《失效分析》课件-5.ppt

1、疲劳断裂失效分析；2.疲劳断裂是金属构件的主要断裂形式之一，疲劳学科是在金属构件疲劳断裂失效分析的基础上形成和发展起来的。自从Whler的经典疲劳著作发表以来，人们已经充分研究了不同材料在各种载荷和环境条件下的疲劳特性。虽然大多数工程师和设计人员都注意到了疲劳问题，并积累了大量的实验数据，但仍有许多设备和机器出现疲劳断裂。疲劳设计已经从无限寿命设计发展到有限寿命设计。零件、部件和设备的寿命估算已成为疲劳强度的重要组成部分。疲劳已经从一个古老的概念发展到一个新的学科疲劳强度，它结合了材料科学、力学和工程设计。2、5.1.1疲劳断裂失效的基本形式，5.1疲劳断裂的基本形式和特征根据疲劳断裂的总循环

2、数可分为高循环疲劳(Nf 105)和低循环疲劳(Nf 104)；根据交变载荷的不同形式，可分为拉压疲劳、弯曲疲劳、扭转疲劳、接触疲劳、振动疲劳等。2.5.1.1疲劳断裂失效的基本形式可分为机械疲劳(常温和空气中的疲劳)、高温疲劳、低温疲劳、冷热疲劳和腐蚀疲劳等。5.1疲劳断裂的基本形式和特征，但只有两种基本形式，即剪应力引起的切削疲劳和正应力引起的正断裂疲劳。其他形式的疲劳断裂由这两种不同条件下的基本形式组成。2，5.1疲劳断裂的基本形式和特征，2，1，切削疲劳失效切削疲劳初始裂纹是由剪应力引起的。剪应力引起疲劳初始裂纹萌生的力学条件是：剪应力切口切割强度1；正应力缺口强度1。5.1疲劳断裂的

3、基本形式和特征，切削疲劳的特征是：疲劳裂纹源处的应力应变场为平面应力状态；初始裂纹的平面与应力轴成约45角，并沿其滑动面扩展。由于面心立方结构单相金属材料的切削强度一般略低于正常断裂强度，在单轴压缩、拉伸和扭转条件下，最大剪应力与最大正应力之比(即软系数)分别为2.0、0.5和0.8，这类材料零件的表层很容易满足上述力学条件，因此经常以切削的形式损坏。例如，铝、镍、铜及其合金的初始疲劳裂纹主要是以这种方式形成和扩展的。由低强度高塑性材料制成的中小型薄壁零件，大应力幅、高加载频率和高温条件将有利于这种失效模式的形成。5.1疲劳断裂的基本形式和特征，2.2。正断裂疲劳破坏的初始裂纹由正应力引起。初

4、始裂纹的力学条件为：正应力缺口强度1，剪应力缺口强度1。5.1疲劳断裂的基本形式和特征，正断裂疲劳的特征是：疲劳裂纹源处的应力应变场为平面应变状态；初始裂纹的平面大致垂直于应力轴，裂纹沿着非晶平面或松散地沿着晶平面扩展。工程金属构件的疲劳失效大多是以正常失效的形式进行的。特别是，以这种形式破坏的体心立方金属及其合金的比例更大；上述力学条件在试件内部裂纹处很容易满足，但当表面加工粗糙或存在深应力集中现象如缺口、刀痕、腐蚀坑和微裂纹时，表面也容易出现正断裂疲劳裂纹。高强度低塑性材料、大截面零件、小应力幅、低加载频率、腐蚀和低温都有利于正断裂疲劳裂纹的萌生和扩展。5.1疲劳断裂的基本形式和特征，2.

5、5.1.2疲劳断裂失效的一般特征，5.1疲劳断裂的基本形式和特征，以及在用金属零件的疲劳断裂引起疲劳断裂的应力一般很低，在断口上经常可以观察到反映各断裂阶段宏观和微观过程的特殊图形。突发性疲劳断裂虽然疲劳断裂经历了疲劳裂纹萌生、亚临界扩展和失稳扩展三个过程，但断裂前没有明显的塑性变形等明显迹象，因此断裂是非常突发性的。即使在静态拉伸下具有大量塑性变形的塑性材料在交变应力下也会表现出宏观脆性断裂特征。因此，骨折是突然的。5.1疲劳断裂的基本形式和特征、2、2。疲劳断裂应力很低，循环应力的最大振幅一般应远低于材料的强度极限和屈服极限。例如，对于旋转弯曲疲劳，107个应力循环后的断裂应力仅为静态弯曲

6、的2040%；对于对称拉伸和压缩疲劳，疲劳破坏的应力水平甚至更低。5.1疲劳断裂的基本形式和特征，或者，对于钢构件，工程设计中采用的近似计算公式是：2，3，疲劳断裂是一个损伤累积的过程，疲劳断裂不会立即发生，但往往需要很长时间才能完成。初始疲劳裂纹的萌生和扩展是重复应力循环损伤累积的结果。5.1疲劳断裂的基本形式和特征。在工程中，试样上可见初始裂纹的应力循环数(N0)或N0与试样总寿命Nf之比(N0/Nf)通常被作为表征材料疲劳裂纹起始和孕育期的参数。疲劳裂纹萌生的潜伏期与应力幅值、试样的形状和应力集中、材料性能、温度和介质有关。2，某些材料的N0/Nf值，5.1疲劳断裂的基本形式和特征，2，

7、3.1疲劳断裂的基本形式和特征，各种因素对N0/Nf值的影响趋势，2，3.1疲劳断裂的基本形式和特征，4。疲劳断裂对材料缺陷的敏感性。因为疲劳断裂总是源于微裂纹。这些细微的裂纹有些是材料本身的冶金缺陷，有些是在加工制造过程中留下的，有些是在使用过程中产生的。疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性金属材料的疲劳断裂不仅取决于材料本身的性能，还取决于零件工作的环境条件。对材料敏感的环境条件对材料的静态强度有一定的影响，但其影响远不如对材料疲劳强度的影响显著。大量实验数据表明，腐蚀环境下材料的疲劳极限比大气条件下低得多，甚至没有这样的疲劳极限。3.1疲劳断裂的基本形式和特征、2.5.2.1宏观形态和疲劳断裂特征

8、由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，形成了疲劳断裂独特的断裂形态，这是疲劳断裂分析的基础。典型疲劳断裂的宏观形貌可分为五个区域：疲劳核心区、疲劳源区、疲劳裂纹选择性发展区、裂纹快速扩展区和瞬时断裂区。一般来说，疲劳断裂可以大致分为三个区域：疲劳源区域、疲劳裂纹扩展区域和瞬时断裂区域，也可以大致分为两个部分：疲劳区域和瞬时断裂区域。一般来说，在大多数工程构件的疲劳断口上都可以观察到三个区域，因此这种划分更具有实际意义。5.2疲劳断裂形态和特征，2，5.2疲劳断裂形态和特征，2，5.2疲劳断裂形态和特征，2，5.2疲劳断裂形态和特征，2，5.2疲劳断裂形态和特征，2，5.2疲劳断裂形态和特征，5.2

9、疲劳断裂。5.2疲劳断裂形态和特征，2.1。弯曲疲劳断裂金属零件在交变弯曲应力下的疲劳失效称为弯曲疲劳断裂。弯曲疲劳可分为三种类型：单向弯曲疲劳、双向弯曲疲劳和旋转弯曲疲劳。共同点是初始裂纹通常从表面开始，然后沿着垂直于最大法向应力的方向向内扩展。当剩余部分不能承受施加的载荷时，构件突然断裂。5.2疲劳断裂形态及其特征，2，(1)单向弯曲疲劳断裂，如起重机悬臂，工作时承受单向弯曲载荷。承受脉动单向弯曲应力的零件的疲劳核心通常出现在受拉侧的表面。一般来说，有一个疲劳核心，在断口上可以看到同心的壳型，是凸起的。最后，断裂区与疲劳源区相对，周围有剪切唇。5.2疲劳断裂形态及其特征。当副表面上有主要缺

10、陷时，疲劳核心也可能出现在副表面上。在大应力集中的影响下，疲劳孤立线可能反转(凹陷)，并可能出现多个疲劳源区域。2、5.2疲劳断裂形态及其特征2、(2)双向弯曲疲劳断裂某些齿轮的齿根承受双向弯曲应力。双向弯曲应力下零件的疲劳断裂可能在零件的两侧都有疲劳源区域，最终的断裂区域在截面内部。两个疲劳核心不是同时产生的，并且传播速度不同，所以断口上的疲劳断裂区一般不是完全对称的。材料性能、载荷、结构特征和环境因素都对断裂形态有影响，其趋势与单向弯曲疲劳断裂基本一致。5.2疲劳断裂形态及其特征，2.5.2疲劳断裂形态及其特征，2.3旋转弯曲疲劳断裂许多轴类零件的断裂大多属于旋转弯曲疲劳断裂。旋转和弯曲疲

11、劳断裂时，疲劳源区域一般出现在表面，但没有固定的位置，疲劳源的数量可以是一个或多个。疲劳源区域和最终断裂区域的相对位置总是相对于轴的旋转方向反转一个角度。因此，可以根据疲劳源区域和最后断裂区域之间的相对位置来推断轴的旋转方向。当重要官员的表面存在较大的应力集中时，可能存在多个疲劳源区域。此时，最终的断裂区域将移动到轴的内部。5.2疲劳断裂形态及其特征，2.5.2疲劳断裂形态及其特征，2.2拉伸和压缩疲劳断裂一般来说，拉伸和压缩疲劳断裂的疲劳核心大多来源于表面而不是内部，这与静态载荷拉伸断裂不同。然而，当构件中存在明显的缺陷时，初始疲劳裂纹将源于这些缺陷。此时，在断裂面上将有两个不同的区域，一个

12、是明亮的圆形疲劳区域(疲劳核心在该中心附近)，周围是瞬时断裂区域。一般来说，在疲劳区看不到疲劳弧，但在瞬时断裂区有明显的辐射图形。5.2疲劳断裂形态及其特征、应力集中和材料缺陷会影响疲劳核心的数量和位置，瞬时断裂区的相对大小与载荷和材料性质有关。2，2，拉伸和压缩疲劳断裂，5.2疲劳断裂的形态和特征，2，3扭转疲劳断裂各种传动轴零件的断裂主要是扭转疲劳断裂。扭转疲劳断裂有三种主要的断裂形态。5.2疲劳断裂形态及其特征，(1)正向断裂的断裂面与轴向成45角，即沿最大正应力平面断裂。当被单向脉动扭曲时，它是螺旋形的。当向两个方向扭转时，断口呈星形，应力集中呈锯齿状。2、5.2疲劳断裂形态和特征，2

13、、5.2疲劳断裂形态和特征，2、5.2疲劳断裂形态和特征，2、3扭转疲劳断裂(2)切向断裂截面垂直于轴向，即沿最大剪应力所在平面断裂，且截面齐平。5.2疲劳断裂形态及其特征，(3)混合截面在许多情况下，机械振动是有害的。它不仅产生噪声，破坏建筑物的动荷载，还会显著降低设备的性能和使用寿命。往复机械运动引起的断裂称为振动疲劳断裂。当外部激振力的频率接近系统的固有频率时，系统会产生强烈的共振现象。共振疲劳断裂是机械设备振动疲劳断裂的主要形式，此外还有颤振疲劳和喘振疲劳。振动疲劳断裂的断裂形态类似于高频低应力疲劳断裂，具有高周疲劳断裂的所有基本特征。振动疲劳断裂的疲劳核心一般源于最大应力，但断裂的主

14、要原因是结构设计不合理。因此，应通过改变部件的形状和尺寸以及调整设备的固有频率来避免这种情况。5.接触疲劳，5.2疲劳断口形貌及其特征，2.5.2.3疲劳断口微观形貌特征1。疲劳断口微观形貌的基本特征是在电子显微镜下观察到的条状图案，通常称为疲劳条纹、疲劳条、疲劳条纹等。疲劳条纹是一种具有一定间距的条纹图案，垂直于裂纹扩展方向，明暗相交，相互平行。5.2疲劳断裂形态及其特征，2，5.2疲劳断裂形态及其特征，2，5.2疲劳断裂形态及其特征，(1)疲劳条纹之间的距离在裂纹扩展的初始阶段很小，然后逐渐增大。每个疲劳条纹之间的距离对应于应力循环中疲劳裂纹前沿的向前推进量。疲劳条纹的形貌随金属材料的微观

15、结构、晶粒取向和载荷特性而变化，通常具有以下特征：(2)疲劳条纹的形状多为向前突出的弧形条纹。随着裂纹扩展速度的增加，线的曲率增加。在裂纹扩展过程中，如果遇到第二相粒子块，还可能出现反弧或S形弧疲劳条纹；2、3.2疲劳断口形貌及其特征，(3)疲劳条纹的排列方向取决于各截面疲劳裂纹的扩展方向。不同晶粒或同一晶粒的双晶界两侧或同一晶粒的不同区域具有不同的扩展方向，疲劳条纹的方向也不同；(4)面心立方结构材料比体心立方结构材料更容易形成疲劳条纹，平面应变状态下比平面应力状态下更容易形成疲劳条纹，应力过小时不会观察到疲劳条纹；2、3.2疲劳断口形貌及其特征，(5)疲劳条纹不能在所有疲劳断口上观察到，疲

16、劳条纹的产生取决于材料性能、加载条件和环境因素等多种因素；(6)室温下疲劳条纹通常是穿晶的，但高温下也会出现沿晶条纹；(7)疲劳条纹是韧性和脆性的。韧性疲劳条纹是指金属材料疲劳裂纹扩展时，裂纹尖端金属的大塑性变形。疲劳条纹通常是连续的，并在一个方向弯曲成波浪。5.2疲劳断口形貌及其特征，疲劳条纹之间通常有滑带，电镜下可观察到微孔图案。在高周疲劳断裂中，疲劳条纹通常是韧性的。2、2、5.2疲劳断裂形态及其特征，2、脆性疲劳条纹是指疲劳裂纹沿解理面扩展，尖端几乎没有或根本没有塑性变形，因此也称为解理条纹。在电子显微镜下，不仅可以观察到垂直于裂纹扩展方向的疲劳条纹，还可以观察到与裂纹扩展方向一致的河流型和解理台阶。5.2疲劳断裂形态及其特征、脆性金属材料和高强度塑料材料在腐蚀介质中工作时的疲劳条纹通常在疲劳断裂或慢速载荷下的疲劳断裂中是脆性的。2、2、5.2疲劳断裂形态及其特征，2、5.2疲劳断裂形态及其特征，关于包括奥氏体不锈钢在内的一些材料的疲劳断裂在其他材料中，疲劳条纹不像高强度铝合金中的那样清晰和规则。例如，在钢中，疲劳条纹的连续性是不规则的，有时表现出短暂和不连续