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疲劳裂纹扩展—断裂力学课件

加载频率的影响可表为 一般,频率的影响比应力比的影响要小很多,在室温、无腐蚀条件下,100Hz频率的影响可忽略。 五、影响疲劳裂纹扩展速率的因素 式中:m=3.06(AISI304,1000 );A(f)是加载频率f的函数 ℉ 此外, 试验表明,随着温度增加,疲劳裂纹扩展率将会增加,疲劳寿命将会降低,在高温情况下,应力腐蚀的作用也会增强。 谢 谢! 疲劳裂纹扩展 断 裂 力 学 一、疲劳裂纹扩展概述 二、疲劳裂纹扩展速率 三、疲劳裂纹扩展的机理与 的理论公式 四、疲劳裂纹扩展寿命预测 五、影响疲劳裂纹扩展速率的因素 疲劳裂纹扩展 北京交通大学土建学院 李常武 1、疲劳裂纹扩展的概念 2、疲劳破坏特点 3、疲劳破坏过程 4、构件的疲劳设计 一、疲劳裂纹扩展概述 1、疲劳裂纹扩展的概念 Fatigue crack growth 承受结构或元件,由于交变载荷的作用,或者由于载荷和环境侵蚀的联合作用,会产生微小的裂纹,裂纹将随着交变载荷周次的增加或环境侵蚀时间的延长而逐渐扩展。随着裂纹尺寸增大,结构或元件的剩余强度逐步减小,最后导致断裂。 1、疲劳裂纹扩展的概念 疲劳裂纹的萌生从宏观而言,总是起源于应力集中区、高应变区、强度最弱的基体、结构拐角、加工切削裂焊缝、腐蚀坑等区域。从微观而言可分为滑移带开裂、晶界开裂、非金属夹杂(或第二相)与基体界面开裂三种机制。 2、疲劳破坏特点 具有初始裂纹或缺陷的构件,即使这些初裂纹或缺陷未达到失稳扩展的临界尺寸,但是在交变应力作用下,也会逐渐扩展,导致疲劳破坏。 对于没有宏观裂纹的试件,在交变应力作用下,也可能萌生裂纹,最后裂纹扩展直到断裂。 因此,疲劳破坏时的应力远比静载荷破坏应力低,而且疲劳破坏时一般都没有明显的塑性变形,对工程结构的危害很大,这是要努力避免的。 统计结果表明,在各种机械零件的断裂事故中,大约有80%以上是由于疲劳失效引起的。 3、疲劳破坏过程 疲劳破坏过程比较复杂,受很多因素的影响,大致分为四个阶段: (1) 裂纹成核阶段 交变应力 作用 滑移 金属的挤出和挤入 形成微裂纹的核 (2) 微观裂纹扩展阶段 也称为裂纹扩展的第一阶段,一旦微观裂纹成核,就沿着滑移面扩展,这个面与主应力约成45°的剪应力作用面。 深入表面较浅,大约十几微米,深度在0.05mm以内,非单一裂纹 (3) 宏观裂纹扩展阶段 也称为裂纹扩展的第二阶段,裂纹扩展方向基本上与主应力垂直,为单一裂纹,一般裂纹长度a在 ( 为裂纹临界尺寸)范围内的扩展为宏观裂纹扩展阶段 图4-2 3、疲劳破坏过程 3、疲劳破坏过程 图4-2 (4 )瞬时断裂阶段 当裂纹扩大到临界尺寸 时,产生失稳扩展而很快断裂。 在疲劳宏观断口上往往有两个区域,即光滑区域和颗粒状区域。因为在裂纹扩展过程中,裂纹的两个表面在交变荷载下,时而压紧,时而分开,多次反复,这就形成了光滑区。断口的颗粒状粗糙区则是最后突然断裂形成的 3、疲劳破坏过程 动画演示:/jp2004/14/Library/Cartoon_Dummy/板的疲劳裂纹扩展.swf 4、构件的疲劳设计 研究疲劳扩展的意义 最早的“无限寿命”设计,要求在无限长的试用期内,不发生疲劳破坏。 以最大应力为纵坐标,循环次数(寿命)为横坐标,将疲劳试验结果描绘成的曲线,称为应力—寿命曲线或S—N曲线。 若钢材经过107 次循环仍未疲劳,则再增加循环次数,也不会疲劳。就把这时的最大应力,规定为这种钢材的持久极限。 常温试验结果表明: 对称循环下,构件的疲劳强度条件为 n ——安全因数 ——构件的疲劳极限 ——尺寸影响系数 ——表面强化处理影响系数 ——外形影响系数 4、构件的疲劳设计 “安全寿命”设计: 需要建立疲劳载荷谱,测定S-N曲线(S为交变应力,N为应力循环周数),并用累积损伤理论估算“安全寿命”。 综上,以上两种方法所依据的S-N曲线,是用无裂纹光滑试样测得的,不能充分保证构件的可靠性和经济性。 可靠性不能保证——因为工程中的实际构件,在制造和使

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