疲勞裂紋擴(kuò)展相關(guān)概念

1、疲勞裂紋擴(kuò)展疲勞裂紋擴(kuò)展 斷斷 裂裂 力力 學(xué)學(xué)一、疲勞裂紋擴(kuò)展概述一、疲勞裂紋擴(kuò)展概述二、疲勞裂紋擴(kuò)展速率二、疲勞裂紋擴(kuò)展速率三、疲勞裂紋擴(kuò)展的機(jī)理與三、疲勞裂紋擴(kuò)展的機(jī)理與 的理論公式的理論公式四、疲勞裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)四、疲勞裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)五、影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素五、影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素dNda疲勞裂紋擴(kuò)展疲勞裂紋擴(kuò)展北京交通大學(xué)土建學(xué)院北京交通大學(xué)土建學(xué)院 李常武李常武1 1、疲勞裂紋擴(kuò)展的概念、疲勞裂紋擴(kuò)展的概念 2 2、疲勞破壞特點(diǎn)、疲勞破壞特點(diǎn)3 3、疲勞破壞過(guò)程、疲勞破壞過(guò)程4 4、構(gòu)件的疲勞設(shè)計(jì)、構(gòu)件的疲勞設(shè)計(jì) 一、疲勞裂紋擴(kuò)展概述一、疲勞裂紋擴(kuò)展概述1 1、疲勞

2、裂紋擴(kuò)展的概念、疲勞裂紋擴(kuò)展的概念 Fatigue crack growthFatigue crack growth 承受結(jié)構(gòu)或元件，由于交變載荷的作用，或者由于載荷承受結(jié)構(gòu)或元件，由于交變載荷的作用，或者由于載荷和環(huán)境侵蝕的聯(lián)合作用，會(huì)產(chǎn)生微小的裂紋，裂紋將隨著交和環(huán)境侵蝕的聯(lián)合作用，會(huì)產(chǎn)生微小的裂紋，裂紋將隨著交變載荷周次的增加或環(huán)境侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸擴(kuò)展。隨著變載荷周次的增加或環(huán)境侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸擴(kuò)展。隨著裂紋尺寸增大，結(jié)構(gòu)或元件的剩余強(qiáng)度逐步減小，最后導(dǎo)致裂紋尺寸增大，結(jié)構(gòu)或元件的剩余強(qiáng)度逐步減小，最后導(dǎo)致斷裂。斷裂。1 1、疲勞裂紋擴(kuò)展的概念、疲勞裂紋擴(kuò)展的概念 疲勞裂紋的萌生

3、從宏觀而言，總是起源于應(yīng)力集中區(qū)、疲勞裂紋的萌生從宏觀而言，總是起源于應(yīng)力集中區(qū)、高應(yīng)變區(qū)、強(qiáng)度最弱的基體、結(jié)構(gòu)拐角、加工切削裂焊縫、高應(yīng)變區(qū)、強(qiáng)度最弱的基體、結(jié)構(gòu)拐角、加工切削裂焊縫、腐蝕坑等區(qū)域。從微觀而言可分為滑移帶開(kāi)裂、晶界開(kāi)裂、腐蝕坑等區(qū)域。從微觀而言可分為滑移帶開(kāi)裂、晶界開(kāi)裂、非金屬夾雜（或第二相）與基體界面開(kāi)裂三種機(jī)制。非金屬夾雜（或第二相）與基體界面開(kāi)裂三種機(jī)制。2 2、疲勞破壞特點(diǎn)、疲勞破壞特點(diǎn) 具有初始裂紋或缺陷的構(gòu)件，即使這些初裂紋或缺陷具有初始裂紋或缺陷的構(gòu)件，即使這些初裂紋或缺陷未達(dá)到失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界尺寸，但是在交變應(yīng)力作用下，也未達(dá)到失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界尺寸，但是在交變應(yīng)力

4、作用下，也會(huì)逐漸擴(kuò)展，導(dǎo)致疲勞破壞。會(huì)逐漸擴(kuò)展，導(dǎo)致疲勞破壞。 對(duì)于沒(méi)有宏觀裂紋的試件，在交變應(yīng)力作用下，也可能對(duì)于沒(méi)有宏觀裂紋的試件，在交變應(yīng)力作用下，也可能萌生裂紋，最后裂紋擴(kuò)展直到斷裂。萌生裂紋，最后裂紋擴(kuò)展直到斷裂。 因此，疲勞破壞時(shí)的應(yīng)力遠(yuǎn)比靜載荷破壞應(yīng)力低，而且因此，疲勞破壞時(shí)的應(yīng)力遠(yuǎn)比靜載荷破壞應(yīng)力低，而且疲勞破壞時(shí)一般都沒(méi)有明顯的塑性變形，對(duì)工程結(jié)構(gòu)的危疲勞破壞時(shí)一般都沒(méi)有明顯的塑性變形，對(duì)工程結(jié)構(gòu)的危害很大，這是要努力避免的。害很大，這是要努力避免的。 統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在各種機(jī)械零件的斷裂事故中，大約有統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在各種機(jī)械零件的斷裂事故中，大約有80%以上是由于疲勞失效引起

5、的。以上是由于疲勞失效引起的。3 3、疲勞破壞過(guò)程、疲勞破壞過(guò)程 疲勞破壞過(guò)程比較復(fù)雜，受很多因素的影響，大致分為四疲勞破壞過(guò)程比較復(fù)雜，受很多因素的影響，大致分為四個(gè)階段：個(gè)階段：（1） 裂紋成核階段裂紋成核階段交變應(yīng)力交變應(yīng)力 作用作用 滑移滑移 金屬的擠出和擠入金屬的擠出和擠入 形成微裂紋的核形成微裂紋的核（2） 微觀裂紋擴(kuò)展階段微觀裂紋擴(kuò)展階段 也稱為裂紋擴(kuò)展的第一階段，一旦微觀裂紋成核，就沿也稱為裂紋擴(kuò)展的第一階段，一旦微觀裂紋成核，就沿著滑移面擴(kuò)展，這個(gè)面與主應(yīng)力約成著滑移面擴(kuò)展，這個(gè)面與主應(yīng)力約成45的剪應(yīng)力作用面。的剪應(yīng)力作用面。深入表面較淺，大約十幾微米，深度在深入表面較淺，

6、大約十幾微米，深度在0.05mm以內(nèi)，非單以內(nèi)，非單一裂紋一裂紋（3） 宏觀裂紋擴(kuò)展階段宏觀裂紋擴(kuò)展階段 也稱為裂紋擴(kuò)展的第二階段，裂紋擴(kuò)展方向基本上與主應(yīng)也稱為裂紋擴(kuò)展的第二階段，裂紋擴(kuò)展方向基本上與主應(yīng)力垂直，為單一裂紋，一般裂紋長(zhǎng)度力垂直，為單一裂紋，一般裂紋長(zhǎng)度a在在 （ 為裂紋臨界尺寸）范圍內(nèi)的擴(kuò)展為宏觀裂紋擴(kuò)展階段為裂紋臨界尺寸）范圍內(nèi)的擴(kuò)展為宏觀裂紋擴(kuò)展階段caamm01. 0ca圖圖4-23 3、疲勞破壞過(guò)程、疲勞破壞過(guò)程3 3、疲勞破壞過(guò)程、疲勞破壞過(guò)程圖圖4-2（4 ）瞬時(shí)斷裂階段）瞬時(shí)斷裂階段 當(dāng)裂紋擴(kuò)大到臨界尺寸當(dāng)裂紋擴(kuò)大到臨界尺寸 時(shí)，產(chǎn)生失穩(wěn)擴(kuò)展而很快斷裂。時(shí)，產(chǎn)生

7、失穩(wěn)擴(kuò)展而很快斷裂。 在疲勞宏觀斷口上往往有兩在疲勞宏觀斷口上往往有兩個(gè)區(qū)域，即光滑區(qū)域和顆粒狀個(gè)區(qū)域，即光滑區(qū)域和顆粒狀區(qū)域。因?yàn)樵诹鸭y擴(kuò)展過(guò)程中，區(qū)域。因?yàn)樵诹鸭y擴(kuò)展過(guò)程中，裂紋的兩個(gè)表面在交變荷載下，裂紋的兩個(gè)表面在交變荷載下，時(shí)而壓緊，時(shí)而分開(kāi)，多次反時(shí)而壓緊，時(shí)而分開(kāi)，多次反復(fù)，這就形成了光滑區(qū)。斷口復(fù)，這就形成了光滑區(qū)。斷口的顆粒狀粗糙區(qū)則是最后突然的顆粒狀粗糙區(qū)則是最后突然斷裂形成的斷裂形成的3 3、疲勞破壞過(guò)程、疲勞破壞過(guò)程ca裂紋源裂紋源光滑區(qū)光滑區(qū)粗糙區(qū)粗糙區(qū).裂紋尖端裂紋尖端裂紋裂紋動(dòng)畫(huà)演示：動(dòng)畫(huà)演示：http:/ 4、構(gòu)件的疲勞設(shè)計(jì)、構(gòu)件的疲勞設(shè)計(jì) 研究疲勞擴(kuò)展的意義研

8、究疲勞擴(kuò)展的意義最早的最早的“無(wú)限壽命無(wú)限壽命”設(shè)計(jì)，要求在無(wú)限長(zhǎng)的試用期設(shè)計(jì)，要求在無(wú)限長(zhǎng)的試用期內(nèi)，不發(fā)生疲勞破壞。內(nèi)，不發(fā)生疲勞破壞。N max max 1 max 2 1NN=1072NS-N曲線以最大應(yīng)力為縱坐標(biāo)，循環(huán)以最大應(yīng)力為縱坐標(biāo)，循環(huán)次數(shù)次數(shù)( (壽命壽命) )為橫坐標(biāo)，將疲為橫坐標(biāo)，將疲勞試驗(yàn)結(jié)果描繪成的曲線，勞試驗(yàn)結(jié)果描繪成的曲線，稱為稱為應(yīng)力應(yīng)力壽命曲線壽命曲線或或SN曲線曲線。 若鋼材經(jīng)過(guò)若鋼材經(jīng)過(guò)107 次循環(huán)仍未疲勞，則再增加循環(huán)次數(shù)，也不次循環(huán)仍未疲勞，則再增加循環(huán)次數(shù)，也不會(huì)疲勞。就把這時(shí)的最大應(yīng)力，規(guī)定為這種鋼材的持久極限。會(huì)疲勞。就把這時(shí)的最大應(yīng)力，規(guī)定為

9、這種鋼材的持久極限。常溫試驗(yàn)結(jié)果表明：常溫試驗(yàn)結(jié)果表明：maxminr對(duì)稱循環(huán)下，構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度條件為對(duì)稱循環(huán)下，構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度條件為 n 安全因數(shù)安全因數(shù)構(gòu)件的疲勞極限構(gòu)件的疲勞極限01K尺寸影響系數(shù)尺寸影響系數(shù)表面強(qiáng)化處理影響系數(shù)表面強(qiáng)化處理影響系數(shù)外形影響系數(shù)外形影響系數(shù)n011max101K4 4、構(gòu)件的疲勞設(shè)計(jì)、構(gòu)件的疲勞設(shè)計(jì) “安全壽命安全壽命”設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)： 需要建立疲勞載荷譜，測(cè)定需要建立疲勞載荷譜，測(cè)定S-N曲線（曲線（S為交變應(yīng)為交變應(yīng)力，力，N為應(yīng)力循環(huán)周數(shù)），并用累積損傷理論估算為應(yīng)力循環(huán)周數(shù)），并用累積損傷理論估算“安安全壽命全壽命”。 綜上，以上兩種方法所依據(jù)的綜上，

10、以上兩種方法所依據(jù)的S-N曲線，是用無(wú)裂曲線，是用無(wú)裂紋光滑試樣測(cè)得的，不能充分保證構(gòu)件的可靠性和經(jīng)紋光滑試樣測(cè)得的，不能充分保證構(gòu)件的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。濟(jì)性。 可靠性不能保證可靠性不能保證因?yàn)楣こ讨械膶?shí)際構(gòu)件，在制因?yàn)楣こ讨械膶?shí)際構(gòu)件，在制造和使用中，往往已經(jīng)存在裂紋和缺陷。造和使用中，往往已經(jīng)存在裂紋和缺陷。 經(jīng)濟(jì)性不能保證經(jīng)濟(jì)性不能保證有些裂紋體具有相當(dāng)長(zhǎng)的裂紋有些裂紋體具有相當(dāng)長(zhǎng)的裂紋擴(kuò)展壽命，而傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)卻不允許構(gòu)件有宏觀裂紋。擴(kuò)展壽命，而傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)卻不允許構(gòu)件有宏觀裂紋。4 4、構(gòu)件的疲勞設(shè)計(jì)、構(gòu)件的疲勞設(shè)計(jì) 斷裂力學(xué)正好解決了上述矛盾斷裂力學(xué)正好解決了上述矛盾設(shè)計(jì)原則為：設(shè)計(jì)原則為

11、： 容許構(gòu)件在使用期內(nèi)出現(xiàn)裂紋，但必須有足夠的裂紋亞臨容許構(gòu)件在使用期內(nèi)出現(xiàn)裂紋，但必須有足夠的裂紋亞臨界擴(kuò)展壽命，以保證在使用期內(nèi)裂紋不會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致構(gòu)件界擴(kuò)展壽命，以保證在使用期內(nèi)裂紋不會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致構(gòu)件破壞。破壞。需具備條件：需具備條件： 需要具備監(jiān)測(cè)裂紋及其擴(kuò)展的手段，了解材料和構(gòu)件的裂需要具備監(jiān)測(cè)裂紋及其擴(kuò)展的手段，了解材料和構(gòu)件的裂紋擴(kuò)張規(guī)律，掌握裂紋擴(kuò)展壽命的計(jì)算方法，以上這些還不完紋擴(kuò)張規(guī)律，掌握裂紋擴(kuò)展壽命的計(jì)算方法，以上這些還不完善，需要進(jìn)一步研究和發(fā)展。善，需要進(jìn)一步研究和發(fā)展。4 4、構(gòu)件的疲勞設(shè)計(jì)、構(gòu)件的疲勞設(shè)計(jì) 疲勞裂紋擴(kuò)展的定量表示用疲勞裂紋擴(kuò)展的定量表示用

12、或或 ， 是交變應(yīng)力的循是交變應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)增量，環(huán)次數(shù)增量， 是相應(yīng)的裂紋長(zhǎng)度的增量。是相應(yīng)的裂紋長(zhǎng)度的增量。N aNdda二、疲勞裂紋擴(kuò)展速率二、疲勞裂紋擴(kuò)展速率 稱為疲勞裂紋擴(kuò)展速率，表示交變應(yīng)力每循環(huán)一次裂稱為疲勞裂紋擴(kuò)展速率，表示交變應(yīng)力每循環(huán)一次裂紋長(zhǎng)度的平均增量，它是裂紋長(zhǎng)度紋長(zhǎng)度的平均增量，它是裂紋長(zhǎng)度a、應(yīng)力幅度或應(yīng)變幅度的、應(yīng)力幅度或應(yīng)變幅度的函數(shù)。函數(shù)。NaNa Paris等對(duì)等對(duì)A533鋼在室溫下，針對(duì)鋼在室溫下，針對(duì) 的情況的情況收集了大量數(shù)據(jù)，總結(jié)除了著名的經(jīng)驗(yàn)公式，帕里斯公式。收集了大量數(shù)據(jù)，總結(jié)除了著名的經(jīng)驗(yàn)公式，帕里斯公式。 1 . 0maxminKKR在低振

13、幅下觀察到在低振幅下觀察到 ，而在高振幅下為，而在高振幅下為次/10137cm次/10132cm對(duì)數(shù)形式對(duì)數(shù)形式KmCNlglgddalg對(duì)應(yīng)圖對(duì)應(yīng)圖4-3二、疲勞裂紋擴(kuò)展速率二、疲勞裂紋擴(kuò)展速率Paris（帕里斯）公式（帕里斯）公式（1963年）年）mdda）（ KCNC、m是材料常數(shù)，對(duì)于同一材料，是材料常數(shù)，對(duì)于同一材料，m不隨構(gòu)件的形狀和載荷性質(zhì)而改變，不隨構(gòu)件的形狀和載荷性質(zhì)而改變，常數(shù)常數(shù)C與材料的力學(xué)性質(zhì)（如與材料的力學(xué)性質(zhì)（如 及硬化指數(shù)等）、試驗(yàn)條件有關(guān)。及硬化指數(shù)等）、試驗(yàn)條件有關(guān)。sminmaxKKK二、疲勞裂紋擴(kuò)展速率二、疲勞裂紋擴(kuò)展速率第一階段低速率區(qū)第一階段低速率區(qū)

14、也稱做疲勞裂紋擴(kuò)展也稱做疲勞裂紋擴(kuò)展緩慢區(qū)，存在著一個(gè)緩慢區(qū)，存在著一個(gè)疲勞裂紋擴(kuò)展的門檻疲勞裂紋擴(kuò)展的門檻值值 當(dāng)當(dāng) 低于低于 疲勞裂紋不擴(kuò)展或擴(kuò)疲勞裂紋不擴(kuò)展或擴(kuò)展速率極其緩慢展速率極其緩慢thKK循環(huán)/mm10dda7-NthK在室溫及在室溫及R=0.1條件下條件下A533鋼鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展曲線的疲勞裂紋擴(kuò)展曲線圖圖4-4第二階段第二階段 ：中速率裂紋擴(kuò)展區(qū)：中速率裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展遵循冪函數(shù)規(guī)律，也就是疲勞裂紋擴(kuò)展率可以用疲勞裂紋擴(kuò)展遵循冪函數(shù)規(guī)律，也就是疲勞裂紋擴(kuò)展率可以用應(yīng)力強(qiáng)度幅值應(yīng)力強(qiáng)度幅值 的冪函數(shù)表示，這就是目前采用的的冪函數(shù)表示，這就是目前采用的Paris公式。公式。

15、KKdN/da二、疲勞裂紋擴(kuò)展速率二、疲勞裂紋擴(kuò)展速率 有良好的對(duì)數(shù)線性關(guān)系。利用這一關(guān)系進(jìn)行疲有良好的對(duì)數(shù)線性關(guān)系。利用這一關(guān)系進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)，是疲勞斷裂研究的重點(diǎn)。勞裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)，是疲勞斷裂研究的重點(diǎn)。 第三階段：高速率裂紋擴(kuò)展區(qū)第三階段：高速率裂紋擴(kuò)展區(qū)即當(dāng)即當(dāng) 時(shí)，試樣迅速發(fā)生斷裂，實(shí)際上存在一個(gè)上限時(shí)，試樣迅速發(fā)生斷裂，實(shí)際上存在一個(gè)上限值值 ，當(dāng)，當(dāng) 急速增加，一般用鉛垂?jié)u近線表示。急速增加，一般用鉛垂?jié)u近線表示。cmaxKKLKfNKKLdda6 . 0/thf時(shí)，F(xiàn)oreman等提出公式：等提出公式：KKRKCN-1ddacm圖圖4-4疲勞裂紋擴(kuò)展的機(jī)理與疲勞裂紋

16、擴(kuò)展的機(jī)理與 的理論公式的理論公式Ndda1、塑性鈍化模型、塑性鈍化模型 銳化銳化鈍化鈍化再銳化再銳化三、疲勞裂紋擴(kuò)展的機(jī)理與三、疲勞裂紋擴(kuò)展的機(jī)理與 的理論公式的理論公式Ndda 動(dòng)畫(huà)演示：動(dòng)畫(huà)演示：http:/ 裂紋尖端在循環(huán)荷載作用下出現(xiàn)反復(fù)鈍化及重新尖銳化的裂紋尖端在循環(huán)荷載作用下出現(xiàn)反復(fù)鈍化及重新尖銳化的過(guò)程。在加載拉伸的半個(gè)應(yīng)力循環(huán)時(shí)，裂紋尖端產(chǎn)生局部滑移，過(guò)程。在加載拉伸的半個(gè)應(yīng)力循環(huán)時(shí)，裂紋尖端產(chǎn)生局部滑移，并使裂紋尖端鈍化；在相反載荷（或卸載）的另半個(gè)應(yīng)力循環(huán)并使裂紋尖端鈍化；在相反載荷（或卸載）的另半個(gè)應(yīng)力循環(huán)時(shí)，裂紋面被壓合在一起，裂紋尖端在加載受拉時(shí)產(chǎn)生新表面，時(shí)，裂紋

17、面被壓合在一起，裂紋尖端在加載受拉時(shí)產(chǎn)生新表面，部分折疊起來(lái)，形成部分折疊起來(lái)，形成“耳子耳子”，使裂紋尖端重新尖銳化，并向，使裂紋尖端重新尖銳化，并向前延伸一段距離。這一過(guò)程不斷重復(fù)，裂紋尖端不斷向前擴(kuò)展。前延伸一段距離。這一過(guò)程不斷重復(fù)，裂紋尖端不斷向前擴(kuò)展。這一模型稱為這一模型稱為“塑性鈍化塑性鈍化”模型。模型。 G.Laird與與G.C.Smith提出了非結(jié)晶學(xué)模型用以描述疲提出了非結(jié)晶學(xué)模型用以描述疲勞裂紋第勞裂紋第階段的擴(kuò)展。稱為塑性鈍化模型。階段的擴(kuò)展。稱為塑性鈍化模型。無(wú)載荷無(wú)載荷小的拉小的拉伸載荷伸載荷最大拉最大拉伸載荷伸載荷小的拉小的拉伸載荷伸載荷小的壓小的壓縮載荷縮載荷最

18、大壓最大壓縮載荷縮載荷圖圖4-7塑性鈍化模型塑性鈍化模型三、疲勞裂紋擴(kuò)展的機(jī)理與三、疲勞裂紋擴(kuò)展的機(jī)理與 的理論公式的理論公式Ndda2、描述第二階段疲勞裂紋擴(kuò)展的模型還有很多，比如裂尖滑移、描述第二階段疲勞裂紋擴(kuò)展的模型還有很多，比如裂尖滑移模型、極限值模型、再成核模型、位錯(cuò)模型等。模型、極限值模型、再成核模型、位錯(cuò)模型等。Mc Clintock根據(jù)塑性鈍化模型，用連續(xù)體的彈塑性分析得到根據(jù)塑性鈍化模型，用連續(xù)體的彈塑性分析得到a4dda2bEN式中，式中，E是楊氏彈性模量；是楊氏彈性模量； 是強(qiáng)度極限；是強(qiáng)度極限； 是一個(gè)常數(shù)。是一個(gè)常數(shù)。b三、疲勞裂紋擴(kuò)展的機(jī)理與三、疲勞裂紋擴(kuò)展的機(jī)理與

19、 的理論公式的理論公式dNda四、疲勞裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)四、疲勞裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè) 1、 利用帕里斯公式，可以在已知原始裂紋長(zhǎng)度利用帕里斯公式，可以在已知原始裂紋長(zhǎng)度 情況下，情況下，計(jì)算裂紋擴(kuò)展到臨界裂紋長(zhǎng)度計(jì)算裂紋擴(kuò)展到臨界裂紋長(zhǎng)度 的循環(huán)數(shù)，即壽命。的循環(huán)數(shù)，即壽命。 iaca設(shè)設(shè)則則 daaCKaCNNaammaamPcicif1)(d1d afK 是名義應(yīng)力幅度；是名義應(yīng)力幅度； 是裂紋長(zhǎng)度的函數(shù)，它與零件的幾是裂紋長(zhǎng)度的函數(shù)，它與零件的幾何尺寸有關(guān)。何尺寸有關(guān)。 是直到失穩(wěn)斷裂的循環(huán)數(shù)。是直到失穩(wěn)斷裂的循環(huán)數(shù)。PN af四、疲勞裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)四、疲勞裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)2、Miner準(zhǔn)則

20、（損傷累積準(zhǔn)則）準(zhǔn)則（損傷累積準(zhǔn)則）11piiiNn 為在某一給定循環(huán)載荷下所能承受的最大循環(huán)次為在某一給定循環(huán)載荷下所能承受的最大循環(huán)次數(shù)；數(shù)； 為在該循環(huán)載荷下的實(shí)際循環(huán)次數(shù)。它表達(dá)為在該循環(huán)載荷下的實(shí)際循環(huán)次數(shù)。它表達(dá)了損傷的累積效應(yīng)。對(duì)受多輪次不同循環(huán)載荷作用問(wèn)了損傷的累積效應(yīng)。對(duì)受多輪次不同循環(huán)載荷作用問(wèn)題，該式具有實(shí)際意義。題，該式具有實(shí)際意義。iNin Miner準(zhǔn)則不僅適用于較低應(yīng)力水平下的高周疲勞，準(zhǔn)則不僅適用于較低應(yīng)力水平下的高周疲勞，也適用于較高應(yīng)力水平下的低周疲勞。也適用于較高應(yīng)力水平下的低周疲勞。五、影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素五、影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素1、平均應(yīng)力

21、的影響、平均應(yīng)力的影響通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，除了通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，除了 是控制裂紋亞臨界擴(kuò)展的重要物理量是控制裂紋亞臨界擴(kuò)展的重要物理量外，其他如平均應(yīng)力、應(yīng)力條件、加載頻率、溫度和環(huán)境等，外，其他如平均應(yīng)力、應(yīng)力條件、加載頻率、溫度和環(huán)境等，對(duì)對(duì) 均有影響，現(xiàn)簡(jiǎn)述如下均有影響，現(xiàn)簡(jiǎn)述如下dNdaK給定給定 下在裂紋擴(kuò)展的三個(gè)下在裂紋擴(kuò)展的三個(gè)區(qū)域內(nèi)區(qū)域內(nèi)da/dN均隨均隨R增大而增增大而增大，表現(xiàn)為大，表現(xiàn)為 曲線曲線整體向左移動(dòng)。整體向左移動(dòng)。KKdNda/圖圖4-9在同一在同一 下，平均應(yīng)力越高，下，平均應(yīng)力越高， 越大。而前面講的越大。而前面講的Forman公式即反映了公式即反映了 時(shí)的特性，又考

22、慮了平均應(yīng)力的影響。時(shí)的特性，又考慮了平均應(yīng)力的影響。 cKKmaxKdNdaKKRKCN-1ddacmmax)1 (KRK由：由：則：則：dNdacKKmaxlim即：即：疲勞擴(kuò)展裂紋具有疲勞擴(kuò)展裂紋具有 的奇異性，高速區(qū)的奇異性，高速區(qū)的上限的上限 隨隨R增加而降低。增加而降低。 11KKRccKR1五、影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素五、影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素五、影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素五、影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素 如果平均應(yīng)力為壓應(yīng)力，則在相同的如果平均應(yīng)力為壓應(yīng)力，則在相同的 下，與平均應(yīng)下，與平均應(yīng)力為拉應(yīng)力或?yàn)榱阆啾?，疲勞裂紋擴(kuò)展速率力為拉應(yīng)力或?yàn)榱阆啾?，疲勞裂紋擴(kuò)展速率 降低

23、。降低。KdNda/ 在一般情況下，構(gòu)件表面殘余拉應(yīng)力會(huì)使交變應(yīng)力中的在一般情況下，構(gòu)件表面殘余拉應(yīng)力會(huì)使交變應(yīng)力中的平均應(yīng)力水平增高；反之，表面殘余拉應(yīng)力，會(huì)使交變應(yīng)平均應(yīng)力水平增高；反之，表面殘余拉應(yīng)力，會(huì)使交變應(yīng)力中的平均應(yīng)力水平降低。力中的平均應(yīng)力水平降低。 工業(yè)上通常采用滲碳、滲鋁、表面淬火、外表面滾壓、工業(yè)上通常采用滲碳、滲鋁、表面淬火、外表面滾壓、內(nèi)表面擠壓以及噴丸強(qiáng)化工藝來(lái)引入殘余壓應(yīng)力。內(nèi)表面擠壓以及噴丸強(qiáng)化工藝來(lái)引入殘余壓應(yīng)力。五、影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素五、影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素2、超載的影響、超載的影響 過(guò)載峰對(duì)隨后的低載恒幅下得裂紋擴(kuò)展速度有明顯的延緩過(guò)載峰對(duì)隨

24、后的低載恒幅下得裂紋擴(kuò)展速度有明顯的延緩作用，延緩作用僅限于一段循環(huán)周期，在此周期后，作用，延緩作用僅限于一段循環(huán)周期，在此周期后， 又又逐漸恢復(fù)正常。逐漸恢復(fù)正常。dNda/對(duì)于這個(gè)現(xiàn)象的定量分析有兩種模型：對(duì)于這個(gè)現(xiàn)象的定量分析有兩種模型：上面的圖是上面的圖是2024-T3鋁的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，施加了三次高載后，壽命鋁的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，施加了三次高載后，壽命延長(zhǎng)了四倍。高載可使后續(xù)低載循環(huán)中延長(zhǎng)了四倍。高載可使后續(xù)低載循環(huán)中 下降，甚至下降，甚至止裂。止裂。dNda/五、影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素五、影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素（1）Wheeler模型模型過(guò)載峰使裂紋尖端形成大塑性過(guò)載峰使裂紋尖端形成大塑

25、性區(qū)區(qū) ，而塑性區(qū)，而塑性區(qū) 是隨后在是隨后在恒定恒定 作用下裂紋擴(kuò)展的主作用下裂紋擴(kuò)展的主要障礙，使裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生停滯要障礙，使裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生停滯效應(yīng)。效應(yīng)。OLrOLrK五、影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素五、影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素 其對(duì)其對(duì)Paris公式的修正式為：公式的修正式為：mpiKCCdNda延緩反映停滯效應(yīng)的延緩參量取為反映停滯效應(yīng)的延緩參量取為 ，其值為，其值為01。piC（2） Elber模型模型 裂紋閉合模型：改模型認(rèn)為，過(guò)載峰在裂紋頂端造成一裂紋閉合模型：改模型認(rèn)為，過(guò)載峰在裂紋頂端造成一個(gè)大塑性區(qū)，塑性區(qū)內(nèi)的材料受到比周圍彈性區(qū)更大的拉個(gè)大塑性區(qū)，塑性區(qū)內(nèi)的材料受到比周圍彈性區(qū)更大的拉伸并產(chǎn)生永久變形，卸載后，由于塑性區(qū)周圍的彈性區(qū)的伸并產(chǎn)生永久變形，卸載后，由于塑性區(qū)周圍的彈性區(qū)的彈性變形要恢復(fù)，但是由于塑性區(qū)內(nèi)的塑性變形的不可逆彈性變形要恢復(fù)，但是由于塑性區(qū)內(nèi)的塑性變形的不可逆性，所以在塑性區(qū)內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，由于此項(xiàng)殘余性，所以在塑性區(qū)內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，由于此項(xiàng)殘余五、影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素五、影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素壓應(yīng)力在隨后的加載過(guò)程中將抵消掉一部分外加的張應(yīng)力，所壓應(yīng)力在隨后的加載過(guò)程中將抵消掉一部分外加的張應(yīng)力，所以裂紋頂端的有效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅就小于外加的實(shí)際張應(yīng)力，以裂紋頂端的有效應(yīng)力強(qiáng)度因子