《疲劳与断裂CAI》PPT课件

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1、12.1疲劳破坏及其断口特征12.2S-N曲线及疲劳裂纹萌生寿命12.3断裂失效与断裂控制设计12.4da/dN-DK曲线及疲劳裂纹扩展寿命第十二章疲劳与断裂返回主目录1机械、结构等受力如何？如何运动？如何变形？破坏？如何控制设计？其目的是：了解工程系统的性态，并为其设计提供合理的规则。工程力学:将力学原理应用实际工程系统的科学。性态规则力学分析强度稳定研究对象是无缺陷变形体；目的是保证在一次最大载荷作用下有足够的强度和稳定性。应力控制回顾12.1疲劳破坏及其断口特征返回主目录2按静强度设计，满足[]，为什么还发生破坏？19世纪30—40年代，英国铁路车辆轮轴在轴肩处（应力仅为0.4s

2、）多次发生破坏；1954年1月,英国慧星(Comet)号喷气客机坠入地中海（机身舱门拐角处开裂）；返回主目录31967年12月15日，美国西弗吉尼亚的PointPleasant桥倒塌，46人死亡；1980年3月27日，英国北海油田Kielland号钻井平台倾复；127人落水只救起89人；主要原因是由缺陷或裂纹导致的断裂。4有缺陷怎么办？研究含缺陷材料的强度--断裂Fracture多次载荷作用下如何破坏？研究多次使用载荷作用下裂纹如何萌生、扩展。--疲劳Fatigue&Fracture缺陷从何而来？材料固有或使用中萌生、扩展--疲劳与断裂裂纹如何萌生？有裂纹是否发生破坏？构件能用多长时间？(寿命

3、)5疲劳断裂破坏的严重性1982年，美国众议院科学技术委员会委托商业部国家标准局(NBS)调查断裂破坏对美国经济的影响。提交报告:“美国断裂破坏的经济影响”SP647-1“数据资料和经济分析方法”SP647-2断裂使美国一年损失1190亿美元摘要发表于Int.J.ofFracture,Vol23,No.3,1983译文见力学进展，Vol15，No2，19856普及断裂的基本知识，可减少损失29%(345亿/年)。对策设计、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。利用现有研究成果，可再减少损失24%(285亿/年)。包括提高对缺陷影响、材料韧性、工作应力的预测

4、能力；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。剩余的47%，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、高韧性、无缺陷材料的研究等。7国际民航组织(ICAO)发表的“涉及金属疲劳断裂的重大飞机失事调查”指出：20世纪80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100次。(不包括中、苏)Int.J.Fatigue,Vol.6,No.1,1984疲劳断裂引起的空难达每年100次以上工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破坏的50％-90%，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裂问题。返回主

5、目录8一、什么是疲劳？ASTME206-72疲劳是在某点或某些点承受扰动应力，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。研究目的：发展过程有多长？预测寿命N。Nt=Ni+Np裂纹萌生+扩展扰动应力，高应力局部，裂纹，发展过程。问题的特点：12.1疲劳破坏及其断口特征返回主目录91.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。恒幅循环载荷最简单。OSDSSmax恒幅循环tOS变幅循环ttOS随机载荷车轮轴电梯风力10恒幅循环应力是最简单的。循环应力(cyclicstress)的描述：常用导出量：平均应力Sm=(Smax+Sm

6、in)/2描述循环应力水平的基本量：Smax，SminSSmaxOSmintSmSaSaDS应力幅Sa=(Smax-Smin)/2应力比或循环特性参数r=Smin/Smax应力变程DS=Smax-Smin已知任意二个量，其余即可导出。11设计：用Smax，Smin；直观；试验：用Sm，Sa；便于加载；分析：用Sa，r；突出主要控制参量,便于分类讨论。主要控制参量：Sa，重要影响参量：r频率(f=N/t)和波形的影响是较次要的。应力比r反映了载荷的循环特性。如OStr=-1Smax=-SminOStr=1Smax=SminOStr=0Smin=0对称循环静载脉冲循环122.破坏起源于高应力、高应

7、变局部。应力集中处，常常是疲劳破坏的起源。要研究细节处的应力应变。静载下的破坏，取决于结构整体；疲劳破坏则由应力或应变较高的局部开始，形成损伤并逐渐累积，导致破坏发生。可见，局部性是疲劳的明显特点。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。133.疲劳损伤的结果是形成裂纹有裂纹萌生-扩展-断裂三个阶段。要研究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