失效分析基础和程序4 .ppt

* 4 疲 劳 与 疲 劳 断 裂 2 疲劳断裂是金属构件断裂的主要形式之一，在金属构件疲劳断裂失效分析基础上形成和发展了疲劳学科。自从W?hler的经典疲劳著作发表以来，人们充分地研究了不同材料在各种不同载荷和环境条件下试验时的疲劳性能。尽管大多数工程技术人员和设计人员已经注意到疲劳问题，而且已积累了大量的实验数据，目前仍然有许多设备和机器发生疲劳断裂。 疲劳设计现在已从无限寿命设计发展到有限寿命设计。零件、构件和设备的寿命估算，已成为疲劳强度的一个重要组成部分。疲劳已从一个古老的概念发展成为材料科学、力学和工程设计相结合的一门新兴学科——疲劳强度。 2 4.1.1 疲劳断裂失效的基本形式 机械零件疲劳断裂失效形式很多。 按交变载荷的形式不同，可分为拉压疲劳、弯曲疲劳、扭转疲劳、 接触疲劳、振动疲劳等； 按疲劳断裂的总周次的大小（Nf）可分为高周疲劳（Nf＞105）和低 周疲劳（Nf＜104）； 按零件服役的温度及介质条件可分为机械疲劳（常温、空气中的疲 劳）、高温疲劳、低温疲劳、冷热疲劳及腐蚀疲劳等。 但其基本形式只有两种，即由切应力引起的切断疲劳及由正应力引 起的正断疲劳。其它形式的疲劳断裂，都是由这两种基本形式在不同条 件下的复合。 4.1 疲劳断裂的基本形式和特征 2 4.1 疲劳断裂的基本形式和特征 2 1、切断疲劳失效 切断疲劳初始裂纹是由切应力引起的。切应力引起疲劳初裂纹萌生的力学条件是：切应力／缺口切断强度≥1；正应力／缺口正断强度＜1。 切断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应力应变场为平面应力状态；初裂纹的所在平面与应力轴约成45o角，并沿其滑移面扩展。 由于面心立方结构的单相金属材料的切断强度一般略低于正断强度，而在单向压缩、拉伸及扭转条件下，最大切应力和最大正应力的比值（即软性系数）分别为2.0、0.5、0.8，所以对于这类材料，其零件的表层比较容易满足上述力学条件，因而多以切断形式破坏。例如铝、镍、铜及其合金的疲劳初裂纹，绝大多数以这种方式形成和扩展。低强度高塑性材料制作的中小型及薄壁零件、大应力振幅、高的加载频率及较高的温度条件都将有利于这种破坏形式的产生。 4.1 疲劳断裂的基本形式和特征 2 2、正断疲劳失效 正断疲劳的初裂纹，是由正应力引起的。初裂纹产生的力学条件是：正应力／缺口正断强度≥1，切应力／缺口切断强度＜1。 正断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应力应变场为平面应变状态；初裂纹所在平面大致上与应力轴相垂直，裂纹沿非结晶学平面或不严格地沿着结晶学平面扩展。 大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以此种形式进行的。特别是体心立方金属及其合金以这种形式破坏的所占比例更大；上述力学条件在试件的内部裂纹处容易得到满足，但当表面加工比较粗糙或具有较深的缺口、刀痕、蚀坑、微裂纹等应力集中现象时，正断疲劳裂纹也易在表面产生 高强度、低塑性的材料、大截面零件、小应力振幅、低的加载频率及腐蚀、低温条件均有利于正断疲劳裂纹的萌生与扩展。 4.1 疲劳断裂的基本形式和特征 2 4.1.2 疲劳断裂失效的一般特征 金属零件在使用中发生的疲劳断裂具有突发性、高度局部性及对各种缺陷的敏感性等特点。引起疲劳断裂的应力一般很低，断口上经常可观察到特殊的、反映断裂各阶段宏观及微观过程的特殊花样。 4.1 疲劳断裂的基本形式和特征 2 1、疲劳断裂的突发性 疲劳断裂虽然经过疲劳裂纹的萌生、亚临界扩展、失稳扩展三个元过程，但是由于断裂前无明显的塑性变形和其它明显征兆，所以断裂具有很强的突发性。即使在静拉伸条件下具有大量塑性变形的塑性材料，在交变应力作用下也会显示出宏观脆性的断裂特征。因而断裂是突然进行的。 2、疲劳断裂应力很低 循环应力中最大应为幅值一般远低于材料的强度极限和屈服极限。例如，对于旋转弯曲疲劳来说，经107次应力循环破断的应力仅为静弯曲应为的20～40%；对于对称拉压疲劳来说，疲劳破坏的应力水平还要更低一些。对于钢制构件，在工程设计中采用的近似计算公式为： 4.1 疲劳断裂的基本形式和特征 ～ ～ 或 2 3、疲劳断裂是一个损伤积累的过程 疲劳断裂不是立即发生的，而往往经过很长的时间才完成的。疲劳初裂纹的萌生与扩展均是多次应力循环损伤积累的结果。 在工程上通常把试件上产生一条可见的初裂纹的应力循环周次（N0）或将N0与试件的总寿命Nf的比值（N0/ Nf）作为表征材料疲劳裂纹萌生孕育期的参量。 疲劳裂纹萌生的孕育期与应力幅的大小、试件的形状及应力集中状况、材