《疲勞強(qiáng)度研究》課件

疲勞強(qiáng)度研究目錄1基礎(chǔ)與影響因素疲勞定義、特征、過(guò)程與重要性2測(cè)試方法與理論標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)、S-N曲線、疲勞極限確定3設(shè)計(jì)與提高方法設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、強(qiáng)度校核、表面處理4特殊情況與前沿研究第一章：疲勞強(qiáng)度基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)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(kuò)展規(guī)律理解疲勞過(guò)程萌生、擴(kuò)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(guò)程關(guān)鍵特點(diǎn)載荷低于材料強(qiáng)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(biāo)志裂紋擴(kuò)展路徑疲勞源裂紋起始點(diǎn)，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(wú)明顯塑性變形1.3疲勞破壞的過(guò)程裂紋萌生微觀滑移帶形成，表面微裂紋產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展穩(wěn)態(tài)擴(kuò)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(qiáng)度的重要性工程安全90%機(jī)械失效與疲勞有關(guān)經(jīng)濟(jì)影響疲勞失效造成巨大經(jīng)濟(jì)損失人身安全突發(fā)性斷裂威脅人員生命設(shè)計(jì)依據(jù)合理設(shè)計(jì)需準(zhǔn)確評(píng)估疲勞性能第二章：疲勞強(qiáng)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(kuò)展熱處理狀態(tài)淬火、回火、退火等改變材料疲勞性能強(qiáng)度特性抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jī)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(qiáng)度壓縮平均應(yīng)力提高疲勞強(qiáng)度載荷頻率頻率影響熱效應(yīng)與時(shí)間效應(yīng)高頻可引起溫度升高低頻延長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間2.4環(huán)境因素溫度影響高溫降低疲勞強(qiáng)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(kuò)展，顯著降低疲勞極限濕度因素濕度促進(jìn)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(qiáng)度測(cè)試方法試驗(yàn)準(zhǔn)備樣品制備、參數(shù)設(shè)定、設(shè)備校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)軸向、彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法軸向疲勞試驗(yàn)拉壓交變載荷應(yīng)力狀態(tài)簡(jiǎn)單適合各類材料彎曲疲勞試驗(yàn)旋轉(zhuǎn)彎曲最常用平面彎曲簡(jiǎn)單易行三點(diǎn)四點(diǎn)彎曲常見(jiàn)扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)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(guò)S-N曲線外推確定極限3.4疲勞壽命的預(yù)測(cè)基于S-N曲線利用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合使用條件進(jìn)行預(yù)測(cè)累積損傷計(jì)算應(yīng)用線性損傷累積理論評(píng)估壽命統(tǒng)計(jì)概率分析考慮壽命分散性，給出可靠度預(yù)測(cè)計(jì)算機(jī)模擬有限元分析結(jié)合壽命模型進(jìn)行預(yù)測(cè)第四章：疲勞強(qiáng)度理論1早期經(jīng)驗(yàn)公式19世紀(jì)末工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)2線性累積損傷20世紀(jì)30年代Miner提出3應(yīng)力-壽命法20世紀(jì)中期廣泛應(yīng)用4斷裂力學(xué)方法20世紀(jì)70年代發(fā)展成熟4.1線性累積損傷理論Miner準(zhǔn)則D=Σ(n_i/N_i)，失效時(shí)累積損傷等于1損傷獨(dú)立性假設(shè)各應(yīng)力水平損傷相互獨(dú)立累加工程適用性計(jì)算簡(jiǎn)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(duì)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(shì)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_(tái)p/2=ε'_f·(2N_f)^c總應(yīng)變方程彈性與塑性應(yīng)變貢獻(xiàn)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(kuò)展速率應(yīng)力強(qiáng)度因子K=Y·σ·√(πa)，表征裂尖應(yīng)力場(chǎng)門檻值與臨界值K_th以下不擴(kuò)展，K_IC以上快速斷裂第五章：疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)確定載荷譜分析實(shí)際工作載荷特性選擇設(shè)計(jì)準(zhǔn)則基于無(wú)限壽命或安全壽命強(qiáng)度校核驗(yàn)證設(shè)計(jì)滿足疲勞要求優(yōu)化迭代改進(jìn)設(shè)計(jì)降低疲勞風(fēng)險(xiǎn)5.1設(shè)計(jì)準(zhǔn)則無(wú)限壽命設(shè)計(jì)工作應(yīng)力低于疲勞極限適合長(zhǎng)期服役結(jié)構(gòu)保守設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)冗余大安全壽命設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)壽命超過(guò)使用要求適合定期檢修更換零件材料利用率高，經(jīng)濟(jì)性好失效安全設(shè)計(jì)容許局部失效不引起整體崩潰多通道冗余設(shè)計(jì)適合高安全性要求場(chǎng)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(dòng)，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(yán)重5.3疲勞強(qiáng)度校核載荷分析確定實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)強(qiáng)度計(jì)算考慮各影響因素修正安全裕度評(píng)估計(jì)算安全系數(shù)是否滿足要求驗(yàn)證確認(rèn)必要時(shí)通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果5.4疲勞壽命估算標(biāo)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(kuò)展計(jì)算剩余壽命雨流計(jì)數(shù)法分析隨機(jī)載荷譜對(duì)壽命影響第六章：疲勞強(qiáng)度提高方法設(shè)計(jì)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(hù)防腐涂層，溫度控制，應(yīng)力隔離6.1材料選擇與處理高強(qiáng)度材料高強(qiáng)度鋼鈦合金高強(qiáng)鋁合金合金元素影響Cr提高耐蝕性Mo提高高溫性能V細(xì)化晶粒熱處理工藝淬火+回火表面淬火時(shí)效處理6.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)減小應(yīng)力集中避免尖角設(shè)計(jì)增大過(guò)渡圓角優(yōu)化截面變化減小應(yīng)力波動(dòng)提高結(jié)構(gòu)剛度增設(shè)加強(qiáng)筋優(yōu)化支撐布局連接處優(yōu)化合理設(shè)計(jì)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(qiáng)化引入表面壓應(yīng)力，抑制裂紋萌生激光沖擊強(qiáng)化高能激光產(chǎn)生壓應(yīng)力，強(qiáng)化深度大滾壓強(qiáng)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(kuò)展，提高疲勞強(qiáng)度拉應(yīng)力有害促進(jìn)裂紋萌生與擴(kuò)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(dòng)時(shí)效通過(guò)振動(dòng)釋放內(nèi)應(yīng)力第七章：特殊環(huán)境下的疲勞強(qiáng)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(xiǎn)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(shí)間依賴變形與循環(huán)載荷共同作用保持時(shí)間影響應(yīng)力保持階段加劇材料損傷熱機(jī)械疲勞溫度與載荷同時(shí)循環(huán)變化更為嚴(yán)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(qiáng)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(jì)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(jī)理電化學(xué)反應(yīng)與機(jī)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(kuò)展3防護(hù)措施材料選擇，表面處理，陰極保護(hù)7.4接觸疲勞應(yīng)用場(chǎng)合滾動(dòng)軸承齒輪傳動(dòng)鐵路輪軌失效模式點(diǎn)蝕剝落表面疲勞強(qiáng)化方法提高硬度改善潤(rùn)滑減小接觸應(yīng)力第八章：復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)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(kuò)展，承載能力喪失8.1復(fù)合材料疲勞機(jī)理多重?fù)p傷模式基體開(kāi)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(jī)制循環(huán)響應(yīng)特點(diǎn)剛度逐漸退化，損傷累積非線性8.2纖維增強(qiáng)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(qiáng)，各向異性大編織：平衡性好，強(qiáng)度較低多向：綜合性能平衡體積分?jǐn)?shù)影響纖維含量增加，強(qiáng)度提高過(guò)高含量導(dǎo)致浸潤(rùn)不良最佳含量50%-65%8.3層壓復(fù)合材料疲勞層合設(shè)計(jì)影響鋪層順序與方向決定疲勞性能分層擴(kuò)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(cè)剛度退化模型監(jiān)測(cè)材料剛度變化預(yù)測(cè)剩余壽命強(qiáng)度退化模型基于殘余強(qiáng)度變化評(píng)估壽命損傷累積模型定義損傷參數(shù)描述材料劣化過(guò)程微觀力學(xué)模型考慮微觀結(jié)構(gòu)演變預(yù)測(cè)疲勞壽命第九章：焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)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(jì)合理的接頭設(shè)計(jì)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(qiáng)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(duì)疲勞的影響未熔合嚴(yán)重降低疲勞強(qiáng)度相當(dāng)于內(nèi)部裂紋擴(kuò)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(guò)渡不良咬邊降低50%強(qiáng)度余高增加應(yīng)力集中9.4焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)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(guò)渡，減少缺陷第十章：疲勞強(qiáng)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(zhǔn)確表達(dá)結(jié)構(gòu)幾何特征網(wǎng)格劃分關(guān)鍵區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化，保證精度應(yīng)力分析確定危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)疲勞壽命計(jì)算集成疲勞算法預(yù)測(cè)壽命10.2疲勞裂紋擴(kuò)展模擬擴(kuò)展路徑預(yù)測(cè)最大切向應(yīng)力準(zhǔn)則應(yīng)變能密度準(zhǔn)則J積分矢量準(zhǔn)則擴(kuò)展速率計(jì)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(xì)化10.3多尺度疲勞模擬微觀尺度晶粒級(jí)分析裂紋萌生機(jī)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(jí)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(jī)制10.4疲勞壽命預(yù)測(cè)軟件第十一章：疲勞強(qiáng)度監(jiān)測(cè)與評(píng)估數(shù)據(jù)采集傳感器網(wǎng)絡(luò)收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)狀態(tài)評(píng)估分析損傷程度與位置2壽命預(yù)測(cè)基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更新壽命預(yù)測(cè)維護(hù)決策制定最佳檢修策略11.1在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)變監(jiān)測(cè)光纖光柵、電阻應(yīng)變片實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)變變化聲發(fā)射技術(shù)捕捉裂紋擴(kuò)展過(guò)程中釋放的彈性波電位差法通過(guò)電阻變化檢測(cè)裂紋擴(kuò)展無(wú)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(wú)損檢測(cè)方法超聲波檢測(cè)聲波反射識(shí)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(cè)射線穿透顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)11.3疲勞損傷評(píng)估檢出裂紋尺寸確定裂紋位置、長(zhǎng)度與深度應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算考慮幾何形狀與載荷狀態(tài)危害度評(píng)級(jí)判斷損傷對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響程度11.4剩余壽命預(yù)測(cè)1-10%高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)需立即維修或更換10-30%警戒狀態(tài)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率，準(zhǔn)備維修30-70%注意狀態(tài)定期檢查，觀察發(fā)展趨勢(shì)70-100%安全狀態(tài)按常規(guī)維護(hù)計(jì)劃執(zhí)行第十二章：疲勞強(qiáng)度研究前沿1超高周疲勞