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疲劳裂纹扩展及寿命计算

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，1943~1947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。 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 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 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 2 疲劳失效过程与机制 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0.05~0.1mm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 3 疲劳裂纹的亚临界扩展 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a0扩展到临界长度ac的这一段扩展过程 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 3.1 疲劳裂纹扩展速率 CCT试件的测试结果 3.1 疲劳裂纹扩展速率的计算 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： 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 3.3 疲劳裂纹亚临界扩展规律 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 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Ⅰ区域 R↑，门槛值↓ 第Ⅱ区域 影响稍小 第Ⅲ区域 影响显著 4.1 应力比与平均应力的影响 平均应力的影响 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。 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。 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。 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 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。 4

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