本讲座主要介绍
金属疲劳的基本概念和一般规律。
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。
介绍一些疲劳研究的新成果。
循环应力 循环应力（交变应力、疲劳应力）是指应
力随时间呈周期性的变化。
常用导出量： 平均应力 m=( max+ min)/2 应力幅 a=( max- min)/2 应力比或循环特性参数 R= min/ max 应力幅度（应力变程 ） D = max- min
位移、温度或应力、应变等。
疲劳引起的大型灾难性事故
第一代喷气客机（英国的彗星式一型）因 失事而被勒令停飞。该型客机于投入服务后， 接连两次在巡航中解体，在立刻禁飞之后，经 过反复模拟测试而复制出机体解体是金属疲劳 所引起。
1979年5月25日，一架满载乘客的美国航 空公司DG-10型三引擎巨型喷气客机，从芝加 哥起飞不久，就失去了左边一具引擎，随即 着火燃烧，然后爆炸坠地。机上273名乘客和 机组人员无一幸免。这是世界航空史上最悲 惨的事件之一。 事后，有关当局对这架失事 飞机的残骸进行检查后发现，这架飞机上连 接一具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。
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而坠落。
1985年8月12日晚上7时许．日本航空公司 的一架波音747宽体客机，撞在群马县附近的 山上，机上509名乘客和15名机组人员仅4人获 救外。其余52O人全部罹难，这是世界民航史 上单机发生的最大空难事件。
对飞机残骸的分析和同“黑匣子”记录仪 进行对照后，飞机起飞12分钟后，发生了“异 常的冲击”，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力，导致飞机 垂直尾翼损坏并在空中分解。
轴
叶轮
疲劳断裂破坏
转子轴
疲劳开裂
疲劳断裂破坏
疲劳的一般特征
• 发生在应力水平远小于材料的静强度极限下。 • 疲劳破坏在宏观上无明显塑性变形，近似脆断。 • 对材料的缺陷十分敏感； • 是一个累积的过程，即裂纹形成、扩展、断裂。 • 疲劳破坏常具有局部性质，因此改变局部设计可以明
显延长结构寿命（细节设计）。 • 疲劳断口在宏观和微观上均具有特征，可以借助断口
主要控制参量： a ；重要影响参量：R
循环应力
稳定循环应力
不稳定循环应力
稳定循环应力
非规律性:如汽车的钢板弹簧
规律性:机床的主轴
σ
非规律性
σ
不稳定循环应力
t
规律性
t
稳定循环应力 循环应力变化范围不变，即波形不变。波
形通常是正弦波，此外还有三角波以及其它波 形。
循环应力-时间图 ——应力历程
稳定循环应力
台“飞安会 ”公布事故调查 报告，华航飞机 由于金属疲劳， 造成空中解体， 华航维修不当是 重要原因。
疲劳、腐蚀和磨损是引起飞机等机械设备 和装置的事故的3种主要模式。
据国外资料统计，飞机等由结构引发的故 障，80%以上是由疲劳失效引起的。疲劳是否 发生主要取决于两个方面因素： ■ 一方面是自身的内部因素，即结构的疲劳设 计、材料和加工质量等； ■ 另一方面是外部因素，即实际使用载荷等。
=104 低周疲劳 高周疲劳
－N 疲劳曲线
分析判断是否属于疲劳破坏。
疲劳的分类 （1）按应力状态：弯曲疲劳、扭转疲劳、复 合疲劳等； （2）按环境：腐蚀疲劳、热疲劳、高温疲劳、 接触疲劳等； （3）按循环周期：高周疲劳、低周疲劳； （4）按破坏原因：机械疲劳、腐蚀疲劳、热 疲劳。 （5）按初始状态：无裂纹零件和裂纹零件的 疲劳
疲劳研究、设计及分析的具体目的： ▲ 精确地估算机械结构的零构件的疲劳寿命 ，简称定寿，保证在服役期内零构件不会发生 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，简称延寿，从而提高产品质量。
结构中某些支撑件受到这种循环应力。 ——小拉大压的作用
脉动循环应力 σm=σa，R＝0
齿轮的齿根和某些压力容器受到这种脉 动循环应力的作用。
波动循环应力 σm>σa，0＜R＜1
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。
静（循环）应力 σa=0，R＝1
静应力是一种特殊的循环应力。
稳定循环应力分为下列几种典型情况：
对称循环应力 σm=0，R＝-1。
大多数轴类零件，通常受到对称循环应力的 作用。
不对称循环应力 σm≠0，R ≠ -1。
不对称拉伸平均应力循环应力 0＜σm＜σa，-1＜R＜0。
比较常见的不对称循环应力。 ——大拉小压循环。
不对称压缩平均应力循环应力 -σa＜σm＜0，-1＜R＜0
疲劳与断裂(1)
零件的主要失效形式
断裂、磨损和腐蚀。
缓慢的过程 突变行为
断裂 静态断裂 动态断裂 疲劳断裂 冲击断裂
结构或材料在交变载荷作用下，即使所受 的应力低于屈服强度（变形处于弹性范围内） ，经过若干次循环后，也会发生断裂， 这种 现象称为疲劳。
交变载荷 是指随时间变化的载荷，载荷可以是力、
1998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，导致了近50年来德国最惨重铁路事故 的发生。
2002年华航CI611号航班的波音747﹣200型 客机，在从台湾飞港途中，突然从地面的雷达 荧光屏上消失。据报道，地面航空管制部门并 没有收到无线电通话或是二级雷达显示的求救 信号。
循环应力-时间图 ——应力历程
应力比R反映了载荷的循环特性。如
S R= -1
S R=0
S R=1
0
t
0
max=- min
对称循环
t
mБайду номын сангаасn=0
脉冲循环
0
t
max= min
静载
设计：用 max， min ，直观； 试验：用 m， a ，便于加载； 分析：用 a，R，突出主要控制参量, 便于分类讨论。