CAE知識(shí)講堂---結(jié)構(gòu)疲勞破壞與失效斷裂分析

2017-03-27 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

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(lái),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(wèn)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(wú)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。

分析方案

應(yīng)用案例

適用的相關(guān)軟件

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(guò)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(méi)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。

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(wú)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。

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