疲劳裂纹扩展相关概念要点课件.ppt
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1、疲劳裂纹扩展,断 裂 力 学,一、疲劳裂纹扩展概述,二、疲劳裂纹扩展速率,三、疲劳裂纹扩展的机理与 的理论公式,四、疲劳裂纹扩展寿命预测,五、影响疲劳裂纹扩展速率的因素,疲劳裂纹扩展,北京交通大学土建学院 李常武,1、疲劳裂纹扩展的概念 2、疲劳破坏特点3、疲劳破坏过程4、构件的疲劳设计,一、疲劳裂纹扩展概述,1、疲劳裂纹扩展的概念,Fatigue crack growth,承受结构或元件,由于交变载荷的作用,或者由于载荷和环境侵蚀的联合作用,会产生微小的裂纹,裂纹将随着交变载荷周次的增加或环境侵蚀时间的延长而逐渐扩展。随着裂纹尺寸增大,结构或元件的剩余强度逐步减小,最后导致断裂。,1、疲劳裂
2、纹扩展的概念,疲劳裂纹的萌生从宏观而言,总是起源于应力集中区、高应变区、强度最弱的基体、结构拐角、加工切削裂焊缝、腐蚀坑等区域。从微观而言可分为滑移带开裂、晶界开裂、非金属夹杂(或第二相)与基体界面开裂三种机制。,2、疲劳破坏特点,具有初始裂纹或缺陷的构件,即使这些初裂纹或缺陷未达到失稳扩展的临界尺寸,但是在交变应力作用下,也会逐渐扩展,导致疲劳破坏。对于没有宏观裂纹的试件,在交变应力作用下,也可能萌生裂纹,最后裂纹扩展直到断裂。因此,疲劳破坏时的应力远比静载荷破坏应力低,而且疲劳破坏时一般都没有明显的塑性变形,对工程结构的危害很大,这是要努力避免的。统计结果表明,在各种机械零件的断裂事故中,
3、大约有80%以上是由于疲劳失效引起的。,3、疲劳破坏过程,疲劳破坏过程比较复杂,受很多因素的影响,大致分为四个阶段:,(1)裂纹成核阶段,交变应力 作用 滑移 金属的挤出和挤入 形成微裂纹的核,(2)微观裂纹扩展阶段,也称为裂纹扩展的第一阶段,一旦微观裂纹成核,就沿着滑移面扩展,这个面与主应力约成45的剪应力作用面。深入表面较浅,大约十几微米,深度在0.05mm以内,非单一裂纹,(3)宏观裂纹扩展阶段,也称为裂纹扩展的第二阶段,裂纹扩展方向基本上与主应力垂直,为单一裂纹,一般裂纹长度a在(为裂纹临界尺寸)范围内的扩展为宏观裂纹扩展阶段,图4-2,3、疲劳破坏过程,3、疲劳破坏过程,图4-2,(
4、4)瞬时断裂阶段,当裂纹扩大到临界尺寸 时,产生失稳扩展而很快断裂。,在疲劳宏观断口上往往有两个区域,即光滑区域和颗粒状区域。因为在裂纹扩展过程中,裂纹的两个表面在交变荷载下,时而压紧,时而分开,多次反复,这就形成了光滑区。断口的颗粒状粗糙区则是最后突然断裂形成的,3、疲劳破坏过程,动画演示:http:/,4、构件的疲劳设计,研究疲劳扩展的意义,最早的“无限寿命”设计,要求在无限长的试用期内,不发生疲劳破坏。,以最大应力为纵坐标,循环次数(寿命)为横坐标,将疲劳试验结果描绘成的曲线,称为应力寿命曲线或SN曲线。,若钢材经过107 次循环仍未疲劳,则再增加循环次数,也不会疲劳。就把这时的最大应力
5、,规定为这种钢材的持久极限。,常温试验结果表明:,对称循环下,构件的疲劳强度条件为,n 安全因数,构件的疲劳极限,尺寸影响系数,表面强化处理影响系数,外形影响系数,4、构件的疲劳设计,“安全寿命”设计:需要建立疲劳载荷谱,测定S-N曲线(S为交变应力,N为应力循环周数),并用累积损伤理论估算“安全寿命”。,综上,以上两种方法所依据的S-N曲线,是用无裂纹光滑试样测得的,不能充分保证构件的可靠性和经济性。,可靠性不能保证因为工程中的实际构件,在制造和使用中,往往已经存在裂纹和缺陷。,经济性不能保证有些裂纹体具有相当长的裂纹扩展寿命,而传统的设计却不允许构件有宏观裂纹。,4、构件的疲劳设计,断裂力
6、学正好解决了上述矛盾设计原则为:容许构件在使用期内出现裂纹,但必须有足够的裂纹亚临界扩展寿命,以保证在使用期内裂纹不会失稳扩展而导致构件破坏。需具备条件:需要具备监测裂纹及其扩展的手段,了解材料和构件的裂纹扩张规律,掌握裂纹扩展寿命的计算方法,以上这些还不完善,需要进一步研究和发展。,4、构件的疲劳设计,疲劳裂纹扩展的定量表示用 或,是交变应力的循环次数增量,是相应的裂纹长度的增量。,二、疲劳裂纹扩展速率,称为疲劳裂纹扩展速率,表示交变应力每循环一次裂纹长度的平均增量,它是裂纹长度a、应力幅度或应变幅度的函数。,Paris等对A533钢在室温下,针对 的情况收集了大量数据,总结除了著名的经验公
7、式,帕里斯公式。,在低振幅下观察到,而在高振幅下为,对数形式,对应图4-3,二、疲劳裂纹扩展速率,Paris(帕里斯)公式(1963年),C、m是材料常数,对于同一材料,m不随构件的形状和载荷性质而改变,常数C与材料的力学性质(如 及硬化指数等)、试验条件有关。,二、疲劳裂纹扩展速率,第一阶段低速率区也称做疲劳裂纹扩展缓慢区,存在着一个疲劳裂纹扩展的门槛值 当 低于 疲劳裂纹不扩展或扩展速率极其缓慢,在室温及R=0.1条件下A533钢的疲劳裂纹扩展曲线,图4-4,第二阶段:中速率裂纹扩展区疲劳裂纹扩展遵循幂函数规律,也就是疲劳裂纹扩展率可以用应力强度幅值 的幂函数表示,这就是目前采用的Pari
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