结构疲劳寿命分析1-金属疲劳理论与试验测试基础汇总.
金属疲劳试验方法
金属疲劳试验方法
金属疲劳试验是一种对金属材料进行疲劳性能评估的方法。
它可以用来测试材料在循环加载下的疲劳寿命以及疲劳行为。
常用的金属疲劳试验方法包括：
1. 疲劳弯曲试验：将金属试样固定在两个支撑点上，通过加载作用使其产生弯曲变形，并进行循环加载，记录试样的破坏次数或使用寿命。
2. 疲劳拉伸试验：将金属试样固定于试验机上，通过加载作用使其产生拉伸变形，并进行循环加载，记录试样的破坏次数或使用寿命。
3. 疲劳扭转试验：将金属试样固定在两个夹具上，通过加载作用使其产生扭转变形，并进行循环加载，记录试样的破坏次数或使用寿命。
4. 疲劳冲击试验：将金属试样固定在冲击机上，通过冲击作用使其产生变形，并进行循环冲击加载，记录试样的破坏次数或使用寿命。
这些试验方法可以通过变化加载幅值、加载频率、试样几何形状等参数的方式，来评估金属材料在不同加载条件下的疲劳性能。
金属疲劳实验方法成组法
金属疲劳实验方法成组法金属疲劳实验方法-成组法引言：金属材料的疲劳寿命是指在一定的应力水平下，材料在循环加载下发生疲劳破坏之前所能承受的循环载荷次数。
研究金属疲劳寿命对于工程结构的设计和使用具有重要意义。
成组法是一种常用的金属疲劳实验方法，本文将对成组法的原理、实验步骤和应用进行介绍。
一、原理成组法是通过将多个试样按一定的规则分组进行循环加载，以模拟实际工程中的疲劳载荷情况，从而获取金属材料的疲劳寿命。
该方法的原理是通过试样间的应力状态和载荷频率的差异，引起不同试样的疲劳寿命差异。
通过统计多组试样的疲劳寿命数据，可以获得金属材料的疲劳寿命曲线和可靠度。
二、实验步骤1. 试样制备：根据实验要求和金属材料的特性，制备一定数量的试样。
试样的形状和尺寸应符合标准规范，以保证实验结果的可靠性和可比性。
2. 分组设计：根据实验要求和试样的数量，设计成若干组，每组试样的数量可以相同也可以不同。
一般情况下，每组试样的数量不少于3个，以保证实验数据的可靠性。
3. 载荷设定：根据实验要求和金属材料的特性，确定载荷水平和载荷频率。
载荷水平表示试样所承受的最大应力值，载荷频率表示单位时间内施加的循环次数。
载荷水平和载荷频率的选择应符合实际工程的应用条件。
4. 实验执行：按照设计的分组和载荷设定，对每组试样进行循环加载实验。
实验过程中，需要记录试样的载荷历程和破坏次数，以便后续的数据处理和分析。
5. 数据处理：根据实验结果，统计每组试样的疲劳寿命数据。
可以使用生命表分析、概率统计等方法对数据进行处理，得到金属材料的疲劳寿命曲线和可靠度。
三、应用成组法是金属疲劳实验中常用的方法之一，广泛应用于工程材料的疲劳性能研究和工程结构的疲劳寿命评估。
具体应用包括：1. 材料筛选：通过成组法可以对不同材料进行疲劳寿命的比较，从而选择最适合工程应用的材料。
2. 试验验证：成组法可以验证材料的疲劳寿命曲线和可靠度，为工程设计提供依据。
3. 结构评估：通过成组法可以评估工程结构的疲劳寿命，为结构维护和安全管理提供参考。
金属疲劳试验
KI KIC (KC )
Y a KIC (KC )
裂纹体受力时，只有满足上述条件就会发生脆性断裂。反之，即使存 在裂纹，也不会断裂。此称为破损安全。
条件： - 小尺度塑性变形 - 平面应变
高强度马氏体时效钢不同试样厚度的KC变化
2
a, B,
W
-a
2.5
实验三、金属疲劳试验
一、实验目的：
1.了解金属轴向疲劳测试方法、断裂韧性Kic 测试方法及裂纹扩展速率DA/DN测试方法 。
2.了解疲劳试验机工作原理
1988年4月28日阿罗哈航空波音737-200型客机243号班机在飞行途中发生 爆裂性失压的事故，约头等舱部位的上半部外壳完全破损，机头与机身随时 有分离解体的危险，但10多分钟后奇迹地安全迫降。事件当时，一名机组人 员不幸被吸出机舱外死亡，而其余65名机组人员和乘客则分别受到轻重伤。
并形成循环滑移带。随着加载循环次数的增加，循环滑移带不断地加宽，由 于位错的塞积和交割作用，会在滑移带处形成微裂纹。
循环滑移带生成和一个纯铜试样的裂纹 Sm=0，Sa=77.5MPa N=2×106
在裂纹的萌生期，疲劳是一种发生在材料表面的现象。
2.2 相界面开裂产生裂纹 在大量的疲劳失效分析中发现很
式中 KI 值的大小直接影响应力场的大小，KI 可以表示应力场的强弱程度故称为 应力场强度因子
当θ= 0 r→0 时 由上式可得：
KI
lim r 0
2r y 0
裂纹I型应力场强度系数的一般表达式：
KI Y a
Y——裂纹形状系数
-半无限边缘缺口试样 -有限宽度的中心开裂纹试样 -有限宽度的边缘缺口试样
事故原因是由裂缝氧化导致金属疲劳引起
疲劳强度理论分析
1. 名义应立法：计算全寿命，主要用于高周疲劳； 2. 局部应力—应变法：计算裂纹形成寿命； 3. 断裂力学法：计算裂纹扩展寿命。
（四）：疲劳试验 材料试验，实物结构试验，高周疲劳试验，低周疲劳试验，裂纹扩展寿命试验
（五）：常规疲劳强度设计：
），可
4.P-S-N 曲线 不同可靠度下的应力——寿命曲线
（1） S-N曲线中S,N的概率密度函数
大量实验表明：疲劳强度符合正态分布
（同寿命下的应力分布）。疲劳寿命符合对数
正态或威布尔分布（同应力水平下的寿命）
正态分布
——均值，也叫数学期望。
——标准差，数学上叫均方根值。
对数正态分布，将随机变量的对数函数进行分析。威布尔分布（寿命）
随机载荷下疲劳寿命研究实测载荷谱当量成对称循环下的载荷谱ii根据材料的sn曲线实物试验值和实测载荷谱代入计算模型638可计算不同可靠度下的疲劳寿命图612表621表622这里进行了两种构件侧架和摇枕的疲劳寿命计算iii与实际统计数据比较讲实际统计数据进行整理表627采用常规定时截尾试验发最后论证摇枕的实际平均寿命为328年计算值为3537年两值接近说明计算公式可以
疲劳试验在疲劳试验机上进行，有弯曲疲劳试验机和拉—压疲劳 试验机等。
2 疲劳分析的有关参数
应力幅
平均应力 最大应力 最小应力 应力范围
应力比
对称循环， 脉动循环 静应力
3 材料的S—N曲线 根据不同应力水平分组进行疲劳试验，
根据实验数据进行拟合，一般采用最小二乘 法。 曲线为指数曲线，即： 对上式两边去对数 ：
也就是许用应力法： 存在问题：
a. 设计的机械零件特别笨重（为了安全，只有加大整个截面尺寸）； b. 尽管笨重，但仍有疲劳裂纹产生。 原因： a. 疲劳裂纹发生在构件的危险点的局部区域，通过裂纹不断扩展，
金属疲劳
(3)静力破坏通常有明显的塑性变形产生:疲劳破坏通常没有外在宏观的显著塑性变形迹象，哪怕是塑性良好 的金属也这样，就像脆性破坏一样，事先不易觉察出来，这就表明疲劳破坏具有更大的危险性。
相关区别
材料力学是根据静力实验来确定材料的机械性能(比如弹性极限、屈服极限、强度极限)的，这些机械性能没 有充分反映材料在交变应力作用下的特性。因此，在交变载荷作用下工作的零件或结构，如果还是按静载荷去设 计，在使用过程中往往会发生突发性故障。
疲劳破坏与传统的静力破坏有着许多明显的本质区别:
(1)静力破坏是一次最大载荷作用下的破坏:疲劳破坏是多次反复载荷作用下的破坏，它不是短期内发生的， 而是要经历一定的时间，甚至很长时间才发生破坏。
在金属材料中添加各种“维生素”是增强金属抗疲劳的有效办法。例如，在钢铁和有色金属里，加进万分之 几或千万分之几的稀土元素，就可以大大提高这些金属抗疲劳的本领，延长使用寿命。随着科学技术的发展，现 已出现“金属免疫疗法”新技术，通过事先引入的办法来增强金属的疲劳强度，以抵抗疲劳损坏。此外，在金属 构件上，应尽量减少薄弱环节，还可以用一些辅助性工艺增加表面光洁度，以免发生锈蚀。
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金属内部结构并不均匀，从而造成应力传递的不平衡，有的地方会成为应力集中区。与此同时，金属内部的 缺陷处还存在许多微小的裂纹。在力的持续作用下，裂纹会越来越大，材料中能够传递应力部分越来越少，直至 剩余部分不能继续传递负载时，金属构件就会全部毁坏。
早在100多年以前，人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。但由于技术的落后，还不能查明疲劳破 坏的原因。直到显微镜和电子显微镜相继出现之后，使人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得新的成果，并 atigue of metal。金属疲劳是指一种在交变应力作用下，金属材料发生破坏的现象。 机械零件在交变压力作用下，经过一段时间后，在局部高应力区形成微小裂纹，再由微小裂纹逐渐扩展以致断裂。 疲劳破坏具有在时间上的突发性，在位置上的局部性及对环境和缺陷的敏感性等特点，故疲劳破坏常不易被及时 发现且易于造成事故。应力幅值、平均应力大小和循环次数是影响金属疲劳的三个主要因素。
金属疲劳试验
金属疲劳试验主讲教师:一、实验目的1. 了解疲劳试验的基本原理。
2. 掌握疲劳极限、S-N曲线的测试方法。
二、实验原理1．疲劳抗力指标的意义目前评定金属材料疲劳性能的基本方法就是通过试验测定其S-N曲线(疲劳曲线)，即建立最大应力σmax 或应力振幅σα与其相应的断裂循环周次N之间的关系曲线。
不同金属材料的S-N曲线形状是不同的，大致可以分为两类，如图1所示。
其中一类曲线从某应力水平以下开始出现明显的水平部分，如图1(a)所示。
这表明当所加交变应力降低到这个水平数值时，试样可承受无限次应力循环而不断裂。
这表明当所加交变应力降低到这个水平数值时，试样可承受无限次应力循环而不断裂。
因此将水平部分所对应的应力称之为金属的疲劳极限，用符号σR 表示(R为最小应力与最大应力之比，称为应力比)。
若试验在对称循环应力(即R=-1)下进行，则其疲劳极限以σ-1表示。
中低强度结构钢、铸铁等材料的S-N曲线属于这一类。
对这一类材料在测试其疲劳极限时，不可能做到无限次应力循环，而试验表明，这类材料在交变应力作用下，如果应力循环达到107周次不断裂，则表明它可承受无限次应力循环也不会断裂，所以对这类材料常用107周次作为测定疲劳极限的基数。
另一类疲劳曲线没有水平部分，其特点是随应力降低，循环周次N不断增大，但不存在无限寿命。
如图1(b)所示。
在这种情况下，常根据实际需要定出一定循环周次(108或5×107…)下所对应的应力作为金属材料的“条件疲劳极限”，用符号σR(N)表示。
2．S-N 曲线的测定(1) 条件疲劳极限的测定测试条件疲劳极限采用升降法，试件取13根以上。
每级应力增量取预计疲劳极限的5％以内。
第一根试件的试验应力水平略高于预计疲劳极限。
根据上根试件的试验结果，是失效还是通过（即达到循环基数不破坏）来决定下根试件应力增量是减还是增，失效则减，通过则增。
直到全部试件做完。
第一次出现相反结果（失效和通过，或通过和失效）以前的试验数据，如在以后试验数据波动范围之外，则予以舍弃；否则，作为有效数据，连同其他数据加以利用，按下列公式计算疲劳极限：()11n R N i i i v m σσ==∑ 1式中m——有效试验总次数；n—应力水平级数；—第i级应力水平；—第i级应力水平下的试验次数。
第5章-结构疲劳寿命分析
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
3. 平均应力对疲劳寿命的影响
材料的基本S-N曲线是在R= -1（对称循环）情况下得到，以下讨 论应力比R变化对疲劳性能的影响。由于Sm与R的关系，即
Sm = (1+ R) Sa / (1− R)
给定应力幅Sa时，R增大，表示Sm增大。 讨论应力比R的影响，实际上是讨论平均应力Sm的影响。
Sf = (拉压） 0.35Su
R= -1时，扭转载荷作用下的疲劳极限为
Sf = (扭转） 0.29Su
¾ 注意：不同载荷作用形式下的疲劳极限和S-N曲线不同。
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
2. S-N曲线的近似估计
（2） 无实验数据时S-N曲线的估计 若疲劳极限Sf和材料极限强度Su为已知，S-N曲线可用下述方法 作偏于保守的估计。
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
3. 平均应力对疲劳寿命的影响
a) 一般趋势
当Sa给定时，R增大，平均应力Sm增大。 平均应力对S-N曲线影响的一般趋势如图所示。
¾ 平均应力Sm=0（R= -1）的S-N曲线是基本S-N 曲线；当Sm>0，即拉伸平均应力，S-N曲线下 移，表示同样的应力幅作用下的寿命下降，对疲 劳有不利影响；Sm<0（压缩平均应力），S-N曲 线上移，表示同样的应力幅作用下的寿命增大， 对疲劳寿命的影响是有利的。
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
1. 基本S-N曲线
由S-N曲线确定的，对应于寿命 N的应力SN称为寿命为N的疲劳 强度（Fatigue Strength）。
寿命N趋于无穷大时所对应的应 力Sf称为材料的疲劳极限 （Endurance Limit）。
第八章 金属疲劳试验
没有水平部分。铝合金、不锈钢、高强度钢。（条件疲劳强度）
（二）疲劳曲线及疲劳极限的测定
1、方法及特点：常用旋转弯曲疲劳试验。试验机结构简单、操作方便，应用广泛。
3、冲击疲劳的特点
试验表明，冲击疲劳抗力是一个取决于强度和塑性的综合性能，具有以下特点：
①冲击能量高时，材料的冲击疲劳抗力主要取决于塑性；冲击能量低时，材料的冲击疲劳抗力主要取决于强度。从此可以看出，不能仅根据工件承受冲击就要求高的冲击吸收功。
②不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合。淬火回火钢的冲击疲劳抗力随回火温度的变化有一峰值，该峰值随冲击能量的增加向高温方向移动（见图5-36）。
二、冲击疲劳
1、定义：是机件在重复冲击载荷作用下的疲劳断裂。
实际工作中，很少有仅经过一次或几次冲击就断裂的机件，即便是通常认为承受剧烈冲击载荷的机件，大多数是承受小能量的多次冲击才断裂。试验表明，当试样于破坏前承受的冲击次数较少时（500～1000次），试样断裂的原因与一次冲击相同；当冲击次数>105次时。破坏具有典型的疲劳断口，属于疲劳断裂，即为冲击疲劳。
3冲击韧度对冲击疲劳抗力的影响因材料的强度水平不同而异。
高强度钢和超高强度钢的塑性和冲击韧度对冲击疲劳抗力有较大影响。
（因其强度高、冲击韧度低，适当提高韧度对提高冲击疲劳抗力的影响较突出）
中、低强度钢的塑性和冲击韧度对冲击疲劳抗力的影响较小。
（因其冲击韧度已经比较高，在增加Ak值对提高冲击疲劳抗力已影响较不大）当我被上帝造出来时，上帝问我想在人间当一个怎样的人，我不假思索的说，我要做一个伟大的世人皆知的人。于是，我降临在了人间。
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第一讲 金属疲劳理 论及试验测试基础
§第一部分:金属疲劳理论
1 疲劳的定义及类型
1.1 疲劳定义: ISO定义为金属材料（也适用于非金属材料）在应力或 应变反复作用下材料性能的变化（特指开裂或破坏）。 1.2 疲劳破坏的形式：
a 机械疲劳：仅由外加动应力或动应变造成。转向架构架等车辆结构。 b 蠕变疲劳：循环载荷同高温联合作用造成。飞机喷气发动机叶片等结 构。 c 腐蚀疲劳：在腐蚀性介质或致脆介质环境下动载荷造成。海洋石油平 台等结构。 d 滑动接触疲劳和滚动接触疲劳：载荷的反复作用与材料之间的滑动和 滚动共同作用造成。车轮和钢轨的接触疲劳。 e…
3 疲劳裂纹萌生及扩展机理
结构在承受循环载荷作用下，将经历疲劳裂纹成核、微 裂纹形成及宏裂纹扩展三个阶段。掌握疲劳机理可理解构 件表面处理、表面残余应力和服役环境等因素对结构疲劳 寿命和疲劳裂纹扩展的影响。这方面的知识也对结构疲劳 寿命预测和结构抗疲劳设计也有重要意义。
Hale Waihona Puke 显微观察从20世纪就已开始，随着观察尺度不断变小，人 们发现结构在循环应力作用下，几乎同时就出现了疲劳裂 纹成核（位错）。 疲劳裂纹成核后，由于晶界等金相组织的影响其扩展是非 常缓慢和不稳定的。 从成核点出现了几条微裂纹后，经历了微裂纹融合阶段， 扩展变相对稳定一些，这就是疲劳裂纹扩展的初始阶段。
现代轨道交通车辆向高速重载方向发展，对结构提出了 高性能、轻量化和长寿命的设计要求。这些要求显然相互冲 突，总体而言，疲劳学科有以下特点： 1、寿命计算往往比强度计算精度差得多，寿命计算的误差量 级甚至都很难确定，寿命计算考虑的随机因素太多，有些很难 做的定量描述。
2、材料的基本疲劳性能很难精确的从其他性能指标推导出来， 只能依靠试验获取。这种材料疲劳性能试验往往规模较大，样 本数越大，所得到的信息越可靠。
Thompson Wadsworth & Louat 1956 试验表明，已经产生 滑移带的金属疲劳试样在表面去除一层之后继续循环，滑移带 继续在原位出现，他们把这种表面痕迹称为驻留滑移带， Zappfe & Ryder（1960）通过断口观察到疲劳辉纹，提出了辉 纹间距与裂纹扩展速率之间的关系，这对工程失效分析有重要 意义。
Inglis 1913 & Griffith 1921 提出了能量概念定量处理脆性固 体断裂的数学工具，但这个理论不能直接用来描述材料的疲劳 破坏。 Irwin 1957 提出K（应力强度因子）表示裂纹尖端应力奇异大 小。标志着线弹性断裂力学方法的出现。 Paris Gomez & Anderson 1961 提出在恒幅循环加载下，疲 劳裂纹在每个应力循环中的扩展量da/dN与应力强度因子幅DK 有关，虽然这个理论没有被当时主要杂志所接受，但这个方法 被广泛用来描述在裂纹顶端存在小范围塑性变形条件下的疲劳 裂纹扩展。
Ewing & Rosenhain 1900 通过对瑞典铁的研究说明在多晶 材料的许多晶粒内都会出现滑移带，这些滑移带在疲劳形变过 程中逐渐变宽形成裂纹，试样的突然破坏是某条主导裂纹向前 扩展造成的。 O.H. Basquin 1910 提出了描述金属S-N曲线的经验规律。同 一时期做出过重要贡献的还有: Smith（1910）Haigh（1915） Palmgren 1924 & Miner 1945 疲劳破坏的累积损伤模型。 Weibull 1939 材料强度的统计理论。 Neuber 1946 单向形变和循环形变的缺口效应。 Coffin 1954 & Manson 1954 塑性应变造成的损伤理论。各 自提出了发生疲劳破坏时载荷反向次数同塑性应变幅的经验关 系，即Coffin-Manson关系。
2 疲劳研究的历史发展过程
W.A.J. Albert 1929 对矿山升降机链条反复加载以验证其可 靠性。 W.J.M. Rankine 1843 注意到机器部件存在应力集中的危险 性。 A. Wöhler 1852-1857 对车轴疲劳破坏做了系统的研究，利用 设计的旋转弯曲疲劳试验机进行疲劳试验，提出了利用应力-寿 命曲线来描述疲劳行为，并且提出了‘疲劳极限’的概念。 H. Gerber 1874; Goodman 1899 提出考虑平均应力影响的 寿命计算方法。 Bauschinger 1886 金属在反向载荷作用下的弹性极限可能与 在单向形变中观察到的弹性极限有所差别。确认了金属材料循 环应变软化和循环应变硬化的现象。
3、结构的全尺寸疲劳试验是结构定型最重要的一步，它在一 定程度上能揭示疲劳设计寿命的满足情况。 4、所有的试验数据结果都需要经过统计学处理。
5、材料和设计要保证结构的时效裂纹有较低的扩展速率，必 须强化检查，在裂纹扩展到失稳之前发现并采取补救措施。
6、设计时必须有‘失效安全’的意识，当结构的某以单元时 效后，结构整体必须能保证完整并且能在一定的短期时间内继 续承载。
虽然恒定循环应力幅作用下疲劳破坏是疲劳研究的基 本内容，但由于工程应用中的服役条件不可避免的存 在变幅载荷谱、腐蚀环境、低温或高温及多轴应力状 态，因此建立能处理这些复杂服役条件的可靠寿命预 测模型是疲劳研究中最棘手的问题。考虑这些因素的 影响往往都是采用半经验的方法。 虽然习惯上认为出现滑移带是延性固体发生疲劳破坏 的必要条件，但非金属材料在没有位错反复运动情况 下，循环载荷产生的微观形变动力学不可逆机制是多 种多样的，当前研究的重点是把现有的金属体系的疲 劳知识扩展到这些先进功能材料上去。
对于成核和裂纹初始扩展两个阶段，各影响因素作用 程度是不同的。例如表面粗糙影响裂纹成核阶段但不影响 裂纹扩展；腐蚀环境对这两个阶段虽都有重要影响，但机 理不同。如上图所示，应力集中系数（Kt）是预测裂纹形 成的重要参数；应力强度因子（K）是预测裂纹扩展的重 要参数。
3.1 裂纹形成阶段— a、名义无缺陷的纯金属及合金，机理性解释