3. 瞬时断裂区：一般呈粗晶状断口或出现放射棱 线，外观与脆性失稳断裂相似。
§5-1 疲劳破坏及影响因素
疲劳裂纹断口分析图
§5-1 疲劳破坏及影响因素
疲劳强度表示法
在静强度计算中，所用材料的强度指标是屈服 极限σS和强度极限σb，静载强度计算的出发点是 名义应力(或称基本应力)，而疲劳强度计算中， 所用材料的强度指标是疲劳极限σr，计算的出发 点是是局部应力(或称峰值应力)。
由于该公式中有材料的KIC值，对于高韧性材 料无法测得KIC的该公式不适用。
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(华格表达式 )
da
dN
C
max 1 r m
n
m、n、C―与材料和介质有关的常数 当m=1时与帕瑞斯表达式完全一致
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(疲劳裂纹扩展寿命估算)
载荷种类图
§5-1 疲劳破坏及影响因素
σmax―σm表示的疲劳图
§5-1 疲劳破坏及影响因素
σmax-σmin表示的疲劳图
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展研究中应用(裂纹亚临界扩展)
裂纹受到一个低于σc但有足够大的循环应力时，则 初始裂纹会由起始尺寸a0逐渐扩展到临界尺寸ac，这 一过程称为疲劳裂纹的亚临界扩展。
1. 低 周 高 应 变 疲 劳 ： 作 用 的 应 力 超 过 弹 性 范 围 ， 疲劳循环次数小于104~105
2. 高周低应力疲劳：公称循环应力小于材料的屈服极 限，疲劳破坏的应力循环次数大于04~105
§5-1 疲劳破坏及影响因素
应力应变循环图(小载荷)
§5-1 疲劳破坏及影响因素
应力应变循环图(大载荷)
第五章 成型结构疲劳强度
§5-1 疲劳破坏及影响因素 §5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的
应用 §5-3 焊接接头疲劳强度计算 §5-4 影响疲劳强度的因素及提高疲劳强
度的措施
§5-1 疲劳破坏及影响因素
疲劳断裂分类
按疲劳破坏的原因分为：腐蚀疲劳；热疲劳；机械疲 劳
按应力大小和应力循环次数分为
2. 脉动载荷：σmin=0 r=0 疲劳强度用σ0表示
3. 拉伸变载荷；0<r<1 疲劳强度用σr表示
σmax―循环最大应力；σmin―循环最小应力； σm=σmin+σmax/2 (平均应力)； σa=σmin-σmax/2 (应力振幅)； r=σmin/σmax (应力循环特性系数)
§5-1 疲劳破坏及影响因素
可以分为两种类型来研究裂纹的亚临界扩展：裂纹 在裂纹尖端弹性区的扩展和裂纹在塑性区的扩展。在 前一种情况，裂纹长度远远超过裂纹尖端塑性区的尺 寸，承受低载荷、高循环、低裂纹扩展速率的属于该 情况；当裂纹尺寸远小于塑性区尺寸，并承受高载荷、 低循环、高裂纹扩展速率属于后者情况。
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展研究中应用(裂纹扩展速率)
对低频疲劳裂纹扩展速率公式进行积分，就 可以求得在低频疲劳条件下的裂纹扩展寿命：
N ac da
a0 B m
a0―初始裂纹尺寸；ac―临界裂纹尺寸 NC―从初始裂纹a0扩展临界裂纹尺寸ac寿命
对于无限大板中心贯穿裂纹 a
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(疲劳裂纹扩展寿命估算)
考虑在大范围屈服条件下
帕瑞斯表达式不足：没有考虑平均应力对 da/dN影响；没有考虑当裂纹尖端应力强度因 子趋近于其临界值KIC时，裂纹加速扩展效应。
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(福曼修正表达式)
da
Байду номын сангаас
C n
dN 1 rK IC
C、n―常数； KIC―材料的断裂韧性
r― 循 环 特 性 ， r=σmin/σmax= Kmin /Kmax ； ΔK―应力强度因子幅度(ΔK=Kmax-Kmin)
§5-1 疲劳破坏及影响因素
疲劳裂纹形成过程
1. 疲劳形核：疲劳裂纹首先在应力最高、强度最 弱的基体上形成。
2. 扩展阶段：初始裂纹在交变载荷作用下，当裂 纹尖端处在拉伸应力场时，由于裂纹尖端极大 的应力集中，使该处晶粒发生滑移，裂纹张开， 尖端向前延伸
3. 瞬时断裂阶段：当疲劳裂纹扩展到材料的强度 极限时，疲劳裂纹达到临界裂纹尺寸而产生瞬 时断裂。
8a s E
ln
sec
2
s
代入裂纹扩展寿命式得：当m≠1时，
N
1
BDm m
1
1 a0
m1
1 acr
m1
§5-3 焊接接头疲劳强度计算
疲劳设计方法分类
1． 许用应力设计法：把各种构件和接头试验疲劳强度 除以特殊安全系数作为许用应力(疲劳极限、非破坏概率 95％的2×106次疲劳强度等)，使设计载荷引起应力最 大值不超过其许用应力，从而确定构件断面尺寸设计方 法。
当外加应力强度因子幅度达到临界值ΔKth后，裂 纹扩展速率急剧上升，此线段几乎与纵坐标平行；
此后，da/dN与ΔK成指数关系变化，断口平直，与拉 应力成900，穿晶断裂，疲劳辉纹明显；继续增加ΔK 出现斜率转折点I，过此点斜率n2斜率，出现切变斜 断口，为解理断裂和疲劳断裂的混合型；继续增加
ΔK接近材料的KIC时，到了材料的第Ⅱ转折点，过此 点后，斜率增加，点Ⅱ是裂纹扩展加速转变点，此 区内断口全为切变断口。
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(裂纹扩展速率示意图)
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(da/dN-ΔK 对数坐标关系)
§5-2 断裂力学在疲劳裂纹扩 展中应用(帕瑞斯表达式 )
da dN Cn
ΔK―应力强度因子幅度(ΔK=Kmax-Kmin)
c、n―由试验确定的材料、环境、频率和循 环特形等的函数
§5-1 疲劳破坏及影响因素
滑移产生挤入挤出示意图
§5-1 疲劳破坏及影响因素
疲劳裂纹扩展模型
§5-1 疲劳破坏及影响因素
疲劳裂纹断口特征
疲劳断口可分成三个区域
1. 疲劳裂纹源：肉眼可见晶粒的粗滑移。 2. 疲劳裂纹扩展区：宏观有条带和贝壳状花纹，
每一条辉纹代表一次应力(应变)循环及裂纹逐 次向前推进的位置。对于高强钢来说，很难辨 认明显的疲劳条纹
将破坏应力与加载循环次数N绘成如图5-7所 示的曲线，曲线上对应的某一循环次数N的破坏 应力即为该循环次数条件下的疲劳强度，曲线的 水平渐近线代表疲劳极限。
§5-1 疲劳破坏及影响因素
加载次数与疲劳强度关系图
§5-1 疲劳破坏及影响因素
载荷种类
1. 对称交变载荷：σmin=-σmax r=-1 疲劳强度 用σ-1表示