疲劳裂纹扩展与寿命计算.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,疲劳裂纹扩展与寿命计算,航空工程学院 郭巧荣,qiaorongguo,金属结构材料,TD1,2025/4/23 周三,1,绪论,自第二次世界大战以来，随着高强度材料和大型结构的广泛应用，一些按传统强度和常规设计方法设计、制造并经严格检验合格的产品，先后发生了不少灾难性断裂事故。,二战期间，,19431947,年美国,5000,余艘焊接船连续发生了一千多起断裂事故。其中,238,艘完全毁坏；,英国“,de Haviland”,公司在,1952,年研制的旅客机“彗星”号连续发生失事。,2025/4/23 周三,2,本讲内容,1,含裂纹结构的安全性,2,疲劳失效过程与机制,3,疲劳裂纹的亚临界扩展,4,影响疲劳裂纹扩展的因素,5,疲劳裂纹扩展寿命计算,6,延缓裂纹形成寿命的技术,2025/4/23 周三,3,参考资料,飞机结构疲劳强度与断裂分析,杜洪增编 中国民航出版社,断裂力学及其工程应用,李庆芬主编 哈尔滨工程大学出版社,材料的力学性能,郑修麟编 西北工业大学出版社,2025/4/23 周三,4,疲劳裂纹研究的目的,定寿：精确地估算机械结构的零构件的疲劳寿,命，保证在服役期内零构件不会发生疲劳,失效。,延寿：采用经济而有效的技术和管理措施延长,疲劳寿命,1,含裂纹结构的安全性,2025/4/23 周三,5,1,含裂纹结构的安全性,飞机结构的使用寿命,疲劳裂纹形成寿命,由微观缺陷发展到宏观可检裂纹所对应的寿命,由疲劳理论的方法给以确定,疲劳裂纹扩展寿命,宏观可检裂纹扩展到临界裂纹而发生破坏这段区间的寿命,用断裂力学方法确定,计算结构裂纹扩展寿命的意义,即使循环应力水平远低于材料的疲劳极限，裂纹也可能扩展，并最终导致灾难性的破坏,2025/4/23 周三,6,2,疲劳失效过程与机制,疲劳失效过程示意图,2025/4/23 周三,7,2.1,疲劳裂纹萌生过程及机理,宏观疲劳裂纹是由微观裂纹的形成、长大及联接而成的。,将,0.050.1mm,的裂纹确定为疲劳裂纹核，以此确定疲劳裂纹萌生期,疲劳裂纹萌生机理的三种可能：,表面滑移带开裂,夹杂物与基体相界面分离或夹杂物本身断裂,晶界开裂,2025/4/23 周三,8,2,疲劳失效过程与机制,4,5,6,滑移带宽度随循环次数增加,位错的塞积和交割,微裂纹形成,滑移带开裂产生裂纹,2025/4/23 周三,9,2,疲劳失效过程与机制,相界面开裂产生裂纹,预防,从晶界萌生裂纹来看，凡使晶界强化、净化和细化晶粒的因素，均能抑制晶界裂纹形成，提高疲劳抗力。,2025/4/23 周三,10,2,疲劳失效过程与机制,裂纹扩展的两个阶段,第一阶段,沿主滑移系，以纯剪切方式向内扩展；扩展速率仅,0.1m,数量级。,第二阶段,在,da/dN,的,II,区。晶界的阻碍作用，使扩展方向逐渐垂直于主应力方向；扩展速率,m,级；可以穿晶扩展。形成疲劳条纹,2025/4/23 周三,11,塑性钝化模型,2,疲劳失效过程与机制,2025/4/23 周三,12,3,疲劳裂纹的亚临界扩展,对于一个含有表面初始裂纹（长度为,a,0,）的构件：,静载荷情况,不会破坏,脆性断裂,裂纹缓慢扩展,裂纹失稳扩展，构件破坏,交变载荷情况,2025/4/23 周三,13,疲劳裂纹的亚临界扩展,疲劳裂纹的亚临界扩展,裂纹在交变应力作用下，由初始长度,a,0,扩展到临界长度,a,c,的这一段扩展过程,2025/4/23 周三,14,3.1,疲劳裂纹扩展速率,在交变载荷作用下，裂纹长度,a,随交变载荷循环数,N,的增加而加大,裂纹扩展速率是裂纹扩展的一个量度,预测疲劳裂纹扩展寿命,估算裂纹检查间隔,2025/4/23 周三,15,3.1,疲劳裂纹扩展速率,CCT试件的测试结果,2025/4/23 周三,16,3.1,疲劳裂纹扩展速率的计算,裂纹增长，,K,I,增大,2025/4/23 周三,17,3.2 Paris,公式,疲劳裂纹扩展是受裂纹尖端弹性应力强度因子变程,控制的：,式中,c,、,n,是与试验条件（环境、加载频率、温度和应力比,R,等）有关的材料常数，对于绝大多数金属材料，,n,=2 4,。为应力强度因子幅度，其定义为,Paris,公式表明：疲劳裂纹扩展是由裂纹尖端弹性应力强度因子的变化幅度所控制的。,2025/4/23 周三,18,3.3,疲劳裂纹亚临界扩展规律,高周疲劳的裂纹亚临界扩展规律：三个分区,2025/4/23 周三,19,3.3,疲劳裂纹亚临界扩展规律,Where,a=crack length,N=no.of cycles,K,I,=range of stress intensity,at root of crack,calculated from max stress,minus minimum stress.,C and m are material constants,2025/4/23 周三,20,c,m,Values of C and m for Crack Growth Eqn.,Material,2025/4/23 周三,21,4,影响疲劳裂纹扩展的因素,影响疲劳裂纹扩展的因素,应力强度因子变程,最重要、最基本,应力比,平均应力,高载峰值,加载频率,温度,环境介质,2025/4/23 周三,22,4.1,应力比与平均应力的影响,应力比的影响,随应力比,R,而,第,区域,R,，门槛值,第,区域,影响稍小,第,区域,影响显著,2025/4/23 周三,23,4.1,应力比与平均应力的影响,平均应力的影响,当应力变程一定时，平均应力随应力比的增加而增加,平均应力的影响可通过,R,来体现,2025/4/23 周三24,注：,Paris,公式的几种修正形式简介,1,）,Donalure,公式：反映门槛值的影响,在曲线的第,I,区域，即在疲劳裂纹扩展初期，疲劳裂纹扩展速率受 的影响较大，但是,paris,公式没有反映门槛值 的存在，也没有反映 的影响，所以,Donalure,提出上式疲劳裂纹的扩展速率经验公式。,2025/4/23 周三,25,注：,Paris,公式的几种修正形式简介,2,）,Walker,公式：考虑平均应力的影响，适合描述裂,纹速率特性的第,II,区域。,上式的,c,m,n,是与实验条件有关的材料常数，对于,2021-T3,铝合金，,m=0.5,对于,7075-T6,铝合金,m=0.425;,对于,301,不锈钢，,m=0.667.,当,m=1,时，,Walker,公式就是,Paris,公式。,Walker,公式 考虑了平均应力的影响，适合描述裂纹速率特性的第,II,区域。,2025/4/23 周三,26,注：,Paris,公式的几种修正形式简介,3,）,Forman,公式：描述曲线的第,III,区域的裂纹扩展修正公式。,Forman,公式不仅考虑了平均应力的影响，而且反映了反映断裂韧性 的影响,.,公式表明，值越高，值越小，这一点对构件的选材非常重要。实践表明，,Forman,公式对于处理低强度、高韧性材料的疲劳裂纹扩展问题较合适。,2025/4/23 周三,27,4.1应力比与平均应力的影响,表面残余应力的影响,构件表面的残余压应力会降低平均应力,表面残余拉应力则增加平均应力。,抗疲劳表面处理工艺措施,表面渗碳,表面渗氮,碳氮共渗,表面淬火或滚压,喷丸强化等,2025/4/23 周三,28,4.2,高载峰值的影响,在恒幅加载(恒定)过程中，如突然受到一高载作用，随后又以原先的恒福载荷加载，这个高载值称为高载峰值。,若在恒幅交变载荷疲劳试验过程中施加一个高载峰值载荷，则会使在接着继续进行的恒幅循环中的疲劳裂纹扩展速率显著降低，甚至可以降低到零，这 表明高载对疲劳裂纹扩展有延缓或停滞作用。,2025/4/23 周三,29,4.2,高载峰值的影响,2025/4/23 周三,30,4.2,高载峰值的影响,2024-T3,在恒幅载荷循环中穿插施加了三个高载时的,a,-,N,曲线,2025/4/23 周三,31,4.2,高载峰值的影响,高载峰值的影响：,Wheeler,模型,高载在裂纹尖端产生了一个较大的塑性区，在此区域内，材料受拉发生永久变形。卸载后，包围在塑性区外的弹性材料要回到原来位置，但受到存在残余变形的塑性区的阻止作用，于是，弹性区就施压于塑性区。这个压力就阻止裂纹张开，从而降低其后的裂纹扩展速率。但当裂纹逐渐扩展到摆脱这种影响后，扩展速率又恢复到原来的水平。,如果高载的应力比小于零，延迟效应将会减小。这是因为,压缩载荷部分对裂纹扩展有一定的加速作用,。,2025/4/23 周三,32,4.2,高载峰值的影响,Wheeler模型的延迟参量,2025/4/23 周三,33,4.2,高载峰值的影响,ELBER,的闭合模型,2025/4/23 周三,34,4.2,高载峰值的影响,高载迟滞,2025/4/23 周三,35,4.2,高载峰值的影响,高载迟滞,2025/4/23 周三,36,4.2,高载峰值的影响,高载迟滞,2025/4/23 周三,37,4.2,加载频率的影响,加载频率的影响,试验表明，当 值较低时，加载频率对疲劳裂纹扩展速率的影响很小。但在 值较高时，特别是在高温下，加载频率对疲劳裂纹扩展速率有明显影响。随着加载频率的降低，疲劳裂纹扩展速率增大。,实际飞机结构件的交变应力变化频率往往较低，当把较高频率下获得的裂纹扩展速率数据用于计算时，应作适当修正。,2025/4/23 周三,38,4.3,温度的影响,温度的影响,温度上升，裂纹扩展速率增大,裂纹扩展寿命变短,除上述因素影响外，腐蚀环境、试件厚度、热处理、加载方式等都对裂纹扩展速率有影响。,2025/4/23 周三,39,4.3,温度的影响,温度的影响,2025/4/23 周三,40,5,疲劳裂纹扩展寿命计算,通常，由裂纹扩展寿命的一半来确定构件的检测周期,2025/4/23 周三,41,5.1,等幅循环载荷下的裂纹扩展寿命,等幅循环载荷下的裂纹扩展寿命,2025/4/23 周三,42,5.1,等幅循环载荷下的裂纹扩展寿命,例题,1,：,某压力容器的层板上有一长度为,2,a=,42,mm,的周向穿透直裂纹；容器每次升压和降压时,=,100,MPa,；由材料的断裂韧性计算出的临界裂纹尺寸,a,c,=225mm,；由实验得到的裂纹扩展速率表达式为,d,a,/d,N,=2,10,-10,(,K,I,),3,。试计算容器的裂纹扩展寿命和经,5000,次循环后的裂纹尺寸。,2025/4/23 周三,43,解,（,1,）容器层板可视为带有中心穿透裂纹的无限大板，其应力强度因子 （没有塑性修正），而应力强度因子变程 。将 代入下式进行积分计算疲劳裂纹扩展寿命，,例题,1,解,2025/4/23 周三,44,例题,1,解（续）,2025/4/23 周三,45,例题,1,解（续）,（,2,）经过,5000,次循环后，裂纹长度应满足,，故经过,5000,次循环后，该容器仍然安全,2025/4/23 周三,46,5.2,谱载荷作用下的裂纹扩展寿命,谱载荷作用下的裂纹扩展寿命,从高载对疲劳裂纹扩展的影响讨论中可以推断，在变幅循环加载下，不同幅值循环载荷之间存在着相互的影响。,工程中通常忽略不同幅值疲劳载荷之间的相互影响，分别独立计算各种幅值载荷下的裂纹扩展量，然后按照线性叠加原则求其总的扩展量，进而计算出疲劳裂纹扩展寿命。,2025/4/23 周三,47,疲劳裂纹扩展寿命计算,谱载荷作用下的裂纹扩展寿命,2025/4/23 周三,48,6 延缓裂纹形成寿命的技术,细化晶粒,提高微量塑性抗力，使变形均匀，延缓疲劳微裂纹形成。,晶界增加有阻碍微裂纹长大和联接作用,减少和细化合金中的夹杂物,微量合金化,减少高强度钢中的残余奥氏体,奥氏体,12%,减少,5%,，钢的屈服强度,970,提高,1320MPa,改善切口根部的表面状态,表面光洁度、表面层残余应力和金属的加工硬化,孔挤压强化,冷挤压,残余压应力,材料强化,延长裂纹形成寿命,2025/4/23 周三,49,作业,习题,1,：某无限大板含中心裂纹,2,a,0,，受,R,=0,的循环载荷作用，,K,c,=120 MPa,m,1/2,，裂纹扩展速率为,d,a,/d,N,=2,10,-12,(,K,),3,m/r,。试对于,a,0,=0.5mm,、,2mm,两种情况分别计算,max,=200 MPa,时的寿命。,提示：临界裂纹长度,习题,2,：某大尺寸钢板有一边裂纹,a,0,=0.5mm,，受,R,=0,，,max,=200 MPa,的循环载荷作用。已知材料的屈服极限,s,=630 MPa,，强度极限,b,=670 MPa,，弹性模量,E,=2.07,105 MPa,，门槛应力强度因子幅度,K,th,=5.5 MPa,m,1/2,，断裂韧性,K,c,=104 MPa,m,1/2,，疲劳裂纹扩展速率为,d,a,/d,N,=6.9,10,-12,(,K,),3,m/r,。试估算此裂纹板的寿命。,提示：对于边裂纹，几何修正因子,2025/4/23 周三,50,习题,1,解,（,1,）,a,0,=0.5mm,时，,2025/4/23 周三,51,习题,1,解,（,1,）,a,0,=2mm,时，,2025/4/23 周三,52,习题,2,解：,2025/4/23 周三,53,谢 谢！,2025/4/23 周三,54,