力学仿真笔记——疲劳基础知识

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。

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）裂纹源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

裂纹起源于高应力处，一般两种部位将出现高应力

1）应力集中处。材料中的缺陷、夹杂，或构件中的孔、切口，焊趾等处将引起应力集中。

2）构件表面。如表面加工痕迹、环境腐蚀等。同时构件表面处于平面应力状态，有利于塑性滑移的进行。

在高应力作用下，材料中易滑移平面如于最大剪应力方位一致，则将发生滑移。

材料在较大荷载作用下将发生粗滑移，在较小循环荷载下发生细滑移。

 粗滑移

细滑移

在循环应力作用下，材料表面发生滑移带“挤出”和“凹入”，进一步形成应力集中，导致微裂纹产生。