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2025/7/171疲劳裂纹扩展与寿命计算航空工程学院郭巧荣金属结构材料TD1

绪论2025/7/172自第二次世界大战以来，随着高强度材料和大型结构的广泛应用，一些按传统强度和常规设计方法设计、制造并经严格检验合格的产品，先后发生了不少灾难性断裂事故。二战期间，1943~1947年美国5000余艘焊接船连续发生了一千多起断裂事故。其中238艘完全毁坏；英国“deHaviland”公司在1952年研制的旅客机“彗星”号连续发生失事。

本讲内容2025/7/17301含裂纹结构的安全性02疲劳失效过程与机制03疲劳裂纹的亚临界扩展04影响疲劳裂纹扩展的因素05疲劳裂纹扩展寿命计算06延缓裂纹形成寿命的技术

参考资料2025/7/174飞机结构疲劳强度与断裂分析杜洪增编中国民航出版社断裂力学及其工程应用李庆芬主编哈尔滨工程大学出版社材料的力学性能郑修麟编西北工业大学出版社

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含裂纹结构的安全性

1含裂纹结构的安全性2025/7/176飞机结构的使用寿命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

2疲劳失效过程与机制2025/7/177疲劳失效过程示意图

2.1疲劳裂纹萌生过程及机理2025/7/178宏观疲劳裂纹是由微观裂纹的形成、长大及联接而成的。将0.05~0.1mm的裂纹确定为疲劳裂纹核，以此确定疲劳裂纹萌生期疲劳裂纹萌生机理的三种可能：表面滑移带开裂夹杂物与基体相界面分离或夹杂物本身断裂晶界开裂

2疲劳失效过程与机制2025/7/179滑移带开裂产生裂纹位错的塞积和交割滑移带宽度随循环次数增加微裂纹形成

2疲劳失效过程与机制2025/7/1710相界面开裂产生裂纹预防——从晶界萌生裂纹来看，凡使晶界强化、净化和细化晶粒的因素，均能抑制晶界裂纹形成，提高疲劳抗力。

2疲劳失效过程与机制2025/7/1711裂纹扩展的两个阶段第一阶段沿主滑移系，以纯剪切方式向内扩展；扩展速率仅0.1μm数量级。第二阶段在da/dN的II区。晶界的阻碍作用，使扩展方向逐渐垂直于主应力方向；扩展速率μm级；可以穿晶扩展。形成疲劳条纹

2疲劳失效过程与机制2025/7/1712塑性钝化模型

3疲劳裂纹的亚临界扩展2025/7/171321对于一个含有表面初始裂纹（长度为a0）的构件：静载荷情况脆性断裂交变载荷情况不会破坏裂纹缓慢扩展裂纹失稳扩展，构件破坏4365

疲劳裂纹的亚临界扩展2025/7/1714疲劳裂纹的亚临界扩展裂纹在交变应力作用下，由初始长度a0扩展到临界长度ac的这一段扩展过程

3.1疲劳裂纹扩展速率2025/7/1715在交变载荷作用下，裂纹长度a随交变载荷循环数N的增加而加大裂纹扩展速率是裂纹扩展的一个量度预测疲劳裂纹扩展寿命估算裂纹检查间隔0102

3.1疲劳裂纹扩展速率2025/7/1716logoCCT试件的测试结果

3.1疲劳裂纹扩展速率的计算2025/7/1717裂纹增长，KI增大

3.2Paris公式2025/7/1718logo疲劳裂纹扩展是受裂纹尖端弹性应力强度因子变程控制的：式中c、n是与试验条件（环境、加载频率、温度和应力比R等）有关的材料常数，对于绝大多数金属材料，n=2~4。为应力强度因子幅度，其定义为Paris公式表明：疲劳裂纹扩展是由裂纹尖端弹性应力强度因子的变化幅度所控制的。

3.3疲劳裂纹亚临界扩展规律2025/7/1719高周疲劳的裂纹亚临界扩展规律：三个分区

3.3疲劳裂纹亚临界扩展规律2025/7/1720Wherea=cracklengthN=no.ofcycles△KI=rangeofstressintensityatrootofcrack,calculatedfrommaxstressminusminimumstress.Candmarematerialconstants

Material2025/7/1721cmValuesofCandmforCrackGrowthEqn.

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