曲线上曲线上A点的坐标表示点的坐标表示对称循环点对称循环点，

15、B点的坐标表示点的坐标表示脉动循环点脉动循环点，C点点的坐标表示的坐标表示静应力点静应力点。2minmaxm2minmaxamaxmin/r疲劳极限应力图疲劳极限应力图412022-4-20疲劳强度的影响因素Modified Goodman lineGerber Parabola422022-4-20疲劳强度的影响因素等效应力幅等效应力幅432022-4-20疲劳强度的影响因素u疲劳裂纹通常起始于零件表面u表面状况对疲劳寿命有很大的影响u表面光洁度越高，形成疲劳裂纹的时间越长。442022-4-20疲劳强度的影响因素表面经过冷轧(cold rolling)、渗氮(nitriding)、喷丸(s

16、hot 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。452022-4-20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q462022-4-20疲劳强度的影响因素加载方式472022-4-20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。482022-4-20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549202

17、2-4-20疲劳与损伤疲劳损伤力学疲劳与损伤502022-4-20512022-4-20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。522022-4-20损伤的概念损伤变量微观的或微观的或物理的物理的宏观的或宏

18、观的或唯象的唯象的疲劳损伤区内微观裂纹的密度疲劳损伤区内微观裂纹的密度空洞体积（面积）比空洞体积（面积）比声发射量声发射量电阻抗变化电阻抗变化显微硬度变化等显微硬度变化等Miner疲劳损伤疲劳损伤D1/N剩余刚度剩余刚度E，D1-E/E0剩余强度剩余强度循环耗散能循环耗散能阻尼系数、滞后能等阻尼系数、滞后能等532022-4-20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，本构构件受载条件，本构方程和演变方程的确方程和演变方程的确定定

19、弹性和塑性的弹性和塑性的疲劳与蠕变的疲劳与蠕变的损伤的损伤的应力、应变和损应力、应变和损伤的演变伤的演变构件力学分析和损构件力学分析和损伤力学分析伤力学分析临界状态临界状态损伤力学分析步骤损伤力学分析步骤542022-4-20552022-4-20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D562022-4-20疲劳累积损伤理论Palmgren-Miner理论，简称理论，简称Miner理论。理论。 一个循环造成的损伤：D1/N n个循环造成的损伤： 临界疲劳损伤Dcr： Dcr1niiND11缺点：没有考虑载荷次序的影响缺点：没有

20、考虑载荷次序的影响572022-4-20疲劳累积损伤理论582022-4-20592022-4-20疲劳损伤的微观机制拉伸试样表面形成滑移台阶拉伸试样表面形成滑移台阶循环变形试样表面出现循环变形试样表面出现“挤出挤出”与与“侵入侵入”，试样内部的位错密度高，试样内部的位错密度高，形成驻留滑移带形成驻留滑移带(PSB)。循环变形的特点Coarse slipFine slipStress concentration602022-4-20疲劳损伤的微观机制104cycles5104cycles2.7105cyclesSlip lines intensified永久滑移带(PSB)的形成Early s

21、tages of fatigue are primarily a surface phenomenon.612022-4-20疲劳损伤的微观机制622022-4-20疲劳损伤的微观机制Cyclic Slip - initial arrangementsCyclic Hardening632022-4-20疲劳损伤的微观机制Surface reliefShear cracks formation642022-4-20疲劳损伤的微观机制Crack initiation652022-4-20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PS

22、B（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）662022-4-20疲劳损伤的微观机制Crack initiation at pores672022-4-20疲劳损伤的微观机制Cracks initiated in microstructures682022-4-20疲劳损伤的微观机制inclusionsInterior microstructures692022-4-20疲劳损伤的微观机制Process of fatigue702022-4-20疲劳与断裂疲劳断裂力学疲劳与断裂裂纹扩展规律及其运用712022-4-20722022-4-20疲劳裂纹扩展过程

23、疲劳裂纹扩展的两阶段：l Stage I (controlled by shear stress or shear strain);l Stage II (controlled by maximum tensile stress range).Intergranular or transgranular?It dependsShort crackLoading direction732022-4-20Cyclic plastic zone size疲劳裂纹扩展过程742022-4-20Stage I crack growth疲劳裂纹扩展过程752022-4-20Stage II crack g

24、rowth疲劳裂纹扩展过程762022-4-20Stage Ia stage IbStage Ia: single slipStage Ib: double slipStage II: multiple slip疲劳裂纹扩展过程772022-4-20bluntingresharpeningreblunting疲劳裂纹扩展过程Laird model for Stage II fatigue crack growth疲劳辉纹形成过程：疲劳辉纹形成过程：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。loadingunloadingloading782

25、022-4-20792022-4-20疲劳裂纹的尺度问题Several grain diametersInteractions with grain and phase boundaries, precipitates and pores 802022-4-20有有三个阶段。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 accumulationMicrostructurally short cracksMechanically short cracksP

26、hysically short cracksLong cracksfracture疲劳裂纹的尺度问题812022-4-20疲劳裂纹的尺度问题疲劳破坏的多尺度特性822022-4-20832022-4-20长裂纹扩展规律 式中式中C与与n均为与材料有关均为与材料有关的常数，的常数，n通常在通常在2-4之间。之间。()ndaCKdN842022-4-20Paris regimeUnstable regimeNear-threshold regime应力比，环境影响较大，应力比，环境影响较大，微观组织影响较小微观组织影响较小微观组织、应力比，微观组织、应力比，环境影响较大环境影响较大长裂纹扩展规律8

27、52022-4-20疲劳门槛值Kth: fatigue thresholdp 理论上，是裂纹扩展速率为零时的应力强度因子范围。p 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862022-4-20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872022-4-20Microstructure 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882022-4-20In air, R=0.1, f=35Hz，钛合

28、金In vacuum, TiAl intermetallics300C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892022-4-20902022-4-20短裂纹扩展行为短裂纹的扩展特性：1. 短裂纹的扩展受到微观组织的影响很大；2. 短裂纹的扩展速率会高于长裂纹的扩展速率；3. 短裂纹的扩展能在K低于长裂纹疲劳门槛值时扩展。912022-4-20922022-4-20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932022-4-20疲劳裂纹闭合裂纹闭合因子: U942022-4-20疲劳裂纹闭合 plastic-

29、induced crack closure （塑性诱发裂纹闭合） transformation-induced 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）952022-4-20962022-4-20疲劳试验机972022-4-20显微疲劳试验装置982022-4-20原位疲劳试验992022-4-20疲劳试验标准1002022-4-201

30、012022-4-20疲劳断口形貌1022022-4-20Final fracture zoneCrack propagation zoneCrack initiation zonetension-compression mode疲劳断口形貌1032022-4-20Planar transgranular fractureIntergranular faceted fractureTransgranular fractureK increasing微观形貌与扩展驱动力的大小有关！疲劳断口形貌1042022-4-20疲劳断口形貌疲劳辉纹疲劳辉纹: fatigue striation1052022

31、-4-201062022-4-20疲劳断裂的特征 疲劳断裂的应力很低，常常低于静载时的屈服强度1 无明显的宏观塑性变形，无明显预兆，突然破坏2 疲劳破坏是构件经过长期运转后发生的，所受应力越大，断裂前的使用寿命越低3 断口显示裂纹萌生、扩展和断裂三个部分，疲劳性能对工件的表面状态比较敏感4 疲劳性能试验数据分散性较大，具有统计性51072022-4-201082022-4-20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1092022-4-20疲劳失效是工程中最重要、最常见的失效模式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？课程总结1102022-4-20思考题v 疲劳的概念？v 疲劳断裂的特点有哪些？v 疲劳断口的组成？v 疲劳裂纹的萌生机制？v 疲劳线性累积损伤理论的基本思想？v 疲劳裂纹的扩展过程（尺度问题）？v 长裂纹与短裂纹扩展的区别与联系？v 疲劳长裂纹扩展的规律及机理？1112022-4-201122022-4-20