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疲劳测试和分析(理论与实践)张开桂--第1页

疲劳试验测试分析(理论与实践)李永利、卓·帕恩、理查德·伯克希尔·哈

撒韦、马克E··巴基巴特沃斯海涅曼出版社2005

第二章疲劳损伤理论

2.1介绍

预测结构组件在受到多种加载条件时的疲劳损伤是一个复杂的课题。

首先,最简单和应用最广泛的损伤模型是线性损伤。这个准则通常被称为

Miner准则(1945)。然而，在许多情况下，线性规则往往会得出偏于冒险的

寿命预测。由于循环疲劳载荷，这种方法的结果没有考虑加载顺序对积累

损伤的影响。自从引入线性破坏准则，提出的许多不同的疲劳损伤理论提

高疲劳寿命预测的准确性。我们也可以在其他地方找到许多疲劳损伤的评

估方法(法特米和杨,1998)。本章解决潜在的疲劳损伤机理,普遍用于汽车

工业的疲劳损伤模型,以及关于这些损伤准则的实际实施和假定。

2.2疲劳损伤机制

组件的疲劳是由循环载荷产生的局部破坏。这个累积结果的过程包括

裂纹的萌生、扩展、最终断裂。加载循环荷载期间，承受最大应力区域发

生局部塑性变形。这种塑性变形会引起零件的永久性损伤和裂缝扩散。随

着零件承受加载次数的增加,裂缝的长度(损害)随之增加。达到一定循环次

数后,裂纹将导致零件断裂失效。

一般情况下，已经观察到的疲劳过程包括以下几个阶段：（1）裂纹

成核，（2）短裂纹扩展，（3）长裂纹扩展，（4）最终断裂。裂纹开始在

接近高应力集中的局部剪切面上出现，如连续的滑移带，夹杂物，气孔，

或不连续的晶粒。局部剪切面通常发生在表面上或在晶界。这一过程，裂

纹的成核是疲劳过程的第一步。一旦裂纹成核并且持续的循环加载，裂纹

便会沿最大切应力平面和晶界扩展。

疲劳损伤过程图形（图2.1）表明，裂纹成核开始于连续的滑移带应力

的集中部位。疲劳过程的下一步是裂纹扩展阶段。这一阶段分为阶段I和

II期。第一阶段裂纹的成核和扩展通常被认为是初始的短裂纹在局部最大

剪应力面上沿着大约几个晶粒的有限长度扩展。在这个阶段，由于裂纹尺

寸与材料微观结构，裂纹尖端的塑性极大的受到滑移特性、晶粒尺寸、方

向、应力水平的影响。第二阶段裂纹扩展是指长裂纹扩展到垂直于主拉应

力的平面和局部最大剪应力方向。长裂纹的特性在这一阶段比第一阶段受

到微观结构的影响要小。这是因为第二阶段裂纹的尖端塑性区域比材料微

观组织结构的大得多。

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向内突入

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第二阶段疲劳裂纹

第一阶段疲劳裂纹

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(稳定的滑移带)

图2.1疲劳过程:承受循环拉伸载荷薄板.

在工程应用中，通常将零件在裂纹成核和短裂纹扩展期间的寿命长度

称为裂纹萌生期，而花费在长裂纹扩展的寿命被称为裂纹扩展期。通常对

从产生到扩展的过渡时期无法做出确切的定义。然而，对于钢材裂纹起始

阶段的裂纹尺寸a，大约为钢材的几个晶粒大小。这种裂纹尺寸通常在0.1

0

至1毫米的范围内。初始裂纹的大小可以通过线弹性断裂力学的方法对光

滑试样进行估计（1998）：

（2.2.1）

或者为切口试样切口尖端半径的0.1至0.2倍（道林，1998年），或

者为彼得森钢材经验材料的两倍（彼得森，1959年）