材料的疲勞損傷與斷裂.ppt

1、材料的疲勞損傷與斷裂,朱明亮 華東理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院 ,Engineering Fracture Mechanics -2014,主要內(nèi)容,1,2,3,4,工程中的疲勞現(xiàn)象,1954年1月, 英國慧星(Comet)號噴氣客機(jī)墜入地中海（機(jī)身艙門拐角處開裂）,工程中的疲勞現(xiàn)象,工程中的疲勞現(xiàn)象,工程中的疲勞現(xiàn)象,二次大戰(zhàn)期間，400余艘全焊接艦船斷裂,工程中的疲勞現(xiàn)象,2005.4.25, 上午9：20, 日本兵庫縣尼崎市列車脫軌：死亡106人，傷400人,1998.6.3，德國埃舍德小鎮(zhèn)，高速列車脫軌：101人死亡，200人受傷，88人重傷,預(yù)防疲勞失效！是軌道交通的核心科技問題之一,

2、工程中的疲勞現(xiàn)象,轉(zhuǎn)子軸,工程中的疲勞現(xiàn)象,整機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn):機(jī)翼破壞試驗(yàn),工程中的疲勞現(xiàn)象,上海 東方明珠電視塔高300m 球徑45m,工程中的疲勞現(xiàn)象,Case 1: simply supported crane girder,Service conditioins: Load W, constant Two crane passes/hr, 12hr/day, 240 days/yr 40 years of service life: 21224040=230,400 cycles of bending moment WL/4.,Lower flange at A-A,行車大梁,工程中的

3、疲勞現(xiàn)象,Case 2: rotating shaft with overhung flywheel,Service conditions: Load W, constant Shaft rotates at 250 rev/min, 8hr/day, 300 days/yr In a service life of 40 years the shaft accumulates 25060830040 =1.44109 cycles of bending moment, WL,工程中的疲勞現(xiàn)象,疲勞失效是工程中最重要、最常見的失效模式,疲勞的核心問題,疲勞研究的主要范疇,環(huán)境疲勞,疲勞損傷,疲

4、勞斷裂,材料的疲勞,疲勞的發(fā)展歷史,疲勞的發(fā)展歷史,十九世紀(jì)的疲勞發(fā)展,1829,1839,1860,德國礦業(yè)工程師Albert. 金屬疲勞的最初研究。,巴黎大學(xué)教授JU. Poncelet提出金屬疲勞的概念。,德國工程師Whler提出了應(yīng)力-壽命曲線（S-N曲線）和疲勞極限的概念。,1890,1. Gerber研究了平均應(yīng)力對疲勞壽命的影響。 2. Goodman提出了考慮平均應(yīng)力影響的簡單理論。 3. Bauschinger提出了應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線的概念。,經(jīng)驗(yàn),試驗(yàn),1871年，Wohler首先對鐵路車軸進(jìn)行了系統(tǒng)的疲勞研究， 發(fā)展了旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，S-N曲線及疲勞極限概念。,疲勞的發(fā)

5、展歷史,1910s-1960s疲勞發(fā)展,1910,1950,1960,Basquin提出了S與N的關(guān)系式。 Bairstow給出了形變滯后與疲勞破壞的關(guān)系。,1. 光鏡和電子顯微鏡的發(fā)展促進(jìn)了人們對傳統(tǒng)疲勞破壞機(jī)制的研究。 2. 電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)的出現(xiàn)。 3.疲勞發(fā)展成為重要的學(xué)科領(lǐng)域。,1. Manson-Coffin關(guān)系。 2. 1963年P(guān)aris提出da/dN-K關(guān)系。,提出了PSB的概念，觀察到了疲勞輝紋，P-M累積損傷理論。,損傷容限設(shè)計， 疲勞與斷裂力學(xué)融合。,理論,工程運(yùn)用,機(jī)理,疲勞的發(fā)展歷史,1970s-今疲勞發(fā)展,1970,1980,2000,損傷容限方法運(yùn)用到具體的設(shè)

6、計規(guī)范中，斷裂力學(xué)開始在疲勞研究中發(fā)揮重要作用,1. 傳統(tǒng)疲勞研究領(lǐng)域進(jìn)一步拓展：蠕變疲勞，熱機(jī)械疲勞，微動疲勞，多軸疲勞.,2. 隨著分析手段的提高，新材料和傳統(tǒng)材料疲勞破壞的微觀機(jī)制得到進(jìn)一步發(fā)展。,3. 疲勞模擬技術(shù)的發(fā)展成為研究疲勞的重要方法，使人們對疲勞的認(rèn)識進(jìn)一步深入。,4. 超高周疲勞的研究逐漸成為研究的熱點(diǎn)。 低周疲勞 高周疲勞 超高周疲勞,疲勞的發(fā)展歷史,疲勞的基本概念,疲勞的基本概念,在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受交變應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程，稱為疲勞。,What is fatigue ?,The process o

7、f progressive localized permanent structural change occurring in a material subjected to conditions which produce fluctuating stresses and strains at some point or points and which may culminate in crack or complete fracture after a sufficient number of fluctuations.,ASTM E206-72,疲勞的分類重要的學(xué)科體系,疲勞的基本概

8、念,疲勞的基本概念,交變應(yīng)力，是指隨時間變化的應(yīng)力。也可更一般地稱為交變載荷（載荷可以是力、應(yīng)力、應(yīng)變、位移等）,疲勞的基本概念,平均應(yīng)力 Sm=(Smax+Smin)/2 (1) 應(yīng)力幅 Sa=(Smax-Smin)/2 (2) 應(yīng)力范圍 S=Smax-Smin (3) 應(yīng)力比 R=Smin/Smax,恒幅循環(huán)參數(shù),設(shè)計：用Smax，Smin ，直觀； 試驗(yàn)：用Sm，Sa ，便于加載； 分析：用Sa，R，突出主要控制參量, 便于分類討論。,疲勞的基本概念,應(yīng)力比R,R=-2/0=,R=-2/1=-2,疲勞的基本概念,波形,頻率 f=N/t,f =100 Hz, t=100 h, N=ft=3

9、.6 107 (cycles),材料的疲勞性能,材料的疲勞性能,材料的疲勞性能,材料的循環(huán)變形特性,載荷壽命關(guān)系,- relationship,-N curve,-N curve,疲勞裂紋擴(kuò)展特性,da/dN curve,材料的疲勞性能,拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,單調(diào)拉伸和單調(diào)壓縮曲線關(guān)于原點(diǎn)O對稱；在屈服極限A點(diǎn)以內(nèi)是直線。,-,S-e,單調(diào)-曲線,材料的疲勞性能,Bauschinger effect,在一定量的正向拉伸或壓縮塑性變形之后進(jìn)行反方向加載，材料的屈服強(qiáng)度會低于連續(xù)正向變形的屈服強(qiáng)度。,材料的疲勞性能,滯后回線(遲滯回線)：一個完整的循環(huán)所對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形成的封閉曲線。,總應(yīng)變幅

10、=彈性應(yīng)變幅+塑性應(yīng)變幅,材料的疲勞性能,材料的循環(huán)硬化與循環(huán)軟化,Cyclic hardening,Cyclic softening,材料的屈強(qiáng)比：s/b0.8 ，循環(huán)軟化材料。,材料的疲勞性能,A為循環(huán)強(qiáng)化系數(shù)， 為循環(huán)硬化指數(shù)。,循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線,材料的疲勞性能,在恒幅應(yīng)力控制下，應(yīng)變不斷提升的現(xiàn)象叫做循環(huán)蠕變； 循環(huán)蠕變和循環(huán)松弛對于非金屬材料比較明顯，金屬材料在高溫下需考慮。,循環(huán)蠕變和循環(huán)松弛,在恒幅應(yīng)變控制下，應(yīng)力不斷下滑的現(xiàn)象叫做循環(huán)松弛。,材料的疲勞性能,Basquins equation,Manson-Coffin relationship,Transition fati

11、gue life,材料的疲勞性能,材料的疲勞性能,材料的疲勞性能,S-N曲線：表示S（或者logS）和Nf（或者logNf）關(guān)系的曲線。 疲勞極限Sf：某一應(yīng)力比條件下，對應(yīng)循環(huán)次數(shù)下不發(fā)生斷裂的應(yīng)力。,疲勞強(qiáng)度的影響因素,疲勞強(qiáng)度的影響因素,有利,有害！,拉伸平均應(yīng)力降低疲勞強(qiáng)度，壓縮平均應(yīng)力提高疲勞強(qiáng)度。,疲勞強(qiáng)度的影響因素,平均應(yīng)力 m（橫坐標(biāo)）與應(yīng)力幅 a（縱坐標(biāo)）之間的關(guān)系曲線（由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得），反映相同材料在不同應(yīng)力循環(huán)特性時疲勞極限的差異。塑性材料的疲勞極限應(yīng)力圖如下圖所示，曲線近似呈拋物線分布。曲線上A點(diǎn)的坐標(biāo)表示對稱循環(huán)點(diǎn)，B點(diǎn)的坐標(biāo)表示脈動循環(huán)點(diǎn)，C點(diǎn)的坐標(biāo)表示靜應(yīng)力點(diǎn)。,

12、疲勞極限應(yīng)力圖,疲勞強(qiáng)度的影響因素,Modified Goodman line,Gerber Parabola,疲勞強(qiáng)度的影響因素,等效應(yīng)力幅,疲勞強(qiáng)度的影響因素,疲勞裂紋通常起始于零件表面 表面狀況對疲勞壽命有很大的影響 表面光潔度越高，形成疲勞裂紋的時間越長。,疲勞強(qiáng)度的影響因素,表面經(jīng)過冷軋(cold rolling)、滲氮(nitriding)、噴丸(shot peening)、激化沖擊(laser shock peening)處理等都可以在表面引入殘余壓應(yīng)力，從而延緩高周疲勞裂紋的萌生。,疲勞強(qiáng)度的影響因素,缺口應(yīng)力集中系數(shù)Kt 疲勞缺口系數(shù)Kf 疲勞缺口敏感性q,疲勞強(qiáng)度的影響因素

13、,加載方式,疲勞強(qiáng)度的影響因素,彎曲載荷下，尺寸影響試樣承載面的應(yīng)力梯度，尺寸增大，應(yīng)力梯度減小，但表面局部的平均應(yīng)力增大，疲勞強(qiáng)度下降。 軸向載荷下，應(yīng)力梯度較小，試樣的尺寸效應(yīng)不明顯。,疲勞強(qiáng)度的影響因素,疲勞與損傷,損傷的概念,損傷的概念,損傷(Damage)是材料和工程構(gòu)件中細(xì)微“結(jié)構(gòu)”的變化，引起微裂紋的萌生、成長與合并，導(dǎo)致材料的變質(zhì)和惡化。損傷積累的結(jié)果往往產(chǎn)生宏觀裂紋，導(dǎo)致最終斷裂。,1958年，Kachanov在研究蠕變斷裂問題時，第一個引入了一個新的本構(gòu)方程損傷演變方程，同時第一個引入了一個描述材料內(nèi)部損傷的內(nèi)變量連續(xù)性變量。 1969年，Rabatnov改進(jìn)了Kachan

14、ov的工作，在蠕變本構(gòu)方程中引入了損傷變量以描述損傷對材料本構(gòu)行為的影響。,損傷的概念,損傷變量,微觀的或 物理的,宏觀的或 唯象的,疲勞損傷區(qū)內(nèi)微觀裂紋的密度,空洞體積（面積）比,聲發(fā)射量,電阻抗變化,顯微硬度變化等,Miner疲勞損傷D1/N,剩余剛度E，D1-E/E0,剩余強(qiáng)度,循環(huán)耗散能,阻尼系數(shù)、滯后能等,損傷的概念,損傷力學(xué)主要研究三方面內(nèi)容： 1. 研究材料中微裂紋和微孔洞及外在條件對本身演變的影響及其發(fā)展規(guī)律； 2. 研究損傷對材料本構(gòu)關(guān)系的影響； 3. 研究工程構(gòu)件中宏觀裂紋形成壽命的估算方法。,構(gòu)件受載條件，本構(gòu)方程和演變方程的確定 彈性和塑性的 疲勞與蠕變的 損傷的,應(yīng)力

15、、應(yīng)變和損傷的演變,構(gòu)件力學(xué)分析和損傷力學(xué)分析,臨界狀態(tài),損傷力學(xué)分析步驟,疲勞累積損傷理論,疲勞累積損傷理論,疲勞損傷D,疲勞累積損傷理論,Palmgren-Miner理論，簡稱Miner理論。,一個循環(huán)造成的損傷：D1/N n個循環(huán)造成的損傷： 臨界疲勞損傷Dcr： Dcr1,缺點(diǎn)：沒有考慮載荷次序的影響,疲勞累積損傷理論,疲勞損傷的微觀機(jī)制,疲勞損傷的微觀機(jī)制,拉伸試樣表面形成滑移臺階,循環(huán)變形試樣表面出現(xiàn)“擠出”與“侵入”，試樣內(nèi)部的位錯密度高，形成駐留滑移帶(PSB)。,循環(huán)變形的特點(diǎn),Coarse slip,Fine slip,Stress concentration,疲勞損傷的微

16、觀機(jī)制,104cycles,5104cycles,2.7105cycles,Slip lines intensified,永久滑移帶(PSB)的形成,Early stages of fatigue are primarily a surface phenomenon.,疲勞損傷的微觀機(jī)制,疲勞損傷的微觀機(jī)制,Cyclic Slip - initial arrangements,Cyclic Hardening,疲勞損傷的微觀機(jī)制,Surface relief,Shear cracks formation,疲勞損傷的微觀機(jī)制,Crack initiation,疲勞損傷的微觀機(jī)制,疲勞裂紋的萌生位

17、置： 材料表面（PSB，表面缺陷，腐蝕坑等） 材料內(nèi)部 （1）內(nèi)部PSB （2）內(nèi)部不連續(xù)的組織處（夾雜物，氣孔，相界，晶界，孿晶界，二次相顆粒，孔洞等）,疲勞損傷的微觀機(jī)制,Crack initiation at pores,疲勞損傷的微觀機(jī)制,Cracks initiated in microstructures,疲勞損傷的微觀機(jī)制,inclusions,Interior microstructures,疲勞損傷的微觀機(jī)制,Process of fatigue,疲勞與斷裂,裂紋擴(kuò)展規(guī)律及其運(yùn)用,疲勞裂紋擴(kuò)展過程,疲勞裂紋擴(kuò)展過程,疲勞裂紋擴(kuò)展的兩階段： Stage I (controlle

18、d by shear stress or shear strain); Stage II (controlled by maximum tensile stress range).,Intergranular or transgranular? It depends,Short crack,Loading direction,Cyclic plastic zone size,疲勞裂紋擴(kuò)展過程,Stage I crack growth,疲勞裂紋擴(kuò)展過程,Stage II crack growth,疲勞裂紋擴(kuò)展過程,Stage Ia stage Ib,Stage Ia: single slip S

19、tage Ib: double slip Stage II: multiple slip,疲勞裂紋擴(kuò)展過程,疲勞裂紋擴(kuò)展過程,Laird model for Stage II fatigue crack growth,疲勞輝紋形成過程：拉伸過程中，裂紋尖端發(fā)生鈍化，裂紋擴(kuò)展 a，在壓應(yīng)力下裂紋尖端重新銳化，隨后的拉伸應(yīng)力下重新鈍化。,loading,unloading,loading,疲勞裂紋的尺度問題,疲勞裂紋的尺度問題,Several grain diameters,Interactions with grain and phase boundaries, precipitates and

20、 pores,有裂紋萌生-擴(kuò)展-斷裂三個階段。,壽命（過程的長短） -取決于載荷、作用次數(shù)和材料的疲勞抗力。 Ntotal=Ninitiation+Npropagation,Irreversible cyclic slip accumulation,Microstructurally short cracks Mechanically short cracks Physically short cracks Long cracks,fracture,疲勞裂紋的尺度問題,疲勞裂紋的尺度問題,疲勞破壞的多尺度特性,長裂紋擴(kuò)展規(guī)律,長裂紋擴(kuò)展規(guī)律,1963年P(guān)aris首先把斷裂力學(xué)引入了疲勞裂紋的擴(kuò)

21、展，并認(rèn)為擴(kuò)展速率受控于裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍K，K=Kmax-Kmin。,式中C與n均為與材料有關(guān)的常數(shù)，n通常在2-4之間。,Paris regime,Unstable regime,Near-threshold regime,應(yīng)力比，環(huán)境影響較大，微觀組織影響較小,微觀組織、應(yīng)力比， 環(huán)境影響較大,長裂紋擴(kuò)展規(guī)律,疲勞門檻值Kth: fatigue threshold,理論上，是裂紋擴(kuò)展速率為零時的應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍。 試驗(yàn)測量中，規(guī)定在空氣介質(zhì)和平面應(yīng)變條件下，材料裂紋擴(kuò)展速率接近10-7 mmcycle(或更低)對應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍K。,CrMoV steel,長裂紋擴(kuò)展規(guī)律,隨

22、著應(yīng)力比增大，疲勞裂紋擴(kuò)展速率增大，疲勞門檻值減小。,長裂紋擴(kuò)展規(guī)律,Microstructure difference,組織對Paris區(qū)的da/dN影響不大， 而對門檻值區(qū)有較大影響。,長裂紋擴(kuò)展規(guī)律,In air, R=0.1, f=35Hz，鈦合金,In vacuum, TiAl intermetallics,300C時，真空中的da/dN比 空氣中小。,溫度升高，擴(kuò)展速率增大。,長裂紋擴(kuò)展規(guī)律,短裂紋擴(kuò)展行為,短裂紋擴(kuò)展行為,短裂紋的擴(kuò)展特性： 短裂紋的擴(kuò)展受到微觀組織的影響很大； 短裂紋的擴(kuò)展速率會高于長裂紋的擴(kuò)展速率； 短裂紋的擴(kuò)展能在K低于長裂紋疲勞門檻值時擴(kuò)展。,疲勞裂紋閉合,疲勞裂紋閉合,Kcl：裂紋閉合強(qiáng)度因子 Keff=Kmax-Kcl 疲勞門檻值區(qū)的閉合機(jī)制復(fù)雜,疲勞裂紋閉合,裂紋閉合因子: U,疲勞裂紋閉合,plastic-induced crack closure （塑性誘發(fā)裂紋閉合） transform