弹塑性力学疲劳强度分析及设计课件.ppt
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- 塑性 力学 疲劳强度 分析 设计 课件
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1、专题:专题:疲劳与断裂疲劳与断裂主要的失效形式主要的失效形式 断裂、磨损和腐蚀。断裂、磨损和腐蚀。 缓慢的过程缓慢的过程 突变行为突变行为 断裂断裂 静态断裂静态断裂 动态断裂动态断裂 疲劳断裂疲劳断裂 冲击断裂冲击断裂 金属在循环载荷作用下,即使所受的应力低于屈服金属在循环载荷作用下,即使所受的应力低于屈服强度,也会发生断裂,这种现象称为疲劳。强度,也会发生断裂,这种现象称为疲劳。 在汽车上,大约有在汽车上,大约有90%以上零件的失效可归结为疲以上零件的失效可归结为疲劳。劳。 疲劳断裂,一般不发生明显的塑性变形,难以检测疲劳断裂,一般不发生明显的塑性变形,难以检测和预防,因而机件的疲劳断裂可
2、能会造成很大的经济以和预防,因而机件的疲劳断裂可能会造成很大的经济以至生命的损失。至生命的损失。 疲劳引起的大型灾难性事故疲劳引起的大型灾难性事故19791979年美国航空公司年美国航空公司DG10DG10型三引擎巨型喷气型三引擎巨型喷气客机连接引擎与机翼的螺栓因金属疲劳折断,从客机连接引擎与机翼的螺栓因金属疲劳折断,从而导致引擎燃烧爆炸。机上而导致引擎燃烧爆炸。机上273273名乘客和机组人名乘客和机组人员无一幸免。员无一幸免。疲劳引起的大型灾难性事故疲劳引起的大型灾难性事故1985年年8月月12日晚上日晚上7时许日本航空公司的一架波音时许日本航空公司的一架波音747宽宽体客机,撞在群马县附
3、近的山上,机上体客机,撞在群马县附近的山上,机上509名乘客和名乘客和15名机名机组人员仅组人员仅4人获救外。其余人获救外。其余52O人全部罹难,这是世界民航人全部罹难,这是世界民航史上单机发生的最大空难事件。史上单机发生的最大空难事件。 对飞机残骸的分析和同对飞机残骸的分析和同“黑匣子黑匣子”记录仪进行对照后记录仪进行对照后,飞机起飞,飞机起飞12分钟后,发生了分钟后,发生了“异常的冲击异常的冲击”,同时,同时,压力隔板损坏,飞机密封性能的破坏使机舱内急剧减低压压力隔板损坏,飞机密封性能的破坏使机舱内急剧减低压力;导致飞机垂直尾翼损坏并在空中分解。力;导致飞机垂直尾翼损坏并在空中分解。 事故
4、分析发现,这架飞机几年前发生过小失事,飞机事故分析发现,这架飞机几年前发生过小失事,飞机尾舷材料疲劳而损坏过,检修工作进行得很马虎,在没有尾舷材料疲劳而损坏过,检修工作进行得很马虎,在没有彻底排除病根的情况下就算检修完毕,并交付使用。这次彻底排除病根的情况下就算检修完毕,并交付使用。这次飞行,由于高度上升过程的速度快,机舱内外的气压发生飞行,由于高度上升过程的速度快,机舱内外的气压发生急剧变化,机舱内空气压缩机受到的压力比机舱外大得多急剧变化,机舱内空气压缩机受到的压力比机舱外大得多。于是,这一装置在一个临界时刻承受不了这种压力,使。于是,这一装置在一个临界时刻承受不了这种压力,使液压系统受损
5、,导致强大的气流吹进垂直尾翼内,使升降液压系统受损,导致强大的气流吹进垂直尾翼内,使升降航和方向航失去控制,尾翼上部和方向舵在一瞬间被撕裂航和方向航失去控制,尾翼上部和方向舵在一瞬间被撕裂而坠落。而坠落。疲劳引起的大型灾难性事故疲劳引起的大型灾难性事故19981998年德国一列高速列车在行驶中突然出轨。年德国一列高速列车在行驶中突然出轨。事故是因为一节车厢的车轮内部疲劳断裂而引起,事故是因为一节车厢的车轮内部疲劳断裂而引起,导致了近导致了近5050年来德国最惨重铁路事故的发生。年来德国最惨重铁路事故的发生。 疲劳引起的大型灾难性事故疲劳引起的大型灾难性事故20022002年华航年华航CI611
6、CI611飞机由于金属疲劳,造成空中飞机由于金属疲劳,造成空中解体,造成机上解体,造成机上225225名旅客及机员全部罹难。名旅客及机员全部罹难。疲劳失效的过程和机制。疲劳失效的过程和机制。介绍估算裂纹形成寿命的方法,以及延寿技术。介绍估算裂纹形成寿命的方法,以及延寿技术。介绍一些疲劳研究的新成果。介绍一些疲劳研究的新成果。金属疲劳的基本概念和一般规律。金属疲劳的基本概念和一般规律。 本讲座主要介绍本讲座主要介绍具体目的:具体目的: 精确地估算机械结构的零构件的疲劳寿命,简称定精确地估算机械结构的零构件的疲劳寿命,简称定寿,保证在服役期内零构件不会发生疲劳失效;寿,保证在服役期内零构件不会发生
7、疲劳失效; 采用经济而有效的技术和管理措施以延长疲劳寿命采用经济而有效的技术和管理措施以延长疲劳寿命,简称延寿,从而提高产品质量。,简称延寿,从而提高产品质量。 循环应力(疲劳应力)是指应力随时间呈周期性循环应力(疲劳应力)是指应力随时间呈周期性的变化。的变化。循环应力循环应力- -时间图时间图 应力历程应力历程 循环应力循环应力循环应力循环应力 稳定循环应力稳定循环应力 不稳定循环应力不稳定循环应力 非规律性非规律性: :如汽车的钢板弹簧如汽车的钢板弹簧 规律性规律性: :机床的主轴机床的主轴tt非规律性非规律性规律性规律性不稳定循环应力不稳定循环应力循环应力变化范围不变,即循环应力变化范围
8、不变,即波形不变。波形波形不变。波形通常是正通常是正弦波,此外还有弦波,此外还有三角波以及其它波形三角波以及其它波形。循环应力循环应力- -时间图时间图 应力历程应力历程 稳定循环应力稳定循环应力稳定循环应力稳定循环应力平均应力平均应力m m m m( (maxmax+ +minmin) )2 2应力比(循环特性)应力比(循环特性)R R= R=minmin / /maxmax应力幅应力幅a a或应力范围(应力幅度)或应力范围(应力幅度) a a=/2=(/2=(maxmax- -minmin)/2,)/2,maxmax和和minmin分别为循环最大应力和循环最小应力;分别为循环最大应力和循环
9、最小应力;循环应力的特征参数:循环应力的特征参数:循环应力分为下列几种典型情况:循环应力分为下列几种典型情况:对称循环对称循环应力应力 m m=0=0,R R-1-1。大多数轴类零件,通常受到对称循环应力的作用。大多数轴类零件,通常受到对称循环应力的作用。 不对称循环不对称循环应力应力 m m0 0,R R-1-1。 不对称拉伸平均应力循环不对称拉伸平均应力循环应力应力 m m 0,-1-1R R0 0。大拉小压循环。比较常见的不对称循环大拉小压循环。比较常见的不对称循环应力应力不对称压缩平均应力循环不对称压缩平均应力循环应力应力 0 0m ma a,-1-1R R0 0结构中某些支撑件受到这
10、种循环应力结构中某些支撑件受到这种循环应力- -大拉小压的作用大拉小压的作用。脉动脉动循环循环应力应力 m m= =a a,R R0 0齿轮的齿根和某些压力容器受到这种脉动循环应力的作齿轮的齿根和某些压力容器受到这种脉动循环应力的作用。用。 波动波动循环循环应力应力 m m a a,0 0R R1 1飞机机翼下翼面、钢梁的下翼缘以及预紧螺栓等,均承飞机机翼下翼面、钢梁的下翼缘以及预紧螺栓等,均承受这种循环应力的作用。受这种循环应力的作用。静(静(循环循环)应力)应力 a a=0=0,R R1 1疲劳的分类疲劳的分类(1 1)按应力状态:弯曲疲劳、扭转疲劳、复合疲劳等;)按应力状态:弯曲疲劳、扭
11、转疲劳、复合疲劳等;(2 2)按环境:腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳等;)按环境:腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳等;(3 3)按循环周期:高周疲劳、低周疲劳;)按循环周期:高周疲劳、低周疲劳;(4 4)按破坏原因:机械疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳。)按破坏原因:机械疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳。(5 5)按初始状态:无裂纹零件和裂纹零件的疲劳)按初始状态:无裂纹零件和裂纹零件的疲劳疲劳的特点疲劳的特点(1 1)最大应力)最大应力b b,甚至,甚至 1 1作aN曲线曲线斜率da/dN为裂纹扩展速率;裂纹达到ac c,da/dN无限大。图图 典型的疲劳典型的疲劳裂纹扩展速裂纹扩展速率曲线率曲线 疲劳裂纹扩展速率曲线可
12、以分为三个区:疲劳裂纹扩展速率曲线可以分为三个区:v I I区为区为近门槛区近门槛区,裂纹扩展速率随着,裂纹扩展速率随着K K的降低而迅的降低而迅速降低,以至速降低,以至dadadN0dN0。与此相对应。与此相对应K K值称为疲值称为疲劳裂纹扩展门槛值,记为劳裂纹扩展门槛值,记为K Kthth。当。当KKK Kthth 时,时,dadadNdN0 0。这是裂纹扩展门槛值的物理定义或理论。这是裂纹扩展门槛值的物理定义或理论定义。实验测定的裂纹扩展门槛值常定义为:定义。实验测定的裂纹扩展门槛值常定义为:dadadNdN1-31-310-1010-10 m mcyclecycle时的时的K K值。值
13、。I I区接近于区接近于K Kthth ,故又将故又将I I区称为近门槛区。区称为近门槛区。v IIII区为区为中部区或稳态扩展区中部区或稳态扩展区,对应于,对应于dadadNdN1010-8-8- -1010-6-6 m mcyclecycle。在。在IIII区;裂纹扩展速率在区;裂纹扩展速率在logdlogda a/d/dN N - - loglogK K 双对数坐标上呈一直线。双对数坐标上呈一直线。v IIIIII区为区为裂纹快速扩展区裂纹快速扩展区,dadadN dN 10-6 - 10-5 m10-6 - 10-5 mcycle, cycle, 并随着并随着K K的增大而迅速升高。当
14、的增大而迅速升高。当K KmaxmaxK K(1-R)=K(1-R)=KICIC 时,试件或零件断裂。时,试件或零件断裂。 为了精确地估算零件的裂纹扩展寿命为了精确地估算零件的裂纹扩展寿命 最著名最著名ParisParis裂纹扩展速率公式裂纹扩展速率公式 疲劳裂纹扩展速率表达式疲劳裂纹扩展速率表达式式中式中 C C,m m为实验测定的常数。为实验测定的常数。ParisParis公式仅适用于公式仅适用于IIII区。区。 ( (经验公式经验公式) ) da/dN=C(K)nyxxyr31 sinsin223cos1 sinsin22223sincos22xyxyarssssKas31 sinsin
15、223cos1 sinsin22223sincos22xyxyKrsssKas应力强度因子应力强度因子Ks paris公式。 da/dN=C(K)n n c、n材料试验常数,与材料、应力比、环境等因素有关。显微组织对n的影响不大,多数材料的n值在24之间变化。根据应力历程可得应力强度因子应力强度因子历程 按式计算裂纹扩展寿命,要选择合适的裂纹扩按式计算裂纹扩展寿命,要选择合适的裂纹扩展速率公式,确定初始裂纹尺寸展速率公式,确定初始裂纹尺寸a ai i和临界裂纹尺寸和临界裂纹尺寸 a ac c,即积分的上、下限。即积分的上、下限。 修正后的修正后的ParisParis公式,计算裂纹扩展寿命,即公
16、式,计算裂纹扩展寿命,即用用ParisParis公式计算裂纹扩展寿命将会给出保守的结果。公式计算裂纹扩展寿命将会给出保守的结果。 疲劳裂纹扩展寿命估算疲劳裂纹扩展寿命估算零件的裂纹扩展寿命零件的裂纹扩展寿命N Np p,可按下式估算,可按下式估算ciaafdNdadaNciaampKCdaN 延寿技术延寿技术1 1细化晶粒细化晶粒 随着晶粒尺寸的减小,合金的裂纹形成寿随着晶粒尺寸的减小,合金的裂纹形成寿命和疲劳总寿命延长。命和疲劳总寿命延长。2 2减少和细化合金中的夹杂物减少和细化合金中的夹杂物 细化合金中的夹杂物颗细化合金中的夹杂物颗粒,可以延长疲劳寿命。粒,可以延长疲劳寿命。3 3微量合金
17、化微量合金化 向低碳钢中加铌,大幅度地提高钢的强向低碳钢中加铌,大幅度地提高钢的强度和裂纹形成门槛值,大幅度地延长裂纹形成寿命。度和裂纹形成门槛值,大幅度地延长裂纹形成寿命。 4 4减少高强度钢中的残余奥氏体减少高强度钢中的残余奥氏体 将高强度马氏体纲中将高强度马氏体纲中的残余奥氏体由的残余奥氏体由1212减少到减少到5 5左右左右. . 5 5改善切口根部的表面状态改善切口根部的表面状态 切削加工会引起零件表面切削加工会引起零件表面层的几何、物理和化学的变化。层的几何、物理和化学的变化。6 6表面喷丸强化表面喷丸强化 是既能延长裂纹形成寿命,又能延长是既能延长裂纹形成寿命,又能延长裂纹扩展寿
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