结构疲劳与断裂-PPT课件.ppt

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1、结构疲劳与断裂殷之平2019~2019西北工业大学航空学院《结构疲劳与断裂》课件疲劳定义日内瓦的国际标准化组织（ISO）在1964年发表的报告“金属疲劳试验的一般原理”中给疲劳下了一个描述性的定义：“金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能叫做疲劳”。这一描述也普遍适用于非金属材料。绪论疲劳学及断裂力学的发展早在1843年，英国工程师W.J.M..Rankine的注意到机械部件存在应力集中的危险性。1852~1869年期间，A.Wohler提出利用应力幅-寿命（S-N）曲线来描述疲劳行为的方法，并且提出了疲劳“耐久极限”这

2、个概念。1926年，英国的H.J.Gough发表了《金属疲劳》一书，一年之后，美国的H.F.Moore和J.B.Kommers也用同样的书名发表了他们的著作。在20世纪二三十年代，疲劳已发展成为一个重要的科学研究领域。在20世纪初，Ewing和Humfrey就已经在他们的著作中对微观裂纹慢速扩展所引起的金属疲劳作了描述，不能直接用这些理论来描述金属材料的疲劳破坏。1957年，Irwin指出可以用一个称作为应力强度因子的标量K来表示裂纹顶端应力奇异性的大小，从而开拓了了关于裂纹扩展引起的金属疲劳问题的研究，这就是现在断裂力学普遍

3、使用的线弹性断裂力学。1961年，Pairs等人首先指出，在恒幅循环加载中，疲劳裂纹在每个应力循环过程中的扩展量da/dN与应力强度因子范围△K有关。疲劳学与断裂力学的关系疲劳学研究重复载荷下材料及结构的疲劳强度及疲劳寿命问题。他以多年积累的疲劳试验数据，丰富的服役使用经验教训，研究工作者进行的大量宏、微观断口分析，深入的机理探索和已经建立的各类积累损伤理论为基础。断裂力学研究带裂纹体的强度问题。它主要由三部分组成：静态断裂部分研究带裂纹体应力应变规律，工程上着重解决带裂纹体的剩余强度问题；疲劳裂纹扩展部分探索裂纹扩展机理、模

4、型及裂纹扩展寿命问题；断裂力学部分应用于腐蚀环境，着重解决应力腐蚀开裂及腐蚀对裂纹扩展加速的问题。疲劳破坏过程按裂纹扩展过程可分为下面几个阶段：（1）亚结构和显微结构发生变化，从而永久损伤形核；（2）产生微观裂纹；（3）微观裂纹长大和合并，形成“主导”裂纹。（4）主导宏观裂纹的稳定扩展。（5）结构失去稳定性或完全断裂。现在的研究趋于统一的疲劳概念。疲劳设计方法1、无限寿命设计德国工程师AugustWohler进行了一系列的试验研究，引入了应力－寿命（S-N）曲线和疲劳极限的概念，由此可知：对于无裂纹构件，控制其应力水平，使其小

5、于疲劳持久极限（σf），则不萌生疲劳裂纹。即无限寿命设计（Infinite－lifedesign）条件为σ<σf材料的疲劳持久极限σf由S－N曲线给出。2、安全寿命设计无限寿命要求将构件中的使用应力控制在很低的水平，材料的潜力得不到充分发挥。1945年，M.A.Miner提出了变幅载荷作用下的疲劳损伤累计方法和盘踞使变幅载荷作用下的疲劳寿命预测成为可能。使构件在有限长设计寿命内，不发生疲劳破坏的设计，称为安全寿命设计（Safe－lifedesign）或有限寿命设计。材料的S-N曲线和Miner累计损伤理论，是安全寿命设计的基础

6、。3、损伤容限设计由于裂纹的存在，安全寿命设计不能完全确保安全。Irwin提出了裂纹尖端场控制参量——应力强度因子K的概念，为线弹性断裂力学和疲劳裂纹扩展规律的研究奠定了基础。1963年，Paris提出疲劳裂纹扩展速率可以由应力强度因子幅度△K来描述，这使疲劳裂纹扩展寿命研究得到快速发展。损伤容限设计（Damagetolerancedesign），为保证含裂纹的重要构件的安全：假设构件中存在裂纹，用断裂力学分析、疲劳裂纹扩展分析和试验验证，保证在定期检查肯定能发现裂纹之前，裂纹不会扩展到足以引起破坏。断裂判据和裂纹扩展速率方程

7、是损伤容限设计的基础。4、“安全-寿命”和“失效-安全”概念在使用疲劳设计的安全-寿命处理方法时，当部件运行到预期的安全寿命时，即使它在服役中并没有发生任何破坏（即部件仍有相当长的剩余疲劳寿命），也要令其退役。所以该方法的重点在于预防疲劳裂纹的萌生。相反，失效-安全概念的设计原则是如果在一个大构件中即使有个别零件失效，其剩余部分应该保持足够的结构完整性，使构件能安全运行到检测到裂纹为止。无论使用哪一种设计原理，最好能对构件的关键部分实行定期检查。这种措施可以消除设计错误引起的危险后果；采用安全-寿命方法进行设计时，这一点表现得

8、更为突出。载荷假设准则静强度静态（准静态）材料均匀强度准则疲劳交变载荷（1）材料均匀（2）不连续（裂纹）疲劳极限断裂（1）静载荷（2）交变载荷（1）材料均匀（2）含裂纹结构裂纹尖端应力强度因子、断裂韧性第一章疲劳基本特征和断口分析1.1疲劳破坏的基本特征1.2疲劳破坏的机理1