疲勞破壞

疲勞破壞疲勞

材料在循環(huán)應力和應變作用下，在一處或幾處逐漸產生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)產生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程。根據(jù)循環(huán)荷載的幅值和頻率，疲勞可以分為等幅疲勞、變幅疲勞和隨機疲勞;根據(jù)材料破壞前所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)(即壽命)以及疲勞荷載的應力水平，疲勞又可以分為高周疲勞、低周疲勞和亞臨界疲勞。

疲勞破壞疲勞壽命

疲勞破壞時所經(jīng)歷的應力、應變循環(huán)次數(shù)。

疲勞破壞疲勞極限

指定基數(shù)下的中值疲勞強度，對當循環(huán)基數(shù)為其他值時，稱為該循環(huán)基數(shù)下的條件疲勞極限，有時簡稱為該循環(huán)基數(shù)下的疲勞強度。

疲勞破壞疲勞累積損傷

譜荷載下疲勞損傷的積累。線性損傷時常用循環(huán)比的和表示，即D= ΣCi，其中Ci為第i級應力水平下的循環(huán)比。

疲勞破壞疲勞破壞準則

疲勞破壞時應力空間或應變空間破壞包絡面的數(shù)學表達式。可供工程中疲勞計算分析時使用，但它不解決對疲勞破壞的物理和力學機理的認識。

國內外情況與發(fā)展水平

國外的疲勞破壞研究工作在第二次世界大戰(zhàn)以后發(fā)展較快，具體表現(xiàn)主要有以下幾個方面:

①.應用電子顯微鏡、掃描電鏡等先進儀器介入疲勞機理研究。

②.通過對疲勞試驗現(xiàn)象分析剔除解釋和假說，但仍不能定量分析，多靠試驗 曲線分析。

③.疲勞累積損傷理論研究沒有顯著成效，估算疲勞壽命仍多用邁因納法則。

④.開展抗疲勞設計方法研究。

⑤.大量開展疲勞試驗，并進行疲勞故障分析。

⑥.特種疲勞問題研究領域擴展至腐蝕、微動磨損、隨機疲勞等方面。

國內相關研究起步較晚，上世紀50年代有科研單位開始一些疲勞試驗研究工作值60年代，研究取得一些進展并應用于解決生產問題。然后進入近二十年的停滯期，80年代研究重啟，現(xiàn)己有很多科研單位開始疲勞破壞研究。主要體現(xiàn)在:

①疲勞裂紋擴展方面工作較多。

②研究疲勞試驗數(shù)據(jù)處理方面取得較大進展，部分工作己達世界先進水平，尤其是航空航天結構壽命估計和壽命延長方面，有效保證了運行安全。

③疲勞失效分析、疲勞破壞機制等方面都有若干成果。

近20年來，我國在機械結構與材料疲勞破壞方面的理論、分析方法做了大量取得許多成績，但是，總的來講，研究水平與國外仍有一定差距。

任何材料都會發(fā)生疲勞破壞，因此在設計零部件及工程結構等時必須考慮到材料遭受疲勞破壞的時限，以免造成不必要的財產損失和人身傷亡事故。

對于鋼材，在疲勞破壞之前并沒有明顯的變形，是一種突然發(fā)生的斷裂，斷口平直，屬于反復荷載作用下的脆性破壞。

在荷載反復作用下，結構構件母材和連接缺陷處或應力集中部位形成微細的疲勞裂紋，并逐漸擴展以至最后斷裂的現(xiàn)象。它是一個累積損傷過程。結構細部構造、連接型式、應力循環(huán)次數(shù)、最大應力值和應力變化幅度(應力幅)是影響結構疲勞破壞的主要因素。疲勞破壞往往發(fā)生在名義應力小于材料抗拉強度甚至屈服點的情況。根據(jù)應力循環(huán)次數(shù)的范圍，疲勞破壞分成低周疲勞和高周疲勞二大類。

由疲勞的概念可知，疲勞破壞具有下列幾個方面的特點:

疲勞破壞擾動應力作用

擾動應力是指隨著時間發(fā)生變化的應力，也稱為擾動載荷，載荷可以是力、應變、位移等等。

疲勞載荷的分類如圖1所示。一個載荷譜在一個確定的時間間隔內呈現(xiàn)規(guī)律性的、相等幅頻的重復稱為周期，此類具有周期性交變特征的載荷稱作循環(huán)載荷。

疲勞破壞明顯的局部性

疲勞破壞往往產生于局部，局部性是疲勞失效的重要特征。因此，注意研究零部件的細節(jié)，尤其是應力應變集中處，盡力減小應力集中的發(fā)生，對提高零部件工作質量，延長構件壽命具有積極意義。

疲勞破壞一個發(fā)展過程

疲勞破壞是一個發(fā)展的過程。單就零部件疲勞破壞形式之一的斷裂來講，由疲勞裂紋產生到疲勞裂紋擴展，直至最后發(fā)生斷裂，這是一個疲勞損傷逐步累積的過程。由此可引出疲勞壽命的概念，疲勞壽命指的是疲累損傷累積過程中零部件所經(jīng)歷的時間，或者說載荷循環(huán)次數(shù)。

進行混凝土在單軸、雙軸、三軸等幅和變幅下的波動拉、波動壓、波動拉壓強度試驗，分析多軸應力下砼的疲勞破壞機理，并在分析試驗資料的基礎上，建立考慮混凝土單軸、多軸、等幅、變幅、波動拉、波動壓和波動拉壓狀態(tài)的統(tǒng)一疲勞破壞準則。為提高預應力混凝土橋梁、吊車梁、核安全殼和壓力容器等的疲勞強度設計水平提供試驗及理論依據(jù)。 2100433B

近二十年來，地球進入強震周期，金屬材料在超低周疲勞加載下的延性斷裂問題成為金屬結構領域的前沿熱點問題之一?！稄娬鹣陆饘俳Y構的超低周疲勞破壞》主要闡述金屬結構在地震等超大塑性循環(huán)加載下的延性破壞機理、理論分析模型、數(shù)值仿真模擬方法以及相關理論在金屬材料、構件、節(jié)點和結構層面的應用，是作者近10年來相關研究成果的薈萃。

《強震下金屬結構的超低周疲勞破壞》面向的讀者包括對金屬結構感興趣的本科生、研究生、研究鋼和鋁合金結構的研究人員，以及涉及循環(huán)大塑性加載相關應用的結構工程師。

1、微觀裂紋擴展階段

在循環(huán)加載下，由于物體內部微觀組織結構的不均勻性，在某些薄弱部位首先形成微觀裂紋，此后裂紋即沿著與主應力成45度角的最大剪切應力方向擴展。在此階段，裂紋長度大致在0.05毫米以內。若繼續(xù)加載，微觀裂紋就會發(fā)展成為宏觀裂紋。

2、宏觀裂紋擴展階段

裂紋基本上沿著與主應力垂直的方向擴展。借助電子顯微鏡可在斷口表面觀察到此階段中每一應力循環(huán)所遺留的疲勞條帶。

3、瞬時斷裂階段

當裂紋擴大到使物體殘存截面不足以抵抗外載荷時，物體就會在某一次加載下突然斷裂。