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由疲劳的概念可知,疲劳破坏具有下列几个方面的特点:
扰动应力是指随着时间发生变化的应力,也称为扰动载荷,载荷可以是力、应变、位移等等。
疲劳载荷的分类如图1所示。一个载荷谱在一个确定的时间间隔内呈现规律性的、相等幅频的重复称为周期,此类具有周期性交变特征的载荷称作循环载荷。
疲劳破坏往往产生于局部,局部性是疲劳失效的重要特征。因此,注意研究零部件的细节,尤其是应力应变集中处,尽力减小应力集中的发生,对提高零部件工作质量,延长构件寿命具有积极意义。
疲劳破坏是一个发展的过程。单就零部件疲劳破坏形式之一的断裂来讲,由疲劳裂纹产生到疲劳裂纹扩展,直至最后发生断裂,这是一个疲劳损伤逐步累积的过程。由此可引出疲劳寿命的概念,疲劳寿命指的是疲累损伤累积过程中零部件所经历的时间,或者说载荷循环次数。
材料在循环应力和应变作用下,在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。根据循环荷载的幅值和频率,疲劳可以分为等幅疲劳、变幅疲劳和随机疲劳;根据材料破坏前所经历的循环次数(即寿命)以及疲劳荷载的应力水平,疲劳又可以分为高周疲劳、低周疲劳和亚临界疲劳。
疲劳破坏时所经历的应力、应变循环次数。
指定基数下的中值疲劳强度,对当循环基数为其他值时,称为该循环基数下的条件疲劳极限,有时简称为该循环基数下的疲劳强度。
谱荷载下疲劳损伤的积累。线性损伤时常用循环比的和表示,即D= ΣCi,其中Ci为第i级应力水平下的循环比。
疲劳破坏时应力空间或应变空间破坏包络面的数学表达式。可供工程中疲劳计算分析时使用,但它不解决对疲劳破坏的物理和力学机理的认识。
任何材料都会发生疲劳破坏,因此在设计零部件及工程结构等时必须考虑到材料遭受疲劳破坏的时限,以免造成不必要的财产损失和人身伤亡事故。
对于钢材,在疲劳破坏之前并没有明显的变形,是一种突然发生的断裂,断口平直,属于反复荷载作用下的脆性破坏。
在荷载反复作用下,结构构件母材和连接缺陷处或应力集中部位形成微细的疲劳裂纹,并逐渐扩展以至最后断裂的现象。它是一个累积损伤过程。结构细部构造、连接型式、应力循环次数、最大应力值和应力变化幅度(应力幅)是影响结构疲劳破坏的主要因素。疲劳破坏往往发生在名义应力小于材料抗拉强度甚至屈服点的情况。根据应力循环次数的范围,疲劳破坏分成低周疲劳和高周疲劳二大类。
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国内外情况与发展水平
国外的疲劳破坏研究工作在第二次世界大战以后发展较快,具体表现主要有以下几个方面:
①.应用电子显微镜、扫描电镜等先进仪器介入疲劳机理研究。
②.通过对疲劳试验现象分析剔除解释和假说,但仍不能定量分析,多靠试验 曲线分析。
③.疲劳累积损伤理论研究没有显著成效,估算疲劳寿命仍多用迈因纳法则。
④.开展抗疲劳设计方法研究。
⑤.大量开展疲劳试验,并进行疲劳故障分析。
⑥.特种疲劳问题研究领域扩展至腐蚀、微动磨损、随机疲劳等方面。
国内相关研究起步较晚,上世纪50年代有科研单位开始一些疲劳试验研究工作值60年代,研究取得一些进展并应用于解决生产问题。然后进入近二十年的停滞期,80年代研究重启,现己有很多科研单位开始疲劳破坏研究。主要体现在:
①疲劳裂纹扩展方面工作较多。
②研究疲劳试验数据处理方面取得较大进展,部分工作己达世界先进水平,尤其是航空航天结构寿命估计和寿命延长方面,有效保证了运行安全。
③疲劳失效分析、疲劳破坏机制等方面都有若干成果。
近20年来,我国在机械结构与材料疲劳破坏方面的理论、分析方法做了大量取得许多成绩,但是,总的来讲,研究水平与国外仍有一定差距。
第6章钢结构的疲劳破坏事故
70 第 6章 钢结构的疲劳破坏事故 6.1 疲劳破坏的概念 疲劳问题最初是在 1829 年由法国采矿工程师尔倍特 (W.A.J.Albert)根据所做的铁链的 重复载荷试验所提出的。 1939 年波客来特( Poncelet)首先采用“疲劳” (Fatigue)一词来 描述“在反复施加的载荷作用下的结构破坏现象。 ”但是疲劳一词作为题目的第一篇论文是 由勃累士畏特( Braithwaite)于 1854 年在伦敦土木工程年会上发表的,在第二次世界大战 中,发生了多起飞机疲劳失事事故, 人们从一系列的灾难性事故中, 逐渐认识到疲劳破坏的 严重性。 金属结构的疲劳是工程界早已关注的问题。 就金属结构包括飞机、 车辆等各类结构都在 内的总体,大约 80—90%的破坏事故和疲劳有关。其中土建钢结构所占的比重虽然不大, 但随着焊接结构的发展, 焊接吊车梁的疲劳问题已十分普遍, 受到了工程界人士的
防止高压容器产生疲劳破坏的措施
疲劳破坏是高压容器常见的破坏形式,尤其是因疲劳裂纹扩展等引起的破坏。文中重点介绍了压力容器产生疲劳破坏的机理,并提出了相应的防止破坏的措施。
进行混凝土在单轴、双轴、三轴等幅和变幅下的波动拉、波动压、波动拉压强度试验,分析多轴应力下砼的疲劳破坏机理,并在分析试验资料的基础上,建立考虑混凝土单轴、多轴、等幅、变幅、波动拉、波动压和波动拉压状态的统一疲劳破坏准则。为提高预应力混凝土桥梁、吊车梁、核安全壳和压力容器等的疲劳强度设计水平提供试验及理论依据。 2100433B
近二十年来,地球进入强震周期,金属材料在超低周疲劳加载下的延性断裂问题成为金属结构领域的前沿热点问题之一。《强震下金属结构的超低周疲劳破坏》主要阐述金属结构在地震等超大塑性循环加载下的延性破坏机理、理论分析模型、数值仿真模拟方法以及相关理论在金属材料、构件、节点和结构层面的应用,是作者近10年来相关研究成果的荟萃。
《强震下金属结构的超低周疲劳破坏》面向的读者包括对金属结构感兴趣的本科生、研究生、研究钢和铝合金结构的研究人员,以及涉及循环大塑性加载相关应用的结构工程师。
1、微观裂纹扩展阶段
在循环加载下,由于物体内部微观组织结构的不均匀性,在某些薄弱部位首先形成微观裂纹,此后裂纹即沿着与主应力成45度角的最大剪切应力方向扩展。在此阶段,裂纹长度大致在0.05毫米以内。若继续加载,微观裂纹就会发展成为宏观裂纹。
2、宏观裂纹扩展阶段
裂纹基本上沿着与主应力垂直的方向扩展。借助电子显微镜可在断口表面观察到此阶段中每一应力循环所遗留的疲劳条带。
3、瞬时断裂阶段
当裂纹扩大到使物体残存截面不足以抵抗外载荷时,物体就会在某一次加载下突然断裂。