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 -201412主要內(nèi)容工程中的疲勞現(xiàn)象疲勞研究的主要范疇疲勞與損傷疲勞與斷裂123422022/7/17工程中的疲勞現(xiàn)象32022/7/171954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42022/7/17工程中的疲勞現(xiàn)象52022/7/17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62022/7/17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

2、.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一72022/7/17工程中的疲勞現(xiàn)象轉(zhuǎn)子軸82022/7/17工程中的疲勞現(xiàn)象整機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗:機(jī)翼破壞試驗92022/7/17工程中的疲勞現(xiàn)象上海 東方明珠電視塔高300m 球徑45m102022/7/17工程中的疲勞現(xiàn)象Case 1: simply supported crane girderService conditioins:Load W, constantTwo crane passes/hr, 12hr/day,240 days/yr40 years of se

3、rvice life:21224040=230,400 cycles of bending moment WL/4.Lower flange at A-A 行車大梁112022/7/17工程中的疲勞現(xiàn)象Case 2: rotating shaft with overhung flywheelService conditions:Load W, constantShaft rotates at 250 rev/min, 8hr/day, 300 days/yrIn a service life of 40 years the shaft accumulates25060830040=1.4410

4、9 cycles of bending moment, WL122022/7/17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1疲勞性能的影響因素有哪些？2 材料疲勞的宏微觀損傷機(jī)制？3疲勞裂紋的擴(kuò)展特性？4 結(jié)構(gòu)抗疲勞破壞的控制參數(shù)是什么？5 如何預(yù)測結(jié)構(gòu)的疲勞壽命？132022/7/17疲勞研究的主要范疇疲勞斷裂力學(xué)損傷力學(xué)化學(xué)材料科學(xué)環(huán)境疲勞疲勞損傷疲勞斷裂材料的疲勞142022/7/17疲勞的發(fā)展歷史152022/7/17疲勞的發(fā)展歷史十九世紀(jì)的疲勞發(fā)展182918391860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

5、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。18901. 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)驗試驗162022/7/171871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，S-N曲線及疲勞極限概念。疲勞的發(fā)展歷史172022/7/171910s-1960s疲勞發(fā)展191019501960Basquin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

6、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。理論工程運用機(jī)理疲勞的發(fā)展歷史182022/7/171970s-今疲勞發(fā)展197019802000損傷容限方法運用到具體的設(shè)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

7、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。低周疲勞 高周疲勞 超高周疲勞疲勞的發(fā)展歷史192022/7/17疲勞的基本概念202022/7/17疲勞的基本概念 在某點或某些點承受交變應(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 of progressive localized permanent structural change occurring in a material subject

8、ed 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 E206-72212022/7/17疲勞的分類重要的學(xué)科體系疲勞的基本概念研究對象材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)單軸多軸載荷變化情況恒幅變幅隨機(jī)工況、環(huán)境蠕變疲勞熱機(jī)械疲勞腐蝕疲勞微動疲勞沖擊疲勞循環(huán)周次低周高周超高周222022/7

9、/17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）00t0SDSSmax 恒幅循環(huán)S變幅循環(huán)S隨機(jī)載荷疲勞載荷的類型 tt 232022/7/17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：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。242022/7/17疲勞的基本概念應(yīng)力比R0StR=1靜載Smax=Smin0

10、StR=0脈沖循環(huán)Smin=00StR= -1對稱循環(huán)Smax=-SminR=-2/0=R=-2/1=-2252022/7/17疲勞的基本概念0St三角波S0t正弦波0St矩形波0St梯形波 波形 頻率 f=N/tf =100 Hz, t=100 h, N=ft=3.6 107 (cycles)262022/7/17材料的疲勞性能272022/7/17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 curve282022/7/17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O對稱

11、；在屈服極限A點以內(nèi)是直線。-S-e單調(diào)-曲線292022/7/17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。302022/7/17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?？倯?yīng)變幅=彈性應(yīng)變幅+塑性應(yīng)變幅312022/7/17材料的疲勞性能材料的循環(huán)硬化與循環(huán)軟化Cyclic hardeningCyclic softening材料的屈強(qiáng)比：s/b0.8 ，循環(huán)軟化材料。322022/7/17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)

12、力-應(yīng)變曲線332022/7/17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。342022/7/17材料的疲勞性能Basquins equationManson-Coffin relationshipTransition fatigue life352022/7/17材料的疲勞性能362022/7/17材料的疲勞性能372022/7/17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

13、比條件下，對應(yīng)循環(huán)次數(shù)下不發(fā)生斷裂的應(yīng)力。382022/7/17疲勞強(qiáng)度的影響因素392022/7/17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。402022/7/17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（由實驗數(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點的坐標(biāo)表示對稱循環(huán)點，B點的坐標(biāo)表示脈動循環(huán)點，C點的坐標(biāo)表示靜應(yīng)力點。疲勞極限應(yīng)力圖412022/7/17疲勞強(qiáng)度的影響因素Modified Goodman lineGerber

14、Parabola422022/7/17疲勞強(qiáng)度的影響因素等效應(yīng)力幅432022/7/17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。442022/7/17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。452022/7/17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q462022/7/17疲勞強(qiáng)度的影響因素加載

15、方式472022/7/17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。482022/7/17疲勞強(qiáng)度的影響因素1平均應(yīng)力2表面加工與處理3加載形式4缺口與應(yīng)力集中5試樣尺寸492022/7/17疲勞與損傷疲勞損傷力學(xué)疲勞與損傷502022/7/17損傷的概念512022/7/17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，Kachano

16、v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Kachanov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。522022/7/17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532022/7/17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)

17、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、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542022/7/17疲勞累積損傷理論552022/7/17疲勞累積損傷理論1每個循環(huán)引起多少損傷？2多個載荷循環(huán)時，損傷如何累加？3失效時的臨界損傷？疲勞損傷D562022/7/17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/Nn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572022

18、/7/17疲勞累積損傷理論582022/7/17疲勞損傷的微觀機(jī)制592022/7/17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Coarse slipFine slipStress concentration602022/7/17疲勞損傷的微觀機(jī)制104cycles5104cycles2.7105cyclesSlip lines intensified永久滑移帶(PSB)的形成Early stages of fatigue are primarily a surface phenomenon

19、.612022/7/17疲勞損傷的微觀機(jī)制622022/7/17疲勞損傷的微觀機(jī)制Cyclic Slip - initial arrangementsCyclic Hardening632022/7/17疲勞損傷的微觀機(jī)制Surface reliefShear cracks formation642022/7/17疲勞損傷的微觀機(jī)制Crack initiation652022/7/17疲勞損傷的微觀機(jī)制疲勞裂紋的萌生位置：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）662022/7/17疲勞損傷的

20、微觀機(jī)制Crack initiation at pores672022/7/17疲勞損傷的微觀機(jī)制Cracks initiated in microstructures682022/7/17疲勞損傷的微觀機(jī)制inclusionsInterior microstructures692022/7/17疲勞損傷的微觀機(jī)制Process of fatigue702022/7/17疲勞與斷裂疲勞斷裂力學(xué)疲勞與斷裂裂紋擴(kuò)展規(guī)律及其運用712022/7/17疲勞裂紋擴(kuò)展過程722022/7/17疲勞裂紋擴(kuò)展過程疲勞裂紋擴(kuò)展的兩階段： Stage I (controlled by shear stress o

21、r shear strain); Stage II (controlled by maximum tensile stress range).Intergranular or transgranular?It dependsShort crackLoading direction732022/7/17Cyclic plastic zone size疲勞裂紋擴(kuò)展過程742022/7/17Stage I crack growth疲勞裂紋擴(kuò)展過程752022/7/17Stage II crack growth疲勞裂紋擴(kuò)展過程762022/7/17Stage Ia stage IbStage Ia:

22、single slipStage Ib: double slipStage II: multiple slip疲勞裂紋擴(kuò)展過程772022/7/17bluntingresharpeningreblunting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。loadingunloadingloading782022/7/17疲勞裂紋的尺度問題792022/7/17疲勞裂紋的尺度問題Several grain diameters

23、Interactions with grain and phase boundaries, precipitates and pores 802022/7/17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 accumulationMicrostructurally short cracksMechanically short cracksPhysically short cracksLong cracksfracture疲勞裂紋的尺

24、度問題812022/7/17疲勞裂紋的尺度問題疲勞破壞的多尺度特性822022/7/17長裂紋擴(kuò)展規(guī)律832022/7/17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)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。842022/7/17Paris regimeUnstable regimeNear-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852022/7/17疲勞門檻值Kth: fatigue threshold

25、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862022/7/17隨著應(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872022/7/17Microstructure 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882022/7/17In air, R=0.1, f=35Hz，鈦合金In vacuum, TiAl intermetallics300C時，真空中

26、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892022/7/17短裂紋擴(kuò)展行為902022/7/17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。912022/7/17疲勞裂紋閉合922022/7/17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932022/7/17疲勞裂紋閉合裂紋閉合因子: U942022/7/17疲勞裂紋閉合 plastic-induced crack closure （塑性誘發(fā)裂紋閉合） transformation-induced crack closure （變形誘發(fā)相變裂紋閉合） oxidation-induced crack closure （氧化誘發(fā)裂紋閉合） fluid-induced crack closure （流體誘發(fā)裂紋閉合） roughness-induced crack closure（粗糙度誘發(fā)裂紋閉合）952022/7/17疲勞試驗962022/7/17疲勞試驗機(jī)972022/7/17顯微疲勞試驗裝置982022/7/17原位疲勞試驗99