《疲勞強度研究》課件

疲勞強度研究目錄1基礎(chǔ)與影響因素疲勞定義、特征、過程與重要性2測試方法與理論標準試驗、S-N曲線、疲勞極限確定3設(shè)計與提高方法設(shè)計準則、強度校核、表面處理4特殊情況與前沿研究第一章：疲勞強度基礎(chǔ)認識疲勞現(xiàn)象材料在循環(huán)載荷作用下的性能退化掌握疲勞特征斷口特征、裂紋擴展規(guī)律理解疲勞過程萌生、擴展、斷裂三階段明確研究意義1.1疲勞的定義科學(xué)定義材料在循環(huán)載荷作用下逐漸損傷，最終導(dǎo)致斷裂的過程關(guān)鍵特點載荷低于材料強度極限，反復(fù)作用，累積損傷發(fā)生條件1.2疲勞破壞的特征貝殼紋斷口表面呈現(xiàn)同心環(huán)狀花紋，標志裂紋擴展路徑疲勞源裂紋起始點，通常位于應(yīng)力集中處瞬斷區(qū)最終快速斷裂區(qū)域，表面粗糙不平無明顯塑性變形1.3疲勞破壞的過程裂紋萌生微觀滑移帶形成，表面微裂紋產(chǎn)生裂紋擴展穩(wěn)態(tài)擴展階段，形成貝殼紋快速斷裂剩余截面承載能力不足，瞬間斷裂1.4疲勞強度的重要性工程安全90%機械失效與疲勞有關(guān)經(jīng)濟影響疲勞失效造成巨大經(jīng)濟損失人身安全突發(fā)性斷裂威脅人員生命設(shè)計依據(jù)合理設(shè)計需準確評估疲勞性能第二章：疲勞強度影響因素材料因素材料成分、組織結(jié)構(gòu)、熱處理狀態(tài)幾何因素構(gòu)件形狀、尺寸、表面狀態(tài)、缺口效應(yīng)載荷因素載荷類型、應(yīng)力幅值、頻率、波形環(huán)境因素溫度、濕度、腐蝕介質(zhì)、輻射條件2.1材料因素化學(xué)成分元素類型與含量影響疲勞性能微觀組織晶粒大小、相組成與分布影響裂紋擴展熱處理狀態(tài)淬火、回火、退火等改變材料疲勞性能強度特性抗拉強度與疲勞極限通常正相關(guān)2.2幾何因素尺寸效應(yīng)構(gòu)件尺寸增大，疲勞強度降低體積增大含缺陷概率提高大尺寸構(gòu)件應(yīng)力梯度較小缺口效應(yīng)應(yīng)力集中降低疲勞強度缺口半徑越小影響越大缺口敏感性隨材料不同而變化表面質(zhì)量表面粗糙度影響裂紋萌生表面劃痕成為裂紋源加工方法影響表面殘余應(yīng)力2.3載荷因素應(yīng)力幅值應(yīng)力幅值增大，疲勞壽命減小遵循S-N曲線規(guī)律低周與高周疲勞機制不同應(yīng)力比平均應(yīng)力影響疲勞壽命拉伸平均應(yīng)力降低疲勞強度壓縮平均應(yīng)力提高疲勞強度載荷頻率頻率影響熱效應(yīng)與時間效應(yīng)高頻可引起溫度升高低頻延長試驗時間2.4環(huán)境因素溫度影響高溫降低疲勞強度，低溫可能導(dǎo)致脆性斷裂腐蝕介質(zhì)電化學(xué)反應(yīng)加速裂紋擴展，顯著降低疲勞極限濕度因素濕度促進氫脆和表面氧化，降低疲勞性能輻射環(huán)境中子輻射引起材料脆化，降低疲勞壽命第三章：疲勞強度測試方法試驗準備樣品制備、參數(shù)設(shè)定、設(shè)備校準標準試驗軸向、彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞試驗數(shù)據(jù)采集載荷、變形、溫度等參數(shù)記錄結(jié)果分析S-N曲線繪制、疲勞極限確定3.1標準試驗方法軸向疲勞試驗拉壓交變載荷應(yīng)力狀態(tài)簡單適合各類材料彎曲疲勞試驗旋轉(zhuǎn)彎曲最常用平面彎曲簡單易行三點四點彎曲常見扭轉(zhuǎn)疲勞試驗扭矩循環(huán)變化適合軸類零件剪切應(yīng)力為主3.2S-N曲線鋼材應(yīng)力(MPa)鋁合金應(yīng)力(MPa)3.3疲勞極限的確定階梯法根據(jù)前次結(jié)果調(diào)整應(yīng)力水平概率法確定特定失效概率的應(yīng)力水平極限外推法通過S-N曲線外推確定極限3.4疲勞壽命的預(yù)測基于S-N曲線利用標準試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合使用條件進行預(yù)測累積損傷計算應(yīng)用線性損傷累積理論評估壽命統(tǒng)計概率分析考慮壽命分散性，給出可靠度預(yù)測計算機模擬有限元分析結(jié)合壽命模型進行預(yù)測第四章：疲勞強度理論1早期經(jīng)驗公式19世紀末工程經(jīng)驗總結(jié)2線性累積損傷20世紀30年代Miner提出3應(yīng)力-壽命法20世紀中期廣泛應(yīng)用4斷裂力學(xué)方法20世紀70年代發(fā)展成熟4.1線性累積損傷理論Miner準則D=Σ(n_i/N_i)，失效時累積損傷等于1損傷獨立性假設(shè)各應(yīng)力水平損傷相互獨立累加工程適用性計算簡便，工程中廣泛應(yīng)用局限性忽略載荷順序效應(yīng)，精度有限4.2應(yīng)力-壽命方法基本假設(shè)應(yīng)力幅值與壽命對數(shù)呈線性關(guān)系S=A·N^bBasquin方程描述高周疲勞區(qū)域應(yīng)力-壽命關(guān)系σ_a=σ'_f·(2N_f)^b平均應(yīng)力修正多種修正模型適用不同材料Goodman修正Gerber修正Soderberg修正4.3應(yīng)變-壽命方法優(yōu)勢考慮局部塑性變形適用低周疲勞描述循環(huán)軟化硬化Coffin-Manson方程塑性應(yīng)變幅與壽命關(guān)系Δε_p/2=ε'_f·(2N_f)^c總應(yīng)變方程彈性與塑性應(yīng)變貢獻Δε/2=σ'_f/E·(2N_f)^b+ε'_f·(2N_f)^c4.4斷裂力學(xué)方法基本原理研究含裂紋構(gòu)件的疲勞行為Paris定律da/dN=C·(ΔK)^m，描述裂紋擴展速率應(yīng)力強度因子K=Y·σ·√(πa)，表征裂尖應(yīng)力場門檻值與臨界值K_th以下不擴展，K_IC以上快速斷裂第五章：疲勞強度設(shè)計確定載荷譜分析實際工作載荷特性選擇設(shè)計準則基于無限壽命或安全壽命強度校核驗證設(shè)計滿足疲勞要求優(yōu)化迭代改進設(shè)計降低疲勞風(fēng)險5.1設(shè)計準則無限壽命設(shè)計工作應(yīng)力低于疲勞極限適合長期服役結(jié)構(gòu)保守設(shè)計，結(jié)構(gòu)冗余大安全壽命設(shè)計預(yù)測壽命超過使用要求適合定期檢修更換零件材料利用率高，經(jīng)濟性好失效安全設(shè)計容許局部失效不引起整體崩潰多通道冗余設(shè)計適合高安全性要求場合5.2安全系數(shù)的選擇1.0-1.5低安全系數(shù)載荷精確可控，材料性能穩(wěn)定，后果輕微1.5-2.5中安全系數(shù)載荷有波動，環(huán)境影響小，后果可控2.5-4.0高安全系數(shù)載荷不確定，惡劣環(huán)境，失效后果嚴重5.3疲勞強度校核載荷分析確定實際應(yīng)力狀態(tài)強度計算考慮各影響因素修正安全裕度評估計算安全系數(shù)是否滿足要求驗證確認必要時通過試驗驗證計算結(jié)果5.4疲勞壽命估算標稱應(yīng)力法基于S-N曲線直接估算壽命局部應(yīng)力應(yīng)變法考慮塑性變形，適用于缺口部位斷裂力學(xué)法基于裂紋擴展計算剩余壽命雨流計數(shù)法分析隨機載荷譜對壽命影響第六章：疲勞強度提高方法設(shè)計優(yōu)化消除應(yīng)力集中，合理結(jié)構(gòu)布局材料選擇使用高疲勞性能材料，優(yōu)化熱處理表面處理提高表面質(zhì)量，引入壓應(yīng)力環(huán)境保護防腐涂層，溫度控制，應(yīng)力隔離6.1材料選擇與處理高強度材料高強度鋼鈦合金高強鋁合金合金元素影響Cr提高耐蝕性Mo提高高溫性能V細化晶粒熱處理工藝淬火+回火表面淬火時效處理6.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計減小應(yīng)力集中避免尖角設(shè)計增大過渡圓角優(yōu)化截面變化減小應(yīng)力波動提高結(jié)構(gòu)剛度增設(shè)加強筋優(yōu)化支撐布局連接處優(yōu)化合理設(shè)計焊接接頭避免應(yīng)力集中優(yōu)化螺栓連接6.3表面處理技術(shù)噴丸強化引入表面壓應(yīng)力，抑制裂紋萌生激光沖擊強化高能激光產(chǎn)生壓應(yīng)力，強化深度大滾壓強化改善表面粗糙度，增加硬度表面硬化滲碳、滲氮提高表面硬度6.4殘余應(yīng)力控制1壓應(yīng)力有益抑制裂紋擴展，提高疲勞強度拉應(yīng)力有害促進裂紋萌生與擴展，降低疲勞壽命低溫處理減小內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定組織振動時效通過振動釋放內(nèi)應(yīng)力第七章：特殊環(huán)境下的疲勞強度高溫環(huán)境蠕變與疲勞交互作用低溫環(huán)境脆性斷裂風(fēng)險增加腐蝕環(huán)境材料腐蝕疲勞加速7.1高溫疲勞蠕變-疲勞交互時間依賴變形與循環(huán)載荷共同作用保持時間影響應(yīng)力保持階段加劇材料損傷熱機械疲勞溫度與載荷同時循環(huán)變化更為嚴苛耐熱材料選擇鎳基高溫合金，耐熱鋼，陶瓷材料7.2低溫疲勞低溫效應(yīng)材料強度提高塑性降低韌脆轉(zhuǎn)變適用材料奧氏體不銹鋼鋁合金鎳基合金設(shè)計考慮避免應(yīng)力集中考慮熱應(yīng)力降低沖擊載荷7.3腐蝕疲勞腐蝕疲勞機理電化學(xué)反應(yīng)與機械應(yīng)力協(xié)同作用特征與影響消除疲勞極限，加速裂紋擴展3防護措施材料選擇，表面處理，陰極保護7.4接觸疲勞應(yīng)用場合滾動軸承齒輪傳動鐵路輪軌失效模式點蝕剝落表面疲勞強化方法提高硬度改善潤滑減小接觸應(yīng)力第八章：復(fù)合材料的疲勞強度1損傷萌生微裂紋形成，界面脫粘2損傷積累裂紋增多，剛度降低3損傷局部化局部區(qū)域裂紋密集4最終失效纖維斷裂，分層擴展，承載能力喪失8.1復(fù)合材料疲勞機理多重損傷模式基體開裂，纖維斷裂，界面脫粘，分層各向異性影響力學(xué)性能方向依賴性影響疲勞行為載荷方向敏感不同加載方向?qū)е虏煌氖C制循環(huán)響應(yīng)特點剛度逐漸退化，損傷累積非線性8.2纖維增強復(fù)合材料疲勞纖維類型影響碳纖維：高模量，疲勞性能優(yōu)玻璃纖維：成本低，性能中等芳綸纖維：抗沖擊，耐磨損纖維排列方向單向：方向性強，各向異性大編織：平衡性好，強度較低多向：綜合性能平衡體積分數(shù)影響纖維含量增加，強度提高過高含量導(dǎo)致浸潤不良最佳含量50%-65%8.3層壓復(fù)合材料疲勞層合設(shè)計影響鋪層順序與方向決定疲勞性能分層擴展層間應(yīng)力導(dǎo)致分層，是主要失效模式殘余應(yīng)力作用熱膨脹系數(shù)差異引起殘余應(yīng)力影響疲勞環(huán)境因素敏感水分吸收顯著降低層合板疲勞性能8.4復(fù)合材料疲勞壽命預(yù)測剛度退化模型監(jiān)測材料剛度變化預(yù)測剩余壽命強度退化模型基于殘余強度變化評估壽命損傷累積模型定義損傷參數(shù)描述材料劣化過程微觀力學(xué)模型考慮微觀結(jié)構(gòu)演變預(yù)測疲勞壽命第九章：焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度1焊接質(zhì)量良好的焊接工藝是疲勞性能保障2殘余應(yīng)力控制降低焊接引起的有害殘余應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的接頭設(shè)計與載荷傳遞路徑9.1焊接接頭疲勞特性幾何不連續(xù)焊縫輪廓引起應(yīng)力集中殘余應(yīng)力焊接熱循環(huán)產(chǎn)生高拉應(yīng)力冶金缺陷組織不均勻，夾雜物，氣孔疲勞強度下降比母材降低30%-70%9.2焊接殘余應(yīng)力的影響距焊縫距離(mm)殘余應(yīng)力(MPa)9.3焊接缺陷對疲勞的影響未熔合嚴重降低疲勞強度相當于內(nèi)部裂紋擴展速率快氣孔與夾渣成為應(yīng)力集中源尺寸影響顯著位置決定危害程度幾何缺陷焊縫過渡不良咬邊降低50%強度余高增加應(yīng)力集中9.4焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度提高方法焊趾打磨降低應(yīng)力集中，消除表面缺陷超聲沖擊處理引入壓應(yīng)力，改善微觀組織TIG重熔改善焊縫過渡，減少缺陷第十章：疲勞強度數(shù)值模擬10.1有限元分析在疲勞中的應(yīng)用建立幾何模型準確表達結(jié)構(gòu)幾何特征網(wǎng)格劃分關(guān)鍵區(qū)域網(wǎng)格細化，保證精度應(yīng)力分析確定危險點應(yīng)力狀態(tài)疲勞壽命計算集成疲勞算法預(yù)測壽命10.2疲勞裂紋擴展模擬擴展路徑預(yù)測最大切向應(yīng)力準則應(yīng)變能密度準則J積分矢量準則擴展速率計算Paris公式Walker公式Forman公式特殊技術(shù)XFEM方法網(wǎng)格更新技術(shù)自適應(yīng)網(wǎng)格細化10.3多尺度疲勞模擬微觀尺度晶粒級分析裂紋萌生機制介觀尺度代表體積單元分析損傷演化宏觀尺度結(jié)構(gòu)級分析應(yīng)力分布與壽命尺度橋接建立不同尺度信息傳遞機制10.4疲勞壽命預(yù)測軟件第十一章：疲勞強度監(jiān)測與評估數(shù)據(jù)采集傳感器網(wǎng)絡(luò)收集實時數(shù)據(jù)狀態(tài)評估分析損傷程度與位置2壽命預(yù)測基于監(jiān)測數(shù)據(jù)更新壽命預(yù)測維護決策制定最佳檢修策略11.1在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)變監(jiān)測光纖光柵、電阻應(yīng)變片實時監(jiān)測應(yīng)變變化聲發(fā)射技術(shù)捕捉裂紋擴展過程中釋放的彈性波電位差法通過電阻變化檢測裂紋擴展無線傳感網(wǎng)絡(luò)分布式傳感器系統(tǒng)收集全局信息11.2無損檢測方法超聲波檢測聲波反射識別內(nèi)部缺陷磁粉探傷磁粉聚集顯示表面裂紋X射線檢測射線穿透顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)11.3疲勞損傷評估檢出裂紋尺寸確定裂紋位置、長度與深度應(yīng)力強度因子計算考慮幾何形狀與載荷狀態(tài)危害度評級判斷損傷對結(jié)構(gòu)安全的影響程度11.4剩余壽命預(yù)測1-10%高風(fēng)險狀態(tài)需立即維修或更換10-30%警戒狀態(tài)加強監(jiān)測頻率，準備維修30-70%注意狀態(tài)定期檢查，觀察發(fā)展趨勢70-100%安全狀態(tài)按常規(guī)維護計劃執(zhí)行第十二章：疲勞強度研究前沿1超高周疲勞