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nCode学院培训课程:疲劳失效及寿命预测
2012年
内容金属疲劳失效的原因是什么?
?什么是金属疲劳?
?外因:载荷的变化
?怎样预测疲劳寿命?
?内因:金属中有位错
什么是金属疲劳?
?疲劳是一种机械损伤过程,在这一过程中即
使名义应力低于材料的屈服强度,载荷的反
复变化也将引起失效
什么是金属疲劳?
?疲劳一般包含裂纹萌生和随后的裂纹扩展两
个过程,循环塑性变形是金属产生疲劳的主
要原因
1
疲劳失效裂纹起始和扩展
?在美国已经得到确认,由于
产品的疲劳问题所引起的损
失占国民生产总值的4%左
右(约1200亿美元).
?裂纹的形成使得裂纹尖端的应力高度集中,处于循环塑性变形,进而
导致裂纹的进一步扩展。
?中国机械工程手册在第6章
“结构疲劳强度设计”中指出:
机械零构件80%以上为疲劳
破坏,因此对于承受循环载
荷的零构件都应进行疲劳强
度设计。
裂纹尖端应力高度集中
疲劳失效机理:小裂纹的起始和扩展第二阶段裂纹扩展
快速断裂区
交变应力
~1mm
位错滑移第一阶段第二阶段
海滩状裂纹扩展区
位错滑移和第一阶段裂纹扩展长裂纹的扩展
交变应力
金属表面
单裂纹扩展
最大剪应力面
位错滑移带
多裂纹扩展耦合
2
疲劳寿命定义
?裂纹起始寿命
怎样预测疲劳寿命?
?裂纹扩展寿命
?总寿命
影响疲劳寿命的关键因素疲劳发展简史(1/2)
?应力或应变变化范围?平均应力
?1839年,Poncelet首先使用“疲劳”一词。
?1849年,英国机械工程学会(IMechE)辩论结晶理论
?1864年,Fairbairn用交变载荷对船链进行了实验
?1871年,Wohler首先对铁路车轴进行了系统的疲劳研究。
发展了旋转弯曲疲劳试验,S-N曲线及疲劳极限概念
?1886年,Bauschinger首先确证了应力-应变滞回线
?1903年,Ewing和Humphrey证明结晶理论是不正确的,
指出疲劳是由于塑性变形所引起
?1910年,Bairstow调查了应变循环中的应力-应变响应,
提出了循环硬化和循环软化概念
?1920年,Griffith研究了玻璃中的裂纹,由此诞生了断裂力学
影响疲劳寿命的其它因素Wohler
疲劳试验
?应力集中(应力梯度)
?表面加工
?表面处理
?尺寸效应
加载频率、波形对室温疲劳影响很小!
1871年,Wohler首先对铁路车轴进行了系统的疲劳研究。
发展了旋转弯曲疲劳试验,S-N曲线及疲劳极限概念。
3
WohlerNf=Ni+Np
曲线和疲劳极限
应力幅
总寿命=裂纹起始寿命+
裂纹扩展寿命
1
个应力循环
光滑试样
缺口试样
名义应力法S-N局部应变法(e-N)
断裂力学法
Log(Nf,疲劳循环次数)
疲劳发展简史(2/2)名义应力(S-N)法
?1955年,Manson和Coffin研究了应变条件控制下的疲劳,
热循环、低周疲劳及塑性应变问题。
同样的名义应力,同样的疲劳总寿命!
?1959年,Paris首先提出了一种用断裂力学参数处理裂纹扩展的方法。
?1961年,Neuber建议了一种方法,估计应力集中处弹塑性应力应变。
?1968年,Matsuishi和Endo提出了雨流循环计数方法。
?1981年,能够进行合理疲劳计算的计算机得到了发展。
?1982年,nCode国际有限公司成立,开发和销售疲劳寿命
预测软件,提供疲劳咨询服务。
σ
nom
σnom
对付高周疲劳
三种基本(经典)的疲劳寿命估计方法S-N
曲线定义
?S-N(总寿命法)
名义应力或弹性应力和总寿命之间的关系
应力范围
?e-N(裂纹起始寿命法)
局部应变和裂纹起始寿命之间的关系
b1
?S=SRI1N
()b
1个应力循环
?LEFM(裂纹扩展寿命法)
应力强度因子和裂纹扩展速率之间的关系
1
b2
1
疲劳极限
这些方法依赖于相似性!
LogNf总寿命
4
试样和实际零件的差别裂纹扩展寿命法
试样
?通常没有应力集中
零件
?有应力集中
同样的应力强度因子,同样的裂纹扩展速率!
?表面光洁度一定?表面光洁度多样
?通常不进行表面处理?表面可能经过处理
?尺寸一定?尺寸不同
?等幅加载?通常为变幅加载
?均值不变(通常为0)?均值变化
应用于损伤容限设计
局部应变(e-N)?K-da/dN
法曲线定义
?1959年,Paris首先提出了一种用断裂力学参数处理裂纹扩展的方法!
同样的局部应变,同样的裂纹起始寿命!
εε
da
dN
?K
th
=C(?K)
m
对付低周疲劳
循环应力应
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