结构疲劳寿命分析
第一讲 金属疲劳理 论及试验测试基础
§第一部分:金属疲劳理论
1 疲劳的定义及类型

1.1 疲劳定义: ISO定义为金属材料（也适用于非金属材料）在应力或 应变反复作用下材料性能的变化（特指开裂或破坏）。 1.2 疲劳破坏的形式：
a 机械疲劳：仅由外加动应力或动应变造成。转向架构架等车辆结构。 b 蠕变疲劳：循环载荷同高温联合作用造成。飞机喷气发动机叶片等结 构。 c 腐蚀疲劳：在腐蚀性介质或致脆介质环境下动载荷造成。海洋石油平 台等结构。 d 滑动接触疲劳和滚动接触疲劳：载荷的反复作用与材料之间的滑动和 滚动共同作用造成。车轮和钢轨的接触疲劳。 e…
3 疲劳裂纹萌生及扩展机理
结构在承受循环载荷作用下，将经历疲劳裂纹成核、微 裂纹形成及宏裂纹扩展三个阶段。掌握疲劳机理可理解构 件表面处理、表面残余应力和服役环境等因素对结构疲劳 寿命和疲劳裂纹扩展的影响。这方面的知识也对结构疲劳 寿命预测和结构抗疲劳设计也有重要意义。
Hale Waihona Puke 显微观察从20世纪就已开始，随着观察尺度不断变小，人 们发现结构在循环应力作用下，几乎同时就出现了疲劳裂 纹成核（位错）。 疲劳裂纹成核后，由于晶界等金相组织的影响其扩展是非 常缓慢和不稳定的。 从成核点出现了几条微裂纹后，经历了微裂纹融合阶段， 扩展变相对稳定一些，这就是疲劳裂纹扩展的初始阶段。
现代轨道交通车辆向高速重载方向发展，对结构提出了 高性能、轻量化和长寿命的设计要求。这些要求显然相互冲 突，总体而言，疲劳学科有以下特点： 1、寿命计算往往比强度计算精度差得多，寿命计算的误差量 级甚至都很难确定，寿命计算考虑的随机因素太多，有些很难 做的定量描述。
2、材料的基本疲劳性能很难精确的从其他性能指标推导出来， 只能依靠试验获取。这种材料疲劳性能试验往往规模较大，样 本数越大，所得到的信息越可靠。
Thompson Wadsworth & Louat 1956 试验表明，已经产生 滑移带的金属疲劳试样在表面去除一层之后继续循环，滑移带 继续在原位出现，他们把这种表面痕迹称为驻留滑移带， Zappfe & Ryder（1960）通过断口观察到疲劳辉纹，提出了辉 纹间距与裂纹扩展速率之间的关系，这对工程失效分析有重要 意义。


Inglis 1913 & Griffith 1921 提出了能量概念定量处理脆性固 体断裂的数学工具，但这个理论不能直接用来描述材料的疲劳 破坏。 Irwin 1957 提出K（应力强度因子）表示裂纹尖端应力奇异大 小。标志着线弹性断裂力学方法的出现。 Paris Gomez & Anderson 1961 提出在恒幅循环加载下，疲 劳裂纹在每个应力循环中的扩展量da/dN与应力强度因子幅DK 有关，虽然这个理论没有被当时主要杂志所接受，但这个方法 被广泛用来描述在裂纹顶端存在小范围塑性变形条件下的疲劳 裂纹扩展。




Ewing & Rosenhain 1900 通过对瑞典铁的研究说明在多晶 材料的许多晶粒内都会出现滑移带，这些滑移带在疲劳形变过 程中逐渐变宽形成裂纹，试样的突然破坏是某条主导裂纹向前 扩展造成的。 O.H. Basquin 1910 提出了描述金属S-N曲线的经验规律。同 一时期做出过重要贡献的还有: Smith（1910）Haigh（1915） Palmgren 1924 & Miner 1945 疲劳破坏的累积损伤模型。 Weibull 1939 材料强度的统计理论。 Neuber 1946 单向形变和循环形变的缺口效应。 Coffin 1954 & Manson 1954 塑性应变造成的损伤理论。各 自提出了发生疲劳破坏时载荷反向次数同塑性应变幅的经验关 系，即Coffin-Manson关系。

2 疲劳研究的历史发展过程





W.A.J. Albert 1929 对矿山升降机链条反复加载以验证其可 靠性。 W.J.M. Rankine 1843 注意到机器部件存在应力集中的危险 性。 A. Wöhler 1852-1857 对车轴疲劳破坏做了系统的研究，利用 设计的旋转弯曲疲劳试验机进行疲劳试验，提出了利用应力-寿 命曲线来描述疲劳行为，并且提出了‘疲劳极限’的概念。 H. Gerber 1874; Goodman 1899 提出考虑平均应力影响的 寿命计算方法。 Bauschinger 1886 金属在反向载荷作用下的弹性极限可能与 在单向形变中观察到的弹性极限有所差别。确认了金属材料循 环应变软化和循环应变硬化的现象。
3、结构的全尺寸疲劳试验是结构定型最重要的一步，它在一 定程度上能揭示疲劳设计寿命的满足情况。 4、所有的试验数据结果都需要经过统计学处理。
5、材料和设计要保证结构的时效裂纹有较低的扩展速率，必 须强化检查，在裂纹扩展到失稳之前发现并采取补救措施。
6、设计时必须有‘失效安全’的意识，当结构的某以单元时 效后，结构整体必须能保证完整并且能在一定的短期时间内继 续承载。



虽然恒定循环应力幅作用下疲劳破坏是疲劳研究的基 本内容，但由于工程应用中的服役条件不可避免的存 在变幅载荷谱、腐蚀环境、低温或高温及多轴应力状 态，因此建立能处理这些复杂服役条件的可靠寿命预 测模型是疲劳研究中最棘手的问题。考虑这些因素的 影响往往都是采用半经验的方法。 虽然习惯上认为出现滑移带是延性固体发生疲劳破坏 的必要条件，但非金属材料在没有位错反复运动情况 下，循环载荷产生的微观形变动力学不可逆机制是多 种多样的，当前研究的重点是把现有的金属体系的疲 劳知识扩展到这些先进功能材料上去。
对于成核和裂纹初始扩展两个阶段，各影响因素作用 程度是不同的。例如表面粗糙影响裂纹成核阶段但不影响 裂纹扩展；腐蚀环境对这两个阶段虽都有重要影响，但机 理不同。如上图所示，应力集中系数（Kt）是预测裂纹形 成的重要参数；应力强度因子（K）是预测裂纹扩展的重 要参数。
3.1 裂纹形成阶段— a、名义无缺陷的纯金属及合金，机理性解释