疲劳断裂失效分析及现状和展望.doc

院系：机电工程学院航空宇航工程系班级：飞行器制造工程学号：0901034222姓名：王功名

疲劳断裂失效分析及现状和展望

摘要：疲劳断裂失效的基本形式和特征；疲劳断口的形貌及特征；疲劳断裂失效类型与鉴别；疲劳断裂失效的预防；未来研究方向
关键词：疲劳断裂；失效分析
Abstract:fatiguefracturefailureofthebasicformsandfeatures;Fatiguefracturesurfaceoftheshapeandcharacteristic;Fatiguefracturefailuretypesanddifferential;Fatiguefracturefailureofprevention；Thefutureresearchdirection
Keywords:fatiguefracture;Failureanalysis

1概述
疲劳断裂是金属构件断裂的主要形式之一。自从Wohler的经典疲劳著作发表以来，人们充分的研究了不同材料在各种不同载荷和环境条件下试验时的疲劳性能，在金属构件疲劳断裂失效分析的基础上形成和发展了疲劳学科。尽管广大工程技术人员和设计人员已经注意到疲劳问题，而且已经积累了大量的试验数据，在实际工程中采用了许多有效的技术措施，但目前仍有很多设备和零件因疲劳断裂而失效，尤其是各类轴，齿轮，叶片，模具等承受交变载荷的零部件。据统计在整个机械零部件的失效总数中，疲劳失效约占50%-90%，在近几年公开发表的各类实际零件断裂分析的研究报告中，疲劳断裂约占80%。因此，金属构件的疲劳失效仍然是值得重点研究的问题。
疲劳是研究再交变的外界因素（如载荷，电场，温度等）作用下材料和结构在各种工作环境下抗破坏能力的一门科学；断裂是研究含缺陷（裂纹）的材料和结构抗断裂性能，以及各种工作环境下裂纹的扩展失稳和止裂的一门科学。
2.疲劳断裂失效
机械零件疲劳断裂的失效的形式有很多。按交变载荷的形式不同，可分为拉压疲劳，弯曲疲劳，接触疲劳，震动疲劳等；按疲劳断裂的总周次的大小可分为高周疲劳和低周疲劳；按其服役的温度计介质条件可以分为机械疲劳，高温疲劳，低温疲劳，冷热疲劳及腐蚀疲劳等。但其基本形式只有两种，即切应力引起的切断疲劳及由正应力引起的正断疲劳。
切断疲劳失效
切断疲劳失效初始裂纹是由切应力引起的。切断疲劳的特点是：疲劳的裂纹起源处的应力应变场为平面应力状态；初裂纹的所在平面与应力轴约成45度角，并沿滑移面扩展。
正断疲劳失效
正断疲劳失效的初裂纹，是由正应力引起的。正断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处应力应变场为平面应力状态；初裂纹所在的平面大致上与应力轴垂直裂纹沿非结晶学平面或不严格地沿着结晶学平面扩展。大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以此种形式进行的。
疲劳断裂失效的一般特征
金属构件的疲劳断裂失效无论从工程应用角度出发，还是从断裂的力学本质及端口的形貌方面来看，都与断裂失效有很大的差别。金属零件在使用过程中发生的疲劳断裂具有突发性，高度局部性及对各种缺陷的敏感性等特点。引起疲劳的应力一般很低，断口上一般经常可观察到特殊的，反应各阶段宏观及微观的特殊花样，
疲劳断裂的突发性
疲劳断裂虽然经过疲劳裂纹的萌生，亚临界扩展，失稳扩展三个过程但是由于
裂纹前无明显的塑性变形和其他明显征兆，所以断裂具有很强的突发性。
疲劳断裂应力很低
循环应力中最大应力幅值一般远低于材料的强度极限和屈服极限。例如对于一般的旋转弯曲疲劳来说，经1千万次应力循环破断的应力仅为静弯曲应力的20%-40%；对于对称拉压疲劳来说，疲劳破坏应力水平还要更低一些。
疲劳断裂是一个损伤积累的过程
疲劳断裂不是立即发生的，而是往往经
过很长的时间才完成。疲劳初裂纹的萌生与扩展均是多次应力循环损伤累积的结果。
疲劳断口的宏观特征
由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，因而形成了疲劳断裂特有的断口形貌，这是疲劳断裂分析时的基本依据。
典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲劳核心，疲劳源区，疲劳裂纹的选择发展区，裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等五个区域。

疲劳源区。疲劳裂纹的萌生区。它通常是由多个疲劳裂纹萌生点扩展并相遇而形成的区域。疲劳裂纹扩展区。疲劳裂纹扩展区是疲劳裂纹的亚临界扩展区，是疲劳断口上重要的特征区域。该区域形态多种多样，可以是光滑的，也可以是瓷状的；可以有贝纹线，也可以不出现。瞬时断裂区。即快速静断区。当疲劳裂纹扩展到一定程度时，构件的有效承载面承受不了当时的载荷而发生快速断裂。

疲劳断裂失效类型与鉴别
机械疲劳断裂
1.高周疲劳断裂。多数情况下，零件光滑表面上发生高周疲劳断裂的端口上只有一个或由有限个疲劳源。高周疲劳断口的微观基本特征是细小的疲劳辉纹，依次即可判断断裂的性质是高周疲劳断裂。
2．低周疲劳断裂。