材料的疲劳损伤与断裂课件.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-2014精品课件主要内容1234精品课件工程中的疲劳现象精品课件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）工程中的疲劳现象精品课件工程中的疲劳现象精品课件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全焊接舰船断裂精品课件工程中的疲劳现象2005.4.25,2005.4.25

2、,上午上午9 9：20,20,日本兵库县日本兵库县尼崎市列车脱轨：死亡尼崎市列车脱轨：死亡106106人，伤人，伤400400人人 1998.6.31998.6.3，德国埃舍德小镇，高速，德国埃舍德小镇，高速列车脱轨：列车脱轨：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精品课件工程中的疲劳现象转子轴转子轴精品课件工程中的疲劳现象整机结构强度试验整机结构强度试验:机翼破坏试验机翼破坏试验精品课件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300m 300m 球径球径

3、45m45m精品课件工程中的疲劳现象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 行车大梁精品课件工程中的疲劳现象Case 2:rotating shaft with overhung flywheelService conditions:

4、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精品课件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疲疲疲劳劳劳劳的的的的核核核核心心心心问问问问题题题题精品课件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精品课件疲劳的发展历史疲劳的发展历史精品课件疲劳的发展历史十九世纪的疲劳发展18291839186

5、0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。经验试验精品课件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。疲劳的发展历史精品课件1910s-1960s疲劳发展191019501960Basquin提出了S与N的关系式。Bairstow给出

6、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精品课件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

7、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精品课件疲劳的基本概念疲劳的基本概念精品课件疲劳的基本概念 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 The process process of of progressive progressive localized localized permanent permanent

8、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 ma

9、y culminate culminate in in crack crack or or complete complete fracture fracture after a sufficient number of fluctuations.after a sufficient number of fluctuations.ASTM E206-72精品课件疲劳的分类重要的学科体系疲劳的基本概念精品课件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随机载荷疲劳载荷的类型 tt 精品课件疲劳

10、的基本概念平均应力平均应力 S Sm m=(S=(Smaxmax+S+Sminmin)/2 )/2 (1)(1)应力幅应力幅 S Sa a=(S=(Smaxmax-S-Sminmin)/2 )/2 (2)(2)应力范围应力范围 S=SS=Smaxmax-S-Smin min (3)(3)应力比应力比 R=SR=Sminmin/S/Smaxmax恒幅循环参数设计：用设计：用S Smaxmax，S Sminmin ，直观；，直观；试验：用试验：用S Sm m，S Sa a ，便于加载；，便于加载；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,便于分类讨论。便于分类讨论。

11、精品课件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精品课件疲劳的基本概念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=N/tf=100 Hz,t=100 h,f=100 Hz,t=100 h,N=ft=3.6 N=ft=3.6 10107 7(cycles(cycles)精品课件材料的疲劳性能材料的疲劳性能精品课件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 curv

12、e-N curve疲劳裂纹扩展特性da/dN curve精品课件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单调拉伸和单调压缩曲线关于原点单调拉伸和单调压缩曲线关于原点单调拉伸和单调压缩曲线关于原点O O O O对称；在对称；在对称；在对称；在屈服极限屈服极限屈服极限屈服极限A A A A点以内是直线。点以内是直线。点以内是直线。点以内是直线。-S-e单调-曲线精品课件材料的疲劳性能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。精品课件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

13、的应力-应变曲线形成的封闭曲线。总应变幅=弹性应变幅+塑性应变幅精品课件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。精品课件材料的疲劳性能A为循环强化系数，为循环硬化指数。循环应力-应变曲线精品课件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。精品课件材料的疲劳性能Basquins equatio

14、nBasquins equationManson-Coffin relationshipManson-Coffin relationshipTransition fatigue life精品课件材料的疲劳性能精品课件材料的疲劳性能精品课件材料的疲劳性能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。精品课件疲劳强度的影响因素疲劳强度的影响因素精品课件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。精品课件疲劳强度的影响因素平平均均应应力力 m m（横横坐坐标标）与与应应力力幅幅

15、 a a（纵纵坐坐标标）之之间间的的关关系系曲曲线线（由由实实验验数数据据获获得得），反反映映相相同同材材料料在在不不同同应应力力循循环环特特性性时时疲疲劳劳极极限限的的差差异异。塑塑性性材材料料的的疲疲劳劳极极限限应应力力图图如如下下图图所所示示，曲曲线线近近似似呈呈抛抛物物线线分分布布。曲曲线线上上A A点点的的坐坐标标表表示示对对称称循循环环点点，B B点点的的坐坐标标表表示示脉脉动动循循环环点点，C C点点的坐标表示的坐标表示静应力点静应力点。疲劳极限应力图疲劳极限应力图精品课件疲劳强度的影响因素Modified Goodman lineGerber Parabola精品课件疲劳强度的

16、影响因素等效应力幅等效应力幅精品课件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。精品课件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。精品课件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精品课件疲劳强度的影响因素加载方式精品课件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

17、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。精品课件疲劳强度的影响因素精品课件疲劳与损伤精品课件损伤的概念损伤的概念精品课件损伤的概念损伤(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

18、为的影响。精品课件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MinerMiner疲劳损伤疲劳损伤D D1/N1/N剩余刚度剩余刚度E E，D D1-E/E1-E/E0 0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、滞后能等精品课件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

19、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精品课件疲劳累积损伤理论疲劳累积损伤理论精品课件疲劳累积损伤理论疲劳损伤D精品课件疲劳累积损伤理论Palmgren-MinerPalmgren-Miner理论，简称理论，简称MinerMiner理论。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

20、次序的影响缺点：没有考虑载荷次序的影响精品课件疲劳累积损伤理论精品课件疲劳损伤的微观机制疲劳损伤的微观机制精品课件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，形，试样内部的位错密度高，形成驻留滑移带成驻留滑移带(PSB)(PSB)。循环变形的特点Coarse slipFine slipStress concentration精品课件疲劳损伤的微观机制104cycles5104cycles2.7105cyclesSlip lines intensified永久滑移带永久滑移带(PSB

21、)(PSB)的形成的形成Early stages of fatigue are primarily a surface phenomenon.Early stages of fatigue are primarily a surface phenomenon.Early stages of fatigue are primarily a surface phenomenon.Early stages of fatigue are primarily a surface phenomenon.精品课件疲劳损伤的微观机制精品课件疲劳损伤的微观机制Cyclic Slip-initial arrang

22、ementsCyclic Hardening精品课件疲劳损伤的微观机制Surface reliefShear cracks formation精品课件疲劳损伤的微观机制Crack initiation精品课件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，孪晶界，二次相颗粒，孔洞等）精品课件疲劳损伤的微观机制Crack initiation at pores精品课件疲劳损伤的微观机制Cracks initiated in microstructures精品课件疲劳损伤的微观机制inc

23、lusionsInterior microstructures精品课件疲劳损伤的微观机制Process of fatigue精品课件疲劳与断裂裂纹扩展规律及其运用精品课件疲劳裂纹扩展过程疲劳裂纹扩展过程精品课件疲劳裂纹扩展过程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 crackShort crackLoad

24、ing direction精品课件Cyclic plastic zone size疲劳裂纹扩展过程精品课件Stage I crack growth疲劳裂纹扩展过程精品课件Stage II crack growth疲劳裂纹扩展过程精品课件Stage Ia stage IbStage Ia:single slipStage Ib:double slipStage II:multiple slip疲劳裂纹扩展过程精品课件疲劳裂纹扩展过程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

25、，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。loadingunloadingloading精品课件疲劳裂纹的尺度问题疲劳裂纹的尺度问题精品课件疲劳裂纹的尺度问题Several grain diametersInteractions with grain and phase boundaries,precipitates and pores 精品课件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。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 acc

26、umulationMicrostructurally short cracksMechanically short cracksPhysically short cracksLong cracksfracture疲劳裂纹的尺度问题精品课件疲劳裂纹的尺度问题疲劳破坏的多尺度特性精品课件长裂纹扩展规律长裂纹扩展规律精品课件长裂纹扩展规律1963196319631963年年年年ParisParisParisParis首首首首先先先先把把把把断断断断裂裂裂裂力力力力学学学学引引引引入入入入了了了了疲疲疲疲劳劳劳劳裂裂裂裂纹纹纹纹的的的的扩扩扩扩展展展展，并并并并认认认认为为为为扩扩扩扩展展展展速速速速

27、率率率率受受受受控控控控于于于于裂裂裂裂纹纹纹纹尖尖尖尖端端端端的的的的应应应应力力力力强强强强度度度度因因因因子子子子范范范范围围围围KKKK，K=KK=KK=KK=Kmaxmaxmaxmax-K-K-K-Kminminminmin。式中式中C C与与n n均为与材料有关均为与材料有关的常数，的常数，n n通常在通常在2-42-4之间。之间。精品课件Paris regimeParis regimeUnstable Unstable regimeregimeNear-thresholdNear-threshold regime regime应力比，环境影响较大，应力比，环境影响较大，微观组织影

28、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精品课件疲劳门槛值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长裂纹扩展规律精品课件随着应力比增大，疲劳裂纹扩展速率增大，疲劳门槛值减小。长裂纹扩展规律精品课件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。长裂纹扩展规律精品课件In a

29、ir,R=0.1,f=35Hz，钛合金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。长裂纹扩展规律精品课件短裂纹扩展行为短裂纹扩展行为精品课件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。精品课件疲劳裂纹闭合疲劳裂纹闭合精品课件疲劳裂纹闭合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精品课件疲劳裂纹闭合裂纹闭合因子:U精品课件疲劳裂纹闭合 plastic-induce

30、d 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）精品课件疲劳试验疲劳试验精品课件疲劳试验机精品课件显微疲劳试验装置精品课件原位疲劳试验精品课件疲劳试验标准精品课件疲劳断口形貌疲劳断口形貌精品课件疲劳断口形貌精品课件Final fracture zoneCrack

31、 propagation zoneCrack initiation zonetension-compression modetension-compression mode疲劳断口形貌精品课件Planar transgranular fractureIntergranular faceted fractureTransgranular fractureK increasing微观形貌与扩展驱动力的大小有关！疲劳断口形貌精品课件疲劳断口形貌疲劳辉纹疲劳辉纹:fatigue striation:fatigue striation精品课件疲劳断裂的特征疲劳断裂的特征精品课件疲劳断裂的特征精品课件课程总结课程总结精品课件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精品课件疲劳失效是工程中最重要、最常见的失效模式疲疲疲疲劳劳劳劳的的的的核核核核心心心心问问问问题题题题课程总结精品课件思考题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？精品课件谢谢！谢谢！精品课件