疲勞破壞基本信息

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(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)產(chǎn)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。

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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)細部構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(chǎn)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(zhì)量，延長構(gòu)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(chǎn)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)。

國內(nèi)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(lǐng)域擴展至腐蝕、微動磨損、隨機疲勞等方面。

國內(nèi)相關(guān)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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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。

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(jié)構(gòu)領(lǐng)域的前沿熱點問題之一?！稄娬鹣陆饘俳Y(jié)構(gòu)的超低周疲勞破壞》主要闡述金屬結(jié)構(gòu)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(guān)理論在金屬材料、構(gòu)件、節(jié)點和結(jié)構(gòu)層面的應用，是作者近10年來相關(guān)研究成果的薈萃。

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1、微觀裂紋擴展階段

在循環(huán)加載下，由于物體內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)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(nèi)。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。