材料力学性能教学课件：材料的疲劳与破坏性能

材料力学性能材料的疲劳与破坏性能本课件旨在系统地介绍材料在循环载荷作用下的疲劳现象与破坏机理，以及在静载荷作用下的各种破坏形式通过本课程的学习，您将能够深入理解疲劳破坏的本质，掌握影响疲劳寿命的关键因素，并了解如何通过合理的设计、材料选择和维护措施来预防疲劳破坏同时，您还将学习各种破坏类型的特点及其微观机理，为工程实践中的安全评估和失效分析提供理论基础和技术支持课程目标理解疲劳与破坏的概念疲劳概念破坏概念联系与区别123理解材料在循环应力或应变作用掌握材料在静载荷作用下发生的各区分疲劳破坏与静力破坏，理解疲下，即使应力远低于材料的屈服强种破坏形式，如脆性破坏和塑性破劳破坏是循环载荷作用下的累积损度，经过一定次数的循环后也会发坏理解破坏是材料在受到外力作伤过程，而静力破坏是材料在单次生断裂的现象，即疲劳现象深入用后，其内部结构发生变化，导致加载下达到强度极限的破坏了解了解疲劳破坏是工程结构失效的主材料丧失承载能力的现象破坏形两种破坏形式的特点、机理以及预要形式之一，其破坏具有突发性和式多种多样，取决于材料的性质、防措施，是保证工程结构安全性的隐蔽性加载方式和环境条件关键课程内容概述疲劳破坏的机理与影响因素疲劳破坏机理影响因素实践应用本课程将详细讲解疲劳裂纹的萌生、扩我们将系统地介绍影响疲劳寿命的各种本课程还将结合实际工程案例，讲解如展和最终断裂的微观机理从材料的微因素，包括材料的性质（强度、韧性、何进行疲劳寿命估算、疲劳设计以及疲观结构入手，分析循环载荷作用下位错硬度）、应力水平、应力比、平均应劳失效分析通过案例分析，加深对疲的运动、聚集以及微裂纹的形成深入力、表面状态、尺寸效应、环境介质劳破坏机理和影响因素的理解，提高解探讨裂纹扩展的宏观规律，包括Paris公等分析这些因素对疲劳寿命的影响规决实际工程问题的能力式的应用和影响因素律，为工程设计提供依据疲劳定义与现象什么是疲劳？疲劳定义疲劳现象疲劳是指材料或构件在远低于其静态疲劳现象广泛存在于各种工程结构强度极限的循环应力或应变作用下，中，如飞机、桥梁、汽车、机械部件经过一定次数的循环后发生断裂的现等例如，飞机机翼在飞行过程中承象疲劳破坏是一种累积损伤过程，受周期性的载荷，桥梁在车辆通过时即使每次循环的应力水平都很低，经承受振动载荷，这些都可能导致疲劳过多次循环后也会导致材料的失效破坏的发生疲劳破坏具有突发性和隐蔽性，难以预测重要性理解疲劳定义和疲劳现象对于工程安全至关重要疲劳破坏是工程结构失效的主要原因之一，如果不加以重视，可能会导致严重的事故和经济损失因此，在工程设计、制造和维护过程中，必须充分考虑疲劳的影响，采取相应的预防措施疲劳破坏的特点与静力破坏的区别应力水平破坏形式预测性疲劳破坏发生在远低于材料屈服强度的疲劳破坏通常表现为脆性断裂，断口表疲劳破坏的预测相对困难，需要考虑循应力水平下，而静力破坏则发生在应力面光滑，具有明显的疲劳条纹，而静力环载荷的特性、材料的性质、环境因素达到或超过材料屈服强度或抗拉强度破坏则可能表现为塑性变形或脆性断等，而静力破坏的预测相对简单，只需时疲劳破坏通常不需要很大的单次载裂，断口形貌取决于材料的性质和加载比较应力与材料的强度极限即可疲劳荷，而是通过多次循环累积损伤条件疲劳断口通常分为三个区域裂寿命的估算通常需要借助S-N曲线、纹萌生区、裂纹扩展区和瞬断区Goodman图等工具疲劳寿命的概念曲线介绍S-N疲劳寿命疲劳寿命是指材料或构件在一定的循环应力作用下，从开始加载到发生断裂所经历的循环次数疲劳寿命是衡量材料抗疲劳性能的重要指标，也是疲劳设计的基础S-N曲线曲线（应力寿命曲线）是一种描述材料疲劳性能的曲线，它表示S-N-材料在不同应力水平下的疲劳寿命曲线通常通过疲劳试验获得，S-N是疲劳设计和疲劳寿命估算的重要依据曲线的横坐标表示循环次S-N数，纵坐标表示应力水平N S应用曲线可以用于确定材料的疲劳极限，即材料在无限次循环载荷作用S-N下不发生破坏的最大应力水平曲线还可以用于估算材料在特定应S-N力水平下的疲劳寿命，为工程结构的疲劳设计提供参考曲线的测定方法疲劳试验机原理S-N试验原理疲劳试验的原理是在一定的循环载荷作用下，记录材料或构件的疲劳寿命通疲劳试验机2过改变循环载荷的应力水平，可以获得一系列的应力寿命数据，从而绘制出-曲线通常通过疲劳试验获得，常S-N曲线S-N用的疲劳试验机包括旋转弯曲疲劳试验1机、轴向拉压疲劳试验机、扭转疲劳试试验步骤验机等这些试验机可以模拟不同的循疲劳试验通常包括以下步骤准备试环载荷条件，如恒应力、恒应变、恒载样、安装试样、设置试验参数、启动试荷等验机、记录数据、分析结果试验过程3中需要严格控制试验条件，如温度、湿度、加载频率等，以保证试验结果的准确性影响曲线的因素材料、S-N环境等材料因素环境因素其他因素材料的成分、组织、强环境介质、温度、湿度加载方式、加载频率、度、硬度、韧性等都会等都会影响S-N曲线应力比等也会影响S-N影响S-N曲线例如，例如，腐蚀介质会加速曲线例如，不同的加高强度钢通常具有较高疲劳裂纹的萌生和扩载方式（拉压、弯曲、的疲劳极限，但其缺口展，降低材料的疲劳寿扭转）会产生不同的应敏感性也较高材料的命高温会降低材料的力状态，从而影响S-N表面状态也会影响S-N强度和硬度，也会影响曲线加载频率过高可曲线，如表面粗糙度、S-N曲线能会导致材料发热，影表面残余应力等响试验结果循环应力特征应力比的定义R应力比（）定义为最小应力与最大应力之比，即R R=σmin/σmax应力比是描述循环应力特征的重要参数，它反映了循环应力的波动范围和平均应力水平R=-1表示完全反向循环应力，即最大应力与最小应力大小相等，方向相反例如，旋转弯曲疲劳试验中的应力状态R=0表示脉动循环应力，即最小应力为零例如，从零加载到最大应力的循环载荷R=1表示静载荷，即应力不随时间变化此时，疲劳问题退化为静力强度问题平均应力对疲劳寿命的影响修正曲线S-N修正S-N曲线平均应力是指循环应力中的平均值，即σm=σmax+σmin/2平均应力对疲劳寿命有显1著影响，通常情况下，平均应力越高，疲劳寿命越短修正方法为了考虑平均应力的影响，需要对曲线进行修正常用的修正方法包括S-N2修正、修正、修正等这些修正方法通过引入平Goodman SoderbergGerber均应力修正项，将不同平均应力下的曲线统一到一个基准曲线S-N S-N应用修正后的曲线可以更准确地估算材料在特定循环应力条件下的疲S-N3劳寿命，提高疲劳设计的可靠性在工程实践中，应根据实际情况选择合适的修正方法图考虑平均应力影响的设计GoodmanGoodman图1图是一种用于考虑平均应力影响的疲劳设计工具它以平均应力为横坐标，应力幅值为纵坐Goodman标，绘制出材料的安全区域安全区域内的应力状态不会导致疲劳破坏安全区域2图的安全区域通常由一条直线或曲线表示，该直线或曲线连接材料的疲劳Goodman极限和抗拉强度安全区域的大小取决于材料的性质和设计要求应用在疲劳设计中，可以通过图来判断结构的应力状态Goodman3是否安全如果结构的应力状态位于安全区域内，则认为结构具有足够的抗疲劳强度图是一种简单而实用的疲Goodman劳设计工具图保守设计方法SoderbergSoderberg图保守设计适用性图是另一种用于考虑平均图的安全区域通常比图适用于对安全要求较高Soderberg SoderbergSoderberg应力影响的疲劳设计工具与Goodman图更小，因此Soderberg的场合，例如航空航天、核电等领Goodman图类似，Soderberg图也图是一种更为保守的设计方法域在这些领域，即使采用保守的设以平均应力为横坐标，应力幅值为纵Soderberg图的安全区域由一条直线计方法，也能保证结构的安全性坐标，绘制出材料的安全区域表示，该直线连接材料的疲劳极限和屈服强度疲劳极限的概念材料能承受的循环应力疲劳极限测定方法应用疲劳极限是指材料在无限次循环载荷作疲劳极限通常通过疲劳试验获得在疲在疲劳设计中，应保证结构的最大应力用下不发生破坏的最大应力水平疲劳劳试验中，将材料置于循环载荷作用水平低于材料的疲劳极限，以避免疲劳极限是衡量材料抗疲劳性能的重要指下，逐渐降低应力水平，直到材料在达破坏的发生对于没有明显疲劳极限的标，也是疲劳设计的基础疲劳极限通到一定的循环次数（通常为10^7次或更材料，可以采用疲劳强度作为设计依常用σ-1表示高）后仍未发生破坏，此时的应力水平据即为疲劳极限疲劳强度的影响因素表面处理、尺寸等表面处理尺寸效应其他因素123表面处理可以显著提高材料的疲劳尺寸效应对疲劳强度有一定影响除了表面处理和尺寸效应外，还有强度常用的表面处理方法包括喷通常情况下，尺寸越大，疲劳强度许多其他因素会影响疲劳强度，如丸、渗碳、氮化、镀铬等这些表越低这是因为大型构件更容易存材料的成分、组织、加载方式、环面处理方法可以改善材料的表面状在缺陷，且应力分布不均匀，导致境介质等在疲劳设计中，应综合态，提高表面硬度，引入表面残余疲劳裂纹更容易萌生和扩展考虑各种因素的影响，选择合适的压应力，从而提高疲劳强度材料和工艺，以提高结构的疲劳强度表面处理对疲劳强度的影响喷丸、渗碳等喷丸1喷丸是一种利用高速弹丸冲击材料表面的表面处理方法喷丸可以使材料表面产生塑性变形，引入表面残余压应力，提高表面硬度，从而显著提高疲劳强度喷丸适用于各种金属材料渗碳2渗碳是一种将碳原子渗入材料表面的化学热处理方法渗碳可以提高材料表面的硬度和耐磨性，从而提高疲劳强度渗碳适用于低碳钢和合金钢氮化3氮化是一种将氮原子渗入材料表面的化学热处理方法氮化可以提高材料表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，从而提高疲劳强度氮化适用于各种钢材尺寸效应对疲劳强度的影响大型构件的疲劳尺寸效应应力集中疲劳预防尺寸效应对疲劳强度有大型构件的应力集中现为了提高大型构件的疲一定影响通常情况象更为严重由于几何劳强度，需要采取相应下，尺寸越大，疲劳强形状、加工缺陷等原的措施，如选择高强度越低这是因为大型因，大型构件的某些部度、高韧性的材料，优构件更容易存在缺陷，位会产生较高的应力集化结构设计，避免应力且应力分布不均匀，导中，导致疲劳裂纹更容集中，进行表面处理致疲劳裂纹更容易萌生易在这些部位萌生和扩等此外，还应加强对和扩展展大型构件的检测和维护，及时发现和处理疲劳裂纹缺口敏感性应力集中系数Kf缺口缺口是指构件的几何形状不连续的地方，如孔、槽、圆角等缺口会导致应力集中，使缺口附近的应力远高于构件的平均应力应力集中系数应力集中系数（）是描述缺口对应力集中程度的指标它定义Kf为缺口附近的最大应力与构件的平均应力之比应力集中系数越大，应力集中程度越高缺口敏感性缺口敏感性是指材料对缺口引起应力集中的敏感程度缺口敏感性越高，材料的疲劳强度受缺口的影响越大缺口敏感性可以用缺口系数来表示，，其中为理论应力q q=Kf-1/Kt-1Kt集中系数疲劳裂纹的萌生微观机理位错运动位错是晶体材料中常见的缺陷在循环应力作用下，位错会沿着一定的方向运2微观结构动，并在晶界、夹杂物等处聚集位错的聚集会导致局部应力集中，促进微裂疲劳裂纹的萌生是一个微观过程，它发1纹的形成生在材料的微观结构中在循环应力作用下，材料内部的位错会发生运动、聚微裂纹形成集和交互作用，最终形成微裂纹当局部应力集中达到一定程度时，材料内部会形成微裂纹微裂纹通常从材料3的表面或内部缺陷处萌生微裂纹的形成标志着疲劳损伤的开始疲劳裂纹的扩展宏观特征扩展阶段疲劳条纹断裂区域疲劳裂纹萌生后，会逐渐扩展疲劳裂疲劳裂纹扩展过程中，会在断口表面留当疲劳裂纹扩展到一定程度时，构件的纹的扩展是一个宏观过程，可以通过肉下明显的疲劳条纹疲劳条纹是疲劳裂承载能力会急剧下降，最终发生瞬时断眼或显微镜观察到疲劳裂纹的扩展速纹扩展的宏观特征，每一条疲劳条纹代裂瞬时断裂区域通常表现为粗糙的断率取决于应力水平、材料性质、环境介表一次循环载荷作用下裂纹扩展的距口形貌，与疲劳裂纹扩展区的疲劳条纹质等因素离疲劳条纹的宽度可以反映裂纹扩展形成鲜明对比速率的大小疲劳断口的分析典型断口形貌疲劳条纹区萌生区域瞬断区域疲劳断口通常分为三个区域裂纹萌生裂纹萌生区通常位于构件的表面或内部缺瞬断区是疲劳断口的最后区域，其表面通区、裂纹扩展区和瞬断区裂纹扩展区是陷处该区域的表面可能比较光滑，也可常表现为粗糙的断口形貌瞬断区的大小疲劳断口的主要区域，其表面具有明显的能存在一些细小的裂纹裂纹萌生区的大取决于构件的剩余承载能力和材料的韧疲劳条纹疲劳条纹的形状、大小和方向小取决于材料的性质和加载条件性可以反映裂纹扩展的路径和速率疲劳裂纹扩展速率公式Parisda/dN KΔ裂纹速率应力强度Paris公式是描述疲劳裂纹扩展速率的经验公应力强度因子幅值（ΔK）是指循环载荷作用式它表示裂纹扩展速率（da/dN）与应力下，应力强度因子的最大值与最小值之差强度因子幅值（ΔK）之间的关系Paris公ΔK反映了裂纹尖端应力场的强度，是影响疲式的形式为da/dN=CΔK^m，其中C和劳裂纹扩展速率的关键因素m为材料常数C,m材料常数Paris公式中的C和m为材料常数，它们取决于材料的性质、环境介质等因素C和m的值通常通过实验测定Paris公式适用于中等速率的疲劳裂纹扩展影响疲劳裂纹扩展速率的因素应力强度因子应力强度几何形状载荷条件应力强度因子（K）是构件的几何形状会影响加载条件（如应力水描述裂纹尖端应力场强应力强度因子的计算平、应力比、加载频度的参数K的大小取不同的几何形状对应不率）会影响应力强度因决于加载条件、裂纹尺同的应力强度因子计算子的幅值应力强度因寸和构件几何形状K公式在疲劳裂纹扩展子幅值越大，疲劳裂纹越大，裂纹尖端的应力分析中，需要根据实际扩展速率越快在疲劳集中程度越高，裂纹扩情况选择合适的应力强设计中，应尽量降低应展速率越快度因子计算公式力强度因子幅值，以延长疲劳寿命疲劳寿命估算基于裂纹扩展裂纹扩展积分局限性基于裂纹扩展的疲劳寿命估算方法是一基于裂纹扩展的疲劳寿命估算方法通常基于裂纹扩展的疲劳寿命估算方法的精种常用的疲劳寿命预测方法该方法通需要进行积分计算通过对Paris公式度取决于参数的准确性初始裂纹尺过分析疲劳裂纹的扩展过程，预测构件进行积分，可以得到疲劳寿命与裂纹尺寸、应力强度因子、材料常数等参数的的疲劳寿命该方法需要知道初始裂纹寸之间的关系积分的上下限分别为初误差都会影响疲劳寿命的预测结果此尺寸、应力强度因子、材料常数等参始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸外，该方法只适用于裂纹扩展阶段的疲数劳寿命估算，不能预测裂纹萌生阶段的疲劳寿命疲劳设计准则安全系数选择疲劳设计1疲劳设计是指在设计工程结构时，充分考虑疲劳的影响，采取相应的措施，以保证结构具有足够的抗疲劳强度疲劳设计是保证工程结构安全性的重要手段安全系数安全系数是指结构的设计强度与实际应力之比安全系数的选择应综合考虑结构的用2途、材料的性质、加载条件、环境介质等因素安全系数越大，结构的安全性越高，但材料利用率越低设计依据疲劳设计的依据包括材料的曲线、图、S-N Goodman3图等在疲劳设计中，应保证结构的最大应力水平Soderberg低于材料的疲劳极限或疲劳强度，并留有足够的安全裕量提高疲劳强度的措施材料选择、结构设计结构设计合理的结构设计可以避免应力集中，提高结构的疲劳强度应尽量避免尖角、2材料选择孔洞等几何形状突变，采用圆角过渡，减小应力集中系数此外，还可以采用选择具有高强度、高韧性的材料可以提1预应力技术，改善结构的应力状态高结构的疲劳强度高强度材料具有较高的疲劳极限，高韧性材料可以抵抗裂表面处理纹扩展常用的抗疲劳材料包括合金钢、钛合金、铝合金等表面处理可以改善材料的表面状态，提高表面硬度，引入表面残余压应力，从3而提高疲劳强度常用的表面处理方法包括喷丸、渗碳、氮化、镀铬等材料选择高强度、高韧性材料材料类型特点应用合金钢强度高、韧性好、耐制造飞机起落架、发磨性好，可通过热处动机部件、汽车传动理提高力学性能轴等钛合金比强度高、耐腐蚀性制造飞机机身、发动好、耐高温，但价格机压气机叶片、火箭昂贵发动机壳体等铝合金比重轻、强度较高、制造飞机机翼、机身易于加工，但耐腐蚀蒙皮、汽车轮毂等性较差结构设计避免应力集中圆角过渡孔洞优化避免焊接缺陷在结构设计中，应尽量采用圆角过渡，孔洞是结构中常见的应力集中源为了焊接缺陷（如气孔、夹渣、未焊透等）避免尖角，以减小应力集中圆角半径减小孔洞引起的应力集中，可以采用以会导致应力集中，降低焊接结构的疲劳越大，应力集中程度越低圆角过渡是下方法增加孔洞的圆角半径、采用椭强度在焊接过程中，应严格控制焊接一种简单而有效的减小应力集中的方圆形孔洞、在孔洞周围增加加强筋等工艺，避免焊接缺陷的产生焊后还可法以进行焊缝打磨，减小应力集中表面改性提高表面疲劳性能残余压应力表面改性可以通过在材料表面引入残余压应力，提高疲劳性能残余压应力可以抵消1一部分拉应力，降低材料承受的实际应力，从而延长疲劳寿命表面硬度表面改性可以通过提高材料表面硬度，提高耐磨性和抗塑性变形能力，从2而提高疲劳性能常用的提高表面硬度的方法包括渗碳、氮化、镀硬铬等光滑表面表面改性可以通过改善材料表面粗糙度，减小应力集中，从而3提高疲劳性能常用的改善表面粗糙度的方法包括抛光、研磨、喷丸等焊接结构的疲劳焊接缺陷的影响焊接缺陷焊接结构中常见的焊接缺陷包括气孔、夹渣、未焊透、裂纹等这些焊接缺陷会导致应力集中，降低焊接结构的疲劳强度影响焊接缺陷对疲劳强度的影响程度取决于缺陷的尺寸、形状、位置和方向尺寸越大、形状越尖锐、位置越靠近应力集中区域、方向与应力方向垂直的缺陷，对疲劳强度的影响越大预防为了提高焊接结构的疲劳强度，需要采取相应的措施，如严格控制焊接工艺，避免焊接缺陷的产生；采用焊后热处理，消除焊接残余应力；进行焊缝打磨，减小应力集中等腐蚀疲劳腐蚀介质的影响腐蚀疲劳指材料在腐蚀介质和循环应力共同作用下发生的疲劳破坏腐蚀介质会加速疲劳裂纹的萌生和扩展，降低材料的疲劳寿命影响因素腐蚀介质的种类、浓度、温度、值等都会影响腐蚀疲劳此pH外，材料的成分、组织、表面状态等也会影响腐蚀疲劳预防为了提高结构的抗腐蚀疲劳性能，可以采取以下措施选择耐腐蚀材料、采用防腐涂层、阴极保护、缓蚀剂等此外，还应尽量降低结构的应力水平，避免应力集中高周疲劳与低周疲劳应变控制与应力控制高周疲劳低周疲劳控制方式高周疲劳是指在较低应力水平下，经过低周疲劳是指在较高应力水平下，经过高周疲劳通常采用应力控制方式进行试较多次循环后发生的疲劳破坏高周疲较少次循环后发生的疲劳破坏低周疲验和分析，而低周疲劳通常采用应变控劳通常发生在弹性应力范围内，塑性变劳通常发生在塑性应力范围内，塑性变制方式进行试验和分析应力控制是指形较小高周疲劳的寿命主要取决于裂形较大低周疲劳的寿命主要取决于裂控制循环应力的幅值，应变控制是指控纹扩展阶段纹萌生阶段制循环应变的幅值低周疲劳的特点塑性变形的影响塑性变形应力应变循环加载低周疲劳的特点是塑性变形较大在低周疲劳的寿命主要取决于塑性应变低周疲劳通常发生在高温、高应力、循环载荷作用下，材料内部会发生显幅值塑性应变幅值越大，疲劳寿命低循环次数的条件下例如，航空发著的塑性变形，导致材料的微观结构越短低周疲劳分析需要考虑材料的动机的涡轮叶片、核反应堆的压力容发生变化，促进裂纹的萌生应力应变关系器等都容易发生低周疲劳关系低周疲劳寿命Coffin-Manson估算p NfΔε塑性应变疲劳寿命Coffin-Manson关系是描述低周疲劳寿命疲劳寿命（Nf）是指材料在一定的循环应变的经验公式它表示塑性应变幅值（Δεp）作用下，从开始加载到发生断裂所经历的循与疲劳寿命（Nf）之间的关系Coffin-环次数疲劳寿命是衡量材料抗低周疲劳性Manson关系的形式为Δεp=CNf^-能的重要指标m，其中C和m为材料常数C,m材料常数Coffin-Manson关系中的C和m为材料常数，它们取决于材料的性质、温度等因素C和m的值通常通过实验测定Coffin-Manson关系适用于低周疲劳寿命的估算热疲劳温度循环的影响温度循环1热疲劳是指材料在温度循环作用下发生的疲劳破坏温度循环会导致材料内部产生热应力，加速疲劳裂纹的萌生和扩展热应力热应力是指由于温度变化引起的应力热应力的大小取决于材料的热膨胀系数、弹性2模量和温度变化幅度热应力可以是拉应力，也可以是压应力，取决于温度变化的方向预防为了提高结构的抗热疲劳性能，可以采取以下措施选择热膨3胀系数小的材料、采用隔热措施、降低温度循环幅度、优化结构设计等蠕变疲劳高温下的疲劳高温蠕变相互作用抗蠕变性蠕变疲劳是指材料在高温和循环应力共蠕变疲劳的机理非常复杂，涉及蠕变、为了提高结构的抗蠕变疲劳性能，需要同作用下发生的疲劳破坏高温会加速疲劳、氧化等多种因素蠕变会改变材选择具有良好抗蠕变性能和抗疲劳性能蠕变变形，而循环应力会加速疲劳裂纹料的微观结构，影响疲劳裂纹的萌生和的材料，并采取相应的措施，如降低工的萌生和扩展蠕变和疲劳相互作用，扩展疲劳会加速蠕变变形，缩短蠕变作温度、减小应力水平、优化结构设计导致材料的寿命大大降低寿命等接触疲劳滚动轴承、齿轮的疲劳接触应力接触疲劳是指材料在接触应力作用下发生的疲劳破坏接触应力是指两个物体相互接触时产生的应力接触应力通常很高，容易导致疲劳破坏轴承齿轮滚动轴承和齿轮是常见的接触疲劳失效部件在滚动轴承中，滚动体与内外圈之间存在接触应力在齿轮中，齿面之间存在接触应力这些接触应力会导致疲劳裂纹在表面或次表面萌生和扩展，最终导致失效润滑为了提高滚动轴承和齿轮的抗接触疲劳性能，需要采取相应的措施，如选择高强度、高硬度的材料，进行表面处理，改善润滑条件等良好的润滑可以降低接触应力，减少摩擦磨损，延长使用寿命破坏的定义与类型脆性破坏、塑性破坏脆性破坏脆性破坏是指材料在没有明显塑性变形的情况下发生的突然断裂脆性破坏通2破坏定义常发生在低温、高应变速率或存在应力集中的情况下脆性破坏具有突发性和破坏是指材料或构件丧失承载能力，无1危险性法继续正常工作的现象破坏是工程结构失效的最终形式破坏的原因有很塑性破坏多，如过载、疲劳、腐蚀、磨损等塑性破坏是指材料在发生明显塑性变形后发生的断裂塑性破坏通常发生在高3温、低应变速率或没有应力集中的情况下塑性破坏具有渐进性和可预测性脆性破坏的特点无塑性变形无塑性形变1脆性破坏最显著的特点是断裂前没有明显的塑性变形断裂通常是突然发生的，没有预兆脆性破坏的断口通常比较平整，没有颈缩现象断裂迅速2脆性破坏的裂纹扩展速度很快，几乎是瞬间完成的裂纹扩展过程中释放大量的能量，可能导致结构的解体低应力水平3脆性破坏通常发生在较低的应力水平下，远低于材料的屈服强度这意味着即使在正常工作条件下，也可能发生脆性破坏塑性破坏的特点大变形塑性变形吸收能量高应力塑性破坏的特点是断裂塑性破坏需要吸收大量塑性破坏通常发生在较前有明显的塑性变形的能量在塑性变形过高的应力水平下，接近材料会发生颈缩、拉伸程中，材料内部会发生或超过材料的屈服强等变形，断口通常呈现大量的位错运动和晶格度这意味着材料已经杯锥状滑移，这些过程需要消发生了显著的塑性变耗能量形韧性断裂与脆性断裂微观机理韧性断裂脆性断裂韧性断裂的微观机理是微孔聚脆性断裂的微观机理是解理断集在应力作用下，材料内部的裂在应力作用下，晶体材料会第二相粒子、夹杂物等处会形成沿着一定的晶面发生解理断裂微孔随着应力的增加，微孔会解理断裂是一种原子之间的分离逐渐长大、聚集，最终形成宏观过程，不需要吸收大量的能量裂纹，导致断裂主要区别韧性断裂和脆性断裂的主要区别在于断裂过程中是否发生塑性变形韧性断裂需要吸收大量的能量，而脆性断裂则不需要韧性断裂的断口通常比较粗糙，而脆性断裂的断口通常比较平整理论脆性断裂的理论基础Griffith理论基础1理论是脆性断裂的经典理论它认为材料内部存在微裂纹，在应力作用下，微裂纹会扩展，导致Griffith断裂理论提出了裂纹扩展的能量判据Griffith能量释放率2理论认为，当裂纹扩展释放的能量大于裂纹扩展所需的表面能时，裂纹就会Griffith扩展能量释放率（）是指裂纹扩展单位面积释放的能量G临界值当能量释放率达到临界值（）时，裂纹就会失稳扩展，导Gc3致断裂临界能量释放率是材料的特性参数，反映了材料抵抗裂纹扩展的能力应力强度因子裂纹尖端应力场K应力集中强度因子设计依据应力强度因子（K）是描述裂纹尖端应力应力强度因子的大小取决于加载条件、应力强度因子是断裂力学的重要参数，场强度的参数由于裂纹的存在，裂纹裂纹尺寸和构件几何形状K越大，裂纹可以用于评估结构的断裂安全性在工尖端的应力会远高于构件的平均应力，尖端的应力集中程度越高，裂纹扩展的程设计中，应控制应力强度因子的大这种现象称为应力集中趋势越大小，避免超过材料的断裂韧性断裂韧性材料抵抗裂纹扩展的能力定义应用Kic断裂韧性是指材料抵抗裂纹扩展的能力断裂韧性通常用临界应力强度因子断裂韧性是工程设计的重要依据在工程断裂韧性是材料的重要力学性能参数，反（KIC）表示KIC是指在一定的加载条设计中，应选择具有足够断裂韧性的材映了材料的抗断裂能力断裂韧性越大，件下，裂纹发生失稳扩展时的应力强度因料，以保证结构的安全可靠此外，还应材料越不容易发生断裂子KIC是材料的特性参数，可以通过实采取相应的措施，如避免应力集中，减小验测定裂纹尺寸等，以提高结构的抗断裂能力断裂韧性的测定方法试验方法实验仪器断裂韧性试验需要使用专业的试验仪器，如万能试验机、引伸计、裂纹扩展实验方法2仪等这些仪器可以精确控制加载条断裂韧性的测定通常采用标准试验方件，测量裂纹扩展过程中的力、位移等法常用的试验方法包括单边缺口弯曲参数1试验（）、紧凑拉伸试验SENB计算（）等这些试验方法可以模拟不CT同的加载条件，测量材料的断裂韧性通过对试验数据进行分析，可以计算出材料的断裂韧性断裂韧性的计算公式3取决于试验方法和试样几何形状试验结果的准确性取决于试验方法的选择、试样制备的精度和试验操作的规范性影响断裂韧性的因素温度、加载速率影响因素影响机理温度温度会影响材料的微观结构和力学性能通常情况下，温度降低会导致断裂韧性降低，脆性转变温度升高加载速率加载速率会影响材料的应力应变关系通常情况下，加载速率升高会导致断裂韧性降低，尤其是在低温下材料成分材料的成分和组织会影响断裂韧性添加合金元素、进行热处理可以提高断裂韧性动态断裂韧性高速加载下的断裂高速加载应变率动态断裂韧性是指材料在高速加动态断裂韧性的测定需要使用专载条件下的断裂韧性高速加载业的试验设备，如落锤冲击试验是指加载速率非常高，材料来不机、霍普金森杆等这些设备可及发生塑性变形就发生断裂动以实现高速加载，测量材料的动态断裂韧性通常低于静态断裂韧态力学性能性应用动态断裂韧性在高速冲击、爆炸等领域具有重要应用例如，在汽车碰撞安全设计中，需要考虑材料的动态断裂韧性，以提高汽车的抗撞击能力蠕变高温下的缓慢变形Tεσ形变高温恒定应力蠕变是指材料在恒定应力和高温作用下，高温是蠕变发生的重要条件通常情况恒定应力是蠕变发生的另一个重要条件随着时间的推移而发生的缓慢塑性变形下，当温度达到材料熔点的

0.3-

0.5倍恒定应力可以是拉应力，也可以是压应蠕变是一种与时间相关的变形现象即使时，蠕变现象开始变得显著温度越高，力应力越大，蠕变速率越快应力远低于材料的屈服强度，长期作用下蠕变速率越快也会发生明显的蠕变变形蠕变破坏蠕变过程的三个阶段第一阶段蠕变过程通常分为三个阶段初始蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段在初始蠕变阶段，蠕变速率随时间的推移而减小第二阶段在稳态蠕变阶段，蠕变速率基本保持恒定稳态蠕变阶段是蠕变寿命的主要组成部分第三阶段在加速蠕变阶段，蠕变速率随时间的推移而增大，最终导致材料的断裂蠕变破坏通常发生在高温、高应力、长时间的条件下蠕变速率影响因素影响因素影响机理温度温度越高，原子扩散速率越快，蠕变速率越大应力应力越高，位错运动越容易，蠕变速率越大材料成分添加合金元素可以提高材料的抗蠕变性能，降低蠕变速率蠕变寿命估算方法寿命估算试验数据安全性蠕变寿命的估算是一个复杂的问题蠕变寿命的估算需要大量的实验数在工程设计中，应充分考虑蠕变的影常用的蠕变寿命估算方法包括参数据蠕变实验通常需要在高温下进响，留有足够的安全裕量对于需要法、应力松弛法等这些方法需要基行，实验周期很长，成本很高因在高温下长期工作的结构，必须进行于实验数据，建立蠕变寿命与温度、此，蠕变寿命的估算具有很大的挑战蠕变分析，以保证其安全可靠应力等参数之间的关系性高温强度高温下的屈服强度高温强度屈服强度应用高温强度是指材料在高温下的屈服强度高温强度通常低于室温强度随着温度在高温环境下工作的结构，如锅炉、汽和抗拉强度高温强度是衡量材料在高的升高，材料的原子活动加剧，晶格结轮机等，需要选择具有足够高温强度的温下承载能力的重要指标高温强度越构变得不稳定，导致强度降低高温强材料此外，还需要采取相应的措施，高，材料在高温下越不容易发生变形或度的降低程度取决于材料的性质和温度如冷却、隔热等，以降低结构的工作温断裂的高低度松弛恒定应变下的应力降低固定应变松弛是指材料在恒定总应变条件下，应力随时间逐渐降低的现象松弛是一种与时间相关的应1力释放过程松弛通常发生在高温下应力下降2在恒定总应变条件下，材料内部会发生蠕变变形，导致弹性应变减小，应力也随之降低应力降低的速率取决于材料的性质、温度和初始应力应用松弛在螺栓连接、压配合等结构中具有重要影响在设计这些结构3时，需要考虑松弛的影响，以保证连接的可靠性例如，螺栓连接的预紧力会随着时间的推移而降低，导致连接松动材料失效分析案例分析失效分析材料失效分析是指对失效材料或构件进行分析，找出失效的原因和机理，为预防类似失效的发生提供依据材料失效分析是工程实践中非常重要的一环失效原因材料失效的原因有很多，如过载、疲劳、腐蚀、磨损、设计缺陷、制造缺陷、维护不当等失效分析需要综合考虑各种因素，才能找出真正的失效原因分析手段材料失效分析需要借助各种分析手段，如宏观观察、显微观察、力学测试、化学分析等通过对失效材料进行全面的分析，可以揭示失效的机理，为改进设计、制造和维护提供参考飞机结构疲劳失效案例飞机结构结构问题飞机结构承受复杂的循环载荷，飞机结构疲劳失效的原因有很容易发生疲劳失效飞机结构疲多，如设计缺陷、制造缺陷、维劳失效的案例有很多，如彗星客护不当等例如，彗星客机的方机空中解体、F-111战斗机机翼形舷窗存在应力集中，导致疲劳断裂等这些案例都引起了人们裂纹在舷窗角部萌生和扩展，最对飞机结构疲劳安全的高度重终导致空中解体视预防为了提高飞机结构的疲劳安全性，需要采取以下措施采用先进的疲劳设计方法、严格控制制造质量、加强维护和检测等此外，还需要不断开发新型抗疲劳材料和结构桥梁结构疲劳失效案例案例原因明尼阿波利斯结构设计不合理，导致桥面板连接处应力集中，长期疲劳作用下发生断裂比利时钢桥焊接质量不佳，存在焊接缺陷，加速疲劳裂纹的萌生和扩展中国超载车辆频繁通行，导致桥梁结构承受过大的循环载荷，加速疲劳破坏机械部件疲劳失效案例原因1机械部件是机械设备的重要组成部分，其疲劳失效会导致设备停机，甚至引发安全事故机械部件疲劳失效的原因有很多，如设计不合理、选材不当、加工缺陷、润滑不良等失效形式2机械部件的疲劳失效形式多种多样，如齿轮齿面疲劳剥落、轴承内外圈疲劳裂纹、弹簧疲劳断裂等不同的失效形式对应不同的失效机理预防措施为了预防机械部件的疲劳失效，需要采取以下措施采用合理3的疲劳设计方法、选择合适的材料和热处理工艺、严格控制加工质量、改善润滑条件、加强维护和检测等如何进行疲劳与破坏的预防设计、制造、维护制造工艺在制造阶段，应严格控制质量，避免制造缺陷制造缺陷会导致应力集中，降2疲劳设计低结构的疲劳强度和断裂韧性应采用先进的制造工艺，提高制造精度和表面在设计阶段，应充分考虑疲劳和破坏的质量1影响，选择合适的材料、结构和工艺应尽量避免应力集中，降低结构的应力维护检测水平，提高结构的抗疲劳和抗断裂能在使用阶段，应加强维护和检测，及时力发现和处理疲劳裂纹和损伤应定期对3结构进行检测，如无损检测、应力测试等，评估结构的安全状态，及时采取维护措施，延长结构的使用寿命疲劳试验标准国内外标准国际标准国家标准标准选择国际上常用的疲劳试验标准包括ISO、各国也制定了自己的疲劳试验标准，如在进行疲劳试验时，应根据实际情况选ASTM等这些标准规定了疲劳试验的中国的GB、美国的ASME、德国的DIN择合适的标准如果需要进行国际交方法、试样尺寸、加载条件、数据分析等这些标准在参考国际标准的基础流，应尽量采用国际标准如果需要满等采用国际标准可以保证疲劳试验的上，结合本国的实际情况，进行了一些足国内法规的要求，应采用国家标准规范性和可比性修改和补充疲劳性能的评估评估方法与流程疲劳评估评估方法12疲劳性能的评估是指对结构或疲劳性能的评估方法有很多，构件的疲劳强度、疲劳寿命等如名义应力法、局部应力应变进行评估，以确定其是否满足法、断裂力学法等不同的评设计要求疲劳性能的评估是估方法适用于不同的情况应疲劳设计的重要组成部分根据结构的特点、加载条件和精度要求，选择合适的评估方法评估流程3疲劳性能的评估流程通常包括以下步骤确定评估对象、收集数据、建立模型、进行计算、分析结果、得出结论评估流程的各个环节都需要严格控制质量，以保证评估结果的准确性新型抗疲劳材料研究进展技术发展1随着科学技术的不断发展，新型抗疲劳材料不断涌现这些新型材料具有更高的强度、韧性、耐腐蚀性，可以显著提高结构的疲劳寿命材料开发新型抗疲劳材料的研究主要集中在以下几个方面高强度钢、钛合金、铝合金、复合2材料等通过优化材料成分、组织和工艺，可以获得具有优异抗疲劳性能的材料应用前景新型抗疲劳材料在航空航天、汽车、桥梁、机械等领域具有广3阔的应用前景随着新型材料的不断成熟，必将为工程结构的疲劳安全提供更可靠的保障。