波音飞机多次失事，祸起金属疲劳，你了解疲劳基本理论吗?

• 静力破坏是一次最大载荷作用下的破坏；疲劳破坏是多次反复载荷作用下产生的破坏，它不是短期内发生的。
  
  
• 当静应力小于屈服极限或强度极限时，不会发生静力破坏；而交变应力在远小于静强度极限，甚至小于屈服极限的情况下，疲劳破坏就可能发生。
  
  
• 静力破坏通常有明显的塑性变形产生；疲劳破坏通常没有外在宏观的显著塑性变形迹象，即便是塑性良好的金属也这样，就象脆性破坏一样，事先不易觉察出来，这表明疲劳破坏具有更大的危险性。
  
  
• 在静力破坏的断口上，通常只呈现粗粒状或纤维状特征；而在疲劳破坏的断口上，总是呈现两个区域特征，一部分是平滑的，另一部分是粗粒状或纤维状。因为疲劳破坏时，首先在某一点产生微小的裂纹，其起点叫“疲劳源”，裂纹从疲劳源开始，逐渐向四周扩展。由于反复变形，裂开的两个面时而挤紧，时而松开，这样反复摩擦，形成一个平滑区域。在交变载荷继续作用下，裂纹逐渐扩展，承载面积逐渐减少，当减少到材料或构件的静强度不足时，就会在某一载荷作用下突然断裂，其断裂面呈粗粒状或纤维状。
  
  
• 静力破坏的抗力主要取决于材料本身；而疲劳破坏的抗力与材料的组成、构件的形状或尺寸、表面状况、使用条件以及外界环境都有关系。

三、疲劳破坏基本知识

疲劳失效的三个阶段

 2疲劳载荷的简单描述

maximum load = Pmax

minimum load  = Pmin

load range  DP  = Pmax - Pmin

load amplitude Pa =  ΔP/2    （载荷振幅）

(also called alternating load)

mean load  Pm  =  (Pmax Pmin)/2

load ratio   R  =  (Pmax)/(Pmin)    (载荷比 循环特征)

amplitude ratio A = (Pa)/(Pm)    （振幅比）

载荷比 R=0和 R=-1时的疲劳载荷

Zero based vs Fully reversed

耐久曲线

（可对载荷幅值和循环次数都取常用对数log10）

疲劳测试结果

四、疲劳数据的推广

• 使常数幅值的耐久曲线用于分析复杂的载荷历程；
  
  
• 从光滑试件测得的耐久曲线用于不同形状的零件上；
  
  
• 从一种材料测得的耐久曲线用于计算另一种材料的疲劳寿命，并且如果可能的话，不用进行疲劳试验就可估算材料的疲劳特性。

 1复杂载荷分析

两部分常数幅值载荷组成的载荷历程

• 如果载荷只是由前页较大幅值Pa1 组成，可从耐久曲线图(a) 中得到，当循环次数n1 等于破坏时的循环次数N1时，零件发生破坏。显然，此时n1/N1=1。同理，如果载荷只是由前页较小幅值Pa2 组成，由图(b)有，破坏时n2/N2=1。
  
  
• 要计算组合载荷作用下的寿命。假设各种幅值的载荷单独作用，则当n/N=1时发生破坏。
  
  
• 对于两种载荷组合，则当n1/N1 n2/N2=1 时，零件发生破坏。
  
  
• 对于更加复杂的载荷，其中有多种不同的幅值，发生疲劳破坏的条件为：

实例：

载荷组成：

• 10 cycles of a load amplitude 100 kN
  
  
• 2000  cycles of a load amplitude 10 kN

弯曲中测得的大、小试件在靠近表面处承受较大应力的材料的体积

• 表面质量：打磨、车加工、轧制 、铸造、锻压。
  
  
• 表面处理：电镀或包层。
  
  
• 由于装配过程或喷丸硬化、滚压等特殊处理引入的残余应力。
  
  
• 运用环境：腐蚀性气体、盐水腐蚀和使用温度。
  
  
• 接触面间的微振磨损。

五、疲劳分析基本方法

• 真实的局部应力幅和耐久性之间的关系：
  
• 真实的局部应变幅和耐久性之间的关系：

• Smith-Watson-Topper 平均应力修正：

• Morrow’s平均应力修正：

• 不进行平均应力修正：

• 应力范围 Smax-Smin
  
  
• 应力幅 (Smax-Smin)/2
  
  
• 平均应力 (Smax Smin)/2