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关于疲劳裂纹扩展与寿命计算清单

作者:管理员    发布于:2020-04-17 06:04:34    文字:【】【】【

引言

承受结构或元件,由于交变载荷的作用,或者由于载荷和环境侵蚀的联合作用,会产生微小的裂纹,裂纹将随着交变载荷周次的增加或环境侵蚀时间的延长而逐渐扩展。随着裂纹尺寸增大,结构或元件的剩余强度逐步减小,最后导致断裂。

疲劳裂纹的萌生从宏观而言,总是起源于应力集中区、高应变区、强度最弱的基体、结构拐角、加工切削裂焊缝、腐蚀坑等区域。从微观而言可分为滑移带开裂、晶界开裂、非金属夹杂(或第二相)与基体界面开裂三种机制。

 

1、疲劳裂纹研究的目的:定寿:精确地估算机械结构的零构件的疲劳寿命,保证在服役期内零构件不会发生疲劳失效。延寿:采用经济而有效的技术和管理措施延长疲劳寿命。

 

2、疲劳失效过程:疲劳裂纹的萌生→疲劳裂纹的亚稳扩展→失稳扩展断裂

 

3、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、飞机结构的使用寿命:

1)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

2)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、

3)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

 

5、交变载荷的作用造成结构的疲劳破坏有以下基本特征:(1)交变载荷的峰值在远低于材料的强度极限情况下,就可能发生破坏,表现为低应力脆性断裂的特征。(2)破坏具有局部性。无论是脆性材料还是塑性材料,疲劳破坏在宏观上均无明显的塑性变形区域。(3)破坏之前要经历一个疲劳损伤累积的过程。研究表明,该过程由裂纹起始(或成核)、裂纹(稳态)扩展和裂纹失稳扩展三阶段组成。(4)疲劳寿命能够具有极大的分散性。对载荷及环境,材料及结构,加工工艺等方面多种因素相当敏感。(5)疲劳断口在宏观上和微观上都具有显著的特征。断口上的信息,对记录疲劳过程、研究疲劳机理以及判断事故原因,都具有重要意义。基于上述特点,“疲劳”可概括为:材料或结构的某一点或某些点,在承受波动的应力和应变情况下,发生渐进的、局部的、带永久性的变化过程。

 

6、裂纹扩展速率取决于材料的裂纹扩展阻力,两个重要的表面问题则不再需要关注:1、材料表面多循环滑移的较小的约束不适用于材料的内部;2、表面粗糙度和其他表面状态不影响裂纹的扩展。

 

7、断口分析一般包括宏观微观两种方法:微观分析是通过电子-光学方法揭示疲劳断口的性质它是关于疲劳裂纹形成和扩展的机理、裂纹扩展速率和迟滞,以及各种外部、内部因素的特点及其影响等研究的基本资料。

宏观分析是用肉眼或低倍(25倍以下)放大镜来观察疲劳裂纹,通过外观对结构或材料的载荷分布、过载大小等特征作出估计,从而作出疲劳破坏的判断。

典型的疲劳破坏断口有三个区域,按照断裂过程来分,依次是疲劳源、疲劳裂纹扩展区和最后断裂区。

 

8、钢材的疲劳破坏是经过长时间的发展过程才出现的,其破坏过程可分为三个阶段:裂纹的形成、裂纹缓慢扩展、最后迅速断裂而破坏。钢材的疲劳破坏首先是由于钢材内部结构不均匀和应力分布不均匀所引起的。应力集中可以使个别晶粒很快出现塑性变形及硬化,从而大大降低钢材的疲劳强度。对于承受连续反复荷载的结构,设计时必须考虑钢材的疲劳问题。

 

9、飞机金属疲劳与腐蚀疲劳:统计数据表明,飞机结构中有半数以上的破坏形式与腐蚀或腐蚀疲劳有关。

由于具有重量轻、强度好等优越性能的高强度铝合金已成为航空领域中使用最为广泛的金属材料。然而从目前对高强度铝合金腐蚀疲劳的研究成果来看,铝合金对腐蚀引起的破坏是敏感的,腐蚀环境往往会使铝合金结构的疲劳寿命大大缩短。

 
 
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