疲劳破坏
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发布时间：2022-10-19 20:53
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时间：2024-11-04 03:13
一、交变应力
交变应力也称疲劳应力，是指随时间作周期性变化的应力。如图6-1所示，其中各种符号的含义如下：
图6-1 交变应力各参数示意图
σmax：最大应力；σmin：最小应力；σm：平均应力；σa：应力幅。
各参数关系如下：
岩石断裂与损伤
σmax=σm+σa
σmin=σm-σa
定义：R=σmin/σmax为应力比（也称循环特性）。当R=-1时，称对称循环；当R=0时，称脉冲循环；当R=1时，为静载荷。
二、疲劳强度设计方法
传统的设计方法，最早期是无限寿命设计，要求构件在无限长的使用期内不发生破坏。这种设计是按照疲劳强度条件设计的。后来对某些构件采用“安全寿命”设计，即要求在一定的使用范围内，不发生疲劳裂纹。这种设计后来成为评价材料疲劳强度的传统方法，即在一定的外加交变载荷下，测定无裂纹光滑试件的断裂循环次数，由下式进行设计：
岩石断裂与损伤
σ-1为材料的疲劳极限或持久极限。在对称循环下用小尺寸光滑试件在专用疲劳试验机上测得，是指试件经过无数次（一般大于107次）应力循环而不发生破坏的最大应力值。它与构件的尺寸、表面加工质量、应力集中程度有关。nσ为大于1的安全系数。
传统的疲劳设计没有考虑物体或零件在加工使用中表面或内部存在裂纹或缺陷，而带裂纹或类似裂纹的物体在承受交变应力时，即使工作应力远低于材料的疲劳极限也可能产生裂纹扩展，从而使物体断裂。为此需运用断裂力学的观点研究“破损安全”的设计方法，即：假定物体是带裂纹体，容许其在交变应力作用下，在一段时间内裂纹可以有所扩展，但未达到断裂，因而不影响物体可靠的工作。对于这种设计必须掌握材料疲劳裂纹扩展特征，才能使设计获得预期的安全效果。
为了减轻结构的重量，设计上愈来愈多地采用高强度和超高强度材料。这类材料的断裂韧度一般随着材料的屈服强度的增高面逐渐下降，从而使脆性破坏的裂纹临界尺寸减小。因此必须解决这类材料制成的构件的疲劳剩余寿命的估算问题。所以研究材料疲劳裂纹扩展规律是设计和使用材料方面给材料的力学性能研究提出的新课题，也是断裂力学在工程应用方面的一个重要内容。由于构件在加工制造和使用过程中，裂纹的出现是不可避免的，用断裂力学来研究裂纹扩展特性，是对传统疲劳试验和分析方法的重要补充和发展。
三、疲劳破坏的过程
疲劳总是在应力最高、强度最弱的局部位置上形成。对于一般构件来说，机械加工的切削痕、阶梯部分、圆孔部分及内表面夹杂物等应力集中处，是疲劳裂纹首先发生的地方。由于材料结构及工作条件不同，疲劳裂纹的形成方式也不同。常见的有夹杂物与基体界面开裂、滑移带开裂、晶界开裂等方式。一般情况下疲劳破坏的过程可分为四个不同阶段。
1.裂纹成核阶段
交变应力→滑移→金属的挤出和挤入→形成微裂纹的核（一般出现于零件表面）。
2.微观裂纹扩展阶段
微裂纹沿滑移面扩展，这个面是与正应力轴成45°的切应力作用面，许多滑移线形成滑移带，沿滑移带形成裂纹，此阶段裂纹的扩展速率是缓慢的，每循环一般为10-5mm，裂纹尺寸小于0.05mm。
3.宏观裂纹扩展阶段
裂纹扩展方向与拉应力垂直，为单一裂纹扩展，裂纹尺寸从0.05mm扩展至临界尺寸ac，扩展速率为每循环10-3mm。
4.断裂阶段
当裂纹扩展至临界尺寸ac时，产生失稳而很快断裂。
工程上一般规定0.1～0.2mm贯穿裂纹为宏观裂纹；0.2～0.5mm，深0.15mm表面裂纹为宏观裂纹。
宏观裂纹扩展阶段对应的循环因数——裂纹扩展寿命（Np）。宏观裂纹扩展以前阶段对应的循环因数——裂纹形成寿命（Ni）。
四、高周疲劳和低周疲劳
工程上常遇到高周疲劳与低周疲劳的概念。
1.高周疲劳
当构件所受的应力较低，疲劳裂纹在弹性区内扩展，裂纹扩展至断裂所经历的应力循环周期N较高，或裂纹的疲劳寿命较长，称为高周疲劳。高周疲劳也称为应力疲劳。N称为失效周期或疲劳寿命。
2.低周疲劳
当构件所受的局部应力已超过材料的屈服强度，形成较大的塑性区，裂纹在塑性区中扩展，裂纹扩展所经历的循环周期较低，或裂纹的疲劳寿命较短，称为低周疲劳。低周疲劳也称为应变疲劳或塑性疲劳。低周疲劳总的寿命近似等于裂纹扩展寿命，因此在低周疲劳设计中主要考虑裂纹扩展寿命。工程中一般规定N≤104的疲劳为低周疲劳。
五、构件的疲劳设计
1.总寿命法
首先测定S-N曲线（S为交变应力，N为应力循环周次）。
经典的疲劳设计方法是用循环应力范围（S-N）曲线法或塑性总应变法来描述导致疲劳破坏的总寿命。
在这些方法中通过控制应力幅或应变幅来获得初始无裂纹的实验室试样产生疲劳破坏所需的应力循环数和应变循环数：
N=Ni+Np（Ni形成寿命，Np扩展寿命）
2.损伤容限法（疲劳设计的断裂力学方法）
允许构件在使用期内出现裂纹，但必须具有足够的裂纹亚临界扩展寿命，以保证在使用期内裂纹不会失稳扩展而导致构件破坏。
疲劳寿命定义为从某一裂纹尺寸扩展至临界尺寸的裂纹循环数。
