北航疲劳强度课件1-绪论

1、12航空科学与工程学院航空科学与工程学院 固体力学研究所固体力学研究82315945傅惠民傅惠民疲疲 劳劳 强强 度度3参考书目参考书目疲劳强度疲劳强度 高镇同高镇同 主编主编 北航印刷所北航印刷所结构疲劳强度结构疲劳强度 吴富民吴富民 主著主著 西工大出版社西工大出版社疲劳强度设计疲劳强度设计 徐徐 灏灏 主编主编 机械工业出版社机械工业出版社 4抗疲劳设计抗疲劳设计 赵少汴赵少汴 编著编著 机械工业出版社机械工业出版社疲劳设计疲劳设计 赵少汴赵少汴 王忠保王忠保 主编主编 机械工业出版社机械工业出版社 5考核要求考核要求 平时成绩 50% 考试成绩 50%6机械、

2、结构等机械、结构等 受力如何？受力如何？ 如何运动？如何运动？ 如何变形？破坏？如何变形？破坏？ 如何控制设计？如何控制设计？性态性态规则规则78910工作应力：工作应力： 构件在可能受到的最大工作载荷作用下的应力。构件在可能受到的最大工作载荷作用下的应力。 极限应力：极限应力： ys 、 b 材料可以承受的强度指标。材料可以承受的强度指标。 延性材料：延性材料： ys ； 脆性材料：脆性材料： b ys ys 延性材料延性材料 b b 脆性材料脆性材料强度判据强度判据： 结构或构件的工作应力结构或构件的工作应力 材料的极限应力材料的极限应力11按静强度设计，满足按静强度设计，满足 ，为什么还

3、发生破坏？，为什么还发生破坏？19世纪世纪30-40年代，英国铁路车辆轮轴在轴肩处年代，英国铁路车辆轮轴在轴肩处 （应力仅为（应力仅为0.4 ys ）多次发生破坏；）多次发生破坏；1954年年1月月, 英国慧星英国慧星(Comet)号喷气客机坠入地中号喷气客机坠入地中 海（机身舱门拐角处开裂）；海（机身舱门拐角处开裂）；121967年年12月月15日，美国西弗吉尼亚的日，美国西弗吉尼亚的 Point Pleasant桥倒塌，桥倒塌， 46人死亡；人死亡；1980年年3月月27日，英国北海油田日，英国北海油田Kielland 号钻井号钻井 平台倾复；平台倾复；127人落水只救起人落水只救起 89

4、人；人；131314141515161717181920 抗震模型试验抗震模型试验 （破坏部位、破坏形式、抗震能力）（破坏部位、破坏形式、抗震能力）21课程设置课程设置第一章第一章 概论概论第二章第二章 金属材料的疲劳强度金属材料的疲劳强度第三章第三章 影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素第四章第四章 疲劳载荷谱疲劳载荷谱第五章第五章 累积损伤理论累积损伤理论第六章第六章 局部应力应变法局部应力应变法第七章第七章 概率疲劳设计概率疲劳设计第八章第八章 提高零构件疲劳强度的方法提高零构件疲劳强度的方法22第一章第一章 概概 论论1. 疲劳问题的重要性疲劳问题的重要性2. 疲劳问题的历史发展疲劳问

5、题的历史发展3. 疲劳的分类疲劳的分类4. 金属疲劳破坏机理金属疲劳破坏机理5. 疲劳断口的形貌特征疲劳断口的形貌特征6. 抗疲劳设计方法抗疲劳设计方法23疲劳的定义疲劳的定义 材料在材料在循环应力循环应力或或循环应变循环应变作用下，由于作用下，由于某点或某些点某点或某些点产生了产生了局部的永久结构变化局部的永久结构变化，从，从而在一定的循环次数以后形成而在一定的循环次数以后形成裂纹裂纹或或发生断裂发生断裂的过程称为疲劳。的过程称为疲劳。 241. 疲劳问题的重要性疲劳问题的重要性251. 疲劳问题的重要性疲劳问题的重要性26普及断裂的基本知识，可减少损失普及断裂的基本知识，可减少损失29%(

6、345亿亿/ /年年) )。设计、制造人员了解断裂，主动采取改进措施，设计、制造人员了解断裂，主动采取改进措施，如设计；材料断裂韧性；冷、热加工质量等。如设计；材料断裂韧性；冷、热加工质量等。利用现有研究成果，可再减少损失利用现有研究成果，可再减少损失24%(285亿亿/ /年年) )。包括提高对缺陷影响、材料韧性、工作应力的预测包括提高对缺陷影响、材料韧性、工作应力的预测能力；改进检查、使用、维护；建立力学性能数据能力；改进检查、使用、维护；建立力学性能数据库；改善设计方法更新标准规范等。库；改善设计方法更新标准规范等。剩余的剩余的47%，有待于进一步基础研究的突破。有待于进一步基础研究的突

7、破。如裂纹起始、扩展的进一步基础研究；高强度、如裂纹起始、扩展的进一步基础研究；高强度、高韧性、无缺陷材料的研究等。高韧性、无缺陷材料的研究等。2728可见疲劳开裂仍然是值得严密关注的。可见疲劳开裂仍然是值得严密关注的。29年代190020001800302. 疲劳问题的历史发展疲劳问题的历史发展 人们对疲劳强度问题的认识，经历了一个人们对疲劳强度问题的认识，经历了一个漫长的过程。漫长的过程。 十九世纪十九世纪是产业革命以后，随着蒸汽机车和是产业革命以后，随着蒸汽机车和机动运载工具的发展，运动部件的破坏经常发生。机动运载工具的发展，运动部件的破坏经常发生。 破坏往往发生在零构件的截面突变处，破

8、坏破坏往往发生在零构件的截面突变处，破坏的名义应力不高，低于材料的抗拉强度和屈服点。的名义应力不高，低于材料的抗拉强度和屈服点。破坏事故的原因一时让工程师们摸不着头脑。破坏事故的原因一时让工程师们摸不着头脑。31 直至直至1829年德国人年德国人Albert W.A.(艾伯特艾伯特)用矿山用矿山卷扬机焊接链条进行疲劳试验，破坏事故才被阐卷扬机焊接链条进行疲劳试验，破坏事故才被阐明。明。 1839年，法国工程师年，法国工程师Poncelet J.V(彭赛列彭赛列)首首先使用先使用“疲劳疲劳”这一术语来描述材料在循环载荷这一术语来描述材料在循环载荷作用下承载能力逐渐耗尽以致最后突然断裂的现作用下承

9、载能力逐渐耗尽以致最后突然断裂的现象。象。2. 疲劳问题的历史发展疲劳问题的历史发展32 为了防止机车车辆发生疲劳断裂，为了求为了防止机车车辆发生疲劳断裂，为了求出车辆在运行中能承受的最大作用力，兼机车出车辆在运行中能承受的最大作用力，兼机车车辆厂厂长的德国工程师沃勒（车辆厂厂长的德国工程师沃勒（Wohler）设计）设计了疲劳试验设备，做了一系列疲劳试验，发现了疲劳试验设备，做了一系列疲劳试验，发现产生断裂的循环次数随应力幅值的增大而减小，产生断裂的循环次数随应力幅值的增大而减小，得出了我们目前在疲劳分析中常用的得出了我们目前在疲劳分析中常用的S-N曲线。曲线。2. 疲劳问题的历史发展疲劳问题

10、的历史发展33S-N 曲曲 线线34 早期设计的飞机，相对来说使用应力水平不早期设计的飞机，相对来说使用应力水平不高，强度储备较大，所用材料抗疲劳性能较好等高，强度储备较大，所用材料抗疲劳性能较好等等原因，飞机结构的疲劳问题并不突出，疲劳强等原因，飞机结构的疲劳问题并不突出，疲劳强度问题也还没有引起有关部门的重视。度问题也还没有引起有关部门的重视。2. 疲劳问题的历史发展疲劳问题的历史发展 因此，早期设计飞机只从静强度进行考虑，只因此，早期设计飞机只从静强度进行考虑，只要通过计算和试验证明飞机结构能经受得住可能产要通过计算和试验证明飞机结构能经受得住可能产生的最大使用载荷，就认为具有足够的强度

11、了。生的最大使用载荷，就认为具有足够的强度了。35 但是，随着航空事业的不断发展，飞机的性但是，随着航空事业的不断发展，飞机的性能不断提高，使用寿命延长，新结构、新材料不能不断提高，使用寿命延长，新结构、新材料不断出现，飞机结构在使用中疲劳破坏与安全可靠断出现，飞机结构在使用中疲劳破坏与安全可靠之间的矛盾逐渐暴露出来了。有不少静强度看来之间的矛盾逐渐暴露出来了。有不少静强度看来足够的飞机，在使用中相继发生严重事故。足够的飞机，在使用中相继发生严重事故。2. 疲劳问题的历史发展疲劳问题的历史发展36 1954年英国喷气式旅客机年英国喷气式旅客机“彗星彗星1号号”连续连续两次在航线上坠毁失事，机上

12、所有乘客和机组两次在航线上坠毁失事，机上所有乘客和机组人员全部遇难，引起了震惊。人员全部遇难，引起了震惊。2. 疲劳问题的历史发展疲劳问题的历史发展第一种喷气式客机第一种喷气式客机“彗星彗星”号号 37 英国的航空专家由此成立专门的调查组调查英国的航空专家由此成立专门的调查组调查事故，结论是：事故，结论是：“彗星彗星1 1号号”飞机在飞行中由于金飞机在飞行中由于金属部件发生裂痕而造成了解体事故。属部件发生裂痕而造成了解体事故。 产生这种裂痕的原因就是金属疲劳。产生这种裂痕的原因就是金属疲劳。2. 疲劳问题的历史发展疲劳问题的历史发展38 据统计，从据统计，从1948年到年到1965年期间，仅英

13、、美两国年期间，仅英、美两国曾陆续发生二十余起因疲劳强度不够而造成的重大曾陆续发生二十余起因疲劳强度不够而造成的重大事故或故障。事故或故障。 我国飞机在外场使用发生的强度问题中，有我国飞机在外场使用发生的强度问题中，有80%以上都是因疲劳破坏引起的，也发生过因飞机机翼以上都是因疲劳破坏引起的，也发生过因飞机机翼等结构疲劳破坏引起的严重事故。等结构疲劳破坏引起的严重事故。2. 疲劳问题的历史发展疲劳问题的历史发展39 事实上，飞机中较早出现破坏的地方，常事实上，飞机中较早出现破坏的地方，常是某些振动剧烈，反复加载较为严重的区域。是某些振动剧烈，反复加载较为严重的区域。 一些金属零件和接头等则往往

14、从开槽或孔一些金属零件和接头等则往往从开槽或孔洞等应力集中处出现疲劳裂纹。洞等应力集中处出现疲劳裂纹。 这些问题引起了从事飞机设计和制造人员这些问题引起了从事飞机设计和制造人员的注意，并着手进行应力集中等对飞机疲劳寿的注意，并着手进行应力集中等对飞机疲劳寿命影响的研究工作。命影响的研究工作。2. 疲劳问题的历史发展疲劳问题的历史发展403. 疲劳的分类疲劳的分类(1) 按研究对象可以分为材料疲劳和结构疲劳按研究对象可以分为材料疲劳和结构疲劳 材料疲劳材料疲劳 研究材料的失效机理，化学成研究材料的失效机理，化学成 分和微观组织对疲劳强度的影响，使用标准试件。分和微观组织对疲劳强度的影响，使用标准

15、试件。 结构疲劳结构疲劳 则以零部件、接头以至整机为研则以零部件、接头以至整机为研究对象，研究它们的疲劳性能、抗疲劳设计方法、究对象，研究它们的疲劳性能、抗疲劳设计方法、寿命估算方法和疲劳试验方法。寿命估算方法和疲劳试验方法。41(2) 按失效周次可以分为高周疲劳和低周疲劳按失效周次可以分为高周疲劳和低周疲劳 高周疲劳高周疲劳材料在低于其屈服强度的循环应材料在低于其屈服强度的循环应力作用下，经力作用下，经104-105以上循环产生的失效。以上循环产生的失效。 低周疲劳低周疲劳材料在接近或超过其屈服强度的材料在接近或超过其屈服强度的应力作用下，低于应力作用下，低于104-105次塑性应变循环产生

16、的次塑性应变循环产生的失效。失效。3. 疲劳的分类疲劳的分类42(3)按应力状态可以分为单轴疲劳和多轴疲劳按应力状态可以分为单轴疲劳和多轴疲劳 单轴疲劳单轴疲劳单向循环应力作用下的疲劳，单向循环应力作用下的疲劳，零件只承受单向正应力或单向切应力。零件只承受单向正应力或单向切应力。 多轴疲劳多轴疲劳多向应力作用下的疲劳，也称多向应力作用下的疲劳，也称复合疲劳。复合疲劳。3. 疲劳的分类疲劳的分类43(4) 按载荷变化情况分为恒幅疲劳、变幅疲劳、随按载荷变化情况分为恒幅疲劳、变幅疲劳、随机疲劳机疲劳 恒幅疲劳恒幅疲劳所有峰值载荷均相等和所有谷值所有峰值载荷均相等和所有谷值载荷均相等。载荷均相等。

17、变幅载荷变幅载荷所有峰值载荷不等，或所有谷值所有峰值载荷不等，或所有谷值载荷不等，或两者均不等。载荷不等，或两者均不等。 随机疲劳随机疲劳幅值和频率都是随机变化的，而幅值和频率都是随机变化的，而且是不确定的。且是不确定的。3. 疲劳的分类疲劳的分类44(5)按载荷工况和工作环境可以分为常规疲劳、高按载荷工况和工作环境可以分为常规疲劳、高低温疲劳、热疲劳、热低温疲劳、热疲劳、热机械疲劳、腐蚀疲劳、接机械疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、微动磨损疲劳和冲击疲劳触疲劳、微动磨损疲劳和冲击疲劳 常规疲劳常规疲劳在室温和空气介质中的疲劳。在室温和空气介质中的疲劳。 高低温疲劳高低温疲劳低于室温的疲劳和高于室温的

18、低于室温的疲劳和高于室温的疲劳。疲劳。 热疲劳热疲劳温度循环变化产生的热应力所导致温度循环变化产生的热应力所导致的疲劳。的疲劳。3. 疲劳的分类疲劳的分类45 热热- -机械疲劳机械疲劳温度循环与应变循环叠加。温度循环与应变循环叠加。 腐蚀疲劳腐蚀疲劳腐蚀环境与循环应力的复合作用腐蚀环境与循环应力的复合作用 。 接触疲劳接触疲劳滚动接触零件在循环应力作用下滚动接触零件在循环应力作用下产生损伤。产生损伤。 微动磨损疲劳微动磨损疲劳接触面的微幅相对振动造成接触面的微幅相对振动造成磨损疲劳。磨损疲劳。 冲击疲劳冲击疲劳重复冲击载荷所导致的疲劳。重复冲击载荷所导致的疲劳。3. 疲劳的分类疲劳的分类46

19、 液压疲劳实验机液压疲劳实验机 微型宽频拉微型宽频拉- -扭疲劳实验机扭疲劳实验机 47软压疲劳实验机软压疲劳实验机高频疲劳实验机高频疲劳实验机 48电液伺服脉冲疲劳实验台电液伺服脉冲疲劳实验台 多轴高温结构疲劳实验机多轴高温结构疲劳实验机 49菲利轮旋转构件疲劳菲利轮旋转构件疲劳/ /蠕变实验系统蠕变实验系统 曲轴疲劳实验机曲轴疲劳实验机 50滚动疲劳实验机滚动疲劳实验机 51 疲劳破坏总是由疲劳破坏总是由应力应变最高应力应变最高和和位向最不利位向最不利的薄的薄弱晶粒或夹杂等缺陷处起始，并沿着一定的结晶面扩弱晶粒或夹杂等缺陷处起始，并沿着一定的结晶面扩展。展。 所以金属的疲劳破坏与多晶体的所

20、以金属的疲劳破坏与多晶体的非均质性非均质性和和各向各向异性异性密切相关。密切相关。 一般说来，金属的疲劳破坏可以分为三个阶段：一般说来，金属的疲劳破坏可以分为三个阶段： 疲劳裂纹萌生疲劳裂纹萌生 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展 失稳断裂失稳断裂4. 金属疲劳破坏机理金属疲劳破坏机理52 4.1.1 裂纹萌生的概念裂纹萌生的概念 肉眼能观察到的最小裂纹长度肉眼能观察到的最小裂纹长度 电子显微镜的观察范围电子显微镜的观察范围 疲劳初期形成的裂纹最小长度为数微米疲劳初期形成的裂纹最小长度为数微米 工程尺寸裂纹的概念工程尺寸裂纹的概念疲劳裂纹的起始长疲劳裂纹的起始长度为度为0.076mm。 因检测手段而异，

21、钢轨因超声波的探测灵敏因检测手段而异，钢轨因超声波的探测灵敏度，一般定为度，一般定为1-2mm。4.1 疲劳裂纹萌生疲劳裂纹萌生0.2-0.3mm3-553 4.1.2 裂纹萌生的机理裂纹萌生的机理 疲劳裂纹总是首先在应力最高，强度最弱的基体上疲劳裂纹总是首先在应力最高，强度最弱的基体上形成。形成。 机械加工的切削纹机械加工的切削纹 表面擦伤表面擦伤 结构上的内圆角结构上的内圆角亚表面的夹杂物等应力集中处亚表面的夹杂物等应力集中处4.1 疲劳裂纹萌生疲劳裂纹萌生裂纹萌生的形式裂纹萌生的形式54 裂纹萌生主要有以下三种形式裂纹萌生主要有以下三种形式 ： 夹杂物和基体界面开裂：夹杂物和基体界面开裂

22、： 滑移带开裂：滑移带开裂： 晶界开裂：晶界开裂： 4.1 疲劳裂纹萌生疲劳裂纹萌生普通金属材料普通金属材料纯金属、单相合金纯金属、单相合金高温下的材料高温下的材料55 1) 夹杂物和基体界面开裂：夹杂物和基体界面开裂： 在金属材料中，不同程度地存在一些非金属夹杂物。在金属材料中，不同程度地存在一些非金属夹杂物。 钢轨钢轨中存在如下中存在如下氧化物氧化物： 氧化铝氧化铝 氧化镁氧化镁 强化引入的第二相粒子强化引入的第二相粒子 裂纹萌生：裂纹萌生： 夹杂物在交变应力作用下与基体夹杂物在交变应力作用下与基体沿界面分离沿界面分离； 夹杂物或粒子本身在交变应力作用下发生夹杂物或粒子本身在交变应力作用下

23、发生断裂断裂。4.1 疲劳裂纹萌生疲劳裂纹萌生564.1 疲劳裂纹萌生疲劳裂纹萌生57 减少夹杂物减少夹杂物 减少第二相的粗大粒子减少第二相的粗大粒子4.1 疲劳裂纹萌生疲劳裂纹萌生有效延迟疲劳裂纹的萌生有效延迟疲劳裂纹的萌生钢液的真空处理钢液的真空处理 电渣重熔等工艺电渣重熔等工艺减少钢中的气体减少钢中的气体及夹杂物及夹杂物58 2) 滑移带开裂：滑移带开裂： 在在软金属材料软金属材料中，疲劳裂纹一般起始于中，疲劳裂纹一般起始于晶界附近晶界附近或在或在某些滑移带某些滑移带上。上。 在单向静拉伸载荷作用下，金属试件的在单向静拉伸载荷作用下，金属试件的抛光表面抛光表面可以观察到滑移带，而同样疲劳

24、过程的金属表面也可以观察到滑移带，而同样疲劳过程的金属表面也出现滑移带，与一般静载过程出现的塑性变形相似，出现滑移带，与一般静载过程出现的塑性变形相似，但疲劳过程产生的滑移线但疲劳过程产生的滑移线更加不均匀更加不均匀。4.1 疲劳裂纹萌生疲劳裂纹萌生594.1 疲劳裂纹萌生疲劳裂纹萌生材料表面材料表面材料表面材料表面a) 粗滑移粗滑移b) 细滑移细滑移约约0.1 mN=104N=5 104N=2.7 105（多晶体镍恒幅应力循环）（多晶体镍恒幅应力循环）扰动载荷扰动载荷 应力集中应力集中 滑移带滑移带 驻留滑移带驻留滑移带 微裂纹、扩展微裂纹、扩展 宏观裂纹、扩展宏观裂纹、扩展60 2) 滑移

25、带开裂：滑移带开裂： 对于对于高强度金属材料高强度金属材料，疲劳裂纹源一般在应力集，疲劳裂纹源一般在应力集中处，而与滑移变形关系不大。主要原因包括：中处，而与滑移变形关系不大。主要原因包括： （1）应力）应力远小于远小于材料的屈服极限，滑移有限；材料的屈服极限，滑移有限； （2）滑移距离较短，）滑移距离较短，塑性变形较小塑性变形较小； （3）高强材料对应力集中更为明显，一般在）高强材料对应力集中更为明显，一般在应力应力集中集中处形成疲劳裂纹源。处形成疲劳裂纹源。4.1 疲劳裂纹萌生疲劳裂纹萌生614.1 疲劳裂纹萌生疲劳裂纹萌生位错塞积位错塞积应力集中应力集中形成裂纹形成裂纹 3) 晶界开裂：

26、晶界开裂： 对于对于高温下的材料高温下的材料，滑移带到达晶界时，在晶界，滑移带到达晶界时，在晶界上受阻。上受阻。应变不断增加应变不断增加材料的晶粒尺寸愈大，晶界上的应变量愈大，位错塞积群愈材料的晶粒尺寸愈大，晶界上的应变量愈大，位错塞积群愈大，应力集中就愈高，愈易于形成裂纹。大，应力集中就愈高，愈易于形成裂纹。62 3) 晶界开裂：晶界开裂： 采用各种工艺措施来采用各种工艺措施来细化晶粒细化晶粒，能推迟疲劳裂，能推迟疲劳裂纹的萌生。纹的萌生。4.1 疲劳裂纹萌生疲劳裂纹萌生疲劳裂纹的形成疲劳裂纹的形成环境的影响环境的影响腐蚀环境腐蚀环境腐蚀坑腐蚀坑联结结构联结结构磨损坑磨损坑63 疲劳裂纹的扩

27、展分为两个阶段：疲劳裂纹的扩展分为两个阶段： 第一阶段第一阶段: : 切向扩展切向扩展 第二阶段：第二阶段： 正向扩展正向扩展（型裂纹型裂纹） 开始阶段开始阶段 中间阶段中间阶段 过渡阶段过渡阶段 4.2 疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹的扩展64 4.2.1 切向扩展：切向扩展： 滑移带裂纹在交变滑移带裂纹在交变应力作用下，裂纹尖应力作用下，裂纹尖端将沿着与应力轴成端将沿着与应力轴成45o方向方向的滑移面扩的滑移面扩展。展。 零部件的表面处于平面应力状态，最大零部件的表面处于平面应力状态，最大切应力与主应力方向成切应力与主应力方向成45o 角。角。4.2 疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹的扩展65 4.2.2正

28、向扩展：向扩展： 中间阶段中间阶段小裂纹连成长裂纹，以单纯正向疲小裂纹连成长裂纹，以单纯正向疲劳方式劳方式均匀稳定均匀稳定向前扩展；向前扩展；路径，并相互连接为路径，并相互连接为垂直于应力轴线垂直于应力轴线的单一主裂纹；的单一主裂纹； 开始阶段开始阶段裂纹短小，以裂纹短小，以隧道隧道形式形式向内缓慢扩展，各个小裂纹按向内缓慢扩展，各个小裂纹按最最大拉应力大拉应力和和最小阻力最小阻力原则选择扩展原则选择扩展 过渡阶段过渡阶段扩展至一定深度，工作截面减小，扩展至一定深度，工作截面减小，应力增加，裂纹应力增加，裂纹加速扩展加速扩展。4.2 疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹的扩展66 第二阶段裂纹扩展：第二阶段

29、裂纹扩展： 4.2 疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹的扩展Laird（莱尔德）（莱尔德） 范性钝化模型范性钝化模型 裂纹尖端处于裂纹尖端处于尖锐尖锐状态状态 裂纹闭合，长度增长，形成裂纹闭合，长度增长，形成新的裂纹尖端新的裂纹尖端 裂纹尖产生裂纹尖产生塑性变形塑性变形 裂纹尖加宽，钝化成裂纹尖加宽，钝化成半圆半圆 卸载产生反向滑移，并因皱卸载产生反向滑移，并因皱曲使裂纹尖变成曲使裂纹尖变成双缺口双缺口 67 5.1疲劳破坏的特征：疲劳破坏的特征： 5. 疲劳断口的形貌特征疲劳断口的形貌特征 疲劳破坏的特征和静力破坏有着本质的不同，主疲劳破坏的特征和静力破坏有着本质的不同，主要有要有五大五大特征：特征：b

30、1）在交变载荷作用下，构件中的交变应力在）在交变载荷作用下，构件中的交变应力在远小于远小于材料的强度极限材料的强度极限（ ）的情况下，破坏就可能发生。）的情况下，破坏就可能发生。68 5.1疲劳破坏的特征：疲劳破坏的特征： 5. 疲劳断口的形貌特征疲劳断口的形貌特征 2）不管是脆性材料或塑性材料，疲劳断裂在宏观）不管是脆性材料或塑性材料，疲劳断裂在宏观上均表现为上均表现为无明显塑性变形无明显塑性变形的突然断裂，故疲劳断的突然断裂，故疲劳断裂常表现为裂常表现为低应力类脆性断裂低应力类脆性断裂。 3）疲劳破坏常具有局部性质，而）疲劳破坏常具有局部性质，而并不牵涉到整个并不牵涉到整个结构结构的所有材

31、料，的所有材料，局部改变局部改变细节设计或细节设计或工艺措施工艺措施，即可较明显地增加疲劳寿命。即可较明显地增加疲劳寿命。 69 4）疲劳破坏是一个）疲劳破坏是一个累积损伤累积损伤的过程，需经历一定的过程，需经历一定的时间历程，甚至是很长的时间历程。实践已经证的时间历程，甚至是很长的时间历程。实践已经证明，疲劳断裂由三个过程组成，即明，疲劳断裂由三个过程组成，即 (I)裂纹裂纹(成核成核)形成形成， ()裂纹扩展裂纹扩展， ()裂纹扩展到临界尺寸时的快速裂纹扩展到临界尺寸时的快速(不稳定不稳定)断裂断裂。 5.1疲劳破坏的特征：疲劳破坏的特征： 5. 疲劳断口的形貌特征疲劳断口的形貌特征70

32、5）疲劳破坏断口在宏观）疲劳破坏断口在宏观和微观上均有其特征，特和微观上均有其特征，特别是其宏观特征在外场目别是其宏观特征在外场目视检查即能进行观察，可视检查即能进行观察，可以帮助我们分析判断是否以帮助我们分析判断是否属于疲劳破坏等。属于疲劳破坏等。 5.1疲劳破坏的特征：疲劳破坏的特征： 5. 疲劳断口的形貌特征疲劳断口的形貌特征71疲劳破坏疲劳破坏 S SSuSu破坏是局部损伤累积的结破坏是局部损伤累积的结果。果。断口光滑，有海滩条带或断口光滑，有海滩条带或腐蚀痕迹。有裂纹源、裂腐蚀痕迹。有裂纹源、裂纹扩展区、瞬断区。纹扩展区、瞬断区。无明显塑性变形。无明显塑性变形。应力集中对寿命影响大。

33、应力集中对寿命影响大。 由断口可分析由断口可分析、等，是等，是的重要依据。的重要依据。静载破坏静载破坏 S SSuSu破坏是瞬间发生的。破坏是瞬间发生的。断口粗糙，新鲜，无表面断口粗糙，新鲜，无表面磨蚀及腐蚀痕迹。磨蚀及腐蚀痕迹。韧性材料塑性变形明显。韧性材料塑性变形明显。应力集中对极限承载能力应力集中对极限承载能力 影响不大。影响不大。72 5.2宏观形貌特征：宏观形貌特征： 5. 疲劳断口的形貌特征疲劳断口的形貌特征 疲劳断口最显著疲劳断口最显著的宏观形貌特征就是的宏观形貌特征就是无明显的塑性变形无明显的塑性变形和和可以划分为可以划分为两个两个截然截然不同的区域：不同的区域：1 1）平滑的

34、）平滑的疲疲 劳区劳区2 2）凹凸不平的）凹凸不平的失稳失稳断裂区断裂区萌生区萌生区扩展区扩展区73 5.2宏观形貌特征：宏观形貌特征： 5. 疲劳断口的形貌特征疲劳断口的形貌特征 疲劳区的疲劳区的宏观形貌特征宏观形貌特征如下：如下： 1）断口呈现）断口呈现细晶粒细晶粒，较，较平滑平滑。受空气氧化或腐。受空气氧化或腐蚀，一般蚀，一般颜色较深颜色较深。该区上常出现如。该区上常出现如海滩状的花纹海滩状的花纹，裂纹扩展方向与海滩状花样裂纹扩展方向与海滩状花样垂直垂直，指向，指向曲率半径较曲率半径较大大的方向；的方向； 2）疲劳断口中往往有）疲劳断口中往往有磨光标记磨光标记，它是在裂纹的，它是在裂纹的

35、扩展过程中，由于裂纹面的扩展过程中，由于裂纹面的摩擦和挤压摩擦和挤压造成的；造成的；74 3）由于空气和其它介质的腐蚀作用，疲劳区）由于空气和其它介质的腐蚀作用，疲劳区多多为暗色为暗色； 4）在多源疲劳中，由于各裂纹源往往不在同一）在多源疲劳中，由于各裂纹源往往不在同一平面上，而是随着裂纹的扩展逐渐平面上，而是随着裂纹的扩展逐渐合并合并，因此在联，因此在联接处形成接处形成“台阶台阶”。瞬断区瞬断区的宏观形貌特征：的宏观形貌特征： 粗晶粒粗晶粒 5.2 宏观形貌特征：宏观形貌特征： 5. 疲劳断口的形貌特征疲劳断口的形貌特征75磨床砂轮轴的典型断口磨床砂轮轴的典型断口疲疲劳劳源源76航空发动机压

36、气机叶片的典型断口航空发动机压气机叶片的典型断口 77 5.3 疲劳破坏的分析：疲劳破坏的分析： 5. 劳断口的形貌特征劳断口的形貌特征 分析疲劳破坏失效的目的，是分析疲劳破坏失效的目的，是查明查明断裂的断裂的原因原因，作为制定改进措施及新设计的作为制定改进措施及新设计的依据依据，对于，对于改进结构改进结构设计设计具有重要的意义。具有重要的意义。疲劳断口疲劳断口 应力集中情况应力集中情况 载荷类型和大小载荷类型和大小 零部件形状零部件形状 78 在失效分析中，首先要确定在失效分析中，首先要确定主裂纹主裂纹与与二次裂纹二次裂纹。由于主裂纹。由于主裂纹是先于二次裂纹发生的，所以最是先于二次裂纹发生

37、的，所以最早出现的早出现的疲劳裂纹源疲劳裂纹源是在主裂纹是在主裂纹上。上。A裂纹裂纹早于早于B裂纹裂纹A裂纹裂纹的存在才能的存在才能阻止阻止B裂纹裂纹的扩展的扩展 5.3 疲劳破坏的分析：疲劳破坏的分析： 5. 劳断口的形貌特征劳断口的形貌特征79 5.3.1 载荷类型对疲劳断口的影响载荷类型对疲劳断口的影响 零部件上工作载荷的类型，对疲劳裂纹的零部件上工作载荷的类型，对疲劳裂纹的萌生萌生、扩展扩展及及断口外貌断口外貌有很大影响。有很大影响。 （一）交变单向弯曲（一）交变单向弯曲 （二）交变双向弯曲（二）交变双向弯曲 （三）旋转弯曲（三）旋转弯曲 （四）轴向拉压（四）轴向拉压 （五）交变扭转（

38、五）交变扭转5. 劳断口的形貌特征劳断口的形貌特征80 （一）交变单向弯曲一）交变单向弯曲 疲劳断口与轴线成疲劳断口与轴线成90o，裂纹源从交变拉应力裂纹源从交变拉应力最大最大一边开始。一边开始。 低周疲劳低周疲劳几个几个裂纹裂纹源，裂纹扩展源，裂纹扩展不深不深； 高周疲劳高周疲劳疲劳扩展疲劳扩展区大，区大，一个一个裂纹源，疲劳条纹更为裂纹源，疲劳条纹更为平直平直。5. 疲劳断口的形貌特征疲劳断口的形貌特征81 （二）交变双向弯曲二）交变双向弯曲 低周疲劳低周疲劳一般有一般有两个两个裂纹源，裂纹源，同时向内同时向内扩扩展；展； 高周疲劳高周疲劳第二个第二个裂纹源与第一个裂纹源一裂纹源与第一个裂

39、纹源一般不会同时形成，所以般不会同时形成，所以两裂纹两裂纹深度相差很大深度相差很大。5. 疲劳断口的形貌特征疲劳断口的形貌特征82 （三）旋转弯曲三）旋转弯曲 低应力水平：低应力水平： 裂纹源一般从裂纹源一般从一点一点开始。由开始。由于载荷向于载荷向旋转方向移动旋转方向移动，因此，因此顺载荷方向顺载荷方向扩展快扩展快，逆载荷方，逆载荷方向向扩展慢扩展慢，最后形成，最后形成瞬断区偏瞬断区偏斜斜的断口。的断口。 高应力水平高应力水平：圆周上产生多出裂纹源，同时向内扩展，最后形成圆周上产生多出裂纹源，同时向内扩展，最后形成圆的圆的疲劳条纹疲劳条纹和和疲劳区疲劳区。5. 疲劳断口的形貌特征疲劳断口的形

40、貌特征83 （四）轴向拉压四）轴向拉压 内部缺陷：内部缺陷： 当应力分布均匀，无应当应力分布均匀，无应力集中因素，裂纹源产生于力集中因素，裂纹源产生于内部，疲劳裂纹呈内部，疲劳裂纹呈圆形分布圆形分布。 表面缺陷表面缺陷表面不同位置形成裂纹源，疲劳表面不同位置形成裂纹源，疲劳扩展区直接相连扩展区直接相连，最后形成拉压疲劳断口的特有形态。最后形成拉压疲劳断口的特有形态。5. 疲劳断口的形貌特征疲劳断口的形貌特征84 （五）交变双向扭转五）交变双向扭转 在双向交变扭转作用下，在相应的在双向交变扭转作用下，在相应的各个起点各个起点上发生裂纹，分别沿上发生裂纹，分别沿+45+45o o和和-45-45o

41、 o两个倾斜方向扩两个倾斜方向扩展，当相邻裂纹相交后即形成展，当相邻裂纹相交后即形成锯齿形断口锯齿形断口。5. 疲劳断口的形貌特征疲劳断口的形貌特征85 （六）交变单向扭转六）交变单向扭转 在单向交变扭转作用下，在相应的在单向交变扭转作用下，在相应的各个起点各个起点上上发生裂纹，只沿发生裂纹，只沿+45+45o o倾斜方向扩展，当裂纹扩展到倾斜方向扩展，当裂纹扩展到一定程度，最后相连而断裂形成一定程度，最后相连而断裂形成棘轮状花样断口棘轮状花样断口。5. 劳断口的形貌特征劳断口的形貌特征86不同载荷情况疲劳断口的形貌不同载荷情况疲劳断口的形貌87 5.3.2 超载及应力集中的影响超载及应力集中

42、的影响 把名义应力超过材料的疲劳极限定义为把名义应力超过材料的疲劳极限定义为“超载超载”。 当超载当超载不大时不大时，一般属于高周疲劳；，一般属于高周疲劳； 超载很大超载很大就很可能发生低周疲劳。就很可能发生低周疲劳。 现将名义应力大小及应力集中对零部件疲劳断口形现将名义应力大小及应力集中对零部件疲劳断口形态的影响总结如下：态的影响总结如下：5. 疲劳断口的形貌特征疲劳断口的形貌特征88 1）工作应力高工作应力高或存在较大的或存在较大的应力集中应力集中的情况下，的情况下，有可能形成有可能形成多个裂纹源多个裂纹源；在；在超载不大超载不大的情况下，的情况下，一般只生成一一般只生成一个疲劳裂纹源个疲

43、劳裂纹源。 2）当断口上的疲劳裂纹条纹）当断口上的疲劳裂纹条纹绕裂纹源绕裂纹源向向外凸起外凸起并并近似同心圆近似同心圆时，则表示零部件表面时，则表示零部件表面无应力集中无应力集中或应力集中较小；当裂纹或应力集中较小；当裂纹呈凹形呈凹形时，表示零部件时，表示零部件的表面有的表面有较大较大的的应力集中应力集中。5. 疲劳断口的形貌特征疲劳断口的形貌特征89 3）断口上的条纹）断口上的条纹间距间距若是若是规则规则的，表示应力的的，表示应力的变化量是规则变化量是规则的，否则表示应力变化不规则。的，否则表示应力变化不规则。 4）较小较小的条纹间距，表示材料的的条纹间距，表示材料的韧性较好韧性较好，疲，疲

44、劳裂纹劳裂纹扩展缓慢扩展缓慢。一般情况，。一般情况，较软较软的金属材料容的金属材料容易看出疲劳裂纹，易看出疲劳裂纹，较硬较硬的材料，很难看到裂纹条的材料，很难看到裂纹条纹。纹。5. 疲劳断口的形貌特征疲劳断口的形貌特征905. 疲劳断口的形貌特征疲劳断口的形貌特征 5）当）当名义应力增大名义应力增大时，瞬断区相对于裂纹区的时，瞬断区相对于裂纹区的面积也增大面积也增大；相反区域；相反区域较小较小，表示超载，表示超载较小较小，所，所以可通过瞬断区大小判断超载程度。以可通过瞬断区大小判断超载程度。 6）旋转弯曲的疲劳断口瞬断区的）旋转弯曲的疲劳断口瞬断区的位置位置，常相对，常相对于裂纹源于裂纹源逆旋

45、转逆旋转方向偏一个角度。如其他条件不方向偏一个角度。如其他条件不变仅变仅名义应力增大名义应力增大时，瞬断区时，瞬断区向截面中心移动向截面中心移动。915. 疲劳断口的形貌特征疲劳断口的形貌特征 7）在）在弯曲扭转载荷弯曲扭转载荷下，零部件上得最大应力发下，零部件上得最大应力发生在生在表面表面，所以裂纹源一般在，所以裂纹源一般在表面或亚表面表面或亚表面。 波动拉伸波动拉伸或或对称拉压疲劳对称拉压疲劳，其裂纹源也可能发，其裂纹源也可能发生在亚表面。生在亚表面。92 5.4 疲劳断口的微观形貌特征疲劳断口的微观形貌特征 5. 疲劳断口的形貌特征疲劳断口的形貌特征疲劳裂纹萌生机理：疲劳裂纹萌生机理：裂

46、纹起源（裂纹源）在何处？裂纹起源（裂纹源）在何处？ 高应力处：高应力处：1）应力集中处；缺陷、夹杂，或孔、切口、台阶等）应力集中处；缺陷、夹杂，或孔、切口、台阶等2）构件表面；）构件表面； 应力较高，有加工痕迹，应力较高，有加工痕迹， 平面应力状态，易于滑移发生。平面应力状态，易于滑移发生。疲劳裂纹的起始或萌生，称为疲劳裂纹成核。疲劳裂纹的起始或萌生，称为疲劳裂纹成核。疲劳裂疲劳裂纹成核纹成核扩展至临扩展至临界尺寸界尺寸断裂断裂发生发生93 5.4 疲劳断口的微观形貌特征疲劳断口的微观形貌特征 5. 疲劳断口的形貌特征疲劳断口的形貌特征 裂纹扩展的微观形貌主裂纹扩展的微观形貌主要有以下特征：要有以下特征： 1）每个断口由若干个）每个断口由若干个凹凸凹凸不平的小断片不平的小断片组成，断片结组成，断片结合处形成合处形成台阶台阶；94 5.4 疲劳断口的微观形貌特征疲劳断口的微观形貌特征 5. 疲劳断口的形貌特征疲劳断口的形貌特征 2）断口上有很多）断口上有很多细小的条纹细小的条纹，这些条纹，这些条纹略带弧形略带弧形，在同一个断片上，在同一个断片上连续平行连续平行，具有，具有规则的间距，与规则的间距，与裂纹扩展方向垂直裂纹扩展方向垂直；疲劳条纹疲劳条纹塑性条纹塑性条纹脆性条纹脆性条纹较为常见较为常见与其相垂直的与其相垂直的河流河流状花样相伴状花