材料疲勞的案例
金屬材料疲勞強度的8大主要影響因素 附疲勞強度徐灝下載
材料的疲勞強度對各種外在因素和內在因素都極為敏感。外在因素包括零件的形狀和尺寸、表面光潔度及使用條件等，內在因素包括材料本身的成分、組織狀態、純凈度和殘余應力等。這些因素的細微變化，均會造成材料疲勞性能的波動甚至大幅度變化。
各種因素對疲勞強度的影響是疲勞研究的重要方面，這種研究將為零件合理的結構設計、以及正確選擇材料和合理制定各種冷熱加工工藝提供依據，以保證零件具有高的疲勞性能。今天就分享8個影響疲勞強度的因素。
1. 應力集中的影響
常規所講的疲勞強度，都是用精心加工的光滑試樣測得的，然而，實際機械零件都不可避免地存在著不同形式的缺口，如臺階、鍵槽、螺紋和油孔等。這些缺口的存在造成應力集中，使缺口根部的最大實際應力遠大于零件所承受的名義應力，零件的疲勞破壞往往從這里開始。
有效應力集中系數不僅受構件尺寸和形狀的影響，而且受材料的物理性質、加工、熱處理等多種因素的影響。有效應力集中系數隨著缺口尖銳程度的增加而增加，但通常小于理論應力集中系數。
疲勞缺口敏感度系數q：疲勞缺口敏感度系數表示材料對疲勞缺口的敏感程度，由下式計算。
式中：
Kf為有效應力集中系數；
Kt為理論應力集中系數。
q的數據范圍是0~1，q值越小，表征材料對缺口越不敏感。試驗表明，
q并非純粹是材料常數，它仍然和缺口尺寸有關，只有當缺口半徑大于一定值后，
q值才基本與缺口無關，而且對于不同材料或處理狀態，此半徑值也不同。
2. 尺寸因素的影響
由于材料本身組織的不均勻性以及內部缺陷的存在，尺寸增加造成材料破壞概率的增加，從而降低材料的疲勞極限。
展開 影響金屬材料疲勞強度的八大因素
材料的疲勞強度對各種外在因素和內在因素都極為敏感。外在因素包括零件的形狀和尺寸、表面光潔度及使用條件等，內在因素包括材料本身的成分，組織狀態、純凈度和殘余應力等。這些因素的細微變化，均會造成材料疲勞性能的波動甚至大幅度變化。
各種因素對疲勞強度的影響是疲勞研究的重要方面，這種研究將為零件合理的結構設計、以及正確選擇材料和合理制訂各種冷熱加工工藝提供依據，以保證零件具有高的疲勞性能。
應力集中的影響
常規所講的疲勞強度，都是用精心加工的光滑試樣測得的，然而，實際機械零件都不可避免地存在著不同形式的缺口，如臺階、鍵槽、螺紋和油孔等。這些缺口的存在造成應力集中，使缺口根部的最大實際應力遠大于零件所承受的名義應力，零件的疲勞破壞往往從這里開始。
理論應力集中系數Kt ：在理想的彈性條件下，由彈性理論求得的，缺口根部的最大實際應力與名義應力的比值。
有效應力集中系數（或疲勞應力集中系數）Kf：光滑試樣的疲勞極限σ-1與缺口試樣疲勞極限σ-1n的比值。
有效應力集中系數不僅受構件尺寸和形狀的影響，而且受材料的物理性質、加工、熱處理等多種因素的影響。
有效應力集中系數隨著缺口尖銳程度的增加而增加，但通常小于理論應力集中系數。
疲勞缺口敏感度系數q：疲勞缺口敏感度系數表示材料對疲勞缺口的敏感程度，由下式計算。
q的數據范圍是0-1，q值越小，表征材料對缺口越不敏感。試驗表明，q并非純粹是材料常數，它仍然和缺口尺寸有關，只有當缺口半徑大于一定值后，q值才基本與缺口無關，而且對于不同材料或處理狀態，此半徑值也不同。
尺寸因素的影響
由于材料本身組織的不均勻性以及內部缺陷的存在，尺寸增加造成材料破壞概率的增加，從而降低材料的疲勞極限。
展開 金屬材料疲勞強度的八大主要影響因素
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加載經歷的影響
實際上沒有任何零件是在絕對恒定的應力幅條件下工作，材料實際工作中的超載和次載都會對材料的疲勞極限產生影響，試驗表明，材料普遍存在著超載損傷和次載鍛煉現象。
所謂超載損傷是指材料在高于疲勞極限的載荷下運行達到一定周次后，將造成材料疲勞極限的下降。超載越高，造成損傷所需的周次越短，如圖1所示。
圖1 損傷線
事實上，在一定條件下，少量次數的超載不僅不會對材料造成損傷，由于形變強化、裂紋尖端鈍化以及殘余壓應力的作用，還會對材料造成強化，從而提高材料的疲勞極限。因此，應對超載損傷的概念進行一些補充和修正。
所謂次載鍛煉是指材料在低于疲勞極限但高于某一限值的應力水平下運行一定周次后，造成材料疲勞極限升高的現象。次載鍛煉的效果和材料本身的性能有關，塑性好的材料，一般來說鍛煉周期要長些，鍛煉應力要高些方能見效。
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化學成分的影響
材料的疲勞強度與抗拉強度在一定條件下存在著較密切的關系，因此，在一定條件下凡能提高抗拉強度的合金元素，均可提高材料的疲勞強度。比較而言，碳是影響材料強度的最主要因素。而一些在鋼中形成夾雜物的雜質元素則對疲勞強度產生不利影響。
展開 金屬材料疲勞強度的八大主要影響因素
材料的疲勞強度對各種外在因素和內在因素都極為敏感。外在因素包括零件的形狀和尺寸、表面光潔度及使用條件等，內在因素包括材料本身的成分，組織狀態、純凈度和殘余應力等。這些因素的細微變化，均會造成材料疲勞性能的波動甚至大幅度變化。
各種因素對疲勞強度的影響是疲勞研究的重要方面，這種研究將為零件合理的結構設計、以及正確選擇材料和合理制訂各種冷熱加工工藝提供依據，以保證零件具有高的疲勞性能
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應力集中的影響
常規所講的疲勞強度，都是用精心加工的光滑試樣測得的，然而，實際機械零件都不可避免地存在著不同形式的缺口，如臺階、鍵槽、螺紋和油孔等。這些缺口的存在造成應力集中，使缺口根部的最大實際應力遠大于零件所承受的名義應力，零件的疲勞破壞往往從這里開始。
理論應力集中系數Kt：在理想的彈性條件下，由彈性理論求得的，缺口根部的最大實際應力與名義應力的比值。
有效應力集中系數(或疲勞應力集中系數)Kf：光滑試樣的疲勞極限σ-1與缺口試樣疲勞極限σ-1n的比值。
有效應力集中系數不僅受構件尺寸和形狀的影響，而且受材料的物理性質、加工、熱處理等多種因素的影響。
有效應力集中系數隨著缺口尖銳程度的增加而增加，但通常小于理論應力集中系數。
疲勞缺口敏感度系數q：疲勞缺口敏感度系數表示材料對疲勞缺口的敏感程度，由下式計算。
q的數據范圍是0-1，q值越小，表征材料對缺口越不敏感。試驗表明，q并非純粹是材料常數，它仍然和缺口尺寸有關，只有當缺口半徑大于一定值后，q值才基本與缺口無關，而且對于不同材料或處理狀態，此半徑值也不同。
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尺寸因素的影響
由于材料本身組織的不均勻性以及內部缺陷的存在，尺寸增加造成材料破壞概率的增加，從而降低材料的疲勞極限。
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汽車材料疲勞分析
本文首先簡要介紹疲勞破壞，然后對汽車材料疲勞破壞進行分析討論，給出幾種有效估算疲勞壽命的分析方法。
疲勞破壞涉及面之廣幾乎涵括汽車、鐵路、航空航天、能源、軍事國防、海洋油氣工程及一般機器制造等各個工業領域，這說明了其問題嚴重性。對疲勞研究尤其是金屬材料是和國民經濟發展有密切聯系的學科。汽車作為人類出行密不可分的工具，對其疲勞分析研究尤為重要。
1.疲勞的基本理論
1.1.疲勞定義和特點
許多機械零件和工程構件，是承受交變載荷工作的。當材料或結構在在交變載荷的作用下，雖然應力水平低于材料的屈服極限，甚至比彈性極限還低的情況下就可能發生破壞，但經過長時間的應力反復循環作用以后，也會發生突然脆性斷裂，這種現象叫做疲勞破壞。其具有受交變力、作用時間長、斷裂瞬時發生且疲勞斷裂區都是脆性等特點。
1.2.疲勞破壞過程和類別
疲勞破壞的過程為：在循環交變載荷作用下，在零部件局部最高應力處的晶粒上形成微裂紋，然后發展成宏觀裂紋，裂紋繼續擴展，最終導致疲勞斷裂經歷了疲勞成核-微觀裂紋生長-最后斷裂三個階段。
金屬材料的疲勞現象，按條件不同可分為：高周疲勞、低周疲勞、熱疲勞、腐蝕疲勞和接觸疲勞等。
2.汽車材料疲勞
2.1.汽車材料疲勞破壞
汽車長期運行中所承受的外部載荷是循環動態交變載荷，在這種載荷作用下，汽車的許多零構件上都產生動態應力，引起疲勞損傷，其疲勞破壞形式多為疲勞斷裂。
疲勞斷裂是汽車零部件最主要的失效形式，具有斷裂前沒有可見裂紋、功能改變等預兆等特點，導致了人們生命財產巨大損失。但是其可以預防，如果在汽車設計、生產、使用、維護人員具備相關疲勞失效知識，可以減少1/3以上的損失。
展開 焊縫材料抗疲勞斷裂的可靠性計算方法
以焊縫材料疲勞斷裂前裂紋長度為輸出參數,根據金屬材料疲勞斷裂的過程理論,利用可靠性技術中的漂移設計原理,對焊縫材料在一定循環次數下的失效率或給定不失效率的循環次數的可靠性計算方法進行了探討。結合實例,對在給定循環次數和可靠度的條件下,對焊縫材料抗疲勞斷裂強度進行了可靠性設計
焊縫材料抗疲勞斷裂的可靠性計算方法.pdf
材料疲勞參考書
材料疲勞參考書材料疲勞參考書材料疲勞參考書
metal_fatigue1.part1.rar
metal_fatigue1.part2.rar
焊縫材料抗疲勞斷裂的可靠性計算方法
摘 要:以焊縫材料疲勞斷裂前裂紋長度為輸出參數,根據金屬材料疲勞斷裂的過程理論,利用可靠性技術中的漂移設計原理,對焊縫材料在一定循環次數下的失效率或給定不失效率的循環次數的可靠性計算方法進行了探討。結合實例,對在給定循環次數和可靠度的條件下,對焊縫材料抗疲勞斷裂強度進行了可靠性設計。
焊縫材料抗疲勞斷裂的可靠性計算方法.pdf
長玻纖增強聚丙烯材料耐疲勞可靠性研究怎么做？文中找答案！
筆者對長玻纖增強聚丙烯材料（PP-LGF40）進行不同取向上的力學性能測試，研究機械可靠性：疲勞性能的各向異性行為，探究纖維增強聚丙烯材料的疲勞和性能與纖維取向、溫度、載荷等因素之間的關系，為工程應用和各向異性疲勞本構模型提供指導。
1、長玻纖增強聚丙烯材料疲勞性能各向異性行為
圖1 長玻纖增強聚丙烯材料常溫疲勞S-N曲線
Fig 1 Fatigue S-N curve of long glass fiber reinforced polypropylene material at room temperature
對不同方向的樣條進行尺寸測量，依據標準ISO 13003-2003進行疲勞性能測試，選取拉伸強度的50%-90%范圍內作為最大應力水平，每個應力水平測試2個平行樣，應力比0.1，頻率10Hz，長玻纖增強聚丙烯材料三個方向在常溫下的疲勞S-N曲線結果如圖1所示。從結果可以看出，注塑長玻纖增強聚丙烯材料的疲勞性能依然存在明顯的各向異性，0°、45°、90°方向疲勞性能的整體水平與拉伸強度有著直接性的關系，因此在同一應力水平下，0°、45°、90°方向的疲勞性能逐漸降低；且最大應力的對數與疲勞循環次數的對數呈線性關系，隨著應力水平的降低，疲勞壽命升高，可依據擬合曲線公式表征長玻纖增強聚丙烯材料0°、45°、90°方向的疲勞壽命，對于指導工程應用和產品開發有重要意義。
在低溫和高溫情況下，注塑長玻纖增強聚丙烯材料的疲勞性能也具有常溫條件下表現的各向異性，結果如圖2所示。
展開 什么是材料的疲勞？ 附材料的疲勞文檔下載
什么是材料的疲勞？筆者翻閱了相關教材與標準，找到了以下幾個具有代表性的定義與解釋。個人認為ASTM的定義比較具體，說出了疲勞的四個特點。
●《結構疲勞壽命分析》[1]
疲勞一詞的英文是“fatigue”,意思是“勞累、疲倦”。作為專業術語,用來表達材料在循環載荷作用下的損傷和破壞。國際標準化組織(ISO)在1964年發表的報告《金屬疲勞試驗的一般原理》中對疲勞所作的定義是:“金屬材料在應力或應變的反復作用下所發生的性能變化叫做疲勞;雖然在一般情況下,這個術語特指那些導致開裂或破壞的性能變化”。這一描述也普遍適用于非金屬材料。
●《疲勞與斷裂》[2]
美國試驗與材料協會(ASTM)在《疲勞試驗及數據統計分析之有關術語的標準定義》(ASTM E206-72)中給出了如下的定義：“在材料的某點或某些點承受擾動應力，且在足夠多的循環擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂，由此所發生的局部永久結構變化的發展過程稱為疲勞。”
展開 碳纖維復合材料剪切疲勞試驗研究方法
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引言
隨著科學技術的進步和輕量化的發展趨勢，復合材料逐漸出現在了各行各業之中，首當其沖的就是汽車行業。由于復合材料強度高、剛度大、質量輕、具有良好的可設計性，與傳統金屬相比，可以在同等性能條件下大幅減重，為安裝、運輸都提供了巨大的方便；且復合材料具有更好的耐腐蝕、疲勞性能，具有良好的發展前景。復合材料具有各向異性的特性，即使是同一種材料，不同的鋪層設計也會導致其性能上的差異，所以研究復合材料的性能具有十分重要的意義。
碳纖維復合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP)可以說是目前應用最受青睞的復合材料，相比于傳統的金屬材料，其出色的疲勞性能一直是國內外專家學者的關注對象。疲勞性能是工程應用中產品可靠性研究的重要內容之一。目前大多數CFRP疲勞性能研究著重于單向鋪層或者正交鋪層的拉-拉疲勞，而在很多工程應用的場合之中，如傳動軸，剪切破壞是重要的破壞模式，對其疲勞性能的研究十分重要。V型缺口的剪切疲勞試驗相對于其他研究方法，可以獲得更加均勻的應力分布，以及純剪切的應力狀態，所以本文采用V型缺口試驗的方法，對CFRP的剪切疲勞性能進行研究和探索。
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試驗
2.1 試樣制備
本文的試驗基于標準ASTM/D7078，試樣制備的要求也按照標準執行，圖1為試樣的尺寸圖。試樣的制備按照裁料-制板-固化-裁切-精加工的流程制造，其中材料的參數見表1。
圖1 V型缺口試樣尺寸圖
表1 CFRP性能參數
對于已經制備完成的試樣進行靜力性能抽樣測試，檢驗試樣的合格性，同時測量其靜力的剪切強度。
2.2 試驗結果
對V型缺口試樣的剪切疲勞試驗進行完成之后，得到如下疲勞數據，見表2。
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[論文]復合材料疲勞可靠性研究
復合材料疲勞可靠性研究
復合材料疲勞可靠性研究.pdf
lw.JPG
基于Abaqus的umat子程序實現三維編織復合材料疲勞性能預測
然后根據循環次數，對材料性能做折減和失效判斷。
2. 案例
本文以三維編織復合材料為例，分析過程主要分為兩大步，即靜力分析和疲勞壽命分析。
2.1 靜力分析
靜力分析的目的是拿到胞元的強度，以及在該強度下，各組分的平均應力，進而確定組分材料在該載荷下的疲勞壽命。
（1）在Umat子程序中選用三維Hashin準則進行纖維束的失效判斷，選用最大應力準則進行基體的失效判斷。
（2）確定單胞疲勞失效載荷、極限應變，和纖維束平均應力。
（3）計算時，計算模型需對界面和邊界條件采用一定的假設與簡化。提取加載點位移載荷數據。
圖1 單胞靜力分析載荷位移曲線
2.2 疲勞分析
（1）建立纖維束、界面、基體的疲勞折減模型，定義損傷因子，這些均在Umat子程序中加以實現。同樣的，在建立疲勞折減模型時也需引入一些的假設以簡化模型。在本此研究模型中，首先利用以下文獻中提供的單向復合材料疲勞壽命預測公式確定不同應力水平下纖維束的疲勞壽命：
（2）依據計算所得的疲勞壽命，在Umat子程序中實現不同應力水平下纖維束、界面和基體的剛度折減、強度折減。
（3）最后，利用子程序實現載荷步的循環加載，同時在每次循環中對單胞的疲勞狀態及失效狀態進行判斷，直至單胞達到最大疲勞壽命狀態。
展開 工程化的復合材料疲勞仿真方法
材料也會累？
什么是材料的疲勞？
所謂材料的疲勞，指的是在長期服役情況下，材料持續經受循環載荷，以致性能下降甚至失效破壞的情況。
工業界經常講疲勞壽命，就是說結構疲勞工況的使用壽命。我們在設計汽車、飛機、艦船時，疲勞壽命的設計非常重要的一環，也是安全設計的必要內容。通常來說，這種重大裝備的設計壽命也就20年左右。愛惜點使用，少經歷一些大風大浪，可以茍到30年，和原始人類的壽命差不多。自然造物也不過如此了。
人會疲勞，材料為什么也會疲勞？
斷裂力學給出的解釋是，材料內部存在細小裂紋，隨著材料持續承受變化的載荷，裂紋慢慢生長變大甚至和其他裂紋連成一片，最終導致了結構的破壞。就像我們反復彎折一根鐵絲，很快就能將它折斷一樣。
材料內部裂紋
從哲學的角度，一個人反復折騰，即便身體不累，心也累了。所謂積勞成疾，萬事萬物該是如此。要想活的久，就不要老是上躥下跳，更不能過度健身。
疲勞研究的發展
對于疲勞研究的起源，一種說法是，二戰時為了盡快解決德日海上力量，（當時）第一工業強國—美國，下餃子般開足馬力造了一堆艦船。
編輯
跳轉
有時候數量就是質量，至少一時如此。
二戰結束后，刀槍入庫馬放南山。不少艦船退役作為民船繼續使用。然而很快，這批大干快上的船只發生了很多沉沒事故。
經過調查，這些船只建造時，為了加快進度使用了當時還不夠成熟的焊接工藝。焊接質量導致這些部位極易產生裂紋，導致了災難后果。由此，疲勞問題的研究引起了重視。
實際上前兩次工業革命時代，就有研究表明火車鐵軌存在疲勞壽命的問題。結構疲勞失效之所以可怕在于兩點：
（1）快速性。
展開 復合材料疲勞計算簡述
復合材料的疲勞特性
1．復合材料直至破壞，其應力－應變曲線仍呈現線性，表現為材料的脆性，疲勞損傷演變的隱蔽性和突然失效（Sudden-death）對結構安全性構成威脅；而金屬一般都具有屈服階段。
2．復合材料受交變載荷時，產生多種形式的損傷，基本的損傷形式有：界面脫膠和基體開裂，邊緣和層板內部分層，纖維斷裂，在疲勞載荷作用下，上述損傷形式相繼交錯出現，形成含多種損傷形式的損傷區，且擴展缺乏規律性，整體失效往往突然發生。損傷形式的多樣性和擴展的無規律性，增加了處理復合材料疲勞問題的復雜度。
3．復合材料的疲勞過程與其材料彈性常數的變化緊密聯系。復合材料構件在一定應力水平下循環加載一段時間后，其彈性常數隨之發生變化，剛度的退化是表現形式之一，這從宏觀上反映了各種損傷的累積作用。
4．層間疲勞強度的計算要考慮層間應力，而層間應力分析屬于三維問題，且存在自由邊效應，使得分析層間疲勞發生困難。
5．不同鋪設角的單向層之間的耦合作用明顯影響層壓板的層間應力分布，并直接影響層壓板的疲勞性能；而對于同一材料體系，鋪設角和鋪疊次序的變化存在無窮多個組合，要在這么多組合中尋找一些規律性的東西，顯得尤為困難。
6．復合材料的疲勞性能依賴于環境。復合材料中的基體不僅對溫度敏感，而且極易吸收周圍環境中的水分，因而，在濕熱環境條件下，復合材料的疲勞性能較之在室溫，干燥條件下的疲勞性能有較大差別。
7．與金屬材料相比，復合材料具有優越的拉伸疲勞特性，在實際設計中經常以對靜強度或剛度的要求涵蓋對疲勞性能的要求；壓縮載荷對金屬結構的疲勞裂紋通常起促進閉合的作用，所以一般不予考慮，但對層壓復合材料則相反，在壓縮循環載荷下，疲勞性能明顯降低；疲勞壽命的分散度遠大于金屬材料，一般不能采用金屬疲勞的研究方法。
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