結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析1-金屬疲勞理論與試驗(yàn)測(cè)試基礎(chǔ)

1、結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析第一講 金屬疲勞理論及試驗(yàn)測(cè)試基礎(chǔ)第一部分第一部分: :金屬疲勞理論金屬疲勞理論l1.1 疲勞定義疲勞定義: ISO定義為金屬材料（也適用于非金屬材料）在定義為金屬材料（也適用于非金屬材料）在應(yīng)力或應(yīng)力或應(yīng)變反復(fù)作用應(yīng)變反復(fù)作用下材料性能的變化（特指開(kāi)裂或破壞）。下材料性能的變化（特指開(kāi)裂或破壞）。l1.2 疲勞破壞的形式：疲勞破壞的形式： a 機(jī)械疲勞：僅由外加動(dòng)應(yīng)力或動(dòng)應(yīng)變?cè)斐?。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架等車(chē)輛結(jié)構(gòu)。機(jī)械疲勞：僅由外加動(dòng)應(yīng)力或動(dòng)應(yīng)變?cè)斐?。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架等車(chē)輛結(jié)構(gòu)。 b 蠕變疲勞：循環(huán)載荷同高溫聯(lián)合作用造成。飛機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等結(jié)蠕變疲勞：循環(huán)載荷同高溫聯(lián)合作用造

2、成。飛機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等結(jié)構(gòu)。構(gòu)。 c 腐蝕疲勞：在腐蝕性介質(zhì)或致脆介質(zhì)環(huán)境下動(dòng)載荷造成。海洋石油平腐蝕疲勞：在腐蝕性介質(zhì)或致脆介質(zhì)環(huán)境下動(dòng)載荷造成。海洋石油平臺(tái)等結(jié)構(gòu)。臺(tái)等結(jié)構(gòu)。 d 滑動(dòng)接觸疲勞和滾動(dòng)接觸疲勞：載荷的反復(fù)作用與材料之間的滑動(dòng)和滑動(dòng)接觸疲勞和滾動(dòng)接觸疲勞：載荷的反復(fù)作用與材料之間的滑動(dòng)和滾動(dòng)共同作用造成。車(chē)輪和鋼軌的接觸疲勞。滾動(dòng)共同作用造成。車(chē)輪和鋼軌的接觸疲勞。 e 1 1 疲勞的定義及類(lèi)型疲勞的定義及類(lèi)型lW.A.J. Albert 1929 對(duì)礦山升降機(jī)鏈條反復(fù)加載以驗(yàn)證其可靠性。lW.J.M. Rankine 1843 注意到機(jī)器部件存在應(yīng)力集中的危險(xiǎn)性。lA. W

3、hler 1852-1857 對(duì)車(chē)軸疲勞破壞做了系統(tǒng)的研究，利用設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，提出了利用應(yīng)力-壽命曲線(xiàn)來(lái)描述疲勞行為，并且提出了疲勞極限的概念。lH. Gerber 1874; Goodman 1899 提出考慮平均應(yīng)力影響的壽命計(jì)算方法。lBauschinger 1886 金屬在反向載荷作用下的彈性極限可能與在單向形變中觀察到的彈性極限有所差別。確認(rèn)了金屬材料循環(huán)應(yīng)變軟化和循環(huán)應(yīng)變硬化的現(xiàn)象。2 2 疲勞研究的歷史發(fā)展過(guò)程疲勞研究的歷史發(fā)展過(guò)程lEwing & Rosenhain 1900 通過(guò)對(duì)瑞典鐵的研究說(shuō)明在多晶材料的許多晶粒內(nèi)都會(huì)出現(xiàn)滑移帶，這些滑移帶在疲勞形

4、變過(guò)程中逐漸變寬形成裂紋，試樣的突然破壞是某條主導(dǎo)裂紋向前擴(kuò)展造成的。lO.H. Basquin 1910 提出了描述金屬S-N曲線(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。同一時(shí)期做出過(guò)重要貢獻(xiàn)的還有: Smith（1910）Haigh（1915）lPalmgren 1924 & Miner 1945 疲勞破壞的累積損傷模型。lWeibull 1939 材料強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)理論。lNeuber 1946 單向形變和循環(huán)形變的缺口效應(yīng)。lCoffin 1954 & Manson 1954 塑性應(yīng)變?cè)斐傻膿p傷理論。各自提出了發(fā)生疲勞破壞時(shí)載荷反向次數(shù)同塑性應(yīng)變幅的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，即Coffin-Manson關(guān)系。lInglis 1913

5、 & Griffith 1921 提出了能量概念定量處理脆性固體斷裂的數(shù)學(xué)工具，但這個(gè)理論不能直接用來(lái)描述材料的疲勞破壞。lIrwin 1957 提出K（應(yīng)力強(qiáng)度因子）表示裂紋尖端應(yīng)力奇異大小。標(biāo)志著線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)方法的出現(xiàn)。lParis Gomez & Anderson 1961 提出在恒幅循環(huán)加載下，疲勞裂紋在每個(gè)應(yīng)力循環(huán)中的擴(kuò)展量da/dN與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅DK有關(guān)，雖然這個(gè)理論沒(méi)有被當(dāng)時(shí)主要雜志所接受，但這個(gè)方法被廣泛用來(lái)描述在裂紋頂端存在小范圍塑性變形條件下的疲勞裂紋擴(kuò)展。lThompson Wadsworth & Louat 1956 試驗(yàn)表明，已經(jīng)產(chǎn)生滑移帶的金屬疲勞試樣在表面去除

6、一層之后繼續(xù)循環(huán)，滑移帶繼續(xù)在原位出現(xiàn)，他們把這種表面痕跡稱(chēng)為駐留滑移帶，Zappfe & Ryder（1960）通過(guò)斷口觀察到疲勞輝紋，提出了輝紋間距與裂紋擴(kuò)展速率之間的關(guān)系，這對(duì)工程失效分析有重要意義。l雖然恒定循環(huán)應(yīng)力幅作用下疲勞破壞是疲勞研究的基雖然恒定循環(huán)應(yīng)力幅作用下疲勞破壞是疲勞研究的基本內(nèi)容，但由于工程應(yīng)用中的服役條件不可避免的存本內(nèi)容，但由于工程應(yīng)用中的服役條件不可避免的存在變幅載荷譜、腐蝕環(huán)境、低溫或高溫及多軸應(yīng)力狀在變幅載荷譜、腐蝕環(huán)境、低溫或高溫及多軸應(yīng)力狀態(tài)，因此建立能處理這些復(fù)雜服役條件的可靠壽命預(yù)態(tài)，因此建立能處理這些復(fù)雜服役條件的可靠壽命預(yù)測(cè)模型是疲勞研究中最棘手

7、的問(wèn)題。測(cè)模型是疲勞研究中最棘手的問(wèn)題。考慮這些因素的考慮這些因素的影響往往都是采用半經(jīng)驗(yàn)的方法。影響往往都是采用半經(jīng)驗(yàn)的方法。l雖然習(xí)慣上認(rèn)為出現(xiàn)滑移帶是延性固體發(fā)生疲勞破壞雖然習(xí)慣上認(rèn)為出現(xiàn)滑移帶是延性固體發(fā)生疲勞破壞的必要條件，但非金屬材料在沒(méi)有位錯(cuò)反復(fù)運(yùn)動(dòng)情況的必要條件，但非金屬材料在沒(méi)有位錯(cuò)反復(fù)運(yùn)動(dòng)情況下，循環(huán)載荷產(chǎn)生的微觀形變動(dòng)力學(xué)不可逆機(jī)制是多下，循環(huán)載荷產(chǎn)生的微觀形變動(dòng)力學(xué)不可逆機(jī)制是多種多樣的，當(dāng)前研究的重點(diǎn)是把種多樣的，當(dāng)前研究的重點(diǎn)是把現(xiàn)有的金屬體系的?，F(xiàn)有的金屬體系的疲勞知識(shí)擴(kuò)展到這些先進(jìn)功能材料上去。勞知識(shí)擴(kuò)展到這些先進(jìn)功能材料上去。 現(xiàn)代軌道交通車(chē)輛向高速重載方向發(fā)

8、展，對(duì)結(jié)構(gòu)提出了高性能、輕量化和長(zhǎng)壽命的設(shè)計(jì)要求。這些要求顯然相互沖突，總體而言，疲勞學(xué)科有以下特點(diǎn)：1、壽命計(jì)算往往比強(qiáng)度計(jì)算精度差得多，壽命計(jì)算的誤差量級(jí)甚至都很難確定，壽命計(jì)算考慮的隨機(jī)因素太多，有些很難做的定量描述。2、材料的基本疲勞性能很難精確的從其他性能指標(biāo)推導(dǎo)出來(lái)，只能依靠試驗(yàn)獲取。這種材料疲勞性能試驗(yàn)往往規(guī)模較大，樣本數(shù)越大，所得到的信息越可靠。3、結(jié)構(gòu)的全尺寸疲勞試驗(yàn)是結(jié)構(gòu)定型最重要的一步，它在一定程度上能揭示疲勞設(shè)計(jì)壽命的滿(mǎn)足情況。4、所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果都需要經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)處理。5、材料和設(shè)計(jì)要保證結(jié)構(gòu)的時(shí)效裂紋有較低的擴(kuò)展速率，必須強(qiáng)化檢查，在裂紋擴(kuò)展到失穩(wěn)之前發(fā)現(xiàn)并采取補(bǔ)救

9、措施。6、設(shè)計(jì)時(shí)必須有失效安全的意識(shí)，當(dāng)結(jié)構(gòu)的某以單元時(shí)效后，結(jié)構(gòu)整體必須能保證完整并且能在一定的短期時(shí)間內(nèi)繼續(xù)承載。3 3 疲勞裂紋萌生及擴(kuò)展機(jī)理疲勞裂紋萌生及擴(kuò)展機(jī)理 結(jié)構(gòu)在承受循環(huán)載荷作用下，將經(jīng)歷疲勞裂紋成核、微裂紋形成及宏裂紋擴(kuò)展三個(gè)階段。掌握疲勞機(jī)理可理解構(gòu)件表面處理、表面殘余應(yīng)力和服役環(huán)境等因素對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命和疲勞裂紋擴(kuò)展的影響。這方面的知識(shí)也對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)和結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)也有重要意義。l顯微觀察從20世紀(jì)就已開(kāi)始，隨著觀察尺度不斷變小，人們發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在循環(huán)應(yīng)力作用下，幾乎同時(shí)就出現(xiàn)了疲勞裂紋成核（位錯(cuò)）。l疲勞裂紋成核后，由于晶界等金相組織的影響其擴(kuò)展是非常緩慢和不穩(wěn)定的。l

10、從成核點(diǎn)出現(xiàn)了幾條微裂紋后，經(jīng)歷了微裂紋融合階段，擴(kuò)展變相對(duì)穩(wěn)定一些，這就是疲勞裂紋擴(kuò)展的初始階段。 對(duì)于成核和裂紋初始擴(kuò)展兩個(gè)階段，各影響因素作用程度是不同的。例如表面粗糙影響裂紋成核階段但不影響裂紋擴(kuò)展；腐蝕環(huán)境對(duì)這兩個(gè)階段雖都有重要影響，但機(jī)理不同。如上圖所示，應(yīng)力集中系數(shù)（Kt）是預(yù)測(cè)裂紋形成的重要參數(shù)；應(yīng)力強(qiáng)度因子（K）是預(yù)測(cè)裂紋擴(kuò)展的重要參數(shù)。3.1 3.1 裂紋形成階段裂紋形成階段a a、名義無(wú)缺陷的純金屬及合金，機(jī)理性解釋、名義無(wú)缺陷的純金屬及合金，機(jī)理性解釋 Ewing、Rosenhain和Humfrey（1900-1903）研究表明在承受疲勞載荷的鐵試樣中，裂紋沿活動(dòng)滑移面

11、形成。 疲勞形變機(jī)制最具結(jié)論性的研究結(jié)果是從高純材料特別是面心立方金屬單晶體（例如充分退火的純銅）得到的。工業(yè)用材料因處理方法和雜質(zhì)材料等強(qiáng)烈影響以及組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性無(wú)法明確疲勞機(jī)制。 對(duì)單晶體材料大量的研究表明，循環(huán)應(yīng)變的最初幾周就已產(chǎn)生位錯(cuò)，它們聚集在主滑移面上。疲勞裂紋的形成是由于滑移帶循環(huán)滑移的結(jié)果，這說(shuō)明位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和位錯(cuò)累積是塑性變形的機(jī)制。在較低應(yīng)力幅下，塑性變形僅發(fā)生在材料有限的晶格中。 上圖為循環(huán)滑移致裂紋成核的圖示。 Step1 滑移沿最大剪應(yīng)力方向，形成滑移臺(tái)階暴露到外部環(huán)境中，對(duì)大多數(shù)環(huán)境新的材料表面將覆蓋一層氧化層。氧化層強(qiáng)力附著于材料上難以去除。這一步中，由于初級(jí)位錯(cuò)積

12、聚將產(chǎn)生應(yīng)變硬化。 Step2 反向加載，由于存在氧化層和滑移帶應(yīng)變硬化，反向滑移將是不可逆的，滑移將在同一條滑移帶對(duì)應(yīng)平行的滑移面上進(jìn)行。 由上述過(guò)程可得結(jié)論如下： a、一個(gè)應(yīng)變循環(huán)即可產(chǎn)生微觀侵入（intrusion）,形成微裂紋。 b、隨后的應(yīng)變循環(huán)將重復(fù)Step1-2過(guò)程，微裂紋開(kāi)始擴(kuò)展。退火純銅試樣循環(huán)應(yīng)變作退火純銅試樣循環(huán)應(yīng)變作用下滑移帶用下滑移帶施加施加0.05塑性應(yīng)變后滑移塑性應(yīng)變后滑移帶張開(kāi)，形成微裂紋帶張開(kāi)，形成微裂紋在疲勞裂紋形成階段，疲勞是材料表面變化的現(xiàn)象在疲勞裂紋形成階段，疲勞是材料表面變化的現(xiàn)象3.1 3.1 裂紋形成階段裂紋形成階段b b、工業(yè)合金，定性解釋、工

13、業(yè)合金，定性解釋l在工業(yè)材料做成的工程部件中，疲勞裂紋不均勻成核的主要地點(diǎn)包括孔洞、熔渣、氣泡夾雜、擦傷、鍛造皺皮、摺疊和宏觀應(yīng)力集中部位以及微觀組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分不均勻區(qū)。在工業(yè)合金中，疲勞裂紋既可能在近表面形成，也可能在內(nèi)部區(qū)域形成。l夾雜和氣孔旁的裂紋萌生夾雜和氣孔旁的裂紋萌生 夾雜和氣孔會(huì)降低工業(yè)合金的疲勞強(qiáng)度。在缺陷部位萌生裂紋疲勞的機(jī)制與一系列力學(xué)因素、微觀組織因素和環(huán)境因素有關(guān)。這些因素包括基體滑移特征、基體和缺陷的相對(duì)強(qiáng)度、基體-夾雜物界面的強(qiáng)度、以及基體與夾雜物在疲勞環(huán)境中對(duì)于腐蝕的相對(duì)敏感性。l環(huán)境對(duì)工業(yè)合金疲勞裂紋萌生的影響環(huán)境對(duì)工業(yè)合金疲勞裂紋萌生的影響 如果一個(gè)循環(huán)受

14、載的工程部件在使用過(guò)程中暴露于侵蝕性介質(zhì)中，材料表面被環(huán)境擇優(yōu)腐蝕的部位可能成為疲勞裂紋的成核地點(diǎn)。 （1）表面滑移臺(tái)階或侵入；（2）產(chǎn)生回火脆的晶界或無(wú)沉淀區(qū)包圍的晶界（時(shí)效硬化的合金中）與表面交截處；（3）表面氧化保護(hù)層破裂處；（4）與周?chē)w脫粘的近表面夾雜物，如鋼中MnS；（5）others3.2 3.2 裂紋成長(zhǎng)擴(kuò)展階段裂紋成長(zhǎng)擴(kuò)展階段 當(dāng)微裂紋長(zhǎng)度與基體晶格尺度相當(dāng)時(shí)，由于材料微觀各向異性彈性，微裂紋處存在著不均勻的應(yīng)力場(chǎng)并在裂紋尖端存在應(yīng)力集中效應(yīng)。由此，更多的滑移帶被激活。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到相鄰的晶格，滑移帶運(yùn)動(dòng)將被限制，微裂紋擴(kuò)展方向?qū)脑瓉?lái)主滑移帶滑移方向偏折，正交于加載方向。

15、對(duì)某些材料，微裂紋擴(kuò)展將遭遇晶界阻力。裂紋擴(kuò)展至晶界處，擴(kuò)展速率明顯下降。鋁合金晶界對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻力作用 由于微裂紋擴(kuò)展前端須連續(xù)，擴(kuò)展線(xiàn)各點(diǎn)的裂紋擴(kuò)展速率近似一致，當(dāng)微裂紋穿透了一定數(shù)量的晶格時(shí)，裂紋前端擴(kuò)展線(xiàn)近似成以半橢圓形狀?？偨Y(jié)：疲勞機(jī)理性知識(shí)的重要性總結(jié)：疲勞機(jī)理性知識(shí)的重要性l即便構(gòu)件的尺度和裂紋的尺寸比顯微組織大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，疲勞裂紋頂端出現(xiàn)永久損傷的尺寸范圍通常與材料的特征微觀尺度相當(dāng)。l總壽命和斷裂力學(xué)概念提供了可以用來(lái)描述材料在循環(huán)載荷作用下的裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展阻力的方法。但是，單純利用這些概念并不能夠定量描述材料對(duì)疲勞的內(nèi)在阻力，只有充分了解失效的微觀機(jī)制時(shí)才能獲得這方面的

16、信息。在各種材料上所做的大量工作表明，顯微組織的細(xì)微變化可顯著改變循環(huán)損傷程度和失效壽命。l疲勞裂紋擴(kuò)展壽命主要消耗在低DK水平，對(duì)于大多數(shù)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，當(dāng)DK較小時(shí)，一個(gè)加載周期內(nèi)裂紋頂端最大張開(kāi)位移的典型值小于1m。因?yàn)檫@一尺度小于大多數(shù)材料的顯微組織特征尺寸，所以即便裂紋尺度明顯大于顯微組織尺度，顯微組織對(duì)斷裂阻力影響也很大。l即便構(gòu)件設(shè)計(jì)偏于保守，也可能由于服役條件發(fā)生不可預(yù)測(cè)變化而出現(xiàn)破壞。4 4 疲勞設(shè)計(jì)方法疲勞設(shè)計(jì)方法l如前所述，一個(gè)工程部件損傷包含幾個(gè)不同階段，缺陷可以在原先沒(méi)有損傷的部位成核，然后以穩(wěn)定的方式發(fā)展，直到突然發(fā)生斷裂。對(duì)于最一般的情況，疲勞損傷的發(fā)展大致分下面幾個(gè)階

17、段。 step1 顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成永久損傷成核。 step2 產(chǎn)生微裂紋 step3 微裂紋長(zhǎng)大和合并，形成主導(dǎo)裂紋 step4 主導(dǎo)宏觀裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展 step5 結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性，失去承載能力完全斷裂 力學(xué)因素、組織結(jié)構(gòu)因素和環(huán)境因素在很寬的范圍內(nèi)影響微觀缺陷的成核條件和主導(dǎo)疲勞裂紋的擴(kuò)展速率。疲勞的不同設(shè)計(jì)原理主要區(qū)別在如何定量處理裂紋萌生階段和裂紋擴(kuò)展階段。 疲勞壽命定義為萌生疲勞裂紋的循環(huán)數(shù)與裂紋亞臨界擴(kuò)疲勞壽命定義為萌生疲勞裂紋的循環(huán)數(shù)與裂紋亞臨界擴(kuò)展到某一最后尺寸的循環(huán)數(shù)展到某一最后尺寸的循環(huán)數(shù)。主要有總壽命法總壽命法和損傷容限法損傷容限法兩種主要的疲勞設(shè)計(jì)方法。4.1 4.1

18、 總壽命法總壽命法 經(jīng)典的疲勞設(shè)計(jì)方法是用循環(huán)應(yīng)力范圍（S-N曲線(xiàn)方法）或（塑性或總）應(yīng)變范圍來(lái)描述疲勞破壞的總壽命。 在這些方法中，通過(guò)控制應(yīng)力幅或應(yīng)變幅獲得初始無(wú)裂紋（名義光滑表面）的實(shí)驗(yàn)室試樣產(chǎn)生疲勞破壞所需的應(yīng)力循環(huán)數(shù)或應(yīng)變循環(huán)數(shù)（可能高達(dá)疲勞總壽命的90%）和使這一主導(dǎo)裂紋擴(kuò)展到發(fā)生突然破壞的疲勞循環(huán)數(shù)。 應(yīng)用經(jīng)典方法預(yù)測(cè)疲勞總壽命時(shí)，可以用各種半經(jīng)驗(yàn)方法處理平均應(yīng)力、應(yīng)力集中、環(huán)境、多軸應(yīng)力和隨機(jī)應(yīng)力的影響。由于裂紋萌生壽命占據(jù)光滑試樣疲勞總壽命的主要部分，經(jīng)典的應(yīng)力和應(yīng)變描述方法在多數(shù)情況下體現(xiàn)抗疲勞裂紋萌生的思想。 對(duì)于高周疲勞高周疲勞，材料主要發(fā)生彈性變形，傳統(tǒng)是用應(yīng)力范圍描

19、述破壞所需的循環(huán)數(shù)；對(duì)于低周疲勞低周疲勞，應(yīng)力較大足以在破壞前引起明顯的塑性變形，通常使用應(yīng)變范圍描述破壞壽命。 經(jīng)典的應(yīng)變描述（局部應(yīng)變法）的最大優(yōu)點(diǎn)是預(yù)測(cè)應(yīng)力集中部位全塑性區(qū)應(yīng)變場(chǎng)的裂紋萌生和早期擴(kuò)展壽命。4.2 4.2 損傷容限法損傷容限法 損傷容限法以斷裂力學(xué)方法為基礎(chǔ)?；厩疤崾钦J(rèn)為損傷是一切工程構(gòu)架固有的。 原有損傷是由無(wú)損檢測(cè)技術(shù)（著色、X射線(xiàn)、超聲、磁性和聲發(fā)射等）來(lái)確定。如果構(gòu)件中沒(méi)發(fā)現(xiàn)損傷，則進(jìn)行可靠性檢驗(yàn)，即根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)一個(gè)結(jié)構(gòu)，在應(yīng)力水平稍高于服役應(yīng)力條件下進(jìn)行模擬試驗(yàn)。如果無(wú)損檢測(cè)沒(méi)有檢測(cè)出裂紋，而且在可靠性檢驗(yàn)中也不發(fā)生突然破壞，則根據(jù)探傷技術(shù)的分辨率估計(jì)最大（未檢驗(yàn)

20、出）原始裂紋尺寸。疲勞壽命則定義為主裂紋從疲勞壽命則定義為主裂紋從這一原始尺寸擴(kuò)展到某一臨界尺寸所需的疲勞循環(huán)數(shù)。這一原始尺寸擴(kuò)展到某一臨界尺寸所需的疲勞循環(huán)數(shù)?？筛鶕?jù)材料的斷裂韌性、結(jié)構(gòu)特殊部分的極限載荷、可容許的應(yīng)變和可允許的結(jié)構(gòu)柔度選擇臨界擴(kuò)展尺寸。 采用損傷容限法預(yù)測(cè)裂紋擴(kuò)展壽命需要斷裂力學(xué)知識(shí)。根據(jù)線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)要求，只有滿(mǎn)足小范圍屈服，也就是遠(yuǎn)離任何應(yīng)力集中的塑性應(yīng)變場(chǎng)，而且與帶裂紋構(gòu)件特征尺寸相比，裂紋尖端塑性區(qū)較小，彈性加載條件占主導(dǎo)地位的情況下，才可應(yīng)用損傷容限法4.3 4.3 兩種設(shè)計(jì)方法的比較兩種設(shè)計(jì)方法的比較 為了獲得最佳的疲勞阻力，不同設(shè)計(jì)方法所給出的微觀組織結(jié)構(gòu)變量

21、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則會(huì)有顯著的差異。這些差別純粹是由于在計(jì)算有用疲勞壽命時(shí)，對(duì)裂紋萌生和擴(kuò)展的作用取不同的權(quán)重造成的。 在亞臨界裂紋擴(kuò)展消耗大部分壽命的低K值，許多合金對(duì)疲勞長(zhǎng)裂紋的擴(kuò)展阻力通常隨晶粒尺寸的增大（或屈服強(qiáng)度）而增大，但根據(jù)應(yīng)力-壽命圖估計(jì)的疲勞總壽命表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。這個(gè)矛盾可以這樣來(lái)解釋?zhuān)呵胺N方法主要涉及對(duì)疲勞擴(kuò)展的阻力，后種方法主要根據(jù)名義無(wú)缺陷的試樣結(jié)構(gòu)，涉及裂紋萌生的阻力。 為同時(shí)提高裂紋萌生阻力和裂紋擴(kuò)展阻力，應(yīng)該在兩者之間進(jìn)行權(quán)衡，達(dá)到最終優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)特征的目的。4.4 4.4 安全安全- -壽命壽命和和失效失效- -安全安全概念解釋概念解釋l安全-壽命 在使用安全-壽命處理方

22、法時(shí)，首先應(yīng)該確定構(gòu)件服役典型的載荷譜。在此信息的基礎(chǔ)上，或者對(duì)部件進(jìn)行分析，或者利用此載荷譜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，從而估計(jì)部件可用疲勞壽命。用一個(gè)安全因子（或稱(chēng)不確定因子）對(duì)所得疲勞壽命進(jìn)行修正，得到構(gòu)件的安全壽命。當(dāng)部件運(yùn)行到預(yù)期的安全壽命時(shí)，即使在服役中并沒(méi)有發(fā)生任何破壞（即構(gòu)件仍有相當(dāng)長(zhǎng)的剩余疲勞壽命），也要令其退役。 安全-壽命方法本質(zhì)上是一種理論性方法，使用該方法時(shí)必須考慮幾個(gè)不確定的因素，例如載荷條件的意外變化、典型服役載荷譜估計(jì)中的誤差、試驗(yàn)結(jié)果的分散、同種材料不同批次之間的性能差異、生產(chǎn)過(guò)程引入的原始缺陷、部件使用過(guò)程中某些部位的腐蝕、部件使用過(guò)程中的人為失誤。加大安全系數(shù)能夠保證

23、部件在安全運(yùn)行壽命期間不發(fā)生破壞，但這只是一種保守方法，從經(jīng)濟(jì)和運(yùn)行的觀點(diǎn)考慮是不合理的。 安全-壽命方法的本質(zhì)是要求在到達(dá)一個(gè)規(guī)定的壽命之前不發(fā)生疲勞裂紋，重點(diǎn)是預(yù)防疲勞裂紋萌生。l失效-安全 失效-安全的設(shè)計(jì)原則是如果在一個(gè)大構(gòu)件中即使有個(gè)別零件失效，其剩余部分應(yīng)保證足夠的結(jié)構(gòu)完整性，使構(gòu)件能安全運(yùn)行到檢測(cè)到裂紋為止。 具有并聯(lián)載荷路徑的構(gòu)件在結(jié)構(gòu)上含有過(guò)剩部分，通常是失效安全的。 失效-安全方法除要求對(duì)構(gòu)件進(jìn)行定期檢查之外，還要求裂紋檢測(cè)技術(shù)可以識(shí)別尺寸足夠小的裂紋，以便能及時(shí)修理或更換有關(guān)部件。 典型案列： a、美國(guó)空軍目標(biāo)退役 RFC 使用損傷容限設(shè)計(jì)方法，從根本消除低周疲勞引起的失

24、效事故。 b、壓力容器和管道領(lǐng)域 破前滲漏準(zhǔn)則 要求容器和管道在發(fā)生任何災(zāi)難性破壞之前有滲漏現(xiàn)象出現(xiàn)。第二部分第二部分 連續(xù)介質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ) 為了應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)來(lái)描述循環(huán)形變和疲勞破壞，必須掌握彈性和塑性理論原理。1 1 基本概念基本概念1.1、應(yīng)力張量應(yīng)力張量：考慮固體中的一個(gè)無(wú)限小體元，一點(diǎn)應(yīng)力表示了力在局部面積上作用強(qiáng)度。1.2、平衡方程平衡方程：受力固體的任一體元都處于平衡狀態(tài)，根據(jù)力矩方程，可推導(dǎo)出平衡方程。1.3、無(wú)限小應(yīng)變無(wú)限小應(yīng)變張量張量定義：在笛卡爾坐標(biāo)系下，描述質(zhì)點(diǎn)位移忽略高階項(xiàng)。1.4、應(yīng)變相容條件應(yīng)變相容條件：由連續(xù)單值的位移場(chǎng)微分可得應(yīng)變場(chǎng)，為保證由應(yīng)變

25、場(chǎng)積分逆操作得到位移場(chǎng)連續(xù)性，應(yīng)變場(chǎng)需滿(mǎn)足額外的相容條件。2 2 線(xiàn)彈性原理線(xiàn)彈性原理常用工程金屬材料單軸工程應(yīng)力常用工程金屬材料單軸工程應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)應(yīng)變曲線(xiàn)3 3 應(yīng)力不變量應(yīng)力不變量對(duì)于材料質(zhì)點(diǎn)任一三維應(yīng)力狀態(tài)，可以通過(guò)坐標(biāo)變換找到三個(gè)稱(chēng)為主應(yīng)力的正應(yīng)力，它們分別作用在不存在切應(yīng)力的三個(gè)互相垂直的平面上。主應(yīng)力是以下三次方程的根這三個(gè)系數(shù)同描述應(yīng)力分量所選擇的坐標(biāo)系取向無(wú)關(guān)，稱(chēng)為應(yīng)力不變量。用下式定義靜水壓力H111223311333HkkI靜水壓力只會(huì)使各向同性連續(xù)體的體積（非形變）發(fā)生變化。應(yīng)力的偏張量定義為13ijijijIs與靜水壓力不同，上述偏應(yīng)力張量引起塑性變形。偏應(yīng)力張量也可定義一組新的標(biāo)量不變量。11222212331 2 30112213iiij ijijjkklJIJs ssssJs s ss s s3 3 塑性原理塑性原理 當(dāng)延性金屬材