疲劳与断裂-陈传尧.ppt

1,陈传尧,疲劳与断裂,Fatigue&Fracture,2,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（或者应用力学）是:将力学原理应用实际工程系统的科学。,回顾,3,受力如何？如何运动？,理论力学、振动理论等，研究对象为刚体；基本方程是平衡方程、运动方程等。,4,强度设计的一般方法：,控制设计：强度是最主要的控制指标。,研究对象是无缺陷变形体，研究目的是保证在最大载荷下有足够的强度。,5,有缺陷怎么办？,研究含缺陷材料的强度-断裂,6,结构/构件强度的控制参量是应力。,7,按静强度设计，满足，为什么还发生破坏？,8,二次大战期间，400余艘全焊接舰船断裂。,主要原因是由缺陷或裂纹导致的断裂。,9,大型汽轮机转子,10,轴叶轮疲劳断裂破坏,11,转子轴疲劳开裂疲劳断裂破坏,12,叶片击穿厂房,13,飞机整机结构强度实验机翼破坏实验,14,飞机整机结构强度实验机身破坏实验,15,上海东方电视塔高300m球径45m,16,抗震模型试验（破坏部位、破坏形式、抗震能力）,静强度失效、断裂失效和疲劳失效，是工程中最为关注的基本失效模式。,控制疲劳强度、断裂强度的是什么？,17,疲劳与断裂,一.概述,四.应变疲劳,二.应力疲劳,三.疲劳应用统计学基础,introduction,18,十.疲劳寿命预测与抗疲劳设计,九.裂纹闭合理论与高载迟滞效应,八.疲劳裂纹扩展,疲劳与断裂,七.弹塑性断裂力学简介,六.表面裂纹,五.断裂失效与断裂控制设计,19,第一章概述introduction,1.1什么是疲劳？,Theprocessofprogressivelocalizedpermanentstructuralchangeoccurringinamaterialsubjectedtoconditionswhichproducefluctuatingstressesandstrainsatsomepointorpointsandwhichmayculminateincrackorcompletefractureafterasufficientnumberoffluctuations.,ASTME206-72,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，称为疲劳。,20,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。,疲劳问题的特点与研究目的：,21,1.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。也可更一般地称为扰动载荷，载荷可以是力、应力、应变、位移等。,要研究载荷谱的描述与简化,22,恒幅循环应力是最简单的。,循环应力(cyclestress)的描述：,常用导出量：平均应力Sm=(Smax+Smin)/2应力幅Sa=(Smax-Smin)/2应力变程DS=Smax-Smin应力比或循环特性参数R=Smin/Smax,描述循环应力水平的基本量：Smax，Smin,Sm,23,定义：平均应力Sm=(Smax+Smin)/2(1)应力幅Sa=(Smax-Smin)/2(2)应力变程DS=Smax-Smin(3)应力比或循环特性参数R=Smin/Smax,(1)式二端除以Smax，有Sm=(1+R)/2Smax(4)(2)式二端除以Smax，有Sa=(1-R)/2Smax(5)(5)式除以(4)式，有Sa=(1-R)/(1+R)Sm(6),Smax、Smin、Sm、Sa、DS、R等量中，只要已知二个，即可导出其余各量。,24,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,25,主要控制参量：Sa，重要影响参量：R,频率(f=N/t),波形,26,2.破坏起源于高应力、高应变局部。,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。,27,3.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。,28,OneofthemostimportantphysicalObservationisthatthefatigueprocesscangenerallybebrokentwodistinctphase-initiationlifeandpropagationlife.,Thepropagationlifeistheportionofthetotallifespentgrowingacracktofailure.,Theinitiationlifeencompassesthedevelopmentandearlygrowthofasmallcrack.,起始寿命包括小裂纹的形成和早期扩展。,扩展寿命是总寿命中裂纹扩展到破坏的部分。,29,However,itisoftenverydifficult,ifnotimpossible,todefinethetransitionfrominitiationtopropagation.,然而，定义从起始到扩展的转变，常常是很困难的。,Thisdistinctiondependsuponmanyvariables,includingcomponentssize,material,andthemethodusedtodetectcracks.,这取决于许多因素，包括构件尺寸、材料和检出裂纹所采用的方法等。,Initiationlifeisusuallyassumedtobetheportionoflifespentdevelopinganengineeringcrack,whichisabout0.3mmforsmallercomponents.,起始寿