【正文】 1 疲勞破壞及其斷口特征 SN曲線及疲勞裂紋萌生壽命 斷裂失效與斷裂控制設(shè)計(jì) da/dNDK曲線及疲勞 裂紋擴(kuò)展壽命 第十二章 疲勞與斷裂 返回主目錄 2 機(jī)械、結(jié)構(gòu)等 受力如何？ 如何運(yùn)動(dòng)？ 如何變形？破壞？ 如何控制設(shè)計(jì)？ 其 目的 是： 了解工程系統(tǒng)的性態(tài)， 并為其設(shè)計(jì)提供合理的規(guī)則 。 工程力學(xué) : 將力學(xué)原理應(yīng)用實(shí)際工程 系統(tǒng)的科學(xué) 。 性態(tài) 規(guī)則 力學(xué)分析 強(qiáng)度穩(wěn)定 研究對(duì)象是無(wú)缺陷變形體；目的是保證在一次最大載荷作用下有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。 應(yīng)力控制 回 顧 疲勞破壞及其斷口特征 返回主目錄 3 按靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足 ??[?]，為什么還發(fā)生破壞？ 19世紀(jì) 30—40年代，英國(guó)鐵路車(chē)輛輪軸在軸肩處 （應(yīng)力僅為 ?s ）多次發(fā)生破壞； 1954年 1月 , 英國(guó)慧星 (Comet)號(hào)噴氣客機(jī)墜入地中 海（機(jī)身艙門(mén)拐角處開(kāi)裂）； 返回主目錄 4 1967年 12月 15日，美國(guó)西弗吉尼亞的 Point Pleasant橋倒塌， 46人死亡； 1980年 3月 27日，英國(guó)北海油田 Kielland 號(hào)鉆井 平臺(tái)傾復(fù)； 127人落水只救起 89人； 主要原因是由缺陷或裂紋導(dǎo)致的斷裂 。 5 有缺陷怎么辦？ 研究含缺陷材料的強(qiáng)度 斷裂 Fracture 多次載荷作用下如何破壞？ 研究多次使用載荷作用下 裂紋如何萌生、擴(kuò)展。 疲勞 Fatigue amp。 Fracture 缺陷從何而來(lái)？ 材料固有或使用中萌生、擴(kuò)展 疲勞與斷裂 裂紋如何萌生？ 有裂紋是否發(fā)生破壞？ 構(gòu)件能用多長(zhǎng)時(shí)間？ (壽命 ) 6 疲勞斷裂破壞的嚴(yán)重性 1982年，美國(guó)眾議院科學(xué)技術(shù)委員會(huì)委托商業(yè)部國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局 (NBS)調(diào)查斷裂破壞對(duì)美國(guó)經(jīng)濟(jì)的影響。提交報(bào)告 : “美國(guó)斷裂破壞的經(jīng)濟(jì)影響” SP6471 “數(shù)據(jù)資料和經(jīng)濟(jì)分析方法” SP6472 斷裂使美國(guó)一年損失 1190億美元 摘要發(fā)表于 Int. J. of Fracture, Vol23, , 1983 譯文見(jiàn) 力學(xué)進(jìn)展， Vol15， No2， 1985 7 普及斷裂的基本知識(shí)，可減少損失 29%(345億 /年 )。 對(duì)策 設(shè)計(jì)、制造人員了解斷裂，主動(dòng)采取改進(jìn)措施，如設(shè)計(jì)；材料斷裂韌性；冷、熱加工質(zhì)量等。 利用現(xiàn)有研究成果，可再減少損失 24%(285億 /年 )。 包括提高對(duì)缺陷影響、材料韌性、工作應(yīng)力的預(yù)測(cè)能力；改進(jìn)檢查、使用、維護(hù)；建立力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫(kù)；改善設(shè)計(jì)方法更新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等。 剩余的 47%， 有待于進(jìn)一步基礎(chǔ)研究的突破。 如裂紋起始、擴(kuò)展的進(jìn)一步基礎(chǔ)研究；高強(qiáng)度、高韌性、無(wú)缺陷材料的研究等。 8 國(guó)際民航組織 (ICAO)發(fā)表的 “涉及金屬疲勞斷裂的重大飛機(jī)失事調(diào)查”指出： 20世紀(jì) 80年代以來(lái)，由金屬疲勞斷裂引起的機(jī)毀人亡重大事故，平均每年 100次。 (不包括中、蘇 ) Int. J. Fatigue, , , 1984 疲勞斷裂引起的空難達(dá)每年 100次以上 工程實(shí)際中發(fā)生的疲勞斷裂破壞，占全部力學(xué)破壞的 50％ 90%，是機(jī)械、結(jié)構(gòu)失效的最常見(jiàn)形式。 因此，工程技術(shù)人員必須認(rèn)真考慮可能的疲勞斷裂問(wèn)題。 返回主目錄 9 一、 什么是疲勞？ ASTM E20672 疲勞 是在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受 擾動(dòng)應(yīng)力 ，且在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)作用之后形成 裂紋 或完全斷裂的材料中所發(fā)生的 局部 永久結(jié)構(gòu)變化的 發(fā)展過(guò)程 。 研究目的：發(fā)展過(guò)程有多長(zhǎng)？ 預(yù)測(cè)壽命 N。 Nt=Ni+Np 裂紋 萌生 + 擴(kuò)展 擾動(dòng)應(yīng)力，高應(yīng)力局部， 裂紋，發(fā)展過(guò)程。 問(wèn)題的特點(diǎn)： 疲勞破壞及其斷口特征 返回主目錄 10 1. 只有在擾動(dòng)應(yīng)力作用下，疲勞才會(huì)發(fā)生。 擾動(dòng)應(yīng)力，是指隨時(shí)間變化的應(yīng)力。 恒幅循環(huán)載荷最簡(jiǎn)單。 O S DS Smax 恒幅循環(huán) t O S 變幅循環(huán) t t O S 隨機(jī)載荷 車(chē)輪軸 電梯 風(fēng)力 11 恒幅循環(huán)應(yīng)力是最簡(jiǎn)單的。 循環(huán)應(yīng)力 (cyclic stress)的描述： 常用導(dǎo)出量： 平均應(yīng)力 Sm=(Smax+Smin)/2 描述 循環(huán)應(yīng)力水平 的基本量： Smax， Smin S Smax O Smin t Sm Sa Sa DS 應(yīng)力幅 Sa=(SmaxSmin)/2 應(yīng)力比或循環(huán)特性參數(shù) r=Smin/Smax 應(yīng)力變程 DS=SmaxSmin 已知任意二個(gè)量，其余即可導(dǎo)出。 12 設(shè)計(jì)：用 Smax， Smin；直觀； 試驗(yàn)：用 Sm， Sa； 便于加載； 分析：用 Sa， r；突出主要控制參量 , 便于分類(lèi)討論。 主要控制參量 ： Sa，重要影響參量： r 頻率 (f=N/t) 和 波形的影響是較次要的。 應(yīng)力比 r反映了載荷的循環(huán)特性。如 O S t r=1 Smax=Smin O S t r=1 Smax=Smin O S t r=0 Smin=0 對(duì)稱(chēng)循環(huán) 靜載 脈沖循環(huán) 13 2. 破壞起源于高應(yīng)力 、 高應(yīng)變局部 。 應(yīng)力集中處，常常是疲勞破壞的起源。 要研究 細(xì)節(jié)處的應(yīng)力應(yīng)變 。 靜載下的破壞 ， 取決于結(jié)構(gòu)整體； 疲勞破壞則由應(yīng)力或應(yīng)變較高的局部開(kāi)始 ，形成損傷并逐漸累積 ， 導(dǎo)致破壞發(fā)生 。 可見(jiàn) ， 局部性 是疲勞的明顯特點(diǎn) 。 因此，要注意細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，研究細(xì)節(jié)處的應(yīng)力應(yīng)變，盡可能減小應(yīng)力集中。 14 有 裂紋萌生 擴(kuò)展 斷裂 三個(gè)階段。 要研究 疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的機(jī)理及規(guī)律 。 4. 疲勞是從開(kāi)始使用到最后破壞的發(fā)展過(guò)程。 壽命（過(guò)程的長(zhǎng)短） 取決于載荷、作用次數(shù)和材料的疲勞抗力。 Ntotal=Ninitiation+Npropagation 要研究 壽命預(yù)測(cè)的方法 疲勞研究的 目的 。 15 飛機(jī)輪轂疲勞斷口 1) 有裂紋源、裂紋擴(kuò)展 區(qū)和最后斷裂區(qū)三個(gè) 部分。 裂紋源 裂紋擴(kuò)展區(qū) 海灘條帶 最后 斷裂區(qū) 二、 疲勞斷口特征 2) 裂紋擴(kuò)展區(qū)斷面較光 滑，可見(jiàn) “海灘條帶” , 還有腐蝕痕跡。 高倍電鏡可見(jiàn) 疲勞條紋 (Cr12Ni2WMoV鋼 ) 金屬學(xué)報(bào) ,85) 肉眼 透射電鏡 ， 13萬(wàn)倍 16 3) 裂紋源在高應(yīng)力局部 或材料缺陷處。 飛機(jī)輪轂疲勞斷口 裂紋源 二、 疲勞斷口特征 4)與靜載破壞相比，即 使是延性材料，也沒(méi) 有明顯的塑性變形。 5) 實(shí)際工程中的表面裂紋，多呈半橢圓形。 延性材料靜載破壞 疲勞破壞 裂紋源 17 疲勞破壞與靜載破壞之比較 疲勞破壞 S＜ Su 破壞是局部損傷累積的結(jié)果。 斷口光滑，有海灘條帶或腐蝕痕跡。有裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)。 無(wú)明顯塑性變形。 應(yīng)力集中對(duì)壽命影響大。 由斷口可分析 裂紋起因 、 擴(kuò)展信息 、 臨界裂紋尺寸 、 破壞載荷 等，是 失效分析 的重要依據(jù)。 靜載破壞 S＞ Su 破壞是瞬間發(fā)生的。 斷口粗糙，新鮮，無(wú)表面磨蝕及腐蝕痕跡。 韌性材料塑性變形明顯。 應(yīng)力集中對(duì)極限承載能力 影響不大。 18 疲勞斷口分析，有助于判斷失效原因，可為改進(jìn)疲勞研究和抗疲勞設(shè)計(jì)提供參考。 因此，應(yīng)盡量保護(hù)斷口，避免損失了寶貴的信息。 由疲勞斷口進(jìn)行初步失效分析 斷口宏觀形貌 : 是否疲勞破壞 ? 裂紋臨界尺寸 ? 破壞載荷？ 是否正常破壞？ 金相或低倍觀察 ： 裂紋源？是否有材料缺陷？缺陷的類(lèi)型和大小？ 高倍