疲勞破壞疲勞破壞

任何材料都會(huì)發(fā)生疲勞破壞，因此在設(shè)計(jì)零部件及工程結(jié)構(gòu)等時(shí)必須考慮到材料遭受疲勞破壞的時(shí)限，以免造成不必要的財(cái)產(chǎn)損失和人身傷亡事故。

對(duì)于鋼材，在疲勞破壞之前并沒(méi)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(fù)荷載作用下的脆性破壞。

在荷載反復(fù)作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件母材和連接缺陷處或應(yīng)力集中部位形成微細(xì)的疲勞裂紋，并逐漸擴(kuò)展以至最后斷裂的現(xiàn)象。它是一個(gè)累積損傷過(guò)程。結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造、連接型式、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)、最大應(yīng)力值和應(yīng)力變化幅度(應(yīng)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(yīng)力小于材料抗拉強(qiáng)度甚至屈服點(diǎn)的情況。根據(jù)應(yīng)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(lèi)。

疲勞破壞疲勞

材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)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(guò)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(jī)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(yīng)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(shí)所經(jīng)歷的應(yīng)力、應(yīng)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(qiáng)度，對(duì)當(dāng)循環(huán)基數(shù)為其他值時(shí)，稱(chēng)為該循環(huán)基數(shù)下的條件疲勞極限，有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)為該循環(huán)基數(shù)下的疲勞強(qiáng)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(shí)常用循環(huán)比的和表示，即D= ΣCi，其中Ci為第i級(jí)應(yīng)力水平下的循環(huán)比。

疲勞破壞疲勞破壞準(zhǔn)則

疲勞破壞時(shí)應(yīng)力空間或應(yīng)變空間破壞包絡(luò)面的數(shù)學(xué)表達(dá)式?？晒┕こ讨衅谟?jì)算分析時(shí)使用，但它不解決對(duì)疲勞破壞的物理和力學(xué)機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

由疲勞的概念可知，疲勞破壞具有下列幾個(gè)方面的特點(diǎn):

疲勞破壞擾動(dòng)應(yīng)力作用

擾動(dòng)應(yīng)力是指隨著時(shí)間發(fā)生變化的應(yīng)力，也稱(chēng)為擾動(dòng)載荷，載荷可以是力、應(yīng)變、位移等等。

疲勞載荷的分類(lèi)如圖1所示。一個(gè)載荷譜在一個(gè)確定的時(shí)間間隔內(nèi)呈現(xiàn)規(guī)律性的、相等幅頻的重復(fù)稱(chēng)為周期，此類(lèi)具有周期性交變特征的載荷稱(chēng)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(xì)節(jié)，尤其是應(yīng)力應(yīng)變集中處，盡力減小應(yīng)力集中的發(fā)生，對(duì)提高零部件工作質(zhì)量，延長(zhǎng)構(gòu)件壽命具有積極意義。

疲勞破壞一個(gè)發(fā)展過(guò)程

疲勞破壞是一個(gè)發(fā)展的過(guò)程。單就零部件疲勞破壞形式之一的斷裂來(lái)講，由疲勞裂紋產(chǎn)生到疲勞裂紋擴(kuò)展，直至最后發(fā)生斷裂，這是一個(gè)疲勞損傷逐步累積的過(guò)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(guò)程中零部件所經(jīng)歷的時(shí)間，或者說(shuō)載荷循環(huán)次數(shù)。

國(guó)內(nèi)外情況與發(fā)展水平

國(guó)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(gè)方面:

①.應(yīng)用電子顯微鏡、掃描電鏡等先進(jìn)儀器介入疲勞機(jī)理研究。

②.通過(guò)對(duì)疲勞試驗(yàn)現(xiàn)象分析剔除解釋和假說(shuō)，但仍不能定量分析，多靠試驗(yàn) 曲線分析。

③.疲勞累積損傷理論研究沒(méi)有顯著成效，估算疲勞壽命仍多用邁因納法則。

④.開(kāi)展抗疲勞設(shè)計(jì)方法研究。

⑤.大量開(kāi)展疲勞試驗(yàn)，并進(jìn)行疲勞故障分析。

⑥.特種疲勞問(wèn)題研究領(lǐng)域擴(kuò)展至腐蝕、微動(dòng)磨損、隨機(jī)疲勞等方面。

國(guó)內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，上世紀(jì)50年代有科研單位開(kāi)始一些疲勞試驗(yàn)研究工作值60年代，研究取得一些進(jìn)展并應(yīng)用于解決生產(chǎn)問(wèn)題。然后進(jìn)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(kāi)始疲勞破壞研究。主要體現(xiàn)在:

①疲勞裂紋擴(kuò)展方面工作較多。

②研究疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方面取得較大進(jìn)展，部分工作己達(dá)世界先進(jìn)水平，尤其是航空航天結(jié)構(gòu)壽命估計(jì)和壽命延長(zhǎng)方面，有效保證了運(yùn)行安全。

③疲勞失效分析、疲勞破壞機(jī)制等方面都有若干成果。

近20年來(lái)，我國(guó)在機(jī)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(jī)，但是，總的來(lái)講，研究水平與國(guó)外仍有一定差距。

進(jìn)行混凝土在單軸、雙軸、三軸等幅和變幅下的波動(dòng)拉、波動(dòng)壓、波動(dòng)拉壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析多軸應(yīng)力下砼的疲勞破壞機(jī)理，并在分析試驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上，建立考慮混凝土單軸、多軸、等幅、變幅、波動(dòng)拉、波動(dòng)壓和波動(dòng)拉壓狀態(tài)的統(tǒng)一疲勞破壞準(zhǔn)則。為提高預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁、吊車(chē)梁、核安全殼和壓力容器等的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)水平提供試驗(yàn)及理論依據(jù)。 2100433B

近二十年來(lái)，地球進(jìn)入強(qiáng)震周期，金屬材料在超低周疲勞加載下的延性斷裂問(wèn)題成為金屬結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)問(wèn)題之一。《強(qiáng)震下金屬結(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(jī)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(diǎn)和結(jié)構(gòu)層面的應(yīng)用，是作者近10年來(lái)相關(guān)研究成果的薈萃。

《強(qiáng)震下金屬結(jié)構(gòu)的超低周疲勞破壞》面向的讀者包括對(duì)金屬結(jié)構(gòu)感興趣的本科生、研究生、研究鋼和鋁合金結(jié)構(gòu)的研究人員，以及涉及循環(huán)大塑性加載相關(guān)應(yīng)用的結(jié)構(gòu)工程師。

1、微觀裂紋擴(kuò)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(yīng)力成45度角的最大剪切應(yīng)力方向擴(kuò)展。在此階段，裂紋長(zhǎng)度大致在0.05毫米以?xún)?nèi)。若繼續(xù)加載，微觀裂紋就會(huì)發(fā)展成為宏觀裂紋。

2、宏觀裂紋擴(kuò)展階段

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

3、瞬時(shí)斷裂階段

當(dāng)裂紋擴(kuò)大到使物體殘存截面不足以抵抗外載荷時(shí)，物體就會(huì)在某一次加載下突然斷裂。