結(jié)構(gòu)疲勞斷裂是金屬構(gòu)件斷裂的主要形式之一，在金屬構(gòu)件疲勞斷裂失效分析基礎(chǔ)上形成和發(fā)展了疲勞學(xué)科。自從W?hler的經(jīng)典疲勞著作發(fā)表以來，人們充分地研究了不同材料在各種不同載荷和環(huán)境條件下試驗(yàn)時(shí)的疲勞性能。盡管大多數(shù)工程技術(shù)人員和設(shè)計(jì)人員已經(jīng)注意到疲勞問題，而且已積累了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，目前仍然有許多設(shè)備和機(jī)器發(fā)生疲勞斷裂。
疲勞設(shè)計(jì)現(xiàn)在已從無限壽命設(shè)計(jì)發(fā)展到有限壽命設(shè)計(jì)。零件、構(gòu)件和設(shè)備的壽命估算，已成為疲勞強(qiáng)度的一個(gè)重要組成部分。疲勞已從一個(gè)古老的概念發(fā)展成為材料科學(xué)、力學(xué)和工程設(shè)計(jì)相結(jié)合的一門新興學(xué)科——疲勞強(qiáng)度。
1. 疲勞斷裂失效的一般特征：
①疲勞斷裂的突發(fā)性；
②疲勞斷裂應(yīng)力很低；
③疲勞斷裂是一個(gè)損傷積累的過程；
④疲勞斷裂對(duì)材料缺陷的敏感性；
⑤疲勞斷裂對(duì)腐蝕介質(zhì)的敏感性。
2.屬疲勞斷口宏觀形貌：疲勞核心、疲勞源區(qū)、疲勞裂紋的選擇發(fā)展區(qū)、裂紋的快速擴(kuò)展區(qū)及瞬時(shí)斷裂區(qū)。
①疲勞源區(qū)：斷口表面磨損而又光亮和細(xì)晶的表面結(jié)構(gòu)，位于放射源的中心或貝紋線的曲率中心。主要受到應(yīng)力狀態(tài)和載荷種類的影響；
②疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)：可以有貝紋線也可以沒有。
3.疲勞斷口宏觀形貌的基本特征：
①疲勞弧線是疲勞斷口宏觀形貌的基本特征。它是以疲勞源為中心，與裂紋擴(kuò)展方向相垂直的呈半圓形或扇形的弧形線，又稱貝紋線或海灘花樣。
②疲勞臺(tái)階為疲勞斷口上另一基本特征。一次疲勞臺(tái)階出現(xiàn)在疲勞源區(qū)，二次臺(tái)階出現(xiàn)在疲勞裂紋的擴(kuò)展區(qū)，它指明了疲勞裂紋的擴(kuò)展方向，并與疲勞弧線相垂直，呈輻射狀。
③疲勞斷口上的光亮區(qū)也是疲勞斷裂宏觀斷口形貌的基本特征。
4.拉壓疲勞斷裂：疲勞核心多源于表面而不是內(nèi)部，這一點(diǎn)與靜載荷拉伸斷裂時(shí)不同。
彎曲疲勞斷裂：單向彎曲疲勞（疲勞核心一般發(fā)生在受拉側(cè)的表面上。疲勞核心一般為一個(gè)，斷口上可以看到呈同心圓狀的貝紋線，且呈凸向）、雙向彎曲疲勞及旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞。
扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂：正向斷裂、切向斷裂、混合斷裂
5.疲勞斷口的微觀形貌特征：疲勞條痕、疲勞條帶、疲勞輝紋。塑性疲勞輝紋是具有一定間距，垂直于裂紋擴(kuò)展方向，明暗相交且互相平行的條狀花樣；脆性疲勞紋形態(tài)較復(fù)雜，呈羽毛狀的脆性疲勞輝紋花樣。
塑性疲勞紋與脆性疲勞紋的區(qū)別（圖5-12）
疲勞輝紋的特征：
①疲勞輝紋的間距在裂紋擴(kuò)展初期較小，而后逐漸變大。
②疲勞輝紋的形狀多為向前凸出的弧形條痕。
③疲勞輝紋的排列方向取決于各段疲勞裂紋的擴(kuò)展方向。
④面心立方結(jié)構(gòu)材料比體心立方結(jié)構(gòu)易于形成疲勞輝紋，平面應(yīng)變狀態(tài)比平面應(yīng)力狀態(tài)易形成疲勞輝紋，一般應(yīng)力太小時(shí)觀察不到疲勞輝紋。
⑤并非在所有的疲勞斷口上都能觀察到疲勞輝紋，疲勞輝紋的產(chǎn)生與否取決于材料性質(zhì)、載荷條件及環(huán)境因素等多方面的影響。
⑥疲勞輝紋在常溫下往往是穿晶的，而在高溫下也可以出現(xiàn)沿晶的輝紋。
⑦疲勞輝紋有延性和脆性兩種類型。
疲勞輝紋不是貝紋線
6.機(jī)械疲勞斷裂：
①高周疲勞斷裂 微觀特征：細(xì)小的疲勞輝紋；宏觀特征：多數(shù)情況下。零件光滑表面上發(fā)生高周疲勞斷裂斷口上只有一個(gè)或有限個(gè)疲勞源。
②低周疲勞斷裂微觀特征：粗大的疲勞輝紋或粗大的疲勞輝紋與微孔花樣；宏觀斷口上存在多疲勞源是低周疲勞斷裂的特征之一。
7.振動(dòng)疲勞斷裂 共振疲勞斷裂是機(jī)械設(shè)備振動(dòng)疲勞斷裂的主要形式，除此之外尚有顫振疲勞和喘振疲勞。
8.接觸疲勞：一般認(rèn)為接觸疲勞可分為在材料表面或表層形成疲勞裂紋和裂紋擴(kuò)展兩個(gè)階段。
宏觀特征：接觸面上的麻點(diǎn)、凹坑和局部剝落；微觀特征：裂紋源處有明顯的疲勞臺(tái)階，因摩擦形成的扭曲形態(tài)。
9.腐蝕疲勞斷裂的斷口特征：①脆性斷裂，斷口附近無塑變。②微觀斷口可見疲勞輝紋，但由于腐蝕介質(zhì)的作用而模糊不清；二次裂紋較多并具有泥狀花樣。③屬于多源疲勞，裂紋的走向可以是穿晶型的也可能是沿晶型的，以穿晶裂紋比較常見。④斷口上的腐蝕產(chǎn)物與環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)相一致。
10. 熱疲勞破壞特征：
①典型的表面疲勞裂紋呈龜裂狀；根據(jù)熱應(yīng)力方向，也可以近似形成相互平行的多裂紋形態(tài)。
②裂紋走向可以是沿晶型的，也可以是穿晶型的；一般裂紋端部較尖銳，裂紋內(nèi)有或充滿氧化物。
③宏觀斷口呈深灰色，并為氧化物覆蓋。
④由于熱蝕作用，微觀斷口上的疲勞輝紋粗大，有時(shí)尚有韌窩狀花樣相對(duì)應(yīng)。
⑤裂紋源于表面，裂紋擴(kuò)展深度與應(yīng)力、時(shí)間及溫差變化相對(duì)應(yīng)。
⑥疲勞裂紋為多源。
ABAQUS：
靜態(tài)應(yīng)力/位移分析：包括線性，材料和幾何非線性，以及結(jié)構(gòu)斷裂分析等
疲勞分析：根據(jù)結(jié)構(gòu)和材料的受載情況統(tǒng)計(jì)進(jìn)行生存力分析和疲勞壽命預(yù)估
ANSYS：
結(jié)構(gòu)靜力分析：用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，而且也可以進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。
結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析：結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析用來求解隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對(duì)阻尼和慣性的影響。ANSYS可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類型包括：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。 |
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