疲劳与断裂陈传尧
疲劳与断裂力学(一)
抵抗裂纹扩展的能力
低温－－
脆断
高强度钢－ 低应力脆断
裂尖
承载能力
厚度
承载能力
构件自身抵抗裂纹扩展的 能力制约着构件裂纹扩展
的难易程度
传统材料力学的强度问题
两大假设：均匀、连续
评选寿 定材命
应用
σC
SU
s
b 强度指标
1
材料力学
强度分析
强度理论
f , k , NC f C
S-N曲线上对应于寿命N的应力，称为寿命为N循环的疲劳
强度。
疲劳极限(endurance limit ) Sf：
寿命N趋于无穷大时所对应 的应力S的极限值 Sf。 “无穷大”一般被定义为：
钢材，107次循环； 焊接件，2×106次循环； 有色金属，108次循环。
S
SN Sf 103 104 105 106 107 Nf
疲劳开裂
疲劳断裂破坏
飞机整机结构强度实验——机翼破坏实验 飞机整机结构强度实验——机身破坏实验
静强度失效、断裂失效和疲劳失效，是工程 中最为关注的基本失效模式。
控制疲劳强度、断裂强度的是什么？
什么是疲劳？
ASTM E206-72
疲劳是在某点或某些点承受交变应力，且在 足够多的循环作用之后形成裂纹或完全断裂的材料 中所发生的局部永久结构变化的发展过程。
/(OAcos45+hcos45) =(OA-h)/(OA+h)
故可知: R=(1-k)/(1+k)=h/OA=h/AC R值在AC上 线性标定即可。
-1
D R=-1
Sa
R=0
S-1
Ah
工程力学基础陈传尧华中理工大学力学系
1
1 软件说明
• 依据的教材 陈传尧编: “工程力学” 高等教育出版社，2006.6
• 章节内容范围 第1—12章全书（加讨论题）。
• 教案适用范围 本科。兼顾高职高专及成人高校师生。
2
2 电子教案
第一章、绪论 第二章、刚体静力学的基本概念与理论 第三章、静力平衡问题
第四章、变形体静力学基础 第五章、材料的力学性能 第六章、拉压件的强度与连接件设计
3
2 电子教案பைடு நூலகம்
第七章、流体力、容器 第八章、园轴的扭转 第九章、梁的平面弯曲
第十章、强度理论与组合变形
第十一章、压杆的稳定 第十二章、疲劳与断裂
4
3 注意事项
• 使用本软件时建议使用Microsoft Office PowerPoint 2003；
• 建议先安装公式编辑器，否则部分公式 的显示可能出现问题；
• 屏幕分辨率建议使用1024*768，以达到 最好的显示效果。
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4 关于我们
本电子教案由华中科技大学陈传尧教授 工作室制作。
教案尤为注重教学规律；注重突出基本 概念、基本理论、基本方法；注重问题 的提出；注重结果的物理意义、几何意 义及其限制的讨论。启迪研究型思维。
经过近十年的改善---试用---再改善，使 用效果好。
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5 帮助
• 本教案链接至节。 • 打开“工程力学教案”后，用鼠标点击
幻灯片放映。 • 翻至目录页，即可选择任一章进入。 • 每章有本章目录至节，点击“节”即可
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Cessna172R飞机刹车作动筒活塞杆疲劳损伤的分析及维护
Cessna172R飞机刹车作动筒活塞杆疲劳损伤的分析及维护作者：刘力来源：《科技创新导报》 2015年第3期刘力(中国民航飞行学院广汉分院四川广汉 618307)摘?要:该文分析了Cessna172R飞机刹车作动筒活塞杆在操作中的受力情况，断裂原因，结合实例说明了疲劳损伤的特性以及对航空器安全的影响，并对活塞杆的疲劳损伤提供预防参考措施，对其今后的维护工作提出参考方法。
关键词：疲劳损伤活塞杆应力突变时控件中图分类号:TG115文献标识码:A 文章编号:1674-098X（2015）01(c)-0066-02疲劳损伤在航空领域一直是难题，而且危害性极大。
某日，一架Cessna172R飞机在滑行过程中，机组反映左刹车失效，经检查发现该机左刹车作动筒活塞杆与叉形接头连接的螺纹根部断裂。
1 受力分析1.1 活塞杆的运动分析Cessna172R飞机刹车作动筒活塞杆在飞行操作中主要表现为两种运动：一种是活塞杆在刹车作动筒内的上下往复运动，主要表现在刹车操作时；另一种是活塞杆带动刹车作动筒的前后来回转动，主要表现在转向操作时。
而在实际操作中，活塞杆往往是作这两种运动的复合运动，即脚蹬作动时是伴随着刹车和转向这两个过程，如图1。
1.2 活塞杆的受力分析通过活塞杆的运动分析可以看出，在操作时其主要受到两种力的作用：一种是压应力，主要表现在刹车操作时；另一种是弯曲应力，主要表现在转向操作时。
实际操作中，活塞杆是同时受这两种力的作用，并且在长期往复的操作中，作用力的大小、位置、方向不断变化，如图2。
2 疲劳损伤2.1 疲劳损伤的特点疲劳损伤是指由于重复荷载作用而引起的结构材料性能衰减的过程，是循环载荷过程中的损伤累积，表现为疲劳裂纹的发生、发展、形成宏观裂纹、发生破坏的全过程。
疲劳损伤的特点：载荷应力是交变的；载荷的作用时间较长；断裂是瞬时发生的。
对于航空器，尤其是在操纵系统等重要结构上，这种突发的不可预期的破坏是灾难性的。
浅析金属材料疲劳断裂的影响因素及预防措施
浅析金属材料疲劳断裂的影响因素及预防措施张梓锐【摘要】金属材料是我们日常生活中使用最广泛的材料,据统计金属材料的断裂失效中80％是疲劳断裂,疲劳断裂是影响金属材料使用安全性的一个重要因素.本文概述了金属材料疲劳断裂的影响因素,如应力集中、表面加工质量、环境与温度等,也浅析了相应的预防措施,对金属材料疲劳断裂的理论认知及实践预防做出了一定的指导.【期刊名称】《化工中间体》【年(卷),期】2017(000)009【总页数】3页(P12-14)【关键词】金属材料;疲劳断裂;影响因素;预防措施【作者】张梓锐【作者单位】郑州市第47中学河南 450000【正文语种】中文【中图分类】T1.前言(1)金属材料的疲劳日常生活中使用的多数金属材料机械零部件承受的载荷都是随时间变化而变化的。
材料在交变载荷作用下，发生的破损或断裂叫做疲劳破坏。
疲劳破坏的特征和静力作用下的破坏有着本质的不同，主要有以下特征：在交变载荷作用下，材料所受的应力，即使低于材料的屈服强度，疲劳破坏也会发生，力的大小并不是决定疲劳发生与否的决定因素。
而静载荷作用下的破坏，一般发生在力较大高于屈服强度时。
不管脆性材料或者塑性材料，疲劳断裂时都不会表现出明显的塑性形变，而是突然断裂，这种突然性会更让人猝不及防，从而产生更大的危险。
材料发生疲劳破坏时，一般是在局部发生。
所以对于某些受力比较集中的部位，以及容易产生疲劳破坏的部位，通过定期的更换材料，可以改善疲劳情况，严重整体部件的使用寿命。
材料发生疲劳破坏时，并不是一蹴而就的。
疲劳破坏是一个由裂纹萌生、扩展、最终导致断裂的过程。
过程时间的长短取决于疲劳发生的条件和所处的环境。
(2)疲劳的分类一般情况下，疲劳是指材料在室温空气中，受交变载荷作用下，发生的疲劳。
在实际工作中，常遇到不同载荷条件、环境温度或介质情况，因而产生不同类型的疲劳。
①按疲劳过程中的应力类型来分类：A.高周疲劳：交变应力低于材料屈限点且循环周次一般大于的疲劳；B.低周疲劳：交变应力超过屈服点且循环周次在以下的疲劳。
疲劳裂纹扩展影响因素研究综述
吴欢［20］等人研究了Ti40 合金在室温、300℃、500℃和600℃下的疲劳裂纹扩展行为，计算了Ti40 合金在300℃、500℃和600℃下当ΔK 为20MPa·m1/2 时与裂纹扩展密切相关的表观激活能。结果表明：随温度升高，Ti40 合金疲劳裂纹扩展速率增加；不同温度下的疲劳裂纹扩展曲线在ΔK 为45.5MPa·m1/2 处相交于一点。表观激活能值随温度升高先增加后减小，在500℃时达到最大，由此可见，500℃是Ti40 合金热力学等性质发生变化的转折点。
朱子新［11］研究了超载对40CrNi2Si2MoVA 超高强度钢冲击疲劳裂纹起始寿命的影响。结果表明，在一定范围内，拉伸超载可以延长冲击疲劳裂纹起始寿命超载造成的残余应力是引起该钢超载效应的主要机制，而超载造成的材料性能变化对超载效应的贡献不大。
邹小理［12］考虑超载的迟滞效应，对随机超载作用下的疲劳裂纹扩展进行了模拟计算。采用裂纹闭合模型考虑超载的迟滞效应，认为裂纹张开应力在超载引起的塑性区内按线性规律衰减。循环续循环模拟计算出裂纹从初始长度一直到疲劳破坏的扩展曲线。据此，计算了各种超载发生强度和大小下的疲劳裂纹扩展寿命的平均值与标准差。
张仕朝［34］等人通过研究Ti-1023 合金轮盘轮缘的疲劳裂纹扩展规律，发现在相同的应力场强度因子范围下，随应力比的增大，裂纹扩展速率也随之增大。
上官晓峰［35］研究了应力比对铸造TC4 钛合金疲劳裂纹扩展特性的影响，发现应力比R 分别为0.06、0.5、0.7 时，其门槛值分别为13.2793MN/m3/2、6.36890MN/m3/2、4.46194MN/m3/2 且裂纹扩展门槛值随应力比的增大而减小，裂纹扩展速率随应力比的增大而加快。
某车型驱动桥后桥壳开裂分析
某车型驱动桥后桥壳开裂分析某款车型在矿区山路行驶过程中，驱动桥后桥壳在钢板弹簧位置附近发生开裂，有齿轮油渗出，此失效后桥壳为钢板冲压件，通过气体保护焊焊接而成，其主体为上下两半冲压件。
本文主要对失效件断口通过宏观观察、微观分析、金相检测，确定后桥壳开裂性质，分析可能开裂的原因。
标签：驱动桥后桥壳；钢板弹簧；开裂；断口分析驱动桥后桥壳是汽车重要的组成部分，它不但支撑着汽车的重量，将载荷传递给车轮，还承受制动工况、驱动工况、横向工况、纵向工况及上下跳工况产生的力或力矩，并经悬架传递给车身或车架。
在汽车行驶过程中，由于道路条件的千变万化，桥壳受到车轮与地面间产生的冲击载荷影响，可能引起桥壳变形或开裂，甚至断裂，因此驱动桥后桥壳应具有足够的强度和刚度。
同时其内部装有减速器、差速器、车轮传动装置及齿轮油，不但可以保护上述零部件受到外界的破坏，还可以通过内部的齿轮油润滑零部件之间的摩擦，降低零部件摩擦产生的温度，提高其寿命，所以合理的设计制造驱动桥后桥壳是提高汽车行驶稳定性和操作性的重要措施，如驱动桥后桥壳失效，会影响整车操稳，甚至发生交通事故，威胁生命。
某款车型在矿区行驶过程中，驱动桥后桥壳开裂，对失效件进行分析，结果如下：1 宏观观察驱动桥后桥壳外观及开裂位置见图1，桥壳的开裂位置在桥壳背面，位于钢板弹簧支座附件，与车辆前进方向相反，沿桥壳周向分布，后桥壳表面为电泳黑漆处理，开裂区域附件未见撞击、磕碰等异常损伤。
在后桥壳上截取失效位置，外观见图2。
图1 后桥壳整体结构图图2 失效样件外观观察断口形貌，发现断口表面较为平整，有少量的塑形变形，端口上可观察到较为明显的疲劳源区和疲劳弧线，裂纹扩展方向为沿后桥壳周向，瞬断区出现了严重的磨损，后桥壳源区起源于焊缝区外表面一侧。
为进一步对断口进行观察，将断口放于显微镜下进行观察，后桥壳源区起源于焊缝外表面一侧，为点源特征，源区被少量油污覆盖，但仍能观察到明显的疲劳辉纹，辉纹大小间距不等。
2019年整理ANSYS_nCode_DesignLife_材料参数设置解读资料
应力循环损伤计算方 式1、标准；2、多平 均曲线；3、多比例 曲线；4、海格法；5、 巴氏法；6、多温度 曲线法
Back calculation？的 损伤目标
2019年整理 ANSYS_nCode_DesignLife_材
料参数设置解读资料
红框中参数需设置， 其余选择默认
2019年整理 ANSYS_nCode_DesignLife_材 料参数设置解读资料 断开所有本Glyph与其余Glyph的连接
料参数设置解读资料
• 进入本设置之前会出现以下提示
流程若搭建好则会出 现本选项，选择Yse， 则先运行一遍Flow之 后再进行数据设置
因本Glyph你是否需要运行现有的 Flow（流程），无论流程是否搭建完 善均会出现本选项 因此，数据的灵敏性编辑才可以进行 变更（performed意译）
本处建议选择NO
料参数设置解读资料设置坐标轴极限值
是否使用抗拉极限修正SN曲线
未修正
修正
例：本材料SRI1为236.8MPa， UTS为100，不使用UTS修正则 SRI1为236.8设置值，使用了 UTS修正则变更为200左右。
2019年整理 ANSYS_nCode_DesignLife_材
料参数设置解读资料
不同材料仅 屈服抗拉极 限和SRI1
而我们常用的泊松比仅为弹性
应力范围截断
第一疲劳强度指数 疲劳转换点
第二疲劳强度指数
应力比R，最小应力/最大应力，R=-1意味等副反向加载 大于本值，则认为不会破坏
平均应力系数
99未知是否进行过热处理的铁（钢材） 100、锻造的，加工的，精细的铝
300、钛合金
2019年整理 ANSYS_nCode_DesignLife_材
重庆大学学术型硕士研究生培养方案
重庆大学学术型硕士研究生培养方案力学（专业代码：080100）一、培养目标本学科专业培养能够从事力学方面的教学、科研或相关工程设计工作的高层次人才。
学位获得者应具备坚实的力学和数学基础理论和较宽广的专业知识；较为熟练地掌握一门外国语；了解本学科理论研究和工程应用的前沿动态；具有一定的理论分析、试验研究及数值分析能力，能结合与本学科相关的实际问题从事科学研究或工程技术工作，并取得较系统的研究成果。
二、学科、专业及研究方向简介重庆大学工程力学专业创建于1978年。
1981年获得固体力学硕士学位授权点，是全校最早的硕士授权点之一；1986年获得固体力学博士学位授权点，是原重庆大学八个最早获得博士学位授权点的学科之一；2003年获得力学博士学位授权一级学科；2007年力学一级学科被确立为重庆市重点学科。
重庆大学力学博士学位授权一级学科包括固体力学、工程力学、流体力学和一般力学与基础力学四个二级学科博士学位授权点；固体力学、工程力学、流体力学和一般力学与基础力学四个硕士学位授权点。
本学科拥有先进的MTS材料实验机和并行计算机系统等一批重要设备，为力学理论、试验和数值研究提供必要的条件。
近年来，本学科承担了数十项国家和省部级项目以及大量重点横向合作项目，获得了丰富的科研成果。
1. 本学科主要研究领域：（1）多场耦合理论与智能材料及结构力学（2）生物材料力学与高性能复合材料制备（3）材料与结构的强度与破坏（4）超常环境下材料及其微结构特性的理论与测试（5）纳米材料特性及其微结构机理、多尺度及跨尺度分析（6）结构动态特性及失效（7）结构运动与变形耦合动力学及控制（8）微重力下晶体生长过程的流体动力学、热张力流和浮力流理论、方法及其应用（9）输配电装备及系统安全的关键力学问题（10）多孔介质力学及其应用（11）生物力学（12）振动测试理论与技术（13）智能与虚拟仪器的研制与开发（14）可压缩流体动力学（15）超音速流和冲击波（16）线性波和非线性波2. 主要研究方向：（1）材料的强度理论与破坏机理（2）智能材料及结构力学（3）材料特性的多尺度及跨尺度分析（4）结构分析与优化（5）结构振动及控制（6）复合材料力学（7）非线性动力学（8）力学测试技术及仪器（9）计算流体力学（10）气体动力学（11）线性波与非线性波（12）浅水动力学（13）多相流体力学（14）环境流体力学（15）生物力学（16）振动、冲击的测试、模拟与控制（17）冲击动力学（18）多体系统动力学与控制（19）岩石、混凝土强度（20）复杂力学问题数值计算方法与软件（21）结构可靠性分析与设计（22）结构健康监测（23）工程流体力学（24）岩土力学与岩土工程稳定性三、学习年限学术型硕士生的学习年限一般为二年至三年。
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疲劳是在某点或某些点承受扰动应力，且在 足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的 材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程。
疲劳问题的特点与研究目的：
特点： 扰动应力，高应力局部， 裂纹，发展过程。
主要控制参量： Sa，重要影响参量：R 频率 (f=N/t) 和 波形的影响是较次要的。 24
主要控制参量： Sa，重要影响参量：R
研究目的：预测寿命。 N=Ni+Np 裂纹萌生+ 扩展
20
1. 只有在扰动应力作用下，疲劳才会发生。
扰动应力，是指随时间变化的应力。 也可更一般地称为扰动载荷，
载荷可以是力、应力、应变、位移等。
S
S
S
要研究
Sm a x
载荷谱 S 的描述
与简化
0
恒幅循环
t0
变幅循环 t 0 随机载荷 t
图1.1 疲劳载荷形式分类
21
循环应力 (cycle stress)的描述：恒幅循环应力是最简单的。
S Smax
描述循环应力水平的基本量： 0
Smax， Smin
Smin
Sm Sa
Sa t
常用导出量：
平均应力 Sm=(Smax+Smin)/2
应力幅
Sa=(Smax-Smin)/2
应力变程 S=Smax-Smin
应力比或循环特性参数 R=Smin/Smax
疲劳与断裂
Fatigue & Fracture
陈传尧
1
回顾
工程力学（或者应用力学）是: 将力学原理应用实际工程系统的科学。
其目的是： 了解工程系统的性态 并为其设计提供合理的规则。
机械、结构等
受力如何？ 如何运动？ 如何变形？破坏？ 如何控制设计？
性态
规则
2
受力如何？ 如何运动？
理论力学、振动理论等， 研究对象为刚体； 基本方程是平衡方程、运动方程等。
（应力仅为0.4 ys ）多次发生破坏；
1954年1月, 英国慧星(Comet)号喷气客机坠入地中 海（机身舱门拐角处开裂）；
7
二次大战期间，400余艘全焊接舰船断裂。
1967年12月15日，美国西弗吉尼亚的 Point Pleasant桥倒塌， 46人死亡；
1980年3月27日，英国北海油田Kielland 号钻井 平台倾复；127人落水只救起 89人；
工作应力： 构件在可能受到的最大工作载荷作用下的应力。
( 由力学分析计算得到 )
极限应力： ys 、 b 材料可以承受的强度指标。 延性材料： ys ； 脆性材料： b
( 通过材料力学性能的实验得到 )
强度判据：
( 作用 抗力 )
结构或构件的工作应力 材料的极限应力
ys b
延性材料 脆性材料
6
按静强度设计，满足[]，为什么还发生破坏？ 19世纪30-40年代，英国铁路车辆轮轴在轴肩处
22
定义：平均应力 Sm=(Smax+Smin)/2
(1)
应力幅
Sa=(Smax-Smin)/2
(2)
应力变程 S=Smax-Smin
(3)
应力比或循环特性参数 R=Smin/Smax
(1)式二端除以Smax，有 Sm=[(1+R)/2]Smax (4) (2)式二端除以Smax，有 Sa=[(1-R)/2]Smax (5) (5)式除以(4)式，有 Sa=[(1-R)/(1+R)]Sm (6)
16
疲劳与断裂
一. 概述
introduction
二. 应力疲劳 三. 疲劳应用统计学基础 四. 应变疲劳
Crack initiation
17
疲劳与断裂
五. 断裂失效与断裂控制设计 六. 表面裂纹 七. 弹塑性断裂力学简介
Fracture mechanics
八. 疲劳裂纹扩展 九. 裂纹闭合理论与高载迟滞效应 十. 疲劳寿命预测与抗疲劳设计
Crack propagation
18
第一章 概述 introduction
1.1 什么是疲劳？ ASTM E206-72
The process of progressive localized permanent structural change occurring in a material subjected to conditions which produce fluctuating stresses and strains at some point or points and which may culminate in crack or complete fracture after a sufficient number of fluctuations.
如何变形？破坏？
材料力学、弹性力学、塑性力学等， 研究对象为变形体； 基本方程是平衡方程、物理方程、几何方程等。
3
控制设计：强度是最主要的控制指标。 强度设计的一般方法：
设计目标 初步设计
平衡方程
内强 强
变形几何条件 力 应
度 条
度 计
力件 算 应力应变关系
材料试验 极限应力 选取安全系数 许用应力
Smax、Smin、Sm 、Sa、S、R等量中，
只要已知二个，即可导出其余各量。
23
应力比R反映了载荷的循环特性。如
S R= -1
S R=0
S R=1
0
t
0
t
Smax=-Smin
Smin=0
对称循环
脉冲循环
0
t
Smax=Smin
静载
设计：用Smax，Smin ，直观； 试验：用Sm，Sa ，便于加载； 分析：用Sa，R，突出主要控制参量, 便于分类讨论。
主要原因是由缺陷或裂纹导致的断裂。 8
大型汽轮机 转子
9
轴
叶轮
疲劳断裂破坏 10
转子轴
疲劳开裂
疲劳断裂破坏
11
叶片击穿厂房
12
飞机整机结构强度实验
机翼破坏实验
13
飞机整机结构强度实验
机身破坏实验
14
上海 东方电视塔
高300m 球径45m
15
控制疲劳强度、断裂强度的是什么？
静强度失效、断抗裂震失模效型和试疲验劳失效，是工程 中最（为破关坏注部的位基、本破失坏效形模式、。抗震能力）
满 NO 修改 意 设计 ？
YES
结束
研究对象是无缺陷变形体， 研究目的是保证在最大载荷下有足够的强度。
4
有缺陷怎么办？
研究含缺陷材料的强度 --断裂
多次载荷作用下如何破坏？
研究多次使用载荷作用下的破坏 --疲劳
缺陷从何而来？
材料固有或使用中萌生 --疲劳与断裂
5
结构/构件强度的控制参量是应力。