疲劳断裂学术报告
第四章-疲劳断裂
旋转弯曲疲劳机简图
第4章 疲劳断裂
4.1 疲劳现象
4.1.3 疲劳曲线
每个试样的试验结果对应(σa，Nf）平面上的一个点。在不同应力幅下 试验一组试样，可以得到一组点,这就是疲劳寿命曲线。第一条这样的曲线 是由德国工程师Wöhler测定的，故又称为Wöhler曲线，习惯上也称作S-N 曲线。
1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成101人遇难身 亡的严重后果，近50年来德国最惨重铁路事故。
第4章 疲劳断裂
4.1 疲劳现象
It was caused by a single fatigue crack in one wheel which, when it finally failed, caused the train to derail at a switch. The intense destruction of the train was due to a collision with a road bridge after it derailed.
4.1
4.1.1 疲劳现象
疲劳现象
第4章 疲劳断裂
机件在变动负荷下经过较长时间的工作而发生突然断裂的现象叫做的疲 劳断裂。
疲劳断裂属于低应力脆性断裂。主要具有以下特点：
（1）机件或零件承受的名义应力低于材料的屈服强度；
（2）承受的载荷是交变载荷，并经过长时间的服役；与静负荷下的断裂不
同，无论在静负荷下显示脆性或韧性的材料，在疲劳断裂时都不产生明显的
第四章
第4章 疲劳断裂
疲劳断裂
4.1 疲劳现象 4.2 应变疲劳 4.3 应力疲劳寿命公式 4.4 疲劳裂纹起始寿命 4.5 疲劳裂纹扩展 4.6 裂纹扩展试验方法
管道疲劳断裂分析与预防
管道疲劳断裂分析与预防随着科技的不断进步，管道的使用范围越来越广泛，如何预防管道的疲劳断裂已成为工程技术领域中一项重要的研究方向。
疲劳断裂是一种典型的逐渐发展的过程，对于各种类型的结构，都意味着其寿命有限，有可能会在不可预知的时间内发生断裂，对生产和生命安全造成严重威胁。
本文主要就管道疲劳断裂的原因进行分析，并探讨管道疲劳断裂的预防方法。
一、原因分析管道疲劳断裂是由于管道长时间的耗用使管道内部的应力不断积累，超过其极限强度而导致的。
管道内部长期遭受由流体和热态变化等因素导致的压力和变形，当管道内应力超过极限强度的时候，就会发生疲劳断裂。
具体来说，造成管道疲劳断裂的原因有以下几个方面：1. 设计不当在管道设计中，由于管道本身的复杂性，可能存在一些设计缺陷。
例如: 断面设计不合理，应力集中区域过多，主次管道设计不协调等。
这些设计缺陷会导致管道受到过大的扭曲、拉伸和变形，从而增加其疲劳破坏的风险。
2. 材料选择不合理管道的使用寿命一方面与管道所使用的材料相关。
钢铁在抗压、抗弯、抗拉、抗剪等方面的力学性能虽然优异，但随着时间的增长，也容易受到各种影响而出现腐蚀、脆性断裂、疲劳断裂等问题。
如果选材不合理，就会导致管道的寿命大大缩短，从而增加管道疲劳断裂的危险性。
3. 施工及养护不当在管道的施工过程中，若没有严格遵守规范操作，给予管道应有的保护，就有可能在施工的过程中就使得管道受到了损坏。
长期运行过程中，如果对管道的养护工作偷工减料，也会加剧其疲劳断裂的风险。
二、预防方法为了预防管道疲劳断裂，必须从源头上入手，采取以下措施：1. 加强设计阶段的管理对于管道设计来说，必须要有详细的可靠性分析，尽可能避免设计上的失误。
确保管道材料和断面的选择符合标准，并采用合理的工艺流程来减少管道的应力集中程度，从而提高管道的抗疲劳性。
2. 合理选材管道应选用符合国家标准的、质量优良的钢材，并在管道安装之前进行严格的抗腐蚀处理。
机械工程中的材料断裂与疲劳问题研究
机械工程中的材料断裂与疲劳问题研究1. 引言机械工程是一个广泛的领域，涉及到各种各样的设备和机械系统。
在这些机械系统中，材料的断裂与疲劳问题是一个关键的研究领域。
材料的断裂与疲劳问题直接影响着机械系统的性能和可靠性。
本文将探讨机械工程中的材料断裂与疲劳问题，从理论和实践的角度来分析这一问题。
2. 材料断裂的原因材料断裂是指在外力作用下，在不超过其抗拉强度的条件下，材料发生破裂的现象。
材料断裂的原因可以分为两个方面：力学因素和材料因素。
力学因素包括过大的应力和应变集中，这对材料的强度施加了巨大的压力，使其发生断裂。
应力和应变集中是材料断裂的主要原因之一，特别是在设计和制造过程中，需要特别关注。
材料因素包括材料的硬度、韧性和结构。
硬度是指材料抵抗切割和穿透的能力，硬度越高，材料的抗断裂能力越强。
韧性是指材料在应力作用下发生塑性变形的能力，韧性越高，材料的抗断裂能力也越强。
结构指的是材料的晶体结构和纤维结构，在材料的设计和选择中应予以考虑。
3. 材料疲劳的原因材料疲劳是指在循环载荷作用下，材料发生的渐进性损伤和破坏。
与材料断裂不同，材料疲劳是由长时间的循环应力引起的。
材料疲劳的原因可以分为以下几个方面：3.1 循环应力循环载荷是指载荷在正负方向之间反复变动，这会导致材料的循环应力。
材料在长时间的循环应力作用下，容易发生疲劳破坏。
3.2 缺陷和裂纹材料内部的缺陷和裂纹对疲劳寿命有着很大的影响。
这些缺陷和裂纹可以作为应力集中的位置，从而加速材料的损伤和断裂。
3.3 温度和湿度温度和湿度是影响材料疲劳的重要因素。
高温和高湿度会加速材料的腐蚀和氧化，从而导致材料的疲劳破坏。
4. 材料断裂与疲劳的预防措施为了预防材料的断裂与疲劳，可以采取以下措施：4.1 优化设计在机械系统的设计过程中，可以采用优化设计的方法，减少应力和应变的集中，从而降低材料的断裂风险。
合理设计的机械系统可以有效提高材料的使用寿命。
4.2 材料选择选择合适的材料对于预防材料断裂与疲劳至关重要。
疲劳试验报告
疲劳试验报告一、实验目的本次实验旨在研究材料在反复受力情况下的变化规律，验证其疲劳寿命，并探究不同应力水平对疲劳寿命的影响。
二、实验方法1. 实验材料：本次实验使用的是工程塑料材料。
2. 实验设备：万能试验机、计数器、计时器、电脑数据采集系统。
3. 实验步骤：（1）将实验样品加工成标准梁形状。
（2）将试样放入电子拉力试验机中，在预设的负载范围内进行往复载荷试验。
（3）记录试验过程中的应力、应变、位移等数据，并通过电脑数据采集系统保存到电脑中。
（4）当试样发生裂纹或断裂时，停止试验，并记录下此时的载荷数和疲劳寿命。
（5）根据实验得到的数据，绘制应力-循环数曲线，计算出试样的疲劳极限、疲劳寿命等指标。
三、实验结果分析1. 实验数据处理：根据实验记录的数据，我们绘制了应力-循环数曲线，并计算出了不同应力水平下试样的疲劳极限和疲劳寿命等指标。
详见下表：应力水平（MPa）疲劳极限（MPa）疲劳寿命（循环数）50 80 2000070 75 500090 70 1000110 65 2002. 结果分析：通过对实验得到的数据进行分析，可以得出以下结论：（1）随着应力水平的提高，试样的疲劳极限和疲劳寿命均明显降低。
（2）在低应力水平下，材料的疲劳寿命较长，可以长时间稳定地工作。
而在高应力水平下，材料易发生断裂和破坏，疲劳寿命也明显缩短。
四、实验总结本次实验通过对工程塑料材料的疲劳试验，探究了材料在反复受力情况下的变化规律，验证了其疲劳寿命，并研究了不同应力水平对疲劳寿命的影响。
实验结果表明，在低应力水平下，材料可稳定地工作较长时间；而在高应力水平下，材料易发生断裂和破坏，疲劳寿命明显缩短。
通过这次实验，我们对材料的疲劳特性有了更深入的了解，对于材料的选用和应用具有一定的参考价值。
疲劳断裂行为High
超高频强度钢的疲劳断裂行为J. Mater. Sci. Technol., Vol.24 No.5, 20081) 国家重点实验室的先进加工钢材和产品，北京100081,中国2) 国家工程研究中心，北京100081钢铁技术先进，中国3) ,燕山大学，秦皇岛，中国⑷对金属的中国社会，北京100711,中国疲劳断裂行为的超高强度钢与不同熔化过程，研究了夹杂物尺寸不同通过用在旋转弯曲疲劳机上多达107循环加载。
观察骨折面发射扫描电子显微镜(FESEM。
当它被发现时已经尺寸的夹杂物对疲劳行为未清除。
对钢在AISI 4340夹杂物尺寸小于5.5微米，所有的疲劳裂纹除的确做到了包含但不引发的地表和传统从标本的s - n曲线的存在。
对65Si2MnW在100和Aermet钢平均12.2和14.9米，疲劳裂纹在较低的夹杂物引发的s - n曲线应力幅值和逐步进行观测。
弯曲疲劳强度的s - n曲线显示一个不断下降和疲劳失效的大型氧化物夹杂源于对60Si2CrVA 钢平均夹杂物的尺寸44.4米。
在案件的内部骨折在周期超越约1X 10665Si2MnWI®60Si2CrVA钢、夹杂物sh-eye经常发现里面和颗粒状明亮的方面(GBF)进行了观察附近约夹杂。
GB尺寸的增加这个循环数的增加对失败的长寿命的政权。
结构应力强度因子的价值范围内裂纹萌生施工现场对GBI与Nf几乎不变，几乎是相等的表面夹杂物和内部包含在周期低于约1X 106。
既不sh-eye GBF也没有观察到100 Aermet钢在目前的研究中。
关键词:High-cycle超高强度钢疲劳，夹杂物s - n曲线，鱼眼骨折1、介绍High-cycle疲劳(HCF)失败是普通的实用的建筑工程项目的土石方作业。
因此，广泛的研究已进行多年了令人满意的理解和解决方案尚未达成。
众所周知，有一个很好的旋转弯曲疲劳强度之间的关系，如光滑的标本和抗拉强度、维氏硬度、高压、或低或中等强度。
机械工程中的材料疲劳与断裂研究
机械工程中的材料疲劳与断裂研究引言机械工程是一门研究机械结构和材料应用的学科，而材料疲劳和断裂则是其中一个重要的研究领域。
在日常生活中，我们经常接触到各种机械结构，无论是汽车、飞机、建筑物还是电子设备，它们都依赖材料的性能来保证其工作效果和寿命。
本文将深入探讨机械工程中材料疲劳与断裂研究的背景、原理和应用。
一、背景材料疲劳与断裂研究是为了解决材料在长时间加载下的破坏问题而产生的。
在机械工程中，材料所承受的力和振动会导致其疲劳损伤，并最终导致断裂。
而如果能够准确预测材料的疲劳性能和断裂行为，就可以提高机械结构的安全性和可靠性。
二、材料疲劳机理材料疲劳是指当材料反复加载下，由于应力和应变的积累而导致的破坏现象。
疲劳损伤是一种渐进性过程，包括应力集中、裂纹萌生、裂纹扩展和最终断裂等阶段。
1. 应力集中在机械结构中，由于结构形状和加载方式的限制，会导致应力集中的现象。
应力集中会导致一些局部区域受到更大的应力，使材料容易发生疲劳损伤。
因此，在设计和制造中需要避免应力集中，如运用圆孔、减弱棱角等措施。
2. 裂纹萌生当材料受到反复加载后，局部区域中的裂纹会逐渐萌生。
裂纹萌生的位置和形态受到应力集中、材料的本构关系和织构等因素的影响。
研究表明，裂纹萌生的位置往往与材料的显微组织和缺陷有关。
3. 裂纹扩展一旦裂纹萌生，它将随着加载的进行而扩展。
裂纹扩展速率受到应力强度因子和裂纹尖端应力强度因子范围（K值）的影响。
裂纹扩展的速率可以通过断裂力学模型进行预测，如线弹性断裂力学理论和塑性断裂力学理论等。
4. 断裂当裂纹扩展到一定长度时，材料将发生断裂。
断裂强度是指材料抵抗裂纹扩展并最终断裂的能力。
不同材料具有不同的断裂韧性和断裂强度。
三、应用材料疲劳与断裂的研究在机械工程中具有广泛的应用。
1. 结构设计与优化通过对材料疲劳与断裂的研究，可以为结构设计和优化提供依据。
通过分析材料的疲劳寿命和断裂行为，可以确定结构的设计寿命和安全系数。
航空器材料的疲劳与断裂分析
航空器材料的疲劳与断裂分析在现代航空领域，航空器的安全与可靠性是至关重要的。
而航空器材料的疲劳与断裂问题，一直是影响其性能和安全性的关键因素。
为了确保航空器在长时间的飞行和复杂的环境条件下能够稳定运行，对航空器材料的疲劳与断裂进行深入分析是必不可少的。
首先，我们来了解一下什么是材料的疲劳。
简单来说，疲劳是指材料在循环载荷作用下，经过一定次数的循环后，发生的局部永久性结构变化和裂纹萌生、扩展，最终导致材料失效的现象。
对于航空器而言，其在飞行过程中会不断经历各种形式的载荷变化，如起飞、降落、飞行中的气流颠簸等，这些都会导致材料产生疲劳。
航空器材料的疲劳现象具有一些显著的特点。
其一，疲劳失效往往发生在材料的应力集中部位，例如零件的尖角、孔洞、焊缝等。
这些部位由于几何形状的不连续性，会导致局部应力增大，从而加速疲劳裂纹的形成和扩展。
其二，疲劳破坏通常是在低于材料屈服强度的应力水平下发生的，这使得通过传统的强度设计方法难以准确预测疲劳失效。
其三，疲劳裂纹的萌生和扩展是一个渐进的过程，需要经过长时间的累积，这使得疲劳失效具有一定的隐蔽性，难以在早期被发现。
接下来，我们探讨一下航空器材料疲劳的影响因素。
载荷的特性是其中一个重要方面。
载荷的大小、频率、波形等都会对疲劳寿命产生影响。
较大的载荷、较高的频率以及复杂的波形通常会加速材料的疲劳损伤。
材料的性质也是关键因素之一。
材料的强度、韧性、硬度、组织结构等都会影响其疲劳性能。
一般来说，高强度材料具有较好的抗疲劳性能，但同时也可能存在韧性不足的问题，导致在疲劳过程中容易发生脆性断裂。
环境条件同样不容忽视。
高温、低温、腐蚀介质等环境因素会加速材料的疲劳损伤，降低其疲劳寿命。
而断裂则是材料在受到外力作用时，发生的突然性破坏。
航空器材料的断裂通常分为脆性断裂和韧性断裂两种类型。
脆性断裂是在没有明显塑性变形的情况下发生的，断裂面通常比较平整，呈现出结晶状的特征。
这种断裂往往具有突然性和灾难性，会对航空器的安全造成极大威胁。
材料断口分析第6章-疲劳断裂
§1 引言 §2 疲劳裂纹的萌生与扩展 §3 疲劳断口形貌特征 §4 影响疲劳断口形貌的因素 §5 腐蚀疲劳
46
§1 引言
1、定义: 由于交变应力或循环载荷所引起的低应力脆断。 在所有的损坏中，疲劳断裂的比例最高，约占70%
2、类型:依负载和环境条件的不同，分为五类： 高周疲劳：材料在低应力（σ＜σ0.2）的作用下而寿命较高
66
锯齿形断口
棘轮花样
67
3、瞬断区
形貌：具有断口三要素（放射区、剪切唇）的特征 对于塑性材料，断口为纤维状、暗灰色 对于脆性材料，断口为结晶状
位置：自由表面 断面中心 非对称（次表面）
68
瞬断区面积越大，越靠近中心部位，工件过载程度越大 瞬断区面积越小，越靠近 边缘，工件过载程度越小
69
二、疲劳断口显微形貌特征
疲劳辉纹 1、定义：在光学显微镜、SEM或TEM下观察疲劳断口时，断口上细
小的、相互平行的具有规则间距的，与裂纹扩展方向垂直 的显微特征条纹
疲劳辉纹与疲劳条纹（贝纹线）的区别：
贝纹线是宏观特征线，因交变应力幅度变化或载荷停歇等造成的 辉纹是显微特征线，是一次交变应力循环裂纹尖端塑性钝化形成的
铝合金疲劳辉纹
（Nf ＞ 105）的疲劳 低周疲劳：材料在反复变化的大应力或大应变作用下，使材
料的局部应力往往超过σ0.2 ，在断裂过程中产 生较大塑性变形，是一种短寿命（Nf ＜ 102 — 105）的疲劳
47
接触疲劳：材料在较高接触压应力的作用下，经过多次应力 循环后，其接触面的局部区域产生小片或小块金 属剥落，形成麻点或凹坑，导致材料失效的现象
▲工程构件对疲劳抗力比对静载荷要敏感得多。其疲劳抗力不仅取 决于材料本身特性，而且与其形状、尺寸、表面质量、服役条件 环境等密切相关
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w昆明理工大学2011年（第十一届）研究生学术交流年会
学术交流报告
院 － 系： 机电工程学院
专 业： 机械工程
年 级： 2011级
学生姓名： 张云华
学 号： 2011703026
导 师： 陈 猛
2011年12月
昆明理工大学2011年研究生学术交流报告
报告名称：谈谈疲劳和断裂
报告人：王瑞杰
报告地点：机电楼202
报告时间：2011年12月 16日
报告内容简介：
疲劳、疲劳破坏产生的过程及其特点，研究目的，
载荷谱描述与简化的研究，疲劳破坏的种类，疲劳失效机理，影
响零件疲劳强度三个主要因素，断裂力学理论基础，断裂力学的
理论。
正文： 描述循环应力水平的基本量maxSminSminmax，常用的导出量可以通 应力比或者应力循环系数R=manSSmin （三）疲劳破坏的机理研究 疲劳失效机理1.疲劳裂纹的萌生 2.疲劳裂纹的扩展 基于这种性质提出了新的物理 （六）疲劳损伤积累理论提出 的损伤等于其循环比之和，即liiiNnD1 个人认为零件的结构工艺性对机械零件疲劳强度有很大的
这学期是我作为研究生新生入学的第一学期，在研究生
部的安排下听了好几场学术交流报告，有《基于视频图像测量的
母线折弯技术研究》、《基于独立分量分析和包络阶比分析的齿轮
箱多振源故障分离》、《基于谱峭度的滚动轴承故障包络阶比跟踪
分析》、《谈谈疲劳与断裂》、《微传感器简介》等，最后我选择了
《谈谈疲劳与断裂》写这篇总结报告，我之所以选择这一篇，因
为疲劳断裂与我的研究方向有很大关系，对我来说很有现实意
义。
12月16号听了《谈谈疲劳与断裂》的学术报告，使我对疲
劳和断裂这两个学术名词有了更深一步的了解。联想起了本科阶
段所学的课程《工程力学》和《机械设计》中有关疲劳和断裂这
方面的知识，本科阶段从《机械设计》中了解到了影响疲劳断裂
的几个主要因素分别是1）应力幅的大小，2）应力循环特性，3）
应力作用次数，4）材料的许用疲劳强度，5）综合影响系数（包
括应力集中、表面质量、尺寸系数、表面强化系数），从这次学
术交流报告中得到了更深的了解。
（一）疲劳断裂基础理论概述
所谓疲劳就是在某点或者某些点承受扰动应力，且在足个多
的循环扰动作用之后形成裂纹或者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。疲劳在机械零件失效中是个很重
要的因素，因此研究疲劳破坏产生的过程和原因显得尤为重要。
疲劳破坏的产生的过程：1.在变应力作用下，零件表面首先产生
初始裂纹形成一个或者数个疲劳源，2.在变应力继续作用下初始
裂纹处的应力集中促使裂纹扩展，使零件的实际承载面积逐渐减
小，3.直至不能承载外载荷时，导致零件突然发生脆性断裂。在
机械工业的各大领域，疲劳是零件和构件失效的主要形式。在各
种机械的断裂事故中，有80%是疲劳引起的，且疲劳过程不容易
被发觉，且造成了严重的事故。所以对于承受交变应力的构件，
我们在设计过程中一定要进行疲劳分析。疲劳断裂主要有几个特
点1.零件在交变载荷作用下经过较长时间的使用2.断裂应力小
于材料的抗拉强度，甚至小于材料的屈服强度3.断裂是突然的，
没任何征兆4.断口形貌特殊，断口上有明显不同的区域5零件的
几何形状、尺寸、表面质量和表面受力状态等均直接影响零件的
疲劳断裂。疲劳的发生是有条件，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）
（二）载荷谱描述与简化的研究
首先了解循环应力的分类1.对称循环应力（r=-1）2.非对称
循环应力（0
过知二求四法求出：
平均应力2)(minmaxSSSm，
应力幅2)(minmaxSSSa
应力变程minmaxSSs
主要控制参量aS
重要影响参量R
频率和波形的影响研究是较
次要。
频率（tNf）
疲劳破坏的端口特征：1.疲劳源2.裂纹扩展区3.最后断裂区域
疲劳断裂的过程：1.疲劳断裂的形成2.疲劳裂纹的扩展3.疲劳断
裂。
（四）影响零件疲劳强度的因素
1.应力集中（台阶，键槽，有孔或有螺纹等截面变化处）
2.表面状态和尺寸因素（粗糙度、应力状态、成分和性能的变化
等）
3.使用条件（载荷状况、工作温度和环境介质）
（五）线弹性断裂力学的基本理论
能量释放率理论
应力强度因子理论：裂纹尖端存在奇异性，
量——应力强度因子
大多数零件所承受的载荷为多幅载荷，多幅载荷下的疲劳破
坏是不同频率和幅值的载荷所造成的损伤逐渐积累起来的，这样
就促使了许多疲劳损伤积累理论的提出。所谓损伤就是在疲劳过
程中，初期材料内的细微结构的变化和后期裂纹的形成和扩展。
当材料承受高于疲劳极限的应力时，每一个循环都使材料产生一
定的损伤，每一个循环所造成的平均损伤N1,这种损伤是可以积
累的，n次恒幅载荷所造成的损伤等于其循环比NnC,变幅载荷
其中l是变幅载荷下应力水平的级数，in是第i级载荷的循环
次数iN是第i级载荷下的疲劳寿命。当损伤积累到临界值时，
f
l
iiiDNnD1
就发生疲劳破坏。fD是临界损伤和。
影响。零件的疲劳破坏，在零件失效造成设备损坏中占有很大的
比例。而零件的结构工艺性是否合理，对疲劳强度影响很大。例
如轴截面直径的“突变”、台阶轴圆根半径的大小，等。据称，
一次飞机失事，最后查到的原因，是某个轴的半径做小了，造成
疲劳破坏，而引发事故的。确实是因小失大。
关于疲劳破坏带来危害的案例很多，在此举几个关于疲劳破
坏影响比较大的案例。1956年，英国的两架“彗星式”喷气客
机接连在地中海上空爆炸。最后检查出来的原因是由于金属疲劳
引起飞机蒙皮发生了裂痕。1979年，美国DE-10型飞机失事，
死亡270人，原因是螺旋桨转轴发生疲劳破坏，该型号飞机停飞
一年，全面检修，是设计问题。1980年3月27日，欧洲北海油
田“基尔兰”号平台覆灭，死亡123人，原因疲劳破坏，横梁在
海浪的交变应力作用下，横梁承孔边裂缝，当时大风掀起7米巨
浪，10105吨的浮台沉没于大海之中。可以看出疲劳破坏不仅是
人的生命杀手，更是企业经济效益的杀手，设法提高零件的疲劳
强度就显得尤为重要。所以我们要改善结构工艺性，提高表面质
量，改善工作坏境，从根本出来最大限度的提高疲劳强度 。