結構疲勞壽命分析1金屬疲勞理論與試驗測試基礎ppt課件

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結構疲勞壽命分析,第一講 金屬疲勞理論及試驗測試基礎,1,§第一部分:金屬疲勞理論,1.1 疲勞定義: ISO定義為金屬材料（也適用于非金屬材料）在應力或應變反復作用下材料性能的變化（特指開裂或破壞）。 1.2 疲勞破壞的形式： a 機械疲勞：僅由外加動應力或動應變造成。轉向架構架等車輛結構。 b 蠕變疲勞：循環(huán)載荷同高溫聯(lián)合作用造成。飛機噴氣發(fā)動機葉片等結構。 c 腐蝕疲勞：在腐蝕性介質或致脆介質環(huán)境下動載荷造成。海洋石油平臺等結構。 d 滑動接觸疲勞和滾動接觸疲勞：載荷的反復作用與材料之間的滑動和滾動共同作用造成。車輪和鋼軌的接觸疲勞。 e…,1 疲勞的定義及類型,,2,W.A.J. Albert 1929 對礦山升降機鏈條反復加載以驗證其可靠性。 W.J.M. Rankine 1843 注意到機器部件存在應力集中的危險性。 A. W?hler 1852-1857 對車軸疲勞破壞做了系統(tǒng)的研究，利用設計的旋轉彎曲疲勞試驗機進行疲勞試驗，提出了利用應力-壽命曲線來描述疲勞行為，并且提出了‘疲勞極限’的概念。 H. Gerber 1874; Goodman 1899 提出考慮平均應力影響的壽命計算方法。 Bauschinger 1886 金屬在反向載荷作用下的彈性極限可能與在單向形變中觀察到的彈性極限有所差別。確認了金屬材料循環(huán)應變軟化和循環(huán)應變硬化的現(xiàn)象。,2 疲勞研究的歷史發(fā)展過程,3,Ewing & Rosenhain 1900 通過對瑞典鐵的研究說明在多晶材料的許多晶粒內都會出現(xiàn)滑移帶，這些滑移帶在疲勞形變過程中逐漸變寬形成裂紋，試樣的突然破壞是某條主導裂紋向前擴展造成的。 O.H. Basquin 1910 提出了描述金屬S-N曲線的經(jīng)驗規(guī)律。同一時期做出過重要貢獻的還有: Smith（1910）Haigh（1915） Palmgren 1924 & Miner 1945 疲勞破壞的累積損傷模型。 Weibull 1939 材料強度的統(tǒng)計理論。 Neuber 1946 單向形變和循環(huán)形變的缺口效應。 Coffin 1954 & Manson 1954 塑性應變造成的損傷理論。各自提出了發(fā)生疲勞破壞時載荷反向次數(shù)同塑性應變幅的經(jīng)驗關系，即Coffin-Manson關系。,4,Inglis 1913 & Griffith 1921 提出了能量概念定量處理脆性固體斷裂的數(shù)學工具，但這個理論不能直接用來描述材料的疲勞破壞。 Irwin 1957 提出K（應力強度因子）表示裂紋尖端應力奇異大小。標志著線彈性斷裂力學方法的出現(xiàn)。 Paris Gomez & Anderson 1961 提出在恒幅循環(huán)加載下，疲勞裂紋在每個應力循環(huán)中的擴展量da/dN與應力強度因子幅DK有關，雖然這個理論沒有被當時主要雜志所接受，但這個方法被廣泛用來描述在裂紋頂端存在小范圍塑性變形條件下的疲勞裂紋擴展。 Thompson Wadsworth & Louat 1956 試驗表明，已經(jīng)產(chǎn)生滑移帶的金屬疲勞試樣在表面去除一層之后繼續(xù)循環(huán)，滑移帶繼續(xù)在原位出現(xiàn)，他們把這種表面痕跡稱為駐留滑移帶，Zappfe & Ryder（1960）通過斷口觀察到疲勞輝紋，提出了輝紋間距與裂紋擴展速率之間的關系，這對工程失效分析有重要意義。,5,雖然恒定循環(huán)應力幅作用下疲勞破壞是疲勞研究的基本內容，但由于工程應用中的服役條件不可避免的存在變幅載荷譜、腐蝕環(huán)境、低溫或高溫及多軸應力狀態(tài)，因此建立能處理這些復雜服役條件的可靠壽命預測模型是疲勞研究中最棘手的問題?？紤]這些因素的影響往往都是采用半經(jīng)驗的方法。 雖然習慣上認為出現(xiàn)滑移帶是延性固體發(fā)生疲勞破壞的必要條件，但非金屬材料在沒有位錯反復運動情況下，循環(huán)載荷產(chǎn)生的微觀形變動力學不可逆機制是多種多樣的，當前研究的重點是把現(xiàn)有的金屬體系的疲勞知識擴展到這些先進功能材料上去。,6,現(xiàn)代軌道交通車輛向高速重載方向發(fā)展，對結構提出了高性能、輕量化和長壽命的設計要求。這些要求顯然相互沖突，總體而言，疲勞學科有以下特點：,,1、壽命計算往往比強度計算精度差得多，壽命計算的誤差量級甚至都很難確定，壽命計算考慮的隨機因素太多，有些很難做的定量描述。 2、材料的基本疲勞性能很難精確的從其他性能指標推導出來，只能依靠試驗獲取。這種材料疲勞性能試驗往往規(guī)模較大，樣本數(shù)越大，所得到的信息越可靠。 3、結構的全尺寸疲勞試驗是結構定型最重要的一步，它在一定程度上能揭示疲勞設計壽命的滿足情況。 4、所有的試驗數(shù)據(jù)結果都需要經(jīng)過統(tǒng)計學處理。,7,5、材料和設計要保證結構的時效裂紋有較低的擴展速率，必須強化檢查，在裂紋擴展到失穩(wěn)之前發(fā)現(xiàn)并采取補救措施。 6、設計時必須有‘失效安全’的意識，當結構的某以單元時效后，結構整體必須能保證完整并且能在一定的短期時間內繼續(xù)承載。,8,9,3 疲勞裂紋萌生及擴展機理,結構在承受循環(huán)載荷作用下，將經(jīng)歷疲勞裂紋成核、微裂紋形成及宏裂紋擴展三個階段。掌握疲勞機理可理解構件表面處理、表面殘余應力和服役環(huán)境等因素對結構疲勞壽命和疲勞裂紋擴展的影響。這方面的知識也對結構疲勞壽命預測和結構抗疲勞設計也有重要意義。,10,顯微觀察從20世紀就已開始，隨著觀察尺度不斷變小，人們發(fā)現(xiàn)結構在循環(huán)應力作用下，幾乎同時就出現(xiàn)了疲勞裂紋成核（位錯）。 疲勞裂紋成核后，由于晶界等金相組織的影響其擴展是非常緩慢和不穩(wěn)定的。 從成核點出現(xiàn)了幾條微裂紋后，經(jīng)歷了微裂紋融合階段，擴展變相對穩(wěn)定一些，這就是疲勞裂紋擴展的初始階段。 對于成核和裂紋初始擴展兩個階段，各影響因素作用程度是不同的。例如表面粗糙影響裂紋成核階段但不影響裂紋擴展；腐蝕環(huán)境對這兩個階段雖都有重要影響，但機理不同。如上圖所示，應力集中系數(shù)（Kt）是預測裂紋形成的重要參數(shù)；應力強度因子（K）是預測裂紋擴展的重要參數(shù)。,11,3.1 裂紋形成階段— a、名義無缺陷的純金屬及合金，機理性解釋,Ewing、Rosenhain和Humfrey（1900-1903）研究表明在承受疲勞載荷的鐵試樣中，裂紋沿活動滑移面形成。 疲勞形變機制最具結論性的研究結果是從高純材料特別是面心立方金屬單晶體（例如充分退火的純銅）得到的。工業(yè)用材料因處理方法和雜質材料等強烈影響以及組織結構的復雜性無法明確疲勞機制。 對單晶體材料大量的研究表明，循環(huán)應變的最初幾周就已產(chǎn)生位錯，它們聚集在主滑移面上。疲勞裂紋的形成是由于滑移帶循環(huán)滑移的結果，這說明位錯運動和位錯累積是塑性變形的機制。在較低應力幅下，塑性變形僅發(fā)生在材料有限的晶格中。,12,上圖為循環(huán)滑移致裂紋成核的圖示。 Step1 滑移沿最大剪應力方向，形成滑移臺階暴露到外部環(huán)境中，對大多數(shù)環(huán)境新的材料表面將覆蓋一層氧化層。氧化層強力附著于材料上難以去除。這一步中，由于初級位錯積聚將產(chǎn)生應變硬化。 Step2 反向加載，由于存在氧化層和滑移帶應變硬化，反向滑移將是不可逆的，滑移將在同一條滑移帶對應平行的滑移面上進行。 由上述過程可得結論如下： a、一個應變循環(huán)即可產(chǎn)生微觀侵入（intrusion）,形成微裂紋。 b、隨后的應變循環(huán)將重復Step1-2過程，微裂紋開始擴展。,13,退火純銅試樣循環(huán)應變作用下滑移帶,施加0.05塑性應變后滑移帶張開，形成微裂紋,在疲勞裂紋形成階段，疲勞是材料表面變化的現(xiàn)象,14,3.1 裂紋形成階段— b、工業(yè)合金，定性解釋,在工業(yè)材料做成的工程部件中，疲勞裂紋不均勻成核的主要地點包括孔洞、熔渣、氣泡夾雜、擦傷、鍛造皺皮、摺疊和宏觀應力集中部位以及微觀組織結構和化學成分不均勻區(qū)。在工業(yè)合金中，疲勞裂紋既可能在近表面形成，也可能在內部區(qū)域形成。 ⅰ夾雜和氣孔旁的裂紋萌生 夾雜和氣孔會降低工業(yè)合金的疲勞強度。在缺陷部位萌生裂紋疲勞的機制與一系列力學因素、微觀組織因素和環(huán)境因素有關。這些因素包括基體滑移特征、基體和缺陷的相對強度、基體-夾雜物界面的強度、以及基體與夾雜物在疲勞環(huán)境中對于腐蝕的相對敏感性。 ⅱ環(huán)境對工業(yè)合金疲勞裂紋萌生的影響 如果一個循環(huán)受載的工程部件在使用過程中暴露于侵蝕性介質中，材料表面被環(huán)境擇優(yōu)腐蝕的部位可能成為疲勞裂紋的成核地點。 （1）表面滑移臺階或侵入；（2）產(chǎn)生回火脆的晶界或無沉淀區(qū)包圍的晶界（時效硬化的合金中）與表面交截處；（3）表面氧化保護層破裂處；（4）與周圍基體脫粘的近表面夾雜物，如鋼中MnS；（5）others,15,3.2 裂紋成長擴展階段,當微裂紋長度與基體晶格尺度相當時，由于材料微觀各向異性彈性，微裂紋處存在著不均勻的應力場并在裂紋尖端存在應力集中效應。由此，更多的滑移帶被激活。當裂紋擴展到相鄰的晶格，滑移帶運動將被限制，微裂紋擴展方向將從原來主滑移帶滑移方向偏折，正交于加載方向。,16,對某些材料，微裂紋擴展將遭遇晶界阻力。裂紋擴展至晶界處，擴展速率明顯下降。,鋁合金晶界對裂紋擴展的阻力作用,17,由于微裂紋擴展前端須連續(xù)，擴展線各點的裂紋擴展速率近似一致，當微裂紋穿透了一定數(shù)量的晶格時，裂紋前端擴展線近似成以半橢圓形狀。,18,總結：疲勞機理性知識的重要性,即便構件的尺度和裂紋的尺寸比顯微組織大幾個數(shù)量級，疲勞裂紋頂端出現(xiàn)永久損傷的尺寸范圍通常與材料的特征微觀尺度相當。 總壽命和斷裂力學概念提供了可以用來描述材料在循環(huán)載荷作用下的裂紋萌生和裂紋擴展阻力的方法。但是，單純利用這些概念并不能夠定量描述材料對疲勞的內在阻力，只有充分了解失效的微觀機制時才能獲得這方面的信息。在各種材料上所做的大量工作表明，顯微組織的細微變化可顯著改變循環(huán)損傷程度和失效壽命。 疲勞裂紋擴展壽命主要消耗在低DK水平，對于大多數(shù)構件來說，當DK較小時，一個加載周期內裂紋頂端最大張開位移的典型值小于1μm。因為這一尺度小于大多數(shù)材料的顯微組織特征尺寸，所以即便裂紋尺度明顯大于顯微組織尺度，顯微組織對斷裂阻力影響也很大。 即便構件設計偏于保守，也可能由于服役條件發(fā)生不可預測變化而出現(xiàn)破壞。,19,4 疲勞設計方法,如前所述，一個工程部件損傷包含幾個不同階段，缺陷可以在原先沒有損傷的部位成核，然后以穩(wěn)定的方式發(fā)展，直到突然發(fā)生斷裂。對于最一般的情況，疲勞損傷的發(fā)展大致分下面幾個階段。 step1 顯微結構發(fā)生變化，形成永久損傷成核。 step2 產(chǎn)生微裂紋 step3 微裂紋長大和合并，形成‘主導裂紋’ step4 主導宏觀裂紋穩(wěn)態(tài)擴展 step5 結構失去穩(wěn)定性，失去承載能力完全斷裂 力學因素、組織結構因素和環(huán)境因素在很寬的范圍內影響微觀缺陷的成核條件和主導疲勞裂紋的擴展速率。疲勞的不同設計原理主要區(qū)別在如何定量處理裂紋萌生階段和裂紋擴展階段。 疲勞壽命定義為萌生疲勞裂紋的循環(huán)數(shù)與裂紋亞臨界擴展到某一最后尺寸的循環(huán)數(shù)。主要有總壽命法和損傷容限法兩種主要的疲勞設計方法。,20,4.1 總壽命法,經(jīng)典的疲勞設計方法是用循環(huán)應力范圍（S-N曲線方法）或（塑性或總）應變范圍來描述疲勞破壞的總壽命。 在這些方法中，通過控制應力幅或應變幅獲得初始無裂紋（名義光滑表面）的實驗室試樣產(chǎn)生疲勞破壞所需的應力循環(huán)數(shù)或應變循環(huán)數(shù)（可能高達疲勞總壽命的90%）和使這一主導裂紋擴展到發(fā)生突然破壞的疲勞循環(huán)數(shù)。 應用經(jīng)典方法預測疲勞總壽命時，可以用各種半經(jīng)驗方法處理平均應力、應力集中、環(huán)境、多軸應力和隨機應力的影響。由于裂紋萌生壽命占據(jù)光滑試樣疲勞總壽命的主要部分，經(jīng)典的應力和應變描述方法在多數(shù)情況下體現(xiàn)抗疲勞裂紋萌生的思想。 對于高周疲勞，材料主要發(fā)生彈性變形，傳統(tǒng)是用應力范圍描述破壞所需的循環(huán)數(shù)；對于低周疲勞，應力較大足以在破壞前引起明顯的塑性變形，通常使用應變范圍描述破壞壽命。,21,經(jīng)典的應變描述（局部應變法）的最大優(yōu)點是預測應力集中部位全塑性區(qū)應變場的裂紋萌生和早期擴展壽命。,22,4.2 損傷容限法,損傷容限法以斷裂力學方法為基礎。基本前提是認為損傷是一切工程構架固有的。 原有損傷是由無損檢測技術（著色、X射線、超聲、磁性和聲發(fā)射等）來確定。如果構件中沒發(fā)現(xiàn)損傷，則進行可靠性檢驗，即根據(jù)經(jīng)驗對一個結構，在應力水平稍高于服役應力條件下進行模擬試驗。如果無損檢測沒有檢測出裂紋，而且在可靠性檢驗中也不發(fā)生突然破壞，則根據(jù)探傷技術的分辨率估計最大（未檢驗出）原始裂紋尺寸。疲勞壽命則定義為主裂紋從這一原始尺寸擴展到某一臨界尺寸所需的疲勞循環(huán)數(shù)。可根據(jù)材料的斷裂韌性、結構特殊部分的極限載荷、可容許的應變和可允許的結構柔度選擇臨界擴展尺寸。 采用損傷容限法預測裂紋擴展壽命需要斷裂力學知識。根據(jù)線彈性斷裂力學要求，只有滿足小范圍屈服，也就是遠離任何應力集中的塑性應變場，而且與帶裂紋構件特征尺寸相比，裂紋尖端塑性區(qū)較小，彈性加載條件占主導地位的情況下，才可應用損傷容限法,23,4.3 兩種設計方法的比較,為了獲得最佳的疲勞阻力，不同設計方法所給出的微觀組織結構變量設計準則會有顯著的差異。這些差別純粹是由于在計算有用疲勞壽命時，對裂紋萌生和擴展的作用取不同的權重造成的。 在亞臨界裂紋擴展消耗大部分壽命的低△K值，許多合金對疲勞長裂紋的擴展阻力通常隨晶粒尺寸的增大（或屈服強度）而增大，但根據(jù)應力-壽命圖估計的疲勞總壽命表現(xiàn)出相反的趨勢。這個矛盾可以這樣來解釋：前種方法主要涉及對疲勞擴展的阻力，后種方法主要根據(jù)名義無缺陷的試樣結構，涉及裂紋萌生的阻力。 為同時提高裂紋萌生阻力和裂紋擴展阻力，應該在兩者之間進行權衡，達到最終優(yōu)化組織結構特征的目的。,24,4.4 ‘安全-壽命’和‘失效-安全’概念解釋,‘安全-壽命’ 在使用‘安全-壽命’處理方法時，首先應該確定構件服役典型的載荷譜。在此信息的基礎上，或者對部件進行分析，或者利用此載荷譜進行實驗室試驗，從而估計部件可用疲勞壽命。用一個安全因子（或稱不確定因子）對所得疲勞壽命進行修正，得到構件的安全壽命。當部件運行到預期的安全壽命時，即使在服役中并沒有發(fā)生任何破壞（即構件仍有相當長的剩余疲勞壽命），也要令其退役。 安全-壽命方法本質上是一種理論性方法，使用該方法時必須考慮幾個不確定的因素，例如載荷條件的意外變化、典型服役載荷譜估計中的誤差、試驗結果的分散、同種材料不同批次之間的性能差異、生產(chǎn)過程引入的原始缺陷、部件使用過程中某些部位的腐蝕、部件使用過程中的人為失誤。加大安全系數(shù)能夠保證部件在安全運行壽命期間不發(fā)生破壞，但這只是一種保守方法，從經(jīng)濟和運行的觀點考慮是不合理的。 安全-壽命方法的本質是要求在到達一個規(guī)定的壽命之前不發(fā)生疲勞裂紋，重點是預防疲勞裂紋萌生。,25,‘失效-安全’ ‘失效-安全’的設計原則是如果在一個大構件中即使有個別零件失效，其剩余部分應保證足夠的結構完整性，使構件能安全運行到檢測到裂紋為止。 具有并聯(lián)載荷路徑的構件在結構上含有過剩部分，通常是失效安全的。 失效-安全方法除要求對構件進行定期檢查之外，還要求裂紋檢測技術可以識別尺寸足夠小的裂紋，以便能及時修理或更換有關部件。 典型案列： a、美國空軍‘目標退役 RFC’ 使用損傷容限設計方法，從根本消除低周疲勞引起的失效事故。 b、壓力容器和管道領域 ‘破前滲漏準則’ 要求容器和管道在發(fā)生任何災難性破壞之前有滲漏現(xiàn)象出現(xiàn)。,26,§第二部分 連續(xù)介質力學基礎,為了應用連續(xù)介質力學來描述循環(huán)形變和疲勞破壞，必須掌握彈性和塑性理論原理。,1 基本概念,1.1、應力張量：考慮固體中的一個無限小體元，一點應力表示了力在局部面積上作用強度。,1.2、平衡方程：受力固體的任一體元都處于平衡狀態(tài)，根據(jù)力矩方程，可推導出平衡方程。,27,,1.3、無限小應變張量定義：在笛卡爾坐標系下，描述質點位移忽略高階項。,28,1.4、應變相容條件：由連續(xù)單值的位移場微分可得應變場，為保證由應變場積分逆操作得到位移場連續(xù)性，應變場需滿足額外的相容條件。,29,,2 線彈性原理,常用工程金屬材料單軸工程應力應變曲線,30,,3 應力不變量,對于材料質點任一三維應力狀態(tài)，可以通過坐標變換找到三個稱為主應力的正應力，它們分別作用在不存在切應力的三個互相垂直的平面上。,主應力是以下三次方程的根,這三個系數(shù)同描述應力分量所選擇的坐標系取向無關，稱為應力不變量。,31,用下式定義靜水壓力,靜水壓力只會使各向同性連續(xù)體的體積（非形變）發(fā)生變化。,應力的偏張量定義為,與靜水壓力不同，上述偏應力張量引起塑性變形。偏應力張量也可定義一組新的標量不變量。,32,3 塑性原理,當延性金屬材料所承受的載荷超過彈性極限時，將發(fā)生永久塑性變形?？梢约俣ń饘僭诎l(fā)生流變時是不可壓縮的并把彈塑性材料的總應變表示為彈性應變和塑性應變之和。,可以用本構關系描述多軸載荷作用下的塑性行為。對于一給定的材料狀態(tài)，這種本構關系或者把總應變同現(xiàn)有應力聯(lián)系起來（形變理論），或者把塑性形變增量和應變增量聯(lián)系起來（流變理論或增量理論）。 任何塑性理論都包含以下幾個主要方面的內容：（1）屈服條件，它規(guī)定在不同組合的外加應力作用下，塑性形變從什么時候開始發(fā)生；（2）硬化規(guī)律，它規(guī)定塑性形變過程中的材料加工硬化和屈服條件變化的規(guī)律；（3）流變規(guī)律，它把塑性形變增量或形變速率的塑性分量同應力分量聯(lián)系起來。,33,,3.1 屈服條件,34,,35,36,3.2 流變規(guī)律,37,,3.3 硬化規(guī)律,38,39,§第三部分 應變測試基礎,試驗測試動應變數(shù)據(jù)是疲勞分析的基礎，本部分將重點討論應變片原理及惠斯通電橋原理。,1 常規(guī)電阻型應變片,40,金屬導線承受拉電阻變化計算模型,41,1.1 應變片的選擇,,應變片標定阻值一般有120歐姆和350歐姆選擇，激勵電壓一般為10伏。在高干擾環(huán)境或者被試構件熱傳導系數(shù)較低的情況下，應盡量選取高阻值應變片。,應變片示值為柵絲方向上應變的平均值，在高應力梯度區(qū)域，應選取短應變片滿足測量精度,42,1.2 應變花應力計算,43,2 惠斯通電橋,類型1：恒壓源驅動電路，與電阻型應變片配合使用。,類型2：恒流源驅動電路，與半導體型應變片配合使用，非線性度要小于恒壓源驅動電路,44,2.1 惠斯通電橋輸出,應變片系數(shù)：應變值與電阻變化值的關系,45,半橋：G4 拉伸，G1壓縮。,全橋：G4、G2拉伸；G1、G3補償，電橋輸出最大。,46,3 數(shù)據(jù)采集及轉換,放大電路,47,低通濾波器,48,高通濾波器,49,主動低通和高通濾波器,50,采樣定理：,51,