《疲劳与断裂CAI》课件.ppt

**************疲劳及断裂的基本知识疲劳裂纹疲劳裂纹是材料在反复载荷作用下产生的微小裂纹，是疲劳失效的主要原因。断裂表面断裂表面是材料断裂后形成的表面，可以揭示断裂过程和断裂原因。应力-应变曲线应力-应变曲线反映了材料在不同载荷下的变形特征，是分析材料性能的重要依据。显微结构材料的显微结构影响其力学性能，包括疲劳强度和断裂韧性。疲劳的定义重复应力材料在循环应力作用下，即使应力低于材料的屈服强度，也会出现裂纹并最终断裂。损伤累积疲劳损伤是一个缓慢累积的过程，在重复应力的作用下，微观裂纹不断扩展，最终导致断裂。应力幅值影响疲劳断裂的发生与应力幅值、循环次数、加载频率以及环境因素密切相关。应力集中应力集中部位是疲劳裂纹的萌生点，应力集中程度越高，疲劳寿命越低。疲劳的分类按载荷类型分类包括高周疲劳、低周疲劳和热疲劳等。高周疲劳是指在循环载荷次数较多、应力幅值较小的情况下发生的疲劳。按载荷形式分类包括弯曲疲劳、扭转疲劳、拉伸疲劳和压缩疲劳等。弯曲疲劳是指在循环弯曲载荷下发生的疲劳。按环境分类包括空气疲劳、腐蚀疲劳和高温疲劳等。腐蚀疲劳是指在腐蚀环境中发生的疲劳。按裂纹扩展方式分类包括裂纹萌生阶段、裂纹扩展阶段和断裂阶段等。裂纹萌生阶段是指疲劳裂纹在材料内部形成的阶段。疲劳过程裂纹萌生材料表面或内部存在微观缺陷，在循环载荷作用下逐渐扩展形成微裂纹。裂纹扩展微裂纹在循环载荷作用下不断扩展，最终形成宏观裂纹。断裂裂纹扩展到一定程度，材料的承载能力降低，最终导致断裂失效。疲劳机理裂纹萌生材料表面存在微观缺陷，形成裂纹萌生点。裂纹扩展裂纹在循环应力作用下扩展，裂纹长度逐渐增加。最终断裂裂纹扩展到临界尺寸，材料发生断裂失效。断裂力学的基本概念断裂表面断裂表面是材料断裂后产生的表面，其特征可以揭示断裂原因和断裂模式。应力强度因子应力强度因子是表征裂纹尖端应力场强度的参数，反映了裂纹扩展的趋势。断裂韧性断裂韧性是指材料抵抗裂纹扩展的能力，是衡量材料抵抗脆性断裂的能力指标。断裂力学模型断裂力学模型通过建立数学模型来描述裂纹扩展过程，可以预测裂纹扩展路径和寿命。断裂力学的发展历程1早期阶段19世纪中期，人们开始关注材料的断裂现象，但对断裂的本质和机理尚未有深入的了解。主要集中在材料的强度和韧性的研究。2格里菲斯理论1920年，英国物理学家A.A.格里菲斯提出了著名的格里菲斯理论，该理论认为材料的断裂是由裂纹的扩展引起的，裂纹扩展需要一定的能量。3现代断裂力学20世纪50年代，人们开始发展现代断裂力学，该学科利用数学方法和实验方法研究材料的断裂行为，并对材料的裂纹扩展进行预测和控制。线弹性断裂力学基本假设线弹性断裂力学基于材料线弹性理论。假设裂纹尖端应力场是线弹性的。主要研究内容主要研究裂纹扩展过程中应力场和位移场的变化规律，以及裂纹扩展的临界条件。应力强度因子的计算方法应力强度因子是描述材料裂纹尖端应力场强度的一个重要参数，它反映了裂纹尖端应力集中的程度。应力强度因子的计算方法有很多，常用的方法包括：1解析法适用于形状简单的裂纹，如直线裂纹，圆形裂纹等2有限元法适用于形状复杂的裂纹，可以进行复杂的应力分析3实验法通过实验测量裂纹尖端应力场，进而计算应力强度因子临界应力强度因子的确定方法描述实验法通过实验直接测定材料的临界应力强度因子理论计算法基于弹性力学和断裂力学理论，通过计算确定临界应力强度因子数值模拟法利用有限元等数值方法，模拟裂纹扩展过程，计算临界应力强度因子实验法是最直观和可靠的方法，但成本较高，周期较长。理论计算法适用于形状简单的裂纹，数值模拟法则可以处理复杂裂纹形状和加载条件，但需要较高的计算资源。有限元法在断裂分析中的应用1精确建模有限元法可以精确地模拟裂纹的形状和尺寸，并考虑材料的非线性行为。2应力强度因子计算有限元分析可以准确地计算裂纹尖端的应力强度因子，这是预测断裂的关键参数。3裂纹扩展模拟有限元方法能够模拟裂纹的扩展过程，包括裂纹路径和扩展速率。4疲劳寿命预测通过模拟疲劳载荷下的裂纹扩展，有限元法可以准确地预测结构的疲劳寿命。疲劳寿命预测方法S-N曲线法基于大量实验数据，建立材料的疲劳寿命与应力幅值之间的关系。裂纹扩展理论通过分析裂纹扩展速率，预测材料在不同载荷下的疲劳寿命。缺口理论考虑材料中存在的缺陷和应力集中，更准确地预测疲劳寿命。应力-应变曲线法根据材料的应力-应变关系，推算材料在不同载荷下的疲劳寿命。S-N曲线法S-N曲线表示材料在循环应力作用下，疲劳寿命与应力