《金属疲劳与断裂》课件.ppt

《金属疲劳与断裂》PPT课件

课程导论：为什么研究金属疲劳如此重要安全保障金属疲劳是导致工程结构失效的重要原因之一，研究金属疲劳有助于预测和避免潜在的安全风险，保障人员生命财产安全。从桥梁到飞机，任何结构的稳定性和可靠性都依赖于对金属疲劳的深刻理解。经济效益疲劳破坏会导致设备停机、维修更换，甚至引发事故，造成巨大的经济损失。通过研究疲劳，可以优化设计、延长部件寿命、降低维护成本，从而提高经济效益。有效的疲劳管理能够显著降低企业的运营成本。技术进步

疲劳破坏的基本概念1定义疲劳破坏是指金属材料在低于屈服强度的循环应力作用下，经过长时间的累积损伤最终发生的断裂现象。这是一种渐进的、局部的结构损伤过程，通常难以通过简单的静力学分析预测。2特点疲劳破坏具有累积性、隐蔽性和突发性。累积性是指损伤是逐渐积累的；隐蔽性是指初期不易察觉；突发性是指最终断裂往往没有明显预兆，造成严重后果。这使得疲劳破坏成为工程安全领域的一大挑战。分类

金属材料的微观结构晶粒金属材料由大量的晶粒组成，晶粒的大小、形状和取向对材料的力学性能有重要影响。晶粒细小且均匀分布的材料通常具有更高的强度和韧性。晶粒间的界面是疲劳裂纹萌生的常见位置。晶界晶界是晶粒之间的界面，是原子排列不规则的区域，容易发生杂质偏聚和位错塞积，从而影响材料的疲劳性能。晶界的强度和韧性直接影响材料的抗疲劳性能。特殊的晶界结构可以提高材料的抗疲劳能力。缺陷金属材料内部存在各种微观缺陷，如空位、位错、夹杂物等，这些缺陷是疲劳裂纹萌生的潜在位置。缺陷的存在会降低材料的强度和疲劳寿命。控制和减少材料中的缺陷是提高抗疲劳性能的关键。

应力与应变的基本原理应力应力是指物体内部单位面积上所受到的力，是描述物体内部受力状态的物理量。应力可以是拉应力、压应力、剪应力等。应力的大小和分布直接影响材料的变形和破坏行为。应变应变是指物体在应力作用下发生的变形程度，是描述物体变形状态的物理量。应变可以是弹性应变或塑性应变。应变的大小和分布反映了材料的变形程度和受力状态。应力-应变关系应力-应变关系描述了材料在受力过程中应力与应变之间的关系，是材料力学性能的重要指标。不同的材料具有不同的应力-应变关系，如线弹性、弹塑性等。理解应力-应变关系有助于预测材料的变形和破坏行为。

疲劳加载的类型拉-拉加载在拉-拉加载中，应力始终为正值，材料承受拉伸应力。这种加载方式常见于承受持续拉伸载荷的部件，如悬索桥的拉索。压-压加载在压-压加载中，应力始终为负值，材料承受压缩应力。这种加载方式常见于承受持续压缩载荷的部件，如桥墩。拉-压加载在拉-压加载中，应力在正负值之间变化，材料交替承受拉伸和压缩应力。这种加载方式常见于旋转轴、连杆等部件。扭转载荷材料承受扭转力矩作用，导致材料内部产生剪应力。这种加载方式常见于传动轴、螺栓等部件。扭转载荷下的疲劳破坏往往具有独特的特征。

循环载荷的特征1应力幅应力幅是指循环载荷中最大应力与最小应力之差的一半，是影响疲劳寿命的重要因素。应力幅越大，疲劳寿命越短。2平均应力平均应力是指循环载荷中最大应力与最小应力之和的一半，也会影响疲劳寿命。通常情况下，平均应力越大，疲劳寿命越短。3应力比应力比是指循环载荷中最小应力与最大应力之比，反映了循环载荷的类型。不同的应力比对应不同的疲劳加载方式。4频率循环载荷的频率是指单位时间内循环次数，在一定范围内，频率对疲劳寿命的影响较小，但在高频加载下，材料可能发生热疲劳。

疲劳损伤机理初始阶段在循环载荷的作用下，材料内部的缺陷处开始发生塑性变形，形成微小的滑移带。这些滑移带是疲劳裂纹萌生的初始位置。材料的表面状态对微裂纹的形成有重要影响。裂纹萌生随着循环次数的增加，滑移带逐渐扩展和汇聚，最终形成微裂纹。裂纹的萌生是一个局部化的过程，受到材料微观结构和应力集中等因素的影响。裂纹萌生是疲劳破坏的关键阶段。裂纹扩展微裂纹在循环载荷的作用下不断扩展，逐渐形成宏观裂纹。裂纹扩展的速度受到应力强度因子、材料特性和环境因素的影响。裂纹扩展阶段是疲劳寿命的主要组成部分。最终断裂当裂纹扩展到一定尺寸时，材料的剩余承载能力不足以承受载荷，最终发生快速断裂。最终断裂通常是脆性断裂，断裂面具有明显的疲劳特征。

位错运动与累积位错产生在循环应力的作用下，材料内部产生大量的位错。位错是晶体中的一种线缺陷，是塑性变形的主要载体。1位错运动位错在晶体中运动，遇到晶界、杂质等障碍物时会发生塞积。位错的运动和塞积导致材料内部产生应力集中。2位错累积随着循环次数的增加，位错不断产生、运动和塞积，导致材料内部的塑性变形不断累积。位错的累积是疲劳损伤的重要原因。3滑移带形成位错在特定晶面上的集中运动形成滑移带，滑移带是微裂纹萌生的重要场所。4

微裂纹的形成过程1塑性变形集中在材料表面的缺陷、晶界等位置，由于应力集中，