疲勞基礎(chǔ)知識介紹

疲勞基礎(chǔ)知識介紹摘要1.概述2.疲勞基礎(chǔ)知識3.疲勞壽命預(yù)測方法4.確定疲勞壽命的方法1.概述疲勞破壞零件或構(gòu)件在交變載荷的作用下工作時(shí)，往往在工作應(yīng)力尚未達(dá)到靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的許用應(yīng)力情況下發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞。疲勞斷裂與在靜載荷作用下的斷裂不同，不管是脆性材料還是塑性材料，疲勞斷裂都是突然發(fā)生的，事先均無明顯的塑性變形的預(yù)兆，很難事先察覺到，具有很大的危險(xiǎn)性。1.概述疲勞破壞案例19世紀(jì)30-40年代，英國鐵路車輛輪軸在軸肩處多次發(fā)生破壞；1954年,英國“慧星號”噴氣客機(jī)突然失事并墜入地中海；20世紀(jì)60年代末，美國空軍F-11飛機(jī)發(fā)生了多次災(zāi)難性事故；1967年，美國西弗吉尼亞的PointPleasant橋在沒有任何預(yù)兆的情況下倒塌，46人死亡；1979年，美國肯帕體育館屋蓋中心突然塌落（高強(qiáng)度螺栓在長期風(fēng)載荷作用下發(fā)生疲勞破壞）；1980年,英國北海Kielland號鉆井平臺傾復(fù)（5條支腿之一發(fā)生破壞）。1.概述疲勞失效的危害：1、疲勞破壞作為各類材料、構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的一種破壞形式，遍及機(jī)械、航空、鐵路、土木工程等各個(gè)領(lǐng)域，據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械斷裂事故中有80%以上是金屬疲勞引起的；2、疲勞斷裂往往都是突然發(fā)生的，幾乎沒有什么明顯的預(yù)兆，這給人們采取預(yù)防措施帶來了很大的困難；3、疲勞斷裂的后果是非常嚴(yán)重的，往往是災(zāi)難性的事故。1.概述靜力破壞疲勞破壞一次最大載荷作用下的破壞多次反復(fù)載荷作用下的破壞小于屈服極限或強(qiáng)度極限不發(fā)生破壞遠(yuǎn)小于靜強(qiáng)度極限甚至小于屈服極限就可能破壞通常產(chǎn)生明顯的塑性變形通常沒有外在宏觀的顯著塑性變形，破壞形式像脆性破壞，不易察覺斷口粗粒狀或纖維狀兩個(gè)區(qū)域特征：平滑區(qū)，粗粒狀或纖維狀抗力主要取決于材料本身抗力與材料的組成、構(gòu)件的形狀或尺寸、表面加工狀況、使用條件及外部工作環(huán)境有關(guān)疲勞破壞與傳統(tǒng)靜力破壞的本質(zhì)區(qū)別2.疲勞基礎(chǔ)知識宏觀斷口疲勞斷口一般可分為三個(gè)區(qū)：疲勞源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)（光滑區(qū)）和瞬時(shí)斷裂區(qū)（粗糙）疲勞源區(qū)裂紋擴(kuò)展區(qū)瞬時(shí)斷裂區(qū)2.疲勞基礎(chǔ)知識常用導(dǎo)出量應(yīng)力幅平均應(yīng)力應(yīng)力比（循環(huán)特征系數(shù)）描述交變應(yīng)力的基本量最大應(yīng)力，最小應(yīng)力應(yīng)力幅反映了交變應(yīng)力在一個(gè)應(yīng)力循環(huán)中變化大小的程度，它是使金屬構(gòu)件發(fā)生疲勞破壞的根本原因。影響疲勞極限的主要參數(shù)：σa，重要的影響參數(shù)：r，頻率與波形的影響是較次要的。2.疲勞基礎(chǔ)知識疲勞曲線交變應(yīng)力與疲勞壽命N（循環(huán)次數(shù)）與之間的關(guān)系曲線成為疲勞曲線（S-N曲線）圖1為材料的疲勞曲線AB段——靜應(yīng)力強(qiáng)度狀況BC段——低周疲勞（能夠見到材料已發(fā)生塑性變形）CD段——有限壽命疲勞階段CD段可以用下式描述圖1材料的疲勞曲線2.疲勞基礎(chǔ)知識高周疲勞（N>105）作用于零件、構(gòu)件上的應(yīng)力較低，工作應(yīng)力低于材料的屈服極限，甚至低于彈性極限。描述高周疲勞，用S-N曲線（即σ-N曲線）。高周疲勞范圍內(nèi)，由于試樣主要產(chǎn)生的只是彈性變形，塑性變形很小，用應(yīng)變也很難測量，這時(shí)采用S-N曲線。彈簧、傳動軸等的疲勞屬于此類。低周疲勞（N102~

105）作用于零件、構(gòu)件上的應(yīng)力較高，工作應(yīng)力高于材料的彈性極限或高于屈服極限。描述低周疲勞，用ε-N曲線（應(yīng)變-壽命曲線）。低周疲勞范圍內(nèi)，零件缺口處的實(shí)際應(yīng)力不容易計(jì)算，而缺口處的真實(shí)應(yīng)變是可以測量的飛機(jī)起落架、炮筒等的疲勞屬于此類。3、疲勞壽命預(yù)測方法疲勞壽命預(yù)測是疲勞研究的一個(gè)重要問題。從疲勞損傷的發(fā)展來看，疲勞壽命可以分為裂紋形成和裂紋擴(kuò)展兩個(gè)階段。構(gòu)件或材料從受載開始到裂紋達(dá)到一定的裂紋長度為止的循環(huán)次數(shù)為裂紋形成壽命。此后擴(kuò)展到臨界裂紋長度為止的循環(huán)次數(shù)稱為裂紋擴(kuò)展壽命。裂紋形成壽命和裂紋擴(kuò)張壽命之和稱為總壽命。

目前，關(guān)于疲勞壽命的預(yù)測方法主要有如下四種：

1、名義應(yīng)力法（主要用于只發(fā)生彈性變形的高周疲勞）

2、局部應(yīng)力應(yīng)變法（只適用于零部件的應(yīng)力集中處發(fā)生了塑性變形的低周疲勞）

3、斷裂力學(xué)法

4、損傷力學(xué)法3.1名義應(yīng)力法名義應(yīng)力法是以名義應(yīng)力為控制參數(shù)，通過疲勞試驗(yàn)獲得名義應(yīng)力疲勞壽命曲線，即S-N曲線，通過荷載譜分析，并按照一定的損傷法則來預(yù)測構(gòu)件的疲勞壽命。這種方法所得到的疲勞壽命為總壽命。這種方法以疲勞試驗(yàn)為基礎(chǔ)，具有較高的可靠度，因而在工程上得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)疲勞壽命的不同，可分為無限壽命法和有限壽命法。一、無限壽命法無限壽命法的主要依據(jù)是疲勞極限?；舅悸?當(dāng)構(gòu)件在載荷的作用下，危險(xiǎn)部位的最大應(yīng)力在考慮安全性因素后，仍低于疲勞極限，可認(rèn)為該構(gòu)件的壽命是無限的。當(dāng)零件的結(jié)構(gòu)比較簡單應(yīng)力集中較小時(shí)，恒幅交變應(yīng)力、過載應(yīng)力小且次數(shù)很少時(shí)可用這種方法。二、有限壽命法有限壽命法主要依據(jù)為S-N曲線。根據(jù)疲勞累積損傷理論，在給定的應(yīng)力幅的作用下，通過S-N曲線即可求得疲勞壽命。隨著對結(jié)構(gòu)可靠性要求的增加，疲勞曲線還要求用帶保證率的疲勞壽命曲線，即P-S-N曲線。P一S一N曲線是對構(gòu)件進(jìn)行疲勞可靠性壽命預(yù)測的基本性能數(shù)據(jù)，也是表征材料疲勞可靠性性能的重要指標(biāo)。疲勞累積損傷理論疲勞累積損傷理論：疲勞分析的主要原理之一，估計(jì)變應(yīng)力幅值下安全疲勞壽命的關(guān)鍵理論?，F(xiàn)有的理論：線性疲勞累積損傷理論——載荷加載順序不影響疲勞壽命雙線性疲勞累積損傷理論——考慮疲勞發(fā)展的階段性非線性疲勞累積損傷理論——實(shí)際上疲勞損傷不是線性的概率疲勞累積損傷理論——適應(yīng)疲勞可靠性的要求前三種理論都是基于“確定性”的基礎(chǔ)上的，近20年來為適應(yīng)疲勞可靠性設(shè)計(jì)的要求，概率疲勞累積損傷理論有了很大的發(fā)展。線性損傷累積理論在零件受交變應(yīng)力作用發(fā)生裂紋到破壞的過程中，零件材料內(nèi)部的損傷是逐漸累積的，每一次應(yīng)力的作用都會使零件受到微量的損傷，當(dāng)這種損傷累積到一定程度達(dá)到疲勞極限后就發(fā)生疲勞斷裂。這一理論的根據(jù)是，材料在失效前所吸收的總功都是相等的，而與作用的應(yīng)力的變化方式（應(yīng)力譜）無關(guān)。線性損傷累加（Miner）準(zhǔn)則不同應(yīng)力幅的載荷混合作用下，載荷循環(huán)對結(jié)構(gòu)造成的損傷為：ni—第i組應(yīng)力水平下經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)數(shù)；Ni—第i組應(yīng)力水平下達(dá)到破壞時(shí)的應(yīng)力循環(huán)數(shù)。大量的試驗(yàn)表明，總壽命損傷率約在0.7~2.2之間，為計(jì)算方便起見，通常取1。當(dāng)D值等于1時(shí)，認(rèn)為被評估對象疲勞破壞。Miner理論要求循環(huán)加載過程中不存在明顯的循環(huán)硬化和循環(huán)軟化線性。修正Miner法則：式中：a——臨界損傷值，該數(shù)值由試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)確定。非線性疲勞累積損傷理論損傷曲線法損傷與循環(huán)次數(shù)比成指數(shù)關(guān)系式中：a為大于1的常數(shù)。應(yīng)力水平愈低，a值越大；應(yīng)力水平愈高，a值越接近1。低—高順序，損傷發(fā)展過程為OBAP高—低順序，損傷發(fā)展過程為OABP3.2局部應(yīng)力應(yīng)變法決定構(gòu)件疲勞強(qiáng)度和壽命的主導(dǎo)因素是應(yīng)力應(yīng)變集中區(qū)（存在應(yīng)力集中的局部區(qū)域）的局部應(yīng)力和應(yīng)變。局部應(yīng)力應(yīng)變法正是基于上述思想，以局部應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)榭刂茀?shù)來預(yù)測疲勞壽命。3.3斷裂力學(xué)法以線彈性斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，認(rèn)為材料內(nèi)部有缺陷并把這種缺陷看作裂紋，根據(jù)材料在使用荷載下的裂紋擴(kuò)展性質(zhì)，即可預(yù)測其剩余壽命。按照斷裂力學(xué)法的觀點(diǎn)，構(gòu)件內(nèi)部具有裂紋是不可避免的，只要適當(dāng)?shù)牟扇】刂茢嗔汛胧?，保證在使用期內(nèi)能夠安全工作，這樣的裂紋是允許存在的。3.4損傷力學(xué)法損傷力學(xué)為固體力學(xué)的一個(gè)新興研究方法,在引入損傷概念以后，人們用連續(xù)損傷場描述金屬材料的空位、位錯(cuò)與微裂紋等內(nèi)部缺陷及其對材料本構(gòu)關(guān)系的影響，從不可逆熱力學(xué)原理出發(fā)，建立了損傷力學(xué)本構(gòu)關(guān)系和損傷動力學(xué)關(guān)系。用損傷力學(xué)理論預(yù)測疲勞壽命，考慮了損傷發(fā)展的非線性性質(zhì)，在理論上更趨完善，物理意義更加明確。但是，損傷力學(xué)方法中一個(gè)關(guān)鍵的問題是損傷演化方程。目前已提出的疲勞損傷演化方程中存在如下幾方面的問題:(l)對于高周疲勞，損傷的局部化程度遠(yuǎn)高于低周疲勞，很容易受到材料微觀結(jié)構(gòu)的影響，在理論上難以找到用宏觀量準(zhǔn)確描述損傷發(fā)展的演變方程;(2)目前所提出的疲勞損傷演化方程對于一維問題是成功的，但對于多軸疲勞問題還有許多問題尚未弄清;(3)考慮材料損傷的本構(gòu)關(guān)系，使問題更為復(fù)雜化，損傷區(qū)域的尺度一般比切口底部的曲率半徑低一個(gè)數(shù)量級，而損傷影響區(qū)的范圍也非常有限，這就使得數(shù)值計(jì)算十分繁瑣和復(fù)雜，因而不利于工程應(yīng)用。

到目前為止，疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上還是基于大量試驗(yàn)結(jié)果的估算。

對于新產(chǎn)品的開發(fā)，應(yīng)至少對于某些重要零部件等，同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)研究。如果受試驗(yàn)條件等的限制，可以根據(jù)零部件的特點(diǎn)