疲劳断裂失效分析精品PPT课件

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3.1 疲劳断裂的基本形式和特征
5、疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性
金属材料的疲劳断裂除取决于材料本身的性能 外，还与零件运行的环境条件有着密切的关系。对 材料敏感的环境条件虽然对材料的静强度也有一定 的影响，但其影响程度远不如对材料疲劳强度的影 响来得显著。大量实验数据表明，在腐蚀环境下材 料的疲劳极限较在大气条件下低得多，甚至就没有 所说的疲劳极限。
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5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以正断形 式进行的。特别是体心立方金属及其合金以这种形式 破坏的所占比例更大；上述力学条件在试件的内部裂 纹处容易得到满足，但当表面加工比较粗糙或具有较 深的缺口、刀痕、蚀坑、微裂纹等应力集中现象时， 正断疲劳裂纹也易在表面产生。
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5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
1、切断疲劳失效
切断疲劳初始裂纹是由切应力引起的。切应力引 起疲劳初裂纹萌生的力学条件是：切应力／缺口切断 强度≥1；正应力／缺口正断强度＜1。
切断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应力应变 场为平面应力状态；初裂纹的所在平面与应力轴约成 45º角，并沿其滑移面扩展。
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5.2 疲劳断口形貌及其特征
5.2.1 疲劳断口的宏观形貌及其特征
由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，因而形成了疲劳断 裂 特有的断口形貌，这是疲劳断裂分析时的根本依据。
典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区 、疲劳裂纹的选择发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等 五个区域。一般疲劳断口在宏观上也可粗略地分为疲劳源区、 疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个区域，更粗略地可将其分为 疲劳区和瞬时断裂区两个部分。大多数工程构件的疲劳断裂断 口上一般可观察到三个区域，因此这一划分更有实际意义。
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5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
由于面心立方结构的单相金属材料的切断强度一 般略低于正断强度，而在单向压缩、拉伸及扭转条件 下，最大切应力和最大正应力的比值（即软性系数） 分别为2.0、0.5、0.8，所以对于这类材料，其零件的 表层比较容易满足上述力学条件，因而多以切断形式 破坏。例如铝、镍、铜及其合金的疲劳初裂纹，绝大 多数以这种方式形成和扩展。低强度高塑性材料制作 的中小型及薄壁零件、大应力振幅、高的加载频率及 较高的温度条件都将有利于这种破坏形式的产生。
1 (0.4 ～ 0.6) b
或
1 0.285( s b )
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5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
3、疲劳断裂是一个损伤积累的过程
疲劳断裂不是立即发生的，而往往经过很长的时间才 完成的。疲劳初裂纹的萌生与扩展均是多次应力循环损伤 积累的结果。
疲劳裂纹萌生的孕育期与应力幅的大小、试件的形状 及应力集中状况、材料性质、温度与介质等因素有关。
强
对N0/ Nf值影响的趋势
降低 降低 升高 降低 降低 降低
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3.1 疲劳断裂的基本形式和特征
4、疲劳断裂对材料缺陷的敏感性
金属的疲劳失较具有对材料的各种缺陷均为敏 感的特点。因为疲劳断裂总是起源于微裂纹处。这 些微裂纹有的是材料本身的冶金缺陷，有的是加工 制造过程中留下的，有的则是使用过程中产生的。
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疲劳设计现在已从无限寿命设计发展 到有限寿命设计。
零件、构件和设备的寿命估算，已成 为疲劳强度的一个重要组成部分。疲劳已 从一个古老的概念发展成为材料科学、力 学和工程设计相结合的一门新兴学科—— 疲劳强度（学）。
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5.1 疲劳断裂的基本形式和特征 5.1.1 疲劳断裂失效的基本形式
按交变载荷的形式不同，可分为拉压疲劳、 弯曲疲劳、扭转疲劳、接触疲劳、振动疲劳等；
在工程上通常把试件上产生一条可见的初裂纹的应力循 环周次（N0）或将N0与试件的总寿命Nf的比值（N0/ Nf）作 为表征材料疲劳裂纹萌生孕育期的参量。
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3.1 疲劳断裂的基本形式和特征
各因素对N0/ Nf值影响的趋势
影响因素
应力幅 应力集中 材料强度 材料塑性
温度 腐蚀介质
变化
增加 加大 增加 增加 升高
疲劳断裂失效分析
疲劳断裂是金属构件断裂的主要形式之一， 在金属构件疲劳断裂失效分析基础上形成和发展 了疲劳学科。自从Wöhler的经典疲劳著作发表以 来，人们充分地研究了不同材料在各种不同载荷 和环境条件下试验时的疲劳性能。尽管大多数工 程技术人员和设计人员已经注意到疲劳问题，而 且已积累了大量的实验数据，目前仍然有许多设 备和机器发生疲劳断裂。
高强度、低塑性的材料、大截面零件、小应力振 幅、低的加载频率及腐蚀、低温条件均有利于正断疲 劳裂纹的萌生与扩展。
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5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
5.1.2 疲劳断裂失效的一般特征
金属零件在使用中发生的疲劳断裂具有突发 性、高度局部性及对各种缺陷的敏感性等特点。 引起疲劳断裂的应力一般很低，断口上经常可观 察到特殊的、反映断裂各阶段宏观及微观过程的 特殊花样。
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5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
1、疲劳断裂的突发性
疲劳断裂虽然经过疲劳裂纹的萌生、亚临界扩 展、失稳扩展三个过程，但是由于断裂前无明显的 塑性变形和其它明显征兆，所以断裂具有很强的突 发性。即使在静拉伸条件下具有大量塑性变形的塑 性材料，在交变应力作用下也会显示出宏观脆性的 断裂特征。因而断裂是突然进行的。
按疲劳断裂的总周次的大小（Nf）可分为高 周疲劳（Nf＞105）和低周疲劳（Nf＜104）；
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5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
5.1.1 疲劳断裂失效的基本形式
按零件服役的温度及介质条件可分为机械疲劳 （常温、空气中的疲劳）、高温疲劳、低温疲劳、 冷热疲劳及腐蚀疲劳等。
但：其基本形式只有两种，即由切应力引起 的切断疲劳及由正应力引起的正断疲劳。其它形 式的疲劳断裂，都是由这两种基本形式在不同条 件下的复合。
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5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
2、疲劳断裂应力很低
循环应力中最大应为幅值一般远低于材料的强度极限和 屈服极限。例如，对于旋转弯曲疲劳来说，经107次应力循环 破断的应力仅为静弯曲应为的20～40%；对于对称拉压疲劳 来说，疲劳破坏的应力水平还要更低一些。
对于钢制构件，在工程设计中采用的近似计算公式为：
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5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
2、正断疲劳失效
正断疲劳的初裂纹，是由正应力引起的。初裂纹 产生的力学条件是：正应力／缺口正断强度≥1，切应 力／缺口切断强度＜1。
正断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应力应变 场为平面应变状态；初裂纹所在平面大致上与应力轴 相垂直，裂纹沿非结晶学平面或不严格地沿着结晶学 平面扩展。