疲劳与断裂课程总结

1,疲劳断裂,课程总结,二、基本概念,三、基本方法,四、抗疲劳断裂设计,一、基本内容,返回主目录,2,一、基本内容,疲劳裂纹萌生：（1-4章）机理、规律（S-N曲线、e-N曲线）、萌生寿命、累积损伤、雨流计数、循环应力应变响应计算,裂纹体断裂：（5-7章）LEFM、应力强度因子K、K1C测试、抗断设计,疲劳裂纹扩展：（8-10章）da/dN-DK曲线、裂纹扩展寿命预测、裂纹闭合与迟滞的概念、抗疲劳设计基本原理,3,1)疲劳问题的特点：扰动应力作用；材料或结构高应力局部；裂纹萌生并扩展；使用至破坏的发展过程。,二、基本概念,2)疲劳研究的任务：载荷谱；裂纹萌生和扩展的机理与规律；寿命预测方法；抗疲劳设计方法。,4,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,5,4)疲劳断口特征：有裂纹源、裂纹扩展区和最后断裂区。裂纹源在高应力局部或材料缺陷处；裂纹扩展区有“海滩条带”和“疲劳条纹”。,5)疲劳断口分析:是否疲劳破坏?裂纹源？裂纹临界尺寸?裂纹扩展速率估计？破坏载荷？,6,疲劳破坏与静载破坏之比较,疲劳破坏SSu破坏是局部损伤累积的结果。断口光滑，有海滩条带或腐蚀痕迹。有裂纹源、裂纹扩展区、瞬断区。无明显塑性变形。应力集中对寿命影响大。,由断口可分析裂纹起因、扩展信息、临界裂纹尺寸、破坏载荷等，是失效分析的重要依据。,静载破坏SSu破坏是瞬间发生的。断口粗糙，新鲜，无表面磨蚀及腐蚀痕迹。韧性材料塑性变形明显。应力集中对极限承载能力影响不大。,7,单调载荷下的弹塑性幂硬化应力-应变关系：,6)材料的力学性能：,8,断裂性能：平面应变断裂韧性K1C裂纹扩展性能：门槛应力强度因子Kth；疲劳裂纹扩展速率da/dN=C(K)m,9,7)断裂三要素与断裂判据,对于承受拉伸的无限宽中心裂纹板，f=1；对于无限宽单边裂纹板，f=1.12。,断裂判据：,抗力,作用,应力强度因子K是断裂控制参量。,10,8)线弹性断裂力学给出裂尖应力趋于无穷大，故裂尖附近的材料必然要发生屈服。,11,11)初始裂纹尺寸a0对寿命有很大的影响。12)Keff是控制da/dN的更本质的参量。Keffeff=max-op,10)疲劳裂纹扩展:da/dN的控制参量是K;da/dN-K曲线有下限Kth,上限(1-R)Kc。Paris公式：da/dN=C(K)m,12,14)任何预测方法都只能给出统计正确的平均疲劳寿命。,13)拉伸平均应力有害。引入残余压应力可改善疲劳性能。拉伸高载作用，会引起后续裂纹扩展迟滞。,13,16)耐久性设计三要素：IFQ、SCGMC和P(t,x)。目标是：估计经济寿命；实现设计-制造-使用-维修的综合控制。,15)损伤容限设计的三要素为：剩余强度、损伤增长和检查周期。目标是：以检查控制损伤程度，保证结构安全。,14,三、基本方法,A)应力寿命法,15,A3)变幅载荷下的损伤累积：Miner理论D=Di=(ni/Ni)=1相对Miner理论NA=NB(n/N)B/(n/N)A,A2)不同R下，Sa-Sm关系的等寿命转换：Goodman方程：(Sa/Sa(R=-1)+(Sm/Su)=1,16,恒幅疲劳应力比R应力幅Sa,已知材料的基本S-N曲线,求寿命Nf=C/Sa,疲劳裂纹萌生寿命分析：,17,特例：若载荷为恒幅对称应变循环，m=0，可直接由已知的a估算寿命。,已知、历程,B)应变寿命方法：,18,B1)循环应力-应变响应计算方法：,19,已知Kt、S或e,应力-应变关系,求S或e,B2)缺口局部应力-应变计算：,Neuber双曲线：se=Kt2eS应力应变关系：e=(s/E)+(s/K)1/n,20,1)第一次加载，已知S1或e1，求e1或S1；由循环应力-应变曲线和Neuber双曲线:e1=(s1/E)+(s1/K)1/ns1e1=Kt2S1e1,B3)缺口疲劳寿命分析计算步骤为：,2)其后反向，已知DS或De，由滞后环曲线De=(DS/E)+2(DS/K)1/n求De或DS；再由滞后环曲线和Neuber双曲线:DsDe=Kt2DSDeDe=(Ds/E)+2(Ds/K)1/n,21,3)第i点对应的缺口局部si、ei为：si+1=siDsi-i+1；ei+1=eiDei-i+1式中，加载时用“+”，卸载时用“-”。,4)确定稳态环的应变幅ea和平均应力sm。ea=(emax-emin)/2；sm=(smax+smin)/2,22,C)抗断设计方法(LEFM),1)已知、a，算K，选择材料，保证不发生断裂；,基本方程：,2)已知a、材料的K1c，确定允许使用的工作应力；,3)已知、K1c，确定允许存在的最大裂纹尺寸a。,23,D)裂纹扩展寿命估算方法,24,基本疲劳分析方法的比较