nCode培训_——疲劳理论

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1、nCode学院培训课程：疲劳失效及寿命预测2012年1内容金属疲劳失效的原因是什么金属疲劳失效的原因是什么？金属疲劳失效的原因是什么？？？•什么是金属疲劳？•外因：载荷的变化•怎样预测疲劳寿命？•内因：金属中有位错2什么是金属疲劳什么是金属疲劳？什么是金属疲劳？？？•疲劳是一种机械损伤过程，在这一过程中即使名义应力低于材料的屈服强度，载荷的反复变化也将引起失效什么是金属疲劳？•疲劳一般包含裂纹萌生和随后的裂纹扩展两个过程，循环塑性变形是金属产生疲劳的主要原因1疲劳失效裂纹起始和扩展•在美国已经得到确认，由于•裂

2、纹的形成使得裂纹尖端的应力高度集中，处于循环塑性变形，进而产品的疲劳问题所引起的损导致裂纹的进一步扩展。失占国民生产总值的4％左右(约1200亿美元).•中国机械工程手册在第6章“结构疲劳强度设计”中指出：机械零构件80％以上为疲劳破坏，因此对于承受循环载荷的零构件都应进行疲劳强度设计。裂纹尖端应力高度集中疲劳失效机理疲劳失效机理：疲劳失效机理：：：小裂纹的起始和扩展小裂纹的起始和扩展第二阶段裂纹扩展快速断裂区交变应力~1mm位错滑移第一阶段第二阶段海滩状裂纹扩展区位错滑移和第一阶段裂纹扩展长裂纹的扩展交变应力

3、金属表面单裂纹扩展最大剪应力面位错滑移带多裂纹扩展耦合2疲劳寿命定义•裂纹起始寿命怎样预测疲劳寿命？•裂纹扩展寿命•总寿命影响疲劳寿命的关键因素疲劳发展简史(1/2)•应力或应变变化范围•平均应力•1839年，Poncelet首先使用“疲劳”一词。•1849年，英国机械工程学会（IMechE）辩论结晶理论•1864年，Fairbairn用交变载荷对船链进行了实验•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•1886年，Bauschinger首先确

4、证了应力-应变滞回线•1903年，Ewing和Humphrey证明结晶理论是不正确的，指出疲劳是由于塑性变形所引起•1910年，Bairstow调查了应变循环中的应力-应变响应，提出了循环硬化和循环软化概念•1920年，Griffith研究了玻璃中的裂纹，由此诞生了断裂力学影响疲劳寿命的其它因素Wohler疲劳试验•应力集中（应力梯度）•表面加工•表面处理•尺寸效应加载频率加载频率、加载频率、、、波形对室温疲劳影响很小波形对室温疲劳影响很小波形对室温疲劳影响很小！波形对室温疲劳影响很小！！！1871年，Wohl

5、er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。3Wohler曲线和疲劳极限Nf=Ni+Np应力幅总寿命=裂纹起始寿命+裂纹扩展寿命1个应力循环光滑试样应力幅缺口试样名义应力法S-N局部应变法(e-N)断裂力学法Log(Nf,疲劳循环次数)疲劳发展简史(2/2)名义应力(S-N)法法法•1955年，Manson和Coffin研究了应变条件控制下的疲劳，热循环、低周疲劳及塑性应变问题。同样的名义应力同样的名义应力，同样的名义应力，，，同样的疲劳总寿命同样的疲劳总寿命!•1

6、959年，Paris首先提出了一种用断裂力学参数处理裂纹扩展的方法。•1961年，Neuber建议了一种方法，估计应力集中处弹塑性应力应变。•1968年，Matsuishi和Endo提出了雨流循环计数方法。snom•1981年，能够进行合理疲劳计算的计算机得到了发展。•1982年，nCode国际有限公司成立，开发和销售疲劳寿命snom预测软件，提供疲劳咨询服务。对付高周疲劳三种基本三种基本（三种基本（（（经典经典经典）经典）））的疲劳寿命估计方法的疲劳寿命估计方法S-N曲线定义•S-N(总寿命法)名义应力或弹性

7、应力和总寿命之间的关系应力范围•e-N(裂纹起始寿命法)局部应变和裂纹起始寿命之间的关系1个应力循环()b1DS=SRI1Nb11•LEFM(裂纹扩展寿命法)应力范围应力强度因子和裂纹扩展速率之间的关系b2Log1疲劳极限这些方法依赖于相似性这些方法依赖于相似性！这些方法依赖于相似性！！！LogNf总寿命4试样和实际零件的差别裂纹扩展寿命法试样零件同样的应力强度因子同样的应力强度因子，同样的应力强度因子，，，同样的同样的同样的裂纹扩展速率同样的裂纹扩展速率裂纹扩展速率！裂纹扩展速率！！！•通常没有应力集中•有应

8、力集中•表面光洁度一定•表面光洁度多样•通常不进行表面处理•表面可能经过处理•尺寸一定•尺寸不同•等幅加载•通常为变幅加载•均值不变(通常为0)•均值变化应用于损伤容限设计局部应变(e-N)法法法DDDK-da/dN曲线定义•1959年，Paris首先提出了一种用断裂力学参数处理裂纹扩展的方法!同样的局部应变同样的局部应变，同样的局部应变，，，同样的裂纹起始寿命同样的裂纹起始寿命!R=