疲勞斷裂機理及對策

關于疲勞斷裂機理及對策脆性材料和韌性材料脆性：指材料受到外力時，其內部容易產生裂紋并破壞的性質韌性：塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力，通過變形松弛應力，重新分布第2頁,共26頁，2024年2月25日，星期天彈性(Elasticity)：卸載后變形可以恢復特性，可逆性。塑性(Plasticity)：固體金屬在外力作用下能穩(wěn)定地產生永久變形而不破壞其完整性的能力屈服(Yielding)：開始產生塑性變形的臨界狀態(tài)損傷(Damage)：材料內部缺陷產生及發(fā)展的過程斷裂(Fracture)：宏觀裂紋產生、擴展到變形體破斷的過程材料的幾個基本概念強度：構件抵抗破壞的能力剛性：構件抵抗變形的能力第3頁,共26頁，2024年2月25日，星期天材料變形過程

以單向拉伸為例說明彈塑性變形過程與特點。金屬變形分為彈性、塑性變形、破裂三個階段。ss-

屈服強度，材料塑形變形sb-

抗拉強度，材料斷裂se-

彈性極限sk-

斷裂應力第4頁,共26頁，2024年2月25日，星期天材料特性指標E-彈性模量（抗壓）G-抗剪模量u-泊松比第5頁,共26頁，2024年2月25日，星期天金屬試樣斷裂形式脆性材料尺度小第6頁,共26頁，2024年2月25日，星期天傳統(tǒng)強度設計方法

傳統(tǒng)強度設計方法通常以設定最大載荷下計算材料受力狀態(tài)（拉伸，壓縮或剪切），以材料屈服強度（或剪切強度）校核，并設定安全系數（如1.5，4）作為結構設計參數。第7頁,共26頁，2024年2月25日，星期天傳統(tǒng)的強度校核設計弊端第8頁,共26頁，2024年2月25日，星期天斷裂力學基本概念構件斷裂破壞原因主要為：低應力條件下造成裂紋擴展直至斷裂

應力腐蝕（應力和腐蝕作用）產生裂紋及擴張，造成構件強度不足

實際構件應用中只有極少量構件斷裂或破損由于強度不足造成塑形變形或脆性斷裂

斷裂力學即以裂紋形成，發(fā)展，擴充，直至斷裂過程為研究對象的學科第9頁,共26頁，2024年2月25日，星期天疲勞斷裂過程，圖片第10頁,共26頁，2024年2月25日，星期天疲勞斷裂機理-裂紋第11頁,共26頁，2024年2月25日，星期天疲勞斷裂機理-裂紋第12頁,共26頁，2024年2月25日，星期天疲勞斷裂過程第13頁,共26頁，2024年2月25日，星期天疲勞斷裂機理-缺陷形成1裂尖位錯發(fā)射和斷裂位錯2晶體疲勞和晶界3脆性材料微小裂紋擴展4變形和損傷第14頁,共26頁，2024年2月25日，星期天疲勞斷裂機理-材料缺陷和裂紋第15頁,共26頁，2024年2月25日，星期天疲勞斷裂機理-微觀缺陷位錯和晶界缺陷晶界缺陷第16頁,共26頁，2024年2月25日，星期天晶體缺陷-位錯第17頁,共26頁，2024年2月25日，星期天1.材料雜質，孔洞，切口等2.加工過程形成的微小裂紋3.構件幾何特征（尖角，臺階）引起的加工過程造成的殘留內應力集中，釋放后形成應變（缺陷）4.構件存在的臺階斷差等在負載下的材料應力突變疲勞斷裂機理-宏觀缺陷第18頁,共26頁，2024年2月25日，星期天裂紋擴展在交變應力或脈沖應力作用下，裂紋擴展--疲勞斷裂定義。幅度越大，頻率越大則擴展速度越快第19頁,共26頁，2024年2月25日，星期天交變力（應變）和脈沖力（應變）交變力脈沖力如循環(huán)受到拉/壓力如循環(huán)受到壓力*由某個正值減小為零的循環(huán)**彎矩/扭曲也適用第20頁,共26頁，2024年2月25日，星期天抗疲勞對策結構設計材料選用加工過程后處理構件加載狀態(tài)

基于以上斷裂分析，工程應用中為提高疲勞壽命，通過減少裂紋數量，裂紋大小程度及減緩裂紋擴展速度進行對策第21頁,共26頁，2024年2月25日，星期天抗疲勞對策--結構設計避免尖銳形狀，適當增大過渡圓弧減少尺寸梯度原因：可減緩應力梯度有利于減少加工過程造成的裂紋缺陷優(yōu)優(yōu)第22頁,共26頁，2024年2月25日，星期天抗疲勞對策--材料選用適用條件下選用屈服強度低（塑形好）的材料原因：屈服強度指標低反應材料晶體缺陷（位錯）少，晶界裂紋少第23頁,共26頁，2024年2月25日，星期天抗疲勞對策--加工過程避免加工過程中造成微小裂紋或晶體位錯增加切削加工采用鋒利刃具，小進給量，恰當的熱量傳遞等措施，可減少加工過程的裂紋熱加工（熱鍛）及熱處理過程的微小裂紋或晶體位錯控制第24頁,共26頁，2024年2月25日，星期天抗疲勞對策--加工后處理減少或消除表面受力部位微小裂紋