疲勞斷裂機(jī)理及對策

關(guān)于疲勞斷裂機(jī)理及對策脆性材料和韌性材料脆性：指材料受到外力時(shí)，其內(nèi)部容易產(chǎn)生裂紋并破壞的性質(zhì)韌性：塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力，通過變形松弛應(yīng)力，重新分布第2頁,共26頁，2024年2月25日，星期天彈性(Elasticity)：卸載后變形可以恢復(fù)特性，可逆性。塑性(Plasticity)：固體金屬在外力作用下能穩(wěn)定地產(chǎn)生永久變形而不破壞其完整性的能力屈服(Yielding)：開始產(chǎn)生塑性變形的臨界狀態(tài)損傷(Damage)：材料內(nèi)部缺陷產(chǎn)生及發(fā)展的過程斷裂(Fracture)：宏觀裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展到變形體破斷的過程材料的幾個(gè)基本概念強(qiáng)度：構(gòu)件抵抗破壞的能力剛性：構(gòu)件抵抗變形的能力第3頁,共26頁，2024年2月25日，星期天材料變形過程

以單向拉伸為例說明彈塑性變形過程與特點(diǎn)。金屬變形分為彈性、塑性變形、破裂三個(gè)階段。ss-

屈服強(qiáng)度，材料塑形變形sb-

抗拉強(qiáng)度，材料斷裂se-

彈性極限sk-

斷裂應(yīng)力第4頁,共26頁，2024年2月25日，星期天材料特性指標(biāo)E-彈性模量（抗壓）G-抗剪模量u-泊松比第5頁,共26頁，2024年2月25日，星期天金屬試樣斷裂形式脆性材料尺度小第6頁,共26頁，2024年2月25日，星期天傳統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法通常以設(shè)定最大載荷下計(jì)算材料受力狀態(tài)（拉伸，壓縮或剪切），以材料屈服強(qiáng)度（或剪切強(qiáng)度）校核，并設(shè)定安全系數(shù)（如1.5，4）作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。第7頁,共26頁，2024年2月25日，星期天傳統(tǒng)的強(qiáng)度校核設(shè)計(jì)弊端第8頁,共26頁，2024年2月25日，星期天斷裂力學(xué)基本概念構(gòu)件斷裂破壞原因主要為：低應(yīng)力條件下造成裂紋擴(kuò)展直至斷裂

應(yīng)力腐蝕（應(yīng)力和腐蝕作用）產(chǎn)生裂紋及擴(kuò)張，造成構(gòu)件強(qiáng)度不足

實(shí)際構(gòu)件應(yīng)用中只有極少量構(gòu)件斷裂或破損由于強(qiáng)度不足造成塑形變形或脆性斷裂

斷裂力學(xué)即以裂紋形成，發(fā)展，擴(kuò)充，直至斷裂過程為研究對象的學(xué)科第9頁,共26頁，2024年2月25日，星期天疲勞斷裂過程，圖片第10頁,共26頁，2024年2月25日，星期天疲勞斷裂機(jī)理-裂紋第11頁,共26頁，2024年2月25日，星期天疲勞斷裂機(jī)理-裂紋第12頁,共26頁，2024年2月25日，星期天疲勞斷裂過程第13頁,共26頁，2024年2月25日，星期天疲勞斷裂機(jī)理-缺陷形成1裂尖位錯(cuò)發(fā)射和斷裂位錯(cuò)2晶體疲勞和晶界3脆性材料微小裂紋擴(kuò)展4變形和損傷第14頁,共26頁，2024年2月25日，星期天疲勞斷裂機(jī)理-材料缺陷和裂紋第15頁,共26頁，2024年2月25日，星期天疲勞斷裂機(jī)理-微觀缺陷位錯(cuò)和晶界缺陷晶界缺陷第16頁,共26頁，2024年2月25日，星期天晶體缺陷-位錯(cuò)第17頁,共26頁，2024年2月25日，星期天1.材料雜質(zhì)，孔洞，切口等2.加工過程形成的微小裂紋3.構(gòu)件幾何特征（尖角，臺(tái)階）引起的加工過程造成的殘留內(nèi)應(yīng)力集中，釋放后形成應(yīng)變（缺陷）4.構(gòu)件存在的臺(tái)階斷差等在負(fù)載下的材料應(yīng)力突變疲勞斷裂機(jī)理-宏觀缺陷第18頁,共26頁，2024年2月25日，星期天裂紋擴(kuò)展在交變應(yīng)力或脈沖應(yīng)力作用下，裂紋擴(kuò)展--疲勞斷裂定義。幅度越大，頻率越大則擴(kuò)展速度越快第19頁,共26頁，2024年2月25日，星期天交變力（應(yīng)變）和脈沖力（應(yīng)變）交變力脈沖力如循環(huán)受到拉/壓力如循環(huán)受到壓力*由某個(gè)正值減小為零的循環(huán)**彎矩/扭曲也適用第20頁,共26頁，2024年2月25日，星期天抗疲勞對策結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)材料選用加工過程后處理構(gòu)件加載狀態(tài)

基于以上斷裂分析，工程應(yīng)用中為提高疲勞壽命，通過減少裂紋數(shù)量，裂紋大小程度及減緩裂紋擴(kuò)展速度進(jìn)行對策第21頁,共26頁，2024年2月25日，星期天抗疲勞對策--結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免尖銳形狀，適當(dāng)增大過渡圓弧減少尺寸梯度原因：可減緩應(yīng)力梯度有利于減少加工過程造成的裂紋缺陷優(yōu)優(yōu)第22頁,共26頁，2024年2月25日，星期天抗疲勞對策--材料選用適用條件下選用屈服強(qiáng)度低（塑形好）的材料原因：屈服強(qiáng)度指標(biāo)低反應(yīng)材料晶體缺陷（位錯(cuò)）少，晶界裂紋少第23頁,共26頁，2024年2月25日，星期天抗疲勞對策--加工過程避免加工過程中造成微小裂紋或晶體位錯(cuò)增加切削加工采用鋒利刃具，小進(jìn)給量，恰當(dāng)?shù)臒崃總鬟f等措施，可減少加工過程的裂紋熱加工（熱鍛）及熱處理過程的微小裂紋或晶體位錯(cuò)控制第24頁,共26頁，2024年2月25日，星期天抗疲勞對策--加工后處理減少或消除表面受力部位微小裂紋