材料的疲勞損傷與斷裂80.ppt

1、材料的疲勞損傷與斷裂,朱明亮 華東理工大學機械與動力工程學院 ,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)號噴氣客機墜入地中海（機身艙門拐角處開裂）,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,整機結構強度試驗:機翼破壞試驗,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。,巴黎大學教授JU. Poncelet提出金屬疲勞的概念。,德國工程師Whler提出了應力-壽命曲線（S-N曲線）和疲勞極限的概念。,1890,1. Gerber研究了平均應力對疲勞壽命的影響。 2. Goodman提出了考慮平均應力影響的簡單理論。 3. Bauschinger提出了應力-應變滯后回線的概念。,經(jīng)驗,試驗,1871年，Wohler首先對鐵路車軸進行了系統(tǒng)的疲勞研究， 發(fā)展了旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗，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的關系式。 Bairstow給出了形變滯后與疲勞破壞的關系。,1. 光鏡和電子顯微鏡的發(fā)展促進了人們對傳統(tǒng)疲勞破壞機制的研究。 2. 電液伺服疲勞試驗機的出現(xiàn)。 3.疲勞發(fā)展成為重要的學科領域。,1. Manson-Coffin關系。 2. 1963年Paris提出da/dN-K關系。,提出了PSB的概念，觀察到了疲勞輝紋，P-M累積損傷理論。,損傷容限設計， 疲勞與斷裂力學融合。,理論,工程運用,機理,疲勞的發(fā)展歷史,1970s-今疲勞發(fā)展,1970,1980,2000,損傷容限方法運用到具體的設

6、計規(guī)范中，斷裂力學開始在疲勞研究中發(fā)揮重要作用,1. 傳統(tǒng)疲勞研究領域進一步拓展：蠕變疲勞，熱機械疲勞，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制得到進一步發(fā)展。,3. 疲勞模擬技術的發(fā)展成為研究疲勞的重要方法，使人們對疲勞的認識進一步深入。,4. 超高周疲勞的研究逐漸成為研究的熱點。 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,在某點或某些點承受交變應力，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)生的局部永久結構變化的發(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科體系,疲勞的基本概

8、念,疲勞的基本概念,交變應力，是指隨時間變化的應力。也可更一般地稱為交變載荷（載荷可以是力、應力、應變、位移等）,疲勞的基本概念,平均應力 Sm=(Smax+Smin)/2 (1) 應力幅 Sa=(Smax-Smin)/2 (2) 應力范圍 S=Smax-Smin (3) 應力比 R=Smin/Smax,恒幅循環(huán)參數(shù),設計：用Smax，Smin ，直觀； 試驗：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,載荷壽命關系,- relationship,-N curve,-N curve,疲勞裂紋擴展特性,da/dN curve,材料的疲勞性能,拉伸應力-應變關系,單調(diào)拉伸和單調(diào)壓縮曲線關于原點O對稱；在屈服極限A點以內(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行反方向加載，材料的屈服強度會低于連續(xù)正向變形的屈服強度。,材料的疲勞性能,滯后回線(遲滯回線)：一個完整的循環(huán)所對應的應力-應變曲線形成的封閉曲線。,總應變幅

10、=彈性應變幅+塑性應變幅,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,材料的屈強比：s/b0.8 ，循環(huán)軟化材料。,材料的疲勞性能,A為循環(huán)強化系數(shù)， 為循環(huán)硬化指數(shù)。,循環(huán)應力-應變曲線,材料的疲勞性能,在恒幅應力控制下，應變不斷提升的現(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,在恒幅應變控制下，應力不斷下滑的現(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）關系的曲線。 疲勞極限Sf：某一應力比條件下，對應循環(huán)次數(shù)下不發(fā)生斷裂的應力。,疲勞強度的影響因素,疲勞強度的影響因素,有利,有害！,拉伸平均應力降低疲勞強度，壓縮平均應力提高疲勞強度。,疲勞強度的影響因素,平均應力 m（橫坐標）與應力幅 a（縱坐標）之間的關系曲線（由實驗數(shù)據(jù)獲得），反映相同材料在不同應力循環(huán)特性時疲勞極限的差異。塑性材料的疲勞極限應力圖如下圖所示，曲線近似呈拋物線分布。曲線上A點的坐標表示對稱循環(huán)點，B點的坐標表示脈動循環(huán)點，C點的坐標表示靜應力點。,

12、疲勞極限應力圖,疲勞強度的影響因素,Modified Goodman line,Gerber Parabola,疲勞強度的影響因素,等效應力幅,疲勞強度的影響因素,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力，從而延緩高周疲勞裂紋的萌生。,疲勞強度的影響因素,缺口應力集中系數(shù)Kt 疲勞缺口系數(shù)Kf 疲勞缺口敏感性q,疲勞強度的影響因素

13、,加載方式,疲勞強度的影響因素,彎曲載荷下，尺寸影響試樣承載面的應力梯度，尺寸增大，應力梯度減小，但表面局部的平均應力增大，疲勞強度下降。 軸向載荷下，應力梯度較小，試樣的尺寸效應不明顯。,疲勞強度的影響因素,疲勞與損傷,損傷的概念,損傷的概念,損傷(Damage)是材料和工程構件中細微“結構”的變化，引起微裂紋的萌生、成長與合并，導致材料的變質(zhì)和惡化。損傷積累的結果往往產(chǎn)生宏觀裂紋，導致最終斷裂。,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改進了Kachan

14、ov的工作，在蠕變本構方程中引入了損傷變量以描述損傷對材料本構行為的影響。,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關系的影響； 3. 研究工程構件中宏觀裂紋形成壽命的估算方法。,構件受載條件，本構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,應力

15、、應變和損傷的演變,構件力學分析和損傷力學分析,臨界狀態(tài),損傷力學分析步驟,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：沒有考慮載荷次序的影響,疲勞累積損傷理論,疲勞損傷的微觀機制,疲勞損傷的微觀機制,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,Coarse slip,Fine slip,Stress concentration,疲勞損傷的微

16、觀機制,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.,疲勞損傷的微觀機制,疲勞損傷的微觀機制,Cyclic Slip - initial arrangements,Cyclic Hardening,疲勞損傷的微觀機制,Surface relief,Shear cracks formation,疲勞損傷的微觀機制,Crack initiation,疲勞損傷的微觀機制,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）,疲勞損傷的微觀機制,Crack initiation at pores,疲勞損傷的微觀機制,Cracks initiated in microstructures,疲勞損傷的微觀機制,inclusions,Interior microstructures,疲勞損傷的微觀機制,Process of fatigue,疲勞與斷裂,裂紋擴展規(guī)律及其運用,疲勞裂紋擴展過程,疲勞裂紋擴展過程,疲勞裂紋擴展的兩階段： 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,疲勞裂紋擴展過程,Stage I crack growth,疲勞裂紋擴展過程,Stage II crack growth,疲勞裂紋擴展過程,Stage Ia stage Ib,Stage Ia: single slip S

19、tage Ib: double slip Stage II: multiple slip,疲勞裂紋擴展過程,疲勞裂紋擴展過程,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，裂紋擴展 a，在壓應力下裂紋尖端重新銳化，隨后的拉伸應力下重新鈍化。,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,長裂紋擴展規(guī)律,長裂紋擴展規(guī)律,1963年Paris首先把斷裂力學引入了疲勞裂紋的擴

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

22、著應力比增大，疲勞裂紋擴展速率增大，疲勞門檻值減小。,長裂紋擴展規(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，擴展速率增大。,長裂紋擴展規(guī)律,短裂紋擴展行為,短裂紋擴展行為,短裂紋的擴展特性： 短裂紋的擴展受到微觀組織的影響很大； 短裂紋的擴展速率會高于長裂紋的擴展速率； 短裂紋的擴展能在K低于長裂紋疲勞門檻值時擴展。,疲勞裂紋閉合,疲勞裂紋閉合,Kcl：裂紋閉合強度因子 Keff=Kmax-Kcl 疲勞門檻值區(qū)的閉合機制復雜,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