《材料的疲勞》課件

材料的疲勞材料疲勞是指材料在循環(huán)載荷作用下，其強度逐漸降低，最終斷裂的現(xiàn)象。材料疲勞是一個重要的工程問題，它會造成各種結(jié)構(gòu)和設(shè)備的失效，因此了解和控制材料疲勞是確保安全和可靠性的關(guān)鍵。引言材料的疲勞失效工程結(jié)構(gòu)和機械部件的疲勞失效是常見的現(xiàn)象。疲勞失效的影響疲勞失效會造成嚴重的經(jīng)濟損失和人員傷亡。疲勞研究的意義理解疲勞的機理，掌握疲勞測試和分析方法，有助于提高結(jié)構(gòu)和機械部件的可靠性。疲勞的概念1循環(huán)載荷金屬材料在反復(fù)交變的載荷作用下發(fā)生的損傷和斷裂現(xiàn)象。2應(yīng)力集中在材料的某個部位，應(yīng)力值會明顯高于其他部位。3裂紋擴展材料內(nèi)部微小的裂紋會逐漸擴展，最終導(dǎo)致材料斷裂。疲勞失效的特點緩慢發(fā)展疲勞失效通常需要較長時間才能發(fā)生，這與材料的彈性變形和塑性變形不同。疲勞裂紋的擴展過程是逐漸進行的，可能在很長時間內(nèi)沒有明顯的外部跡象。裂紋擴展疲勞失效通常由裂紋擴展引起，裂紋從材料的微觀缺陷開始，逐漸擴展到足以導(dǎo)致斷裂的程度。裂紋擴展的路徑通常不規(guī)則，因為材料在疲勞循環(huán)過程中會發(fā)生塑性變形。疲勞測試的分類應(yīng)力循環(huán)試驗控制施加在試件上的應(yīng)力幅值和循環(huán)次數(shù)，觀察試件的疲勞壽命。應(yīng)變循環(huán)試驗控制施加在試件上的應(yīng)變幅值和循環(huán)次數(shù)，觀察試件的疲勞壽命。裂紋擴展試驗觀察預(yù)制裂紋在循環(huán)載荷下的擴展速率，研究裂紋擴展機制。疲勞壽命預(yù)測基于實驗數(shù)據(jù)或理論模型，預(yù)測材料在特定載荷條件下的疲勞壽命。應(yīng)力循環(huán)試驗1定義在控制的應(yīng)力幅值和頻率下進行重復(fù)的應(yīng)力加載和卸載。2目的模擬實際工況下材料承受的循環(huán)應(yīng)力，評估材料的疲勞壽命。3方法采用疲勞試驗機，對試件施加循環(huán)載荷，觀察其疲勞行為。應(yīng)變循環(huán)試驗應(yīng)變循環(huán)試驗是一種重要的疲勞試驗方法，它控制試件的應(yīng)變幅值，并測量試件在循環(huán)載荷下的應(yīng)力響應(yīng)，可以得到應(yīng)變-壽命曲線，用來研究材料在不同應(yīng)變幅值下的疲勞壽命。1應(yīng)變控制控制試件的應(yīng)變幅值2應(yīng)力測量測量試件的應(yīng)力響應(yīng)3應(yīng)變-壽命曲線得到材料的疲勞壽命數(shù)據(jù)應(yīng)力-壽命(S-N)曲線應(yīng)力-壽命(S-N)曲線是描述材料疲勞性能的重要指標。通過該曲線，可以預(yù)測材料在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命。橫軸表示應(yīng)力幅值，縱軸表示疲勞壽命，曲線通常呈對數(shù)形式。S-N曲線通常通過疲勞試驗獲得，并可以通過經(jīng)驗公式或疲勞壽命預(yù)測模型進行模擬。疲勞損傷累積理論累積損傷疲勞損傷累積是材料在多次循環(huán)載荷作用下逐漸失效的過程.損傷極限材料在承受一定循環(huán)載荷后，會達到其疲勞極限，無法承受更大載荷.疲勞壽命預(yù)測通過疲勞損傷累積理論，可以預(yù)測材料的疲勞壽命.普米納規(guī)則普米納規(guī)則普米納規(guī)則是一種疲勞損傷累積理論。假設(shè)每個循環(huán)都會造成一定的損傷，且損傷是累積的。當(dāng)累積損傷達到一定程度時，材料就會發(fā)生疲勞破壞。該規(guī)則通常用于評估不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命。在實際應(yīng)用中，普米納規(guī)則有一定局限性。線性損傷累積理論損傷累積線性損傷累積理論假設(shè)疲勞損傷與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)成正比。壽命預(yù)測該理論可以用于預(yù)測材料在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命。時間依賴該理論考慮了材料在不同時間段內(nèi)受到的疲勞損傷累積。計算方法通過線性累積公式，可以計算材料在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命。疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴展裂紋萌生疲勞裂紋通常從材料表面或內(nèi)部的微小缺陷開始。這些缺陷可能是制造缺陷、加工缺陷或使用過程中的損傷。裂紋擴展疲勞裂紋在循環(huán)載荷的作用下逐漸擴展。擴展過程通常分為三個階段：裂紋萌生、緩慢擴展和快速擴展。最終斷裂當(dāng)裂紋擴展到一定程度時，材料的剩余強度不足以承受載荷，最終導(dǎo)致斷裂。疲勞裂紋擴展速率疲勞裂紋擴展速率裂紋尺寸應(yīng)力強度因子材料特性是指裂紋尺寸隨時間變化的速率較大尺寸的裂紋擴展較快較高的應(yīng)力強度因子導(dǎo)致更快的擴展不同材料的擴展速率有所不同巴丁格曲線巴丁格曲線是描述裂紋擴展速率與應(yīng)力強度因子范圍的關(guān)系曲線。它展示了裂紋在不同應(yīng)力強度因子范圍下的擴展速度。這條曲線對于預(yù)測疲勞裂紋的擴展壽命至關(guān)重要，它是材料疲勞性能的重要指標之一。巴丁格曲線的形狀取決于材料的性質(zhì)、裂紋的形狀和尺寸，以及加載條件等因素。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)材料的具體情況進行測試，并繪制相應(yīng)的巴丁格曲線，以用于預(yù)測裂紋擴展壽命。應(yīng)力強度因子K11.定義應(yīng)力強度因子K是描述裂紋尖端應(yīng)力場強度的指標，代表裂紋尖端應(yīng)力集中的程度。22.重要性K值的大小與材料的抗裂性密切相關(guān)，是判斷材料疲勞裂紋擴展趨勢的重要依據(jù)。33.應(yīng)用廣泛應(yīng)用于疲勞壽命預(yù)測、裂紋擴展速率計算以及疲勞設(shè)計等領(lǐng)域。44.影響因素K值受裂紋幾何形狀、尺寸、載荷類型以及材料性質(zhì)的影響。應(yīng)力強度因子K的計算1幾何形狀裂紋長度，裂紋形狀等2載荷應(yīng)力水平和類型3材料性質(zhì)彈性模量，泊松比等應(yīng)力強度因子K是表征裂紋尖端應(yīng)力場強度的指標，反映了裂紋尖端應(yīng)力的集中程度。計算應(yīng)力強度因子K需要考慮裂紋形狀，載荷類型，材料性質(zhì)等因素。疲勞裂紋傳播壽命的計算疲勞裂紋的傳播壽命是指從裂紋萌生到裂紋擴展到臨界尺寸，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效所需的時間或循環(huán)次數(shù)。計算疲勞裂紋傳播壽命是確保結(jié)構(gòu)可靠性和安全性的關(guān)鍵。疲勞裂紋傳播壽命的計算方法主要基于Paris公式。Paris公式是基于實驗數(shù)據(jù)總結(jié)得出的經(jīng)驗公式，它將疲勞裂紋擴展速率與應(yīng)力強度因子范圍ΔK聯(lián)系起來。1ΔK應(yīng)力強度因子范圍2da/dN疲勞裂紋擴展速率3C材料常數(shù)4m材料常數(shù)疲勞壽命預(yù)測疲勞壽命預(yù)測是預(yù)測材料或結(jié)構(gòu)在一定應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)下失效所需循環(huán)次數(shù)的過程。它在工程設(shè)計中至關(guān)重要，可以幫助工程師設(shè)計出更可靠的結(jié)構(gòu)，并避免因疲勞失效造成的災(zāi)難性事故。疲勞壽命預(yù)測方法主要有兩種：基于應(yīng)力-壽命(S-N)曲線的方法和基于裂紋擴展速率的方法。S-N曲線方法適用于沒有裂紋的材料或結(jié)構(gòu)，而裂紋擴展速率方法則適用于存在初始裂紋的材料或結(jié)構(gòu)。影響疲勞壽命的因素很多，包括材料的類型、應(yīng)力幅值、應(yīng)力比、溫度、環(huán)境條件等。工程師可以通過實驗或數(shù)值模擬來確定這些因素對疲勞壽命的影響，并以此來優(yōu)化設(shè)計，提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。影響疲勞壽命的因素材料特性材料的強度、韌性、硬度等特性會影響其疲勞壽命。表面狀況表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力、表面涂層等會影響疲勞裂紋的萌生和擴展。載荷類型循環(huán)載荷的幅值、頻率、波形等都會影響疲勞壽命。環(huán)境因素溫度、濕度、腐蝕介質(zhì)等會影響材料的疲勞性能。材料的抗疲勞設(shè)計材料選擇選擇具有高抗疲勞強度、高韌性和高抗裂紋擴展能力的材料，例如高強度鋼、鈦合金等。表面處理表面處理可以提高材料的抗疲勞性能，例如噴丸處理、鍍層處理等。形狀設(shè)計合理的設(shè)計形狀，避免應(yīng)力集中，降低應(yīng)力水平，從而提高材料的抗疲勞性能。結(jié)構(gòu)優(yōu)化通過有限元分析等方法優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使應(yīng)力分布更加均勻，提高結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力。焊接結(jié)構(gòu)的疲勞11.焊接應(yīng)力集中焊接過程會產(chǎn)生焊接應(yīng)力，導(dǎo)致應(yīng)力集中，降低焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度。22.焊接缺陷的影響焊接缺陷，如氣孔、裂紋等，會降低焊接結(jié)構(gòu)的強度，增加疲勞裂紋的起始點。33.熱影響區(qū)的影響焊接熱影響區(qū)金屬的微觀組織發(fā)生改變，導(dǎo)致材料的疲勞性能下降。44.焊接工藝的影響焊接工藝參數(shù)，如電流、電壓、焊接速度等，也會影響焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。軸承的疲勞滾動疲勞滾動軸承在工作過程中，滾珠或滾柱與內(nèi)圈和外圈之間會產(chǎn)生反復(fù)滾動接觸應(yīng)力，導(dǎo)致疲勞失效，形成疲勞點蝕或剝落。影響因素軸承材料、載荷大小、轉(zhuǎn)速、潤滑情況、安裝精度、工作環(huán)境等因素都會影響軸承的疲勞壽命。齒輪的疲勞齒面疲勞齒輪在工作過程中，齒面會承受反復(fù)的接觸應(yīng)力，導(dǎo)致疲勞裂紋產(chǎn)生并擴展，最終導(dǎo)致齒面剝落或斷裂。齒根疲勞齒根處的彎曲應(yīng)力也會引起疲勞，導(dǎo)致齒根斷裂。齒根處的疲勞破壞通常發(fā)生在齒根過渡圓角處，由于應(yīng)力集中，導(dǎo)致疲勞壽命降低。齒側(cè)疲勞由于齒輪嚙合過程中的滑動摩擦，齒側(cè)也會產(chǎn)生疲勞，導(dǎo)致齒側(cè)磨損或斷裂。影響因素齒輪的材質(zhì)、熱處理工藝、潤滑條件、載荷大小、工作速度、嚙合精度等因素都會影響齒輪的疲勞壽命。彈簧的疲勞反復(fù)壓縮拉伸彈簧在使用過程中會反復(fù)壓縮和拉伸，導(dǎo)致彈簧材料發(fā)生疲勞。應(yīng)力集中彈簧的彎曲部分容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，加速疲勞損傷。疲勞失效彈簧疲勞失效會導(dǎo)致彈性性能下降，甚至斷裂，影響設(shè)備安全。螺栓連接的疲勞螺栓連接疲勞螺栓連接廣泛用于機械結(jié)構(gòu)中。螺栓的反復(fù)載荷會導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴展。疲勞分析應(yīng)力集中是螺栓連接疲勞失效的主要原因，螺栓孔周圍的應(yīng)力集中會顯著降低疲勞強度。疲勞測試疲勞測試可模擬實際工況，評估螺栓連接的疲勞壽命，指導(dǎo)設(shè)計改進。飛機結(jié)構(gòu)的疲勞重復(fù)載荷飛機在起飛、降落和飛行過程中會承受大量的重復(fù)載荷，導(dǎo)致機體結(jié)構(gòu)疲勞。環(huán)境因素高空低溫、氣壓變化、腐蝕性環(huán)境等會加速機體結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。安全隱患疲勞損傷會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強度下降，甚至導(dǎo)致飛機結(jié)構(gòu)失效，造成嚴重安全隱患。汽車懸架系統(tǒng)的疲勞循環(huán)載荷汽車懸架系統(tǒng)承受來自道路的不規(guī)則載荷，造成反復(fù)的應(yīng)力變化。疲勞累積這些循環(huán)載荷會導(dǎo)致懸架組件的疲勞損傷累積，最終可能導(dǎo)致失效。材料特性懸架組件通常由鋼、鋁等金屬制成，其疲勞特性會影響其壽命。設(shè)計缺陷設(shè)計缺陷，例如焊接質(zhì)量、材料選擇、尺寸和形狀，都會影響懸架系統(tǒng)的疲勞壽命。工程建筑物的疲勞結(jié)構(gòu)疲勞分析橋梁、大壩、高層建筑等工程建筑物長期承受循環(huán)荷載，可能導(dǎo)致疲勞損傷積累，最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。疲勞分析需要考慮荷載類型、頻率、幅值等因素，并根據(jù)材料的疲勞特性進行計算。疲勞損傷評估通過監(jiān)測建筑物的應(yīng)力狀態(tài)、裂紋擴展速度等，評估結(jié)構(gòu)的疲勞損傷程度。疲勞損傷評估結(jié)果可以用于預(yù)測結(jié)構(gòu)剩余壽命，并制定相應(yīng)的維護方案。疲勞壽命預(yù)測疲勞壽命預(yù)測可以幫助工程師制定預(yù)防性維修計劃，延長建筑物的使用壽命。預(yù)測方法需要結(jié)合結(jié)構(gòu)的材料特性、荷載條件、環(huán)境因素等進行分析。實例分析疲勞失效是一個普遍的工程問題，它可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和部件的失效，甚至造成災(zāi)難性事故。例如，飛機機翼的疲勞斷裂可能會導(dǎo)致飛機墜毀。對橋梁、風(fēng)力渦輪機和其他關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施進行疲勞分析至關(guān)重要，以確保其安全性和可靠性?？偨Y(jié)1疲勞失效材料在反復(fù)載荷作用下發(fā)生的斷裂2疲勞測試評估材料抗疲勞性能3疲勞壽命預(yù)測根據(jù)測試結(jié)果預(yù)測材料的疲勞壽命4抗疲勞設(shè)計采取措施提高