疲劳基础知识介绍

疲劳基础知识介绍摘要1.概述2.疲劳基础知识3.疲劳寿命预测方法4.确定疲劳寿命的方法1.概述疲劳破坏零件或构件在交变载荷的作用下工作时，往往在工作应力尚未达到静强度设计的许用应力情况下发生断裂，这种现象称为疲劳破坏。疲劳断裂与在静载荷作用下的断裂不同，不管是脆性材料还是塑性材料，疲劳断裂都是突然发生的，事先均无明显的塑性变形的预兆，很难事先察觉到，具有很大的危险性。1.概述疲劳破坏案例19世纪30-40年代，英国铁路车辆轮轴在轴肩处多次发生破坏；1954年,英国“慧星号”喷气客机突然失事并坠入地中海；20世纪60年代末，美国空军F-11飞机发生了多次灾难性事故；1967年，美国西弗吉尼亚的PointPleasant桥在没有任何预兆的情况下倒塌，46人死亡；1979年，美国肯帕体育馆屋盖中心突然塌落（高强度螺栓在长期风载荷作用下发生疲劳破坏）；1980年,英国北海Kielland号钻井平台倾复（5条支腿之一发生破坏）。1.概述疲劳失效的危害：1、疲劳破坏作为各类材料、构件或结构的一种破坏形式，遍及机械、航空、铁路、土木工程等各个领域，据统计，机械断裂事故中有80%以上是金属疲劳引起的；2、疲劳断裂往往都是突然发生的，几乎没有什么明显的预兆，这给人们采取预防措施带来了很大的困难；3、疲劳断裂的后果是非常严重的，往往是灾难性的事故。1.概述静力破坏疲劳破坏一次最大载荷作用下的破坏多次反复载荷作用下的破坏小于屈服极限或强度极限不发生破坏远小于静强度极限甚至小于屈服极限就可能破坏通常产生明显的塑性变形通常没有外在宏观的显著塑性变形，破坏形式像脆性破坏，不易察觉断口粗粒状或纤维状两个区域特征：平滑区，粗粒状或纤维状抗力主要取决于材料本身抗力与材料的组成、构件的形状或尺寸、表面加工状况、使用条件及外部工作环境有关疲劳破坏与传统静力破坏的本质区别2.疲劳基础知识宏观断口疲劳断口一般可分为三个区：疲劳源区、裂纹扩展区（光滑区）和瞬时断裂区（粗糙）疲劳源区裂纹扩展区瞬时断裂区2.疲劳基础知识常用导出量应力幅平均应力应力比（循环特征系数）描述交变应力的基本量最大应力，最小应力应力幅反映了交变应力在一个应力循环中变化大小的程度，它是使金属构件发生疲劳破坏的根本原因。影响疲劳极限的主要参数：σa，重要的影响参数：r，频率与波形的影响是较次要的。2.疲劳基础知识疲劳曲线交变应力与疲劳寿命N（循环次数）与之间的关系曲线成为疲劳曲线（S-N曲线）图1为材料的疲劳曲线AB段——静应力强度状况BC段——低周疲劳（能够见到材料已发生塑性变形）CD段——有限寿命疲劳阶段CD段可以用下式描述图1材料的疲劳曲线2.疲劳基础知识高周疲劳（N>105）作用于零件、构件上的应力较低，工作应力低于材料的屈服极限，甚至低于弹性极限。描述高周疲劳，用S-N曲线（即σ-N曲线）。高周疲劳范围内，由于试样主要产生的只是弹性变形，塑性变形很小，用应变也很难测量，这时采用S-N曲线。弹簧、传动轴等的疲劳属于此类。低周疲劳（N102~

105）作用于零件、构件上的应力较高，工作应力高于材料的弹性极限或高于屈服极限。描述低周疲劳，用ε-N曲线（应变-寿命曲线）。低周疲劳范围内，零件缺口处的实际应力不容易计算，而缺口处的真实应变是可以测量的飞机起落架、炮筒等的疲劳属于此类。3、疲劳寿命预测方法疲劳寿命预测是疲劳研究的一个重要问题。从疲劳损伤的发展来看，疲劳寿命可以分为裂纹形成和裂纹扩展两个阶段。构件或材料从受载开始到裂纹达到一定的裂纹长度为止的循环次数为裂纹形成寿命。此后扩展到临界裂纹长度为止的循环次数称为裂纹扩展寿命。裂纹形成寿命和裂纹扩张寿命之和称为总寿命。

目前，关于疲劳寿命的预测方法主要有如下四种：

1、名义应力法（主要用于只发生弹性变形的高周疲劳）

2、局部应力应变法（只适用于零部件的应力集中处发生了塑性变形的低周疲劳）

3、断裂力学法

4、损伤力学法3.1名义应力法名义应力法是以名义应力为控制参数，通过疲劳试验获得名义应力疲劳寿命曲线，即S-N曲线，通过荷载谱分析，并按照一定的损伤法则来预测构件的疲劳寿命。这种方法所得到的疲劳寿命为总寿命。这种方法以疲劳试验为基础，具有较高的可靠度，因而在工程上得到广泛应用。根据疲劳寿命的不同，可分为无限寿命法和有限寿命法。一、无限寿命法无限寿命法的主要依据是疲劳极限。基本思路:当构件在载荷的作用下，危险部位的最大应力在考虑安全性因素后，仍低于疲劳极限，可认为该构件的寿命是无限的。当零件的结构比较简单应力集中较小时，恒幅交变应力、过载应力小且次数很少时可用这种方法。二、有限寿命法有限寿命法主要依据为S-N曲线。根据疲劳累积损伤理论，在给定的应力幅的作用下，通过S-N曲线即可求得疲劳寿命。随着对结构可靠性要求的增加，疲劳曲线还要求用带保证率的疲劳寿命曲线，即P-S-N曲线。P一S一N曲线是对构件进行疲劳可靠性寿命预测的基本性能数据，也是表征材料疲劳可靠性性能的重要指标。疲劳累积损伤理论疲劳累积损伤理论：疲劳分析的主要原理之一，估计变应力幅值下安全疲劳寿命的关键理论。现有的理论：线性疲劳累积损伤理论——载荷加载顺序不影响疲劳寿命双线性疲劳累积损伤理论——考虑疲劳发展的阶段性非线性疲劳累积损伤理论——实际上疲劳损伤不是线性的概率疲劳累积损伤理论——适应疲劳可靠性的要求前三种理论都是基于“确定性”的基础上的，近20年来为适应疲劳可靠性设计的要求，概率疲劳累积损伤理论有了很大的发展。线性损伤累积理论在零件受交变应力作用发生裂纹到破坏的过程中，零件材料内部的损伤是逐渐累积的，每一次应力的作用都会使零件受到微量的损伤，当这种损伤累积到一定程度达到疲劳极限后就发生疲劳断裂。这一理论的根据是，材料在失效前所吸收的总功都是相等的，而与作用的应力的变化方式（应力谱）无关。线性损伤累加（Miner）准则不同应力幅的载荷混合作用下，载荷循环对结构造成的损伤为：ni—第i组应力水平下经历的应力循环数；Ni—第i组应力水平下达到破坏时的应力循环数。大量的试验表明，总寿命损伤率约在0.7~2.2之间，为计算方便起见，通常取1。当D值等于1时，认为被评估对象疲劳破坏。Miner理论要求循环加载过程中不存在明显的循环硬化和循环软化线性。修正Miner法则：式中：a——临界损伤值，该数值由试验或经验确定。非线性疲劳累积损伤理论损伤曲线法损伤与循环次数比成指数关系式中：a为大于1的常数。应力水平愈低，a值越大；应力水平愈高，a值越接近1。低—高顺序，损伤发展过程为OBAP高—低顺序，损伤发展过程为OABP3.2局部应力应变法决定构件疲劳强度和寿命的主导因素是应力应变集中区（存在应力集中的局部区域）的局部应力和应变。局部应力应变法正是基于上述思想，以局部应力和应变为控制参数来预测疲劳寿命。3.3断裂力学法以线弹性断裂力学为基础，认为材料内部有缺陷并把这种缺陷看作裂纹，根据材料在使用荷载下的裂纹扩展性质，即可预测其剩余寿命。按照断裂力学法的观点，构件内部具有裂纹是不可避免的，只要适当的采取控制断裂措施，保证在使用期内能够安全工作，这样的裂纹是允许存在的。3.4损伤力学法损伤力学为固体力学的一个新兴研究方法,在引入损伤概念以后，人们用连续损伤场描述金属材料的空位、位错与微裂纹等内部缺陷及其对材料本构关系的影响，从不可逆热力学原理出发，建立了损伤力学本构关系和损伤动力学关系。用损伤力学理论预测疲劳寿命，考虑了损伤发展的非线性性质，在理论上更趋完善，物理意义更加明确。但是，损伤力学方法中一个关键的问题是损伤演化方程。目前已提出的疲劳损伤演化方程中存在如下几方面的问题:(l)对于高周疲劳，损伤的局部化程度远高于低周疲劳，很容易受到材料微观结构的影响，在理论上难以找到用宏观量准确描述损伤发展的演变方程;(2)目前所提出的疲劳损伤演化方程对于一维问题是成功的，但对于多轴疲劳问题还有许多问题尚未弄清;(3)考虑材料损伤的本构关系，使问题更为复杂化，损伤区域的尺度一般比切口底部的曲率半径低一个数量级，而损伤影响区的范围也非常有限，这就使得数值计算十分繁琐和复杂，因而不利于工程应用。

到目前为止，疲劳强度的设计实质上还是基于大量试验结果的估算。

对于新产品的开发，应至少对于某些重要零部件等，同时进行试验研究。如果受试验条件等的限制，可以根据零部件的特点