疲劳基础理论

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疲劳与断裂是引起工程结构失效的主要原因之一，结构材料在重复荷载作用下将会发生低于静载强度的脆性破坏，在设计时须考虑疲劳强度问题。19世纪以来对疲劳破坏的研究，在疲劳现象的观察、疲劳寿命的预测和疲劳设计等方面积累了丰富的知识。20世纪50年代断裂力学的发展，进一步促进了疲劳裂纹扩展规律及失效控制的研究。

疲劳断裂破坏的严重性

1936年比利时，比阿尔拜特运河上全焊桥，设计不合理；有严重应力集中；施工质量差，在-20℃低温下发生典型脆断。
1951年加拿大， 6个55m和 2个45.8m跨度钢桥，曾出现裂纹并经过局部修补，在－35℃低温下断成数截。
1962年澳大利亚，钢梁桥，钢材含碳量高，焊接性较差，断面变化急骤，从应力集中处发生脆断。
1965年英国，北海油田钻井架，升降连接杆处有气切火口裂纹，钢材试验冲击值低，在3℃时开裂。
1967年美国，普莱森特角悬索桥，一吊杆耳环发生裂纹并扩展，造成吊杆断裂，从而引发三跨桥梁在60秒内倒塌。

什么是疲劳

美国试验与材料协会（ASTM）在“疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义”中所作的定义：

在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程。

上述定义指出疲劳问题具有以下特点：

1）只有在承受扰动应力作用下疲劳才会发生

扰动应力指随时间变化的应力，更一般地，也可称之为扰动荷载，可以是力、应力、位移、应变等。

描述荷载和时间变化关系的图表称为荷载谱。类似地还有应力谱、应变谱、位移谱、加速度谱等。

最简单的荷载循环是恒幅应力循环，描述一个应力循环至少需要两个参量

工程中常用的参量：

最大循环应力

和最小循环应力

应力变程：

应力幅：

平均应力：

应力比：

应力比R反映了循环特点，

，对称循环；

，脉动循环；

，静荷载。

上述参量Smax, Smin, ΔS, Sa, Sm, R, 已知其中任意两个即可确定循环应力水平。

工程设计时一般采用最大循环应力

和最小循环应力

，较直观。

实验时一般采用平均应力

和应力幅

，便于操作。

分析时一般采用应力幅

和应力比

，便于按循环特性分类。

循环频率和波形对材料疲劳特性的影响是次要的

2）疲劳破坏起源于高应力或高应变的局部

与静载破坏不同，疲劳破坏由应力或应变较高的局部开始，形成损伤并逐渐积累，最终导致破坏。局部性是疲劳的明显特点。构件的应力集中处通常是疲劳破坏的起源。

3）疲劳破坏是在足够多次扰动荷载作用后发生

足够多次扰动荷载作用后，从高应力或高应变的局部开始形成裂纹（起始裂纹），裂纹在扰动荷载作用下进一步扩展直至达到临界尺寸而破坏。裂纹的萌生—扩展—断裂是疲劳破坏的三个阶段。

4）疲劳是一个发展过程

结构一开始使用，在扰动应力的作用下就进入了疲劳的发展过程。裂纹的萌生和扩展是这一发展过程中不断形成的损伤积累的结果。这一过程所经历的时间或扰动荷载作用次数称为寿命。寿命依赖于荷载水平、扰动荷载作用次数和材料抵抗疲劳破坏的能力。

结构的疲劳寿命由裂纹的萌生—扩展—断裂三个阶段的寿命组成，通常裂纹失稳扩展寿命可忽略，总寿命为裂纹萌生和稳定扩展两部分寿命之和。

在某些情况下只须考虑裂纹起始萌生或扩展寿命，例如高强度脆性材料，断裂韧性低，一旦出现裂纹就会破坏，扩展寿命可忽略，因此，焊接构件在制造过程中不可避免地引入裂纹或缺陷，无起始寿命。

疲劳破坏机理和断口特征

疲劳裂纹的断口特征主要有：

1）有裂纹源、疲劳裂纹扩展区和最后断裂区

2）裂纹扩展区断面较光滑平整，通常有“海滩条”，有腐蚀痕迹在荷载作用下裂纹以不同速率扩展而在断面上留下的痕迹，裂纹的两个表面在扩展过程中不断张合摩擦，使断口较光滑平整。

3）裂纹通常出现在高应力区或材料缺陷处

裂纹源可以是一个，也可以是多个，起源位置在高应力区。

4）即使是延性材料也没有明显的塑性变形

疲劳破坏与静载破坏的比较

疲劳破坏	静载破坏

破坏是局部损伤积累的结果	破坏瞬间发生
断口光滑，有海滩条带有裂纹源、扩展区、瞬断区	断口粗糙，无磨损及腐蚀痕迹
无明显塑性变形	韧性材料塑性变形明显