（机械制造及其自动化专业论文）拉压载荷下304不锈钢低周疲劳断裂特性的研究.pdf

1 一 ， ” c t u r ep r o p e r t i e so f3 0 4s t a i n l e s s s t e e lu n d e r t e n s i l ea n dc o m p r e s s i v el o a d i n g b y l i uj i a n h u i b e ( t h ef i r s ta v i a t i o na c a d e m yo fc h i n e s ea i rf o r c e ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw e i y a o b i n g m a y ，2 0 1 1 3 册m 2m 5 舢8删8 川im y ， 、 竹 p 原创性声明 声明和使用授权说明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：亨1 黟穆1 日期：卿厂月日 学位论文版权使用授权书 1 。1 。_ 目录 摘要i a b s t r a c t i i 插图索引i v 附表索引 第1 章绪论1 1 1 课题研究的目的和意义1 1 2 低周疲劳国内外研究现状2 1 3 疲劳理论的发展3 1 4 断裂理论7 1 5 本章小结一1 0 第2 章实验内容与方法1 2 2 1 实验材料1 2 2 2 实验设备1 2 2 3 试样制备1 2 2 4 常规力学性能测试1 4 2 5 疲劳断裂的影响因素1 4 2 6 疲劳实验一1 7 2 6 1 实验目的1 7 2 6 2 光滑试样疲劳试验1 7 2 6 3 切口试样疲劳试验1 7 2 7 断口s e m 观察1 8 2 8 本章小结1 8 第3 章实验结果及分析1 9 3 1 常规力学性能1 9 3 2 光滑试样疲劳实验结果及分析1 9 3 2 1 光滑试件实验结果1 9 3 2 2 应力寿命曲线及条件疲劳极限一1 9 3 2 3 应变寿命分析2 1 3 2 4 厶皂量寿命关系分析2 3 3 3 切口试件数据处理及分析2 4 3 3 1 疲劳缺口系数2 4 3 3 2 切口试样实验结果2 5 3 3 3 切口试件应力寿命曲线2 5 3 3 4 切口深度对疲劳寿命的影响2 6 3 4 本章小结2 7 第4 章断口分析2 8 4 1 断口宏观分析2 8 4 2 断口微观分析3 0 4 2 1 光滑试件断口微观分析3 0 4 2 2 切口试件断口微观分析3 5 4 3 本章小结3 9 第5 章3 0 4 不锈钢低周疲劳断裂机理及特性4 1 5 1 金属疲劳断裂破坏机理一4 1 5 1 1 疲劳裂纹萌生机理4 1 5 1 2 疲劳裂纹扩展机理4 2 5 23 0 4 不锈钢的断裂特性4 4 5 2 1 光滑试样的断裂特性4 4 5 2 2 切口试样的断裂特性4 6 5 3 本章小结4 8 第6 章总结与展望4 9 参考文献5 1 至5 【谢。 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录 i i 硕十学何论文 摘要 本文主要是通过实验来研究3 0 4 不锈钢的低周疲劳断裂特性以及断口特性。 在试验中加载方式采用控制应力方式在岛津( s h i m a d z u ) e h f e m l 0 0 k n 电液 伺服高频疲劳试验机对试件进行疲劳试验。试样分为光滑试样和带切口的试样， 其中试样长度是按照试验机的要求和国家标准来加工的，切口深度、角度以及切 口尖端半径是根据实验的目的来加工的，在试件上加工切口主要是为了考虑切口 深度对试件寿命的影响；在日立s 3 4 0 0 n 扫描电镜上对疲劳断口进行观察，分析 断口裂纹源区、裂纹扩展区和瞬断区的基本特征，以及加载应力水平大小对疲劳 断口特征的影响。 本文主要是通过疲劳断裂实验对3 0 4 不锈钢的疲劳断裂特性进行分析： ( 1 ) 通过实验研究了3 0 4 不锈钢的基本疲劳性能。在应力比胙一1 时，对称恒 幅循环载荷控制下，通过实验得到3 0 4 不锈钢的s n 曲线，可以得到当应力o 2 5 0 m p a 时，试件的寿命随着应力的降低而增大的速度减慢；在2 3 6 m p a o 2 5 0 m p a 时，试件的寿命随着应力的降低而增大的速度加快。而且应力寿命双对数 曲线趋向于一条直线，对试验数据的处理得到3 0 4 不锈钢的条件疲劳极限s ，；应 变以及应变能都随着加载次数的增加而增加，达到一定程度后都趋于稳定。 ( 2 ) 在光滑试件上切不同深度的切口，在应力比胙一1 时，对称恒幅循环载荷 控制下，进行轴向拉压疲劳试验。得到不同切口深度时的s n 曲线，在切口深度 变化时s n 曲线有共同的趋势，当应力加大时寿命减小；另外，切口越深，试件 的寿命越小，从结果可以看出切口深度与试件寿命成近似线性关系。 ( 3 ) 对断口进行宏观和微观的分析，对3 0 4 不锈钢疲劳断裂机理进行研究。 通过分析可以得到：载荷越大、切口越深，裂纹源区疲劳源越多，那么断裂的也 就越快，疲劳源断口也就越粗糙；载荷越大、切口越深，裂纹扩展区疲劳条纹间 距越大、疲劳条纹越粗；载荷大小和切口深度对瞬断区基本形貌有影响，瞬断区 一般呈撕裂状。 本文通过实验得到准确的数据，对实验的数据进行整理分析，分析3 0 4 不锈 钢的疲劳断裂特性，为以后工程应用以及结构抗疲劳设计提供数据，减少不必要 的经济损失。 关键字：3 0 4 不锈钢：低周疲劳；疲劳断裂实验；s n 曲线；疲劳断裂特性 a b s t r a c t 3 0 4s t a i n l e s ss t e e l st h el o wc y c l ef a t i g u ef r a c t u r ep r o p e r t i e sa n df r a c t u r e c h a r a c t e r i s t i c sw e r em a i n l ys t u d i e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t si n t h i sa r t i c l e i nt h e e x p e r i m e n t s ，t h el o a d i n gm o d eu s e dc o n t r o l l i n g s t r e s sb yw h i c hf a t i g u ee x p e r i m e n t s s p e c i m e n sw a sd o n e i ns h i m a d z u ( s h i m a d z u ) e h f e m i o o k ns e r v of r e q u e n c y f a t i g u et e s t i n gm a c h i n e t h es p e c i m e ni s d i v i d e di n t os m o o t hs p e c i m e n sa n dn o t c h e d s p e c i m e n s t h el e n g t h o ft h et e s t i n gm a c h i n es a m p l ei s i na c c o r d a n c ew i t ht h e r e q u i r e m e n t sa n ds t a n d a r d so fc o u n t r i e s b u tt h en o t c hd e p t h ，a n g l ea n dn o t c ht i p r a d i u si sp r o c e s s e da c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lp u r p o s e sa n dp r o c e s s i n gi n c i s i o no n t h es p e c i m e ni sm a i n l yc o n s i d e rt h en o t c hd e p t h s e f f e c to ft h es p e c i m e n sl i f e t h r o u g hh i t a c h is - 3 4 0 0 ns c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p eo b s e r v e dt h ef a t i g u ef r a c t u r e s u r f a c e sa n da n a l y z e dt h ec r a c ks o u r c e ，c r a c kp r o p a g a t i o na r e aa n dt h ei n s t a n t a n e o u s f a u i tz o n e sb a s i cc h a r a c t e r i s t i c s ，s t r e s sl e v e la n dl o a ds i z eo nt h ef a t i g u ef r a c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s i n t h i sa r t i c l e ，t h r o u g he x p e r i m e n t so n3 0 4s t a i n l e s ss t e e lf a t i g u ef r a c t u r et o a n a l y z e ： ( 1 1t h eb a s i cf a t i g u et e s to fm a t e r i a l ，i nt h es t r e s s r a t i or = 一l ，t h es y m m e t r y u n d e rt h ec o n t r o lo fc o n s t a n ta m p l i t u d ec y c l i cl o a d i n g ，w eg e tt h es nc u r v e o f3 0 4 s t a i n l e s ss t e e lb ye x p e r i m e n t s i tc a nb eo b t a i n e dw h e nt h es t r e s si so 2 5 0 m p a ，t h e r e d u c t i o no fm a t e r i a ll i f ew i t ht h es t r e s si sm o r es l o w ；w h e nt h es t r e s si s2 3 6 1 d p a o 2 5 0 m p a t h er e d u c t i o no fm a t e r i a ll i f ew i t ht h es t r e s si sm o r ef a s t f o u r t hm o r e ， s t r e s so fl i f et e n dt od o u b l eo nas t r a i g h tl i n e a f t e ra n a l y z i n g t h ee x p e r i m e n t a ld a t a ， t h e3 0 4s t a i n l e s ss t e e lf a t i g u el i m i ts fw a sg o t t e n s t r a i na n ds t r a i ne n e r g y a r e i n c r e a s i n gw i t ht h el o a d i n gt i m e s w h e n i tc o m e st oac e r t a i ne x t e n t ，t h e yh a v et e n d e d t ob es t a b l e ( 2 ) c u tt h eg a p a td i f f e r e n td e p t h so nt h es m o o t hs p e c i m e n ，w h e nt h es t r e s sr a t i o r = 一1 t h es y m m e t r yu n d e rt h ec o n t r o lo fc o n s t a n ta m p l i t u d ec y c l i cl o a d i n g ，t h e f a t i g u et e s t so fa x i a lt e n s i o na n dc o m p r e s s i o nw a sd o n e a f t e rt e s t i n g ，w eg e ta s - n c u r v eo fd i f f e r e n td e p t ho ft h eg a p ，w h i c hh a v eac o m m o nt r e n dw h e nt h eg a p sa r e d i f f e r e n t a tt h es a m et i m e ，w h e nt h es t r e s si si n c r e a s e d ，t h el i f et i m ei sr e d u c e d ；i n a d d i t i o n ，t h ed e e p e rt h eg a p ，t h es h o r t e rl i f eo ft h es p e c i m e n t h er e s u l t sa l s os h o w s t a i n l e s ss t e e lt os t u d yt h em e c h a n i s m t h ec r a c kc a nb eo b t a i n e db ya n a l y z i n g ：t h e g r e a t e rt h el o a do ft h es o u r c e ，t h em o r ef a t i g u es o u r c e ，t h e nt h ef a s t e rf r a c t u r e ，t h e m o r er o u g hs o u r c e s ；t h eg r e a t e rl o a do ft h ec r a c ke x t e n s i o nt h eg r e a t e rt h ef a t i g u e s p a c i n g ，t h eg r e a t e rt h ef a t i g u es t r i a t i o n sc o a r s e re t c ；t h es t r e s so fl o a dh a v es m a l l i m p a c to fi n s t a n t a n e o u s ，g e n e r a l l yi tw a sl a c e r a t e d t h er e s e a r c hg e tt h ed a t ab ye x p e r i m e n t sa n da n a l y z ed a t aa n df a t i g u er u p t u r e c h a r a c t e r i s t i c so f3 0 4s t a i n l e s ss t e e l i tc a np r o v i d ed a t at oe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n a n ds t r u c t u r a lf a t i g u ed e s i g n ，a n dr e d u c et h eu n n e c e s s a r yl o s s e si ne c o n o m i c k e yw o r d s ：3 0 4s t a i n l e s ss t e e l ；l o w - c y c l ef a t i g u e ；f a t i g u ef r a c t u r ee x p e r i m e n t s ；s n c u r v e ；f a t i g u ef r a c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s h i ， 图2 1 疲劳试验机1 2 图2 2 静拉伸试样1 3 图2 3 光滑试样1 3 图2 4 切口试样1 3 图2 5 切口参数示意图1 3 图2 6 试验机静态拉伸条件设定1 4 图2 7 应力比对疲劳裂纹扩展速率的影响1 5 图2 8 加载后的瞬时裂纹扩展示意图1 6 图2 9 扫描电镜一1 8 图3 1 应力寿命曲线图2 0 图3 2 应力寿命双曲线图2 1 图3 3 应力不同时应变寿命曲线2 2 图3 4 应力不同时应变寿命曲线2 3 图3 5 能量与寿命的关系曲线图2 4 图3 6 缺口试件应力寿命曲线2 6 图3 7 缺口深度与寿命关系图2 6 图4 1 光滑试样放大2 5 倍断口3 0 图4 2 切口试样放大2 5 倍断口3 0 图4 3 裂纹源区形貌3 1 图4 4 裂纹扩展区形貌3 3 图4 5 瞬断区形貌3 5 图4 6 切口深度1 4 3 m m 时裂纹源区形貌3 6 图4 7 切口深度1 6 5 m m 时裂纹源区形貌3 6 图4 8 切口深度1 8 7 m m 时裂纹源区形貌3 6 图4 9 切口深度1 - 4 3 m m 时裂纹扩展区形貌一3 7 图4 1 0 切口深度1 6 5 m m 时裂纹扩展区形貌3 7 图4 1 1 切口深度1 8 7 m m 时裂纹扩展区形貌3 8 图4 1 2 切口深度1 4 3 m m 时瞬断区形貌3 8 图4 1 3 切口深度1 6 5 m m 时瞬断区形貌3 9 图4 1 4 切口深度1 8 7 m m 时瞬断区形貌3 9 图5 1 应力( a ) 和应变( b ) 控制下材料循环特性4 2 图5 2 疲劳裂纹扩展速率示意图_ 4 2 i v 图5 5 贝壳花样形成模型4 6 图5 6 缺口试件断口的宏观形貌4 7 v 拉压载荷下3 0 4 不锈钢低周疲劳断裂特性的研究 附表索引 表2 1 实验材料成分。1 2 表3 1 材料基本力学性能1 9 表3 2 力与寿命的对应值1 9 表3 3 切口试样实验数据一2 5 v i 疲劳引起的断裂是工程结构和构件失效的最主要原因。材料的疲劳指的是材 料在循环载荷作用下所发生的性能变化。长期以来，这方面的工作主要集中于探 索疲劳裂纹萌生抗力和疲劳破坏力的工程设计方法。但最近几十年，伴随着“材 料科学”和“断裂力学 的发展，关于材料疲劳断裂的研究已发展成为科学研究 和应用研究中的一个主要领域。他涉及很多学科，诸如材料学、机械、土木、航 空工程等，对于材料中存在缺陷或者裂纹的结构或构件，主要运用断裂力学的方 法来估算寿命或者进行抗疲劳设计。各种科学理论的产生和发展，都依赖于实践， 疲劳强度也不例外。从生产实践方面看，任何运动机械都难以避免疲劳的发生， 因此，疲劳、磨损和腐蚀已成为材料三种最主要的破坏形式。裂纹是固体材料的 特有现象，构件中的脆断大多是由缺陷或裂纹引起的，按照传统的观点，裂纹就 是灾难。以断裂力学为代表的传统裂纹理论，主要研究材料抵抗断裂、控制裂纹 扩展及防止结构断裂破坏的一门学科，其研究宗旨最早是建立在防止和控制断裂 的基础之上的。 3 0 4 不锈钢是应用最为广泛的一种铬一镍不锈钢，具有良好的耐蚀性、耐热性、 低温强度和机械特性，同时具有良好的加工性能和可焊性乜1 。它广泛地用于制作 要求良好综合性能( 耐腐蚀和成型性) 的设备和机件中，在机械、航空航天等领 域中应用的比较广泛，主要是制成油气管、压力容器等，大多在特殊的工作环境 中。油气管、压力容器等在整个寿命内受到的循环次数有限，例如压力容器每天 只受到几个载荷循环。在工程实际应用中它的静强度一般都会满足要求，因而对 它的低周疲劳断裂特性的研究就有实际意义。3 0 4 不锈钢构件由于疲劳断裂的事 件时有发生，会导致严重的后果。例如，某石化厂变换气自动切断阀阀体，阀体 材料为3 0 4 不锈钢，长为9 8 5 m m ，高7 5 0 m m ，内径为3 7 8 m m ，最小壁厚为4 0 m m ， 整个阀体为1 吨。在装配中静强度设计完全满足要求，但没有考虑3 0 4 不锈钢的 疲劳断裂特性，对阀体的使用寿命没有进行估计，导致最后阀体发生疲劳断裂， 对公司造成了很大的损失。在工程中大量应用3 0 4 不锈钢，但是目前对3 0 4 不锈 钢疲劳特性研究还很少，应变在零件工作过程中测得，可以随时了解零件的性能， 因此现有的研究低周疲劳大多是在控制应变的条件下来完成的，很少在应力控制 下来研究低周疲劳特性，而在工程的实际应用中材料受到的应力更好获得口1 ，零 件受到的应力可以根据实际工况和一些力学知识计算出来，在装配初期可以大致 人们认识和研究疲劳问题，已经有1 5 0 年的历史。在不懈地探讨材料和结构 疲劳奥秘的实践中，对疲劳的认识不断得到改正和深化。1 9 世纪中叶以来，人们 为认识和控制疲劳破坏进行了很大的努力，在疲劳现象的观察、疲劳规律的研究、 疲劳寿命的预测和抗疲劳设计技术的发展等方面都积累了丰富的知识。2 0 世纪中 叶断裂力学的发展，进一步促进了疲劳裂纹扩展规律及失效控制的研究。疲劳断 裂失效涉及到扰动使用载荷的多次作用，涉及到材料缺陷的存在和形成，涉及到 使用环境的影响等等，问题的复杂性是显而易见的。因此，我们对疲劳断裂的认 识还要进一步加深，疲劳断裂很多问题还待我们去解决。低周疲劳是目前研究的 一个重点，也是一个难点。 按照材料的寿命循环次数，一般把疲劳分为高周疲劳和低周疲劳。高周疲劳 是指寿命疲劳循环次数，大于1 0 4 次，而寿命循环次数，小于1 0 4 的一般称为低 周疲劳，本文主要研究是低周疲劳。 一些机器的零部件或构件，有时候会受到较大的交变应力，比如飞机的起落 架在起飞和下落的过程中，其载荷幅度变化很大；压力容器以及一些机器的输油、 气管道，也会有周期性的加压与降压的过程。由于这种过程受到的交变应力幅较 大，零件在经过很少次循环后就会破坏，这些循环次数大多在1 0 4 次以下，属于低 周疲劳。低周疲劳一般具有以下特点： ( 1 ) 低周疲劳时，由于机件的循环应力比较高，而且任何构件都不可避免的存 在应力集中，因而局部区域会产生宏观的塑性变形，使应力应变不呈直线关系。 ( 2 ) 低周疲劳时，因为塑性应变比较大，一般采用应变寿命曲线来描述材料的 疲劳规律。但在工程实际中塑性应变是很难测量的，而应力很容易得到，所以用 应力寿命曲线来描述低周疲劳，特别是寿命在1 0 3 - 1 0 5 之间时，用应力寿命比应变 寿命更加方便，而且是可行的。 ( 3 ) 低周疲劳破坏有几个裂纹源。由于应力较大，裂纹容易形成核，其形核期 较短，只占总寿命大致1 0 左右。低周疲劳微观端口的疲劳条带较粗，间距也较 宽，并且常常不连续。 ( 4 ) 低周疲劳寿命决定于塑性应变幅，而高周疲劳则决定于应力幅，但是两者 都是塑性变形积累的结果。 我们对疲劳问题的研究，需要研究载荷谱、裂纹萌生机裂纹扩展规律、构件 2 硕十学何论文 细节应力分析、疲劳寿命分析、疲劳寿命预测和抗疲劳设计方法，等等。一方面 由于涉及因素多、问题复杂，难以找到解析的、普遍的寿命分析方法。在我们的 工程实际应用中，材料的性能存在很大分散性，这就要求我们对具体材料的疲劳 破坏性能进行研究。 在国外，疲劳断裂的研究已经趋于成熟，在航空航天、材料、机械等方面都 有了比较广泛的应用。由于我国对疲劳断裂的研究起步较晚，相对与其他一些国 家还处于裂纹研究的初始阶段，不过疲劳断裂研究在航空航天方面的应用也日渐 成熟，北京航空航天大学和西北工业大学在这方面的研究取得了不少的成果，在 国内处于领先水平，而在机械等其他方面的应用以及研究相对较少，兰州理工大 学在工程机械中关于低周疲劳断裂和主动断裂技术的研究在国内外处于比较领先 的水平，魏庆同教授，郎福元教授以及李有堂教授等在这方面的研究取得了很大 的成果 1 3 疲劳理论发展 各种科学理论的产生和发展，都依赖于实践，疲劳强度也不例外。十九世纪 初，随着铁路运输的发展，机车车轴的破坏，成为当时工程上遇到的第一个疲劳 强度问题。 有记载的最早的疲劳试验是德国人w a 艾伯特于1 8 2 9 年进行的。他对矿山提 升用的焊接链反复加载，在1 0 5 次循环后破坏。矿用链在反复加载后破坏及机车 车轴运行一段时间后在轴肩处断裂，与单调加载断裂完全不同。1 8 3 9 年，法国人 j 一v 彭赛列在他的著作中首次使用“疲劳 这个词。1 8 4 3 年，苏格兰人w j m 金兰讨论了机车车轴的破坏，认为是由于运行过程中金属性能逐渐变坏所致。他 分析了车轴轴肩处尖角的有害影响，指出加大轴肩圆角的半径可以提高其疲劳强 度。与此同时，英国成立了一个委员会，调查用铁作为建造铁路桥梁材料的适用 性，在对铸铁进行若干次试验后指出，梁在静载荷下可以承受接近破坏的载荷四 年而不破坏，但如果用静破坏载荷之半使梁反复弯曲，只要1 0 0 0 次循环就破坏了。 第一次对疲劳强度进行系统实验的是德国人a 沃勒，他从1 8 4 7 年至1 8 8 9 年 在斯特拉斯堡皇家铁路工作期问，完成了循环应力下的多种试验。1 8 5 0 年，他设 计了旋转弯曲疲劳试验机，用来进行全尺寸机车车轴的疲劳试验和在不同应力状 态下的疲劳试验，认识到疲劳破坏可以在应力低于弹性极限时发生，并存在一个 应力幅极限，当应力小于此极限值时就不会发生疲劳破坏，他从应力一寿命图上指 出，疲劳寿命随应力幅增大而降低。这样，a 沃勒首次提出了s - n 曲线及疲劳极 限的概念。此外，他还研究过热处理、应力集中和叠加静载荷对疲劳的影响，他 3 曼对疲劳极限图提出了简化假设，即用直线连接纵轴上的对称循环疲劳极限点和 横轴上的强度极限点，以此来代替格伯抛物线。由于古德曼疲劳极限图简单，所 以至今仍在常规疲劳强度设计中应用h ，。 直到十九世纪末叶，人们对疲劳破坏的机理还缺乏正确的认识。当时将结构 材料分为塑性材料和脆性材料两种，并认为塑性材料是纤维状结构，脆性材料是 晶体状结构，金属在循环应力作用下的疲劳，是由于他改变了自身的结构，由塑 性材料变成晶体结构脆性材料的缘故。后来由于应用金相显微镜能观察到金属微 观结构，才发现上述说法是不正确的 1 9 0 3 年，j a 尤因和j c w 汉弗莱对退火的瑞典铁进行了旋转弯曲疲劳试验。 在试验过程中，用显微镜观察式样发现，在循环应力作用下晶体中产生滑移线， 随着循环数的增加，滑移线逐渐变深、变宽，形成滑移带，并在某个晶体上首先 出现开裂，再在晶体之间连接起来形成一条长的连续裂纹，最后导致破坏。这样， 就把疲劳破坏和滑移联系起来了，对了解疲劳机理迈出一大步。 1 9 2 3 年，英国人h j 高夫对疲劳破坏机理提出另一种假设。他观察到在循环 应力作用的过程中，由于材料的疲劳硬化，金属产生的反复塑性变形随循环数的 增加而递减。如应力幅低于疲劳极限，将不产生塑性变形；如应力幅高于疲劳极 限，应变硬化将达到一个极限值，从而形成裂纹。为了进一步阐明疲劳机理，他 对多种纯金属的单晶进行一系列的实验，认为：疲劳破坏并不是在晶体上产生滑 移及应变硬化的结果，而是由于在某些局部区域中应变超过了极限极限晶格应变， 使原子间破坏及晶格中的不连续所引起的。h j 高夫于1 9 2 4 年在伦敦出版了一 本金属疲劳的书，并在金属疲劳方面发表过八十多篇文章，研究了弯曲与扭转同 时作用的复合疲劳，在疲劳激励方面做出了很大贡献。1 9 2 7 年h f 穆尔及j b 科莫斯在纽约出版了美国第一本金属疲劳方面的书。1 9 3 9 年，e 奥罗万在半定量 的基础上，对h j 高夫的应变硬化理论进行了解释。他将金属材料看成是散布着 4 用在其上的应力增大。如果硬化后任何点上的应力没有达到破坏应力，则所施加 的应力在安全范围内，否则将产生破坏隋。1 。 1 9 2 9 年，英国人b p 黑发表了高强度钢与低碳钢有不同缺口敏感性的论文， 它所采用的缺口应变分析及残余应力的概念，被后人加以补充和发展。在1 9 3 0 年前后，汽车工业中的和车轴采用了喷丸技术，以提高疲劳寿命。1 9 2 6 年，美国 人j 0 阿尔门进入美国通用汽车公司实验室，不久就从事于残余应力的研究。他 提出被喷丸零件疲劳强度的提高，是由于表层中残生了残余应力。1 9 3 6 年，美国 人0 j 霍格以及t l 莫尔贝奇指出，表面辊压能防止裂纹的产生。1 9 3 7 年，德 国人h 诺伯引入了缺口处的“体素 和应力梯度的概念，他指出：缺口根部小面 积内的平均应力，比缺口处的峰值应力更为重要。第二次世界大战期间，在飞机 发动机和装甲车的设计中，已经利用残余应力来提高疲劳强度阳1 。 在第二次世界大战中，发生了很多飞机疲劳失事事故。在动力机械以及其他 领域中，也发生过各种各样由于疲劳引起的事故。这使得金属材料在循环应力作 用下疲劳破坏，成为突出问题。于是发展了疲劳累计损伤理论，开展了有限寿命 设计。疲劳累计损伤理论中最简单也是最广泛的是线性损伤理论，是由j v 帕姆 格伦与1 9 2 4 年提出的，他在估算滚动轴承的寿命时，假设累积损伤与转动次数呈 线性关系。这个理论在当时并没有引起重视，知道第二次世界大战期间，1 9 4 5 年 美国人m a 迈因钠在j v 帕姆格伦工作的基础上重新提出：损伤与应力循环数呈、 线性关系。后人称疲劳累计损伤线性关系为帕姆格伦一迈因钠定律，简称迈因钠定 律，他在疲劳寿命估算中得到了广泛应用。此外，还出现了克尔顿一多兰等非线性 累积损伤理论2 1 引。 常规疲劳的设计公式，是由苏联人c b 谢联先在二十世纪四十年代根据等副 疲劳试验得到的应力寿命曲线( s - n 曲线) 推出的。当纵轴和横轴都取对数时， s - n 曲线是由一条斜直线和一条水平直线在约等于1 0 7 处连接而成的折线。其水平 段的纵坐标值就是疲劳极限，以此为依据而进行的疲劳强度设计成为无限寿命设 计；而倾斜部分所对应的应力为给定寿命时的疲劳破坏应力，称为“条件疲劳极 限”，以此为依据而进行的疲劳强度设计称为有限寿命设计n 卜2 引。 常规疲劳设计中假设材料是无缺陷的连续体，疲劳破坏的过程分为裂纹形成、 裂纹扩展和最后断裂三个阶段。但实际上材料中总存在着类裂纹的缺陷，因此， 断裂力学理论应用于疲劳强度设计，成为二十世纪六十年代疲劳强度设计发展的 方向之一。断裂力学中裂纹扩展的概念，早在二十世纪二十年代就提出来了。1 9 2 0 年，英国人a a 格里菲斯研究了玻璃的实际强度要比他的分子结构所预期的理论 5 拉斥载荷下3 0 4 不锈钢低周疲j 7 断裂特性的研究 强度低一千倍到一万倍的现象，他假设这个差别是由于玻璃内部的缺陷或者裂纹 引起的应力集中造成的，并提出了裂纹扩展的能量理论。 a a 格里菲斯的工作直到第二次世界大战时由于发生了飞机有机玻璃座舱盖 的断裂事故，才引起人们的注意。1 9 5 3 年，澳大利亚人a k 赫德提出了疲劳裂纹 扩展的理论，但是没有用实验来证实。1 9 5 7 年，美国人g r 欧文研究了中心裂纹 板在垂直于裂纹的方向受拉伸的情况，在裂纹尖端附近弹性力学应力分析的基础 上，把裂纹尺寸的平方根和应力的乘积定义为应力强度因子。应力强度因子是描 述材料在裂纹尖端受力程度的一个参量。材料的应力强度因子有个临界值，称为 材料的断裂韧性，当应力强度因子达到材料的断裂韧性值时，在一般情况下裂纹 将失稳扩展，这是线弹性断裂力学的断裂准则。1 9 5 7 年，美国人p c 帕里斯提出， 在循环载荷作用下，裂纹尖端处的应力强度因子的变化幅度，是控制构件疲劳裂 纹扩展速率的基本参量，并与1 9 6 3 年提出了疲劳裂纹扩展速度的指数幂定律，或 称为帕里斯定律。为了考虑平均应力的影响。1 9 6 7 年g r 福尔曼提出了疲劳裂纹 扩展速度的修正公式。以上两个公式在工程中被广泛用来估算疲劳裂纹扩展寿命， 特别是帕里斯公式，近年来已应用于疲劳强度的各个方面，如高周疲劳、低周疲 劳、高温疲劳和腐蚀疲劳等凹7 q 引。 二十世纪五十年代中期，闭路电动液压试验系统的出现，使应变控制实验得 以实现。l f 科芬和s s 曼森等人进行了低周疲劳实验，提出了科芬一曼森公式， 在低周疲劳中广泛应用。 从上世纪五十年代开始，随机振动理论与方法在航空航天工业中开始应用。 1 9 6 8 年，m 马特修饰和t 恩多提出了雨流计数法，该法认为塑性的存在是造成疲 劳损伤的必要条件，这种塑性性质由应力一应变迟滞回线表现出来，而一个大的应 力一应变循环对材料造成的损伤，不受小的循环的影响。于是，其计数结果与材料 的记忆特性相一致。这些特点使雨流法称为疲劳计数法中应用最广泛的一种方法。 从上世纪七十年代起，由于电子计算机应用的普及和快速傅里叶变换算法的 出现并应用，使随机振动分析速度提高了几个量级，进行实时分析成为现实。随 机振动理论在运输、船舶、机械和地质等部门得到了重视和应用。随机振动的结 果可能产生随机疲劳，对随机疲劳的研究，试验机是关键问题。在上世纪六十年 代，随着大规模集成电路的出现，制造出了能够模拟零件或构件实际受载情况的 随机疲劳试验机。到七十年代，国外已广泛使用其电液伺服机构由电子计算机控 制的随机疲劳试验机进行疲劳试验。同时，在计算机方面已发展了一种估算疲劳 裂纹形成寿命的方法一局部应力应变法。其特点是：疲劳裂纹的形成寿命是由危 险部位的局部应力一应变历程所决定的，可根据零件和构件承受载荷历程来确定疲 劳破坏部位的局部应力一应变历程，并由此进行疲劳寿命估算。 6 数。1 9 6 1 年，h 诺伯对受切应力有缺口的棱柱体进行了分析，得到了描述缺口非 线性应力一应变特性的规律，即理论应力集中系数等于真实应力集中系数和真实应 变集中系数的几何平均值，这就是诺伯定律，以上工作都是在静载荷条件下得到 的。到1 9 6 6 年，s s 曼森和t j 多兰等人，利用前人的工作研究缺口件的疲劳 问题，把缺口式样的循环载荷幅度与缺口根部的真实应力幅度或应变幅度联系起 来，然后根据光滑试件的应力一应变曲线或应变一寿命曲线确定缺口式样的寿命。 1 9 6 9 年，t h 脱泊、r m 韦策尔和j 摩罗等人提出了不需要解缺口根部的真实应 力或应变的方法，即用诺伯公式把给定的金属光滑试样的实验数据，转化为能够 用来确定有这种金属加工成的任何缺口试样的疲劳寿命曲线。1 9 7 1 年，r m 韦策 尔建立了用局部应力一应变分析预估零件和构件在随机载荷历程下的疲劳寿命的 较完整的方法，并给出了计算程序，使局部应力一应变法很快就发展起来。1 9 7 4 年，美国空军把这种方法应用到飞机部件寿命的估算上，美国汽车协会要求各厂 家在产品设计时，把这种方法纳入设计大纲。1 9 7 9 年，美国某飞机公司正式采用 这个方法来估算零件和构件的裂纹形成寿命卜4 5 1 。 用概率统计方法来处理疲劳试验数据是从上世纪四十年代开始的。1 9 4 9 年， w 威布尔发表了著名的对疲劳试验数据进行统计分析的方法。1 9 5 9 年，j a 波普 指出，疲劳试验的寿命数据是符合对数正态分布的。另一方面，在第二次世界大 战中，美国不少军用飞机因电子系统常出故障而不能起飞，由此提出了“可靠性” 的问题，并从1 9 5 0 年开始，对电子系统开展了可靠性研究。当时，美国国防部成 立了研究电子设备可靠性的专门机构，1 9 5 7 年发表了研究报告。1 9 6 1 年，f b 斯图伦等人在机械设计中考虑了材料的疲劳极限的概率分布。1 9 6 4 - 1 9 6 8 年，美 国人e b 豪根对两个正态分布函数的代数运算进行了分析，为强度干涉模型的可 靠度设计奠定了基础。从1 9 7 0 年开始，美国人d 凯赛乔葛洛完善了用强度干涉 模型进行可靠性设计的一套方法，使疲劳强度可靠性研究走上一个新的阶段。 1 4 断裂理论 大量的实验证明，纯度足够高的金属都能表现一定的延展性。合金元素的引 入使材料的断裂由延性转变为脆性，也就是说合金元素起到了强化的作用。他们 影响断裂行为的主要方式有以下主要