結構疲勞斷裂是金屬構件斷裂的主要形式之一，在金屬構件疲勞斷裂失效分析基礎上形成和發(fā)展了疲勞學科。自從W?hler的經典疲勞著作發(fā)表以來，人們充分地研究了不同材料在各種不同載荷和環(huán)境條件下試驗時的疲勞性能。盡管大多數(shù)工程技術人員和設計人員已經注意到疲勞問題，而且已積累了大量的實驗數(shù)據(jù)，目前仍然有許多設備和機器發(fā)生疲勞斷裂。
疲勞設計現(xiàn)在已從無限壽命設計發(fā)展到有限壽命設計。零件、構件和設備的壽命估算，已成為疲勞強度的一個重要組成部分。疲勞已從一個古老的概念發(fā)展成為材料科學、力學和工程設計相結合的一門新興學科——疲勞強度。
1. 疲勞斷裂失效的一般特征：
①疲勞斷裂的突發(fā)性；
②疲勞斷裂應力很低；
③疲勞斷裂是一個損傷積累的過程；
④疲勞斷裂對材料缺陷的敏感性；
⑤疲勞斷裂對腐蝕介質的敏感性。
2.屬疲勞斷口宏觀形貌：疲勞核心、疲勞源區(qū)、疲勞裂紋的選擇發(fā)展區(qū)、裂紋的快速擴展區(qū)及瞬時斷裂區(qū)。
①疲勞源區(qū)：斷口表面磨損而又光亮和細晶的表面結構，位于放射源的中心或貝紋線的曲率中心。主要受到應力狀態(tài)和載荷種類的影響；
②疲勞裂紋擴展區(qū)：可以有貝紋線也可以沒有。
3.疲勞斷口宏觀形貌的基本特征：
①疲勞弧線是疲勞斷口宏觀形貌的基本特征。它是以疲勞源為中心，與裂紋擴展方向相垂直的呈半圓形或扇形的弧形線，又稱貝紋線或海灘花樣。
②疲勞臺階為疲勞斷口上另一基本特征。一次疲勞臺階出現(xiàn)在疲勞源區(qū)，二次臺階出現(xiàn)在疲勞裂紋的擴展區(qū)，它指明了疲勞裂紋的擴展方向，并與疲勞弧線相垂直，呈輻射狀。
③疲勞斷口上的光亮區(qū)也是疲勞斷裂宏觀斷口形貌的基本特征。
4.拉壓疲勞斷裂：疲勞核心多源于表面而不是內部，這一點與靜載荷拉伸斷裂時不同。
彎曲疲勞斷裂：單向彎曲疲勞（疲勞核心一般發(fā)生在受拉側的表面上。疲勞核心一般為一個，斷口上可以看到呈同心圓狀的貝紋線，且呈凸向）、雙向彎曲疲勞及旋轉彎曲疲勞。
扭轉疲勞斷裂：正向斷裂、切向斷裂、混合斷裂
5.疲勞斷口的微觀形貌特征：疲勞條痕、疲勞條帶、疲勞輝紋。塑性疲勞輝紋是具有一定間距，垂直于裂紋擴展方向，明暗相交且互相平行的條狀花樣；脆性疲勞紋形態(tài)較復雜，呈羽毛狀的脆性疲勞輝紋花樣。
塑性疲勞紋與脆性疲勞紋的區(qū)別（圖5-12）
疲勞輝紋的特征：
①疲勞輝紋的間距在裂紋擴展初期較小，而后逐漸變大。
②疲勞輝紋的形狀多為向前凸出的弧形條痕。
③疲勞輝紋的排列方向取決于各段疲勞裂紋的擴展方向。
④面心立方結構材料比體心立方結構易于形成疲勞輝紋，平面應變狀態(tài)比平面應力狀態(tài)易形成疲勞輝紋，一般應力太小時觀察不到疲勞輝紋。
⑤并非在所有的疲勞斷口上都能觀察到疲勞輝紋，疲勞輝紋的產生與否取決于材料性質、載荷條件及環(huán)境因素等多方面的影響。
⑥疲勞輝紋在常溫下往往是穿晶的，而在高溫下也可以出現(xiàn)沿晶的輝紋。
⑦疲勞輝紋有延性和脆性兩種類型。
疲勞輝紋不是貝紋線
6.機械疲勞斷裂：
①高周疲勞斷裂 微觀特征：細小的疲勞輝紋；宏觀特征：多數(shù)情況下。零件光滑表面上發(fā)生高周疲勞斷裂斷口上只有一個或有限個疲勞源。
②低周疲勞斷裂微觀特征：粗大的疲勞輝紋或粗大的疲勞輝紋與微孔花樣；宏觀斷口上存在多疲勞源是低周疲勞斷裂的特征之一。
7.振動疲勞斷裂 共振疲勞斷裂是機械設備振動疲勞斷裂的主要形式，除此之外尚有顫振疲勞和喘振疲勞。
8.接觸疲勞：一般認為接觸疲勞可分為在材料表面或表層形成疲勞裂紋和裂紋擴展兩個階段。
宏觀特征：接觸面上的麻點、凹坑和局部剝落；微觀特征：裂紋源處有明顯的疲勞臺階，因摩擦形成的扭曲形態(tài)。
9.腐蝕疲勞斷裂的斷口特征：①脆性斷裂，斷口附近無塑變。②微觀斷口可見疲勞輝紋，但由于腐蝕介質的作用而模糊不清；二次裂紋較多并具有泥狀花樣。③屬于多源疲勞，裂紋的走向可以是穿晶型的也可能是沿晶型的，以穿晶裂紋比較常見。④斷口上的腐蝕產物與環(huán)境中的腐蝕介質相一致。
10. 熱疲勞破壞特征：
①典型的表面疲勞裂紋呈龜裂狀；根據(jù)熱應力方向，也可以近似形成相互平行的多裂紋形態(tài)。
②裂紋走向可以是沿晶型的，也可以是穿晶型的；一般裂紋端部較尖銳，裂紋內有或充滿氧化物。
③宏觀斷口呈深灰色，并為氧化物覆蓋。
④由于熱蝕作用，微觀斷口上的疲勞輝紋粗大，有時尚有韌窩狀花樣相對應。
⑤裂紋源于表面，裂紋擴展深度與應力、時間及溫差變化相對應。
⑥疲勞裂紋為多源。
ABAQUS：
靜態(tài)應力/位移分析：包括線性，材料和幾何非線性，以及結構斷裂分析等
疲勞分析：根據(jù)結構和材料的受載情況統(tǒng)計進行生存力分析和疲勞壽命預估
ANSYS：
結構靜力分析：用來求解外載荷引起的位移、應力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結構的影響并不顯著的問題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸分析。
結構動力學分析：結構動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結構或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS可進行的結構動力學分析類型包括：瞬態(tài)動力學分析、模態(tài)分析、諧波響應分析及隨機振動響應分析。 |
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