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1、第一章緒論第一節(jié)什么是疲勞？1現(xiàn)象：鐵絲反復折斷2定義：美國試驗與材料協(xié)會（ASTM）在“疲勞試驗及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析之有關術語的標準定義”（ASTME206-72）中規(guī)定：在某點或某些點承受交變應力且在足夠多的循環(huán)擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中發(fā)生的局部的永久結構變化的發(fā)展過程，稱為疲勞。3疲勞問題的特點Ⅰ只有在承受交變應力作用的條件下，疲勞才會發(fā)生。隨時間交替變化的應力，也可稱為擾動載荷。變化可以是有規(guī)則的，也可以是不規(guī)則的，甚至是隨機的。Ⅱ疲勞破壞起源于高應力或高應變的，一般是幾何形狀變化或材料缺陷等引起應力
2、集中的局部細節(jié)；Ⅲ疲勞破壞是在足夠多次的交變載荷作用后，形成裂紋或完全斷裂的現(xiàn)象。Ⅳ疲勞是一個發(fā)展的過程。劃分成三個階段：裂紋萌生（起始）擴展斷裂注：在疲勞分析中經常用到的參數(shù)應力范圍：應力幅值：平均應力：應力比：反映循環(huán)特性當時，對稱循環(huán)當時，脈動循環(huán)當時，靜載荷4疲勞研究的目的1）疲勞壽命：從結構開始使用到裂紋萌生，擴展并最后斷裂，這個過程所經歷的時間或交變載荷作用次數(shù)，稱為“壽命”。它取決于載荷水平作用次數(shù)或時間及原材料抵抗疲勞破壞的能力。2）目的：研究壽命預報的方法Ntotal=Ninitiation+Npr
3、opagationNinitiation：起始壽命，由應力－壽命關系，應變－壽命關系Npropagation：擴展壽命，由斷裂力學方法第二節(jié)疲勞破壞機理1斷口的宏觀特征<1>有裂紋源、疲勞裂紋擴展區(qū)和最后斷裂區(qū)三個部分；<2>裂紋擴展區(qū)斷面較光滑、平整，通常可見“海灘條帶”，有腐蝕痕跡；<3>裂紋源通常在高應力局部或材料缺陷處；<4>與靜載破壞相比,即使是延性材料也沒有的明顯的塑性變形；<5>工程實際中的表面裂紋一般稱半橢圓形。2疲勞裂紋萌生機理金屬大多是多晶體，各晶粒有各自不同的排列方位。在高應力作用下，材料晶粒中
4、易滑移平面的方位若與最大作用剪應力一致，則將發(fā)生滑移?；瓶梢栽趩握{載荷下發(fā)生，也可以在循環(huán)載荷下發(fā)生。在較大載荷作用下發(fā)生粗滑移和在較小的循環(huán)載荷作用下發(fā)生細滑移。在循環(huán)載荷作用下，材料表面發(fā)生滑移帶“擠出”和“凹入”，進一步形成應力集中，導致微裂紋產生。應當注意，滑移主要是在晶粒內進行的。深度大于幾個微米的少數(shù)幾條滑移帶穿過晶粒，稱為“持久滑移帶”，微裂紋正是由這些持久滑移帶發(fā)展而成的?；茙У陌l(fā)展過程與施加的載荷及循環(huán)次數(shù)有關，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滑移線越來越密集，越來越粗。3疲勞裂紋擴展機理疲勞裂紋在高應力處
5、由持久滑移帶萌生，是由最大剪應力控制的。形成的微裂紋與最大剪應力方向一致。在循環(huán)載荷作用下，由持久滑移帶形成的微裂紋沿45度最大剪應力作用面繼續(xù)擴展或相互連接。此后，有少數(shù)幾條裂紋達到幾十微米的長度，逐步匯聚成一條主裂紋，并由沿最大剪應力面擴展逐步轉向沿垂直于載荷作用線的最大拉應力面擴展。裂紋沿45度最大剪應力面的擴展是第1階段的擴展，在最大拉應力面內的擴展是第2階段的擴展。從第1階段向第2階段轉變所對應的裂紋尺寸主要取決于材料和作用應力的大小，但通常都在0.05mm內，只有幾個晶粒的尺寸。第1階段裂紋擴展的尺寸雖小
6、，對壽命的貢獻卻很大，對于高強度材料，尤其如此。與第1階段相比，第2階段的裂紋擴展較便于觀察。Laird直接觀察了循環(huán)應力作用下延性材料中裂紋尖端幾何形狀的改變，提出了描述疲勞裂紋擴展的“塑性鈍化模型”，如圖所示。（a）給出了循環(huán)開始時的裂紋尖端形狀；隨著循環(huán)應力的增加，裂紋逐步張開，裂尖材料由于應力集中而沿最大剪應力方向滑移（b）；應力進一步增大，裂紋充分張開，裂尖鈍化成半圓形，開創(chuàng)出新的表面（c）；卸載時已張開的裂紋要收縮，但新開創(chuàng)的裂紋面卻不能消失，將在卸載引入的壓應力作用下失穩(wěn)而在裂紋尖端形成凹槽形（d）；最
7、后，在最大循環(huán)壓應力作用下，又成為尖裂紋，但其長度已增加了一個小長度（e）。下一個循環(huán)，裂紋又張開、鈍化、擴展、銳化，重復上述過程。這樣，每一個應力循環(huán)，將在裂紋面上留下一條痕跡。第三節(jié)疲勞斷裂研究方法疲勞斷裂問題需要研究載荷譜、裂紋萌生及擴展規(guī)律、構件細節(jié)應力分析，疲勞壽命預測和抗疲勞設計方法，等等。一方面，由于涉及因素多，問題復雜，難以找到解析的、普遍的壽命預報方法；另一方面，工程應用的需求迫切。因此，研究問題時必須抓住主要因素，建立簡化模型，逐步深化認識。例如，對于載荷譜，先研究恒幅循環(huán)載荷的最簡單情況，再考慮
8、變幅載荷下的累積損傷，最后考慮隨機載荷。對于裂紋萌生及擴展規(guī)律，則先研究不含有缺陷的光滑材料在恒幅循環(huán)載荷作用下的裂紋萌生規(guī)律，給出應力-壽命、應變-壽命以及不引發(fā)裂紋的疲勞極限等的基本關系，在討論應用于構件時所需要進行的必要的修正，建立裂紋萌生壽命估算方法，滿足無限壽命設計、安全壽命設計的要求。再討論含有裂紋材料的斷裂和疲勞裂紋擴展規(guī)律，研究
