材料疲勞失效的案例
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 ABAQUS材料斷裂與失效-XFEM|VCCT|COHESIVE|疲勞|侵蝕
【視頻地址】
開胃菜：斷裂力學的基本概念【完成】
專題一：圍道積分運算【完成】
專題二：材料的損傷和侵蝕【完成】
專題三：基于Cohesive方法的斷裂仿真【正錄】
專題四：VCCT詳解與應用【籌備】
專題五：XFEM詳解與應用【籌備】
專題六：低周疲勞仿真【籌備】
溫馨提示：百度傳課中搜索“Abaqus專訓營”，可找到相關的課程！
【課程案例動畫】
專題二：材料的損傷和侵蝕
一招搞定金屬材料表面完整性！再也不用擔心零件疲勞失效了
金屬材料的疲勞、應力腐蝕、高溫氧化等力學、物理和化學性能，很大程度上取決于材料的表面完整性。所謂表面完整性是指表面粗糙度、表層殘余應力、表層顯微組織、表層致密度和表面形貌等狀態的完好程度。大量的航空零件失效分析表明，屬于疲勞失效的零件約占80%，而材料的表面完整性是影響材料疲勞性能的重要因素之一。
噴丸強化技術是一種材料表面機械冷加工方法，借助高速運動彈丸流或高能沖擊波撞擊材料的表面，使材料表層發生彈塑性變形，呈現較好的表面完整性，從而提高材料的抗疲勞強度、微動疲勞抗力及損傷容限性能的一種表面強化方法。
在航空工業中，航空零件的表面完整性直接影響其使用性能和服役能力，特別是零件的疲勞使用性能。噴丸強化技術通過改變材料表面完整性顯著提高各類航空零部件的疲勞性能，且具有成本低、適應性強和操作方便等優點，在航空領域應用廣泛。
表層殘余應力
噴丸強化在材料表層引入殘余應力場，其中靠近受噴材料表面一側呈現為殘余壓應力，板材單面噴丸強化后的表層殘余應力分布特征曲線如圖1 所示。普遍認為殘余壓應力是提高工程材料抗疲勞性能和抗應力腐蝕性能的重要強化機制，而且殘余壓應力值大小、壓應力層深度對工件疲勞強度或壽命影響顯著。因此，如何實現殘余應力分布特征的調控是該領域重要研究內容之一。
殘余應力分布特征曲線包括5個主要特征參數：表面殘余應力值、殘余壓應力深度、最大殘余壓應力及其位置、最大殘余拉應力。彈丸撞擊材料表面時，通常與材料表面產生近似的赫茲接觸，形成的最大彈性應力出現在材料次表面，所以通常噴丸強化最大殘余壓應力位于次表面。在某些情況下，殘余應力分布特征發生變化，例如噴丸強化采用低密度的玻璃彈丸介質時，由于入射動能小，其噴丸強化鈦合金和鋁合金的最大殘余壓應力值出現在表面。
展開 ABAQUS中材料失效控制，失效把控 ￥15
ABAQUS軟件免費介紹
什么是材料的疲勞？ 附材料的疲勞文檔下載
The process of progressive localized permanent structural change occurring in a material subjected to conditions which produce fluctuating stresses and strains at some point or points and which may culminate in crack or complete fracture after a sufficient number of fluctuations.[3]
●《材料力學》[4]
在交變應力作用下，雖應力低于屈服極限，但長期反復作用之后，構件也會突然斷裂，即使是塑性較好的材料，斷裂前也無明顯的塑性變形，這種現象稱為疲勞失效。
●《GB/T 4337-2015》 [5]
金屬材料在交變應力或應變作用下產生裂紋或失效，材料性能的變化過程。
下載地址：材料的疲勞
展開 失效是特指材料失效嗎？
材料按其性能與用途，一般分為結構材料和功能材料。結構材料是以力學性能為主要特征；功能材料是以物理、化學等性能為主要特征。二者性能的不同是由微觀結構和元素屬性所決定。
材料的失效行為主要取決于微觀結構和宏觀形態的變化。確定不同材料的失效模式、失效機理、失效缺陷與失效起因的相互關系，是失效分析學科的核心內容。
失效含義：
1，國標GB3187-82《可靠性基本名詞術語及定義》定義的失效 ：“產品喪失規定的功能，對可修復產品通常稱為故障。”
2，《材料大辭典》定義的失效，又稱復合材料的破壞，指復合材料在經過某些物理、化學過程后（如載荷作用、材料老化、溫度和濕度變化等）發生了尺寸、形狀、性能的變化而喪失了規定的功能。
3，《美國金屬學會手冊》定義的按照 《ASM Handbook 》的定義，服役的任何構件出現以下三種狀態之一時即為失效：
（1）完全不能修復時；
（2）仍可以使用，但不能滿意地達到規定的功能時；
（3）受到嚴重損傷而不能繼續安全可靠地使用時。
由此可見，除《材料大辭典》直接定義為材料失效以外，其余的定義指產品或者構件的功能降低或者受損等；某些功能受損而失效，如油井的通徑無法滿足鉆頭通過而導致的失效是與材料自身無關的。
展開 焊接結構疲勞失效的原因
焊接結構疲勞失效的原因主要有以下幾個方面：①客觀上講，焊接接頭的靜載承受能力一般并不低于母材；而承受交變動載荷時，其承受能力卻遠低于母材，而且與焊接接頭類型和焊接結構形式有密切的關系。這是引起一些結構因焊接接頭的疲勞而過早失效的一個主要的因素；②早期的焊接結構設計以靜載強度設計為主，沒有考慮抗疲勞設計，或者是焊接結構疲勞設計規范并不完善，以至于出現了許多現在看來設計不合理的焊接接頭；③工程設計技術人員對焊接結構抗疲勞性能的特點了解不夠，所設計的焊接結構往往照搬其它金屬結構的疲勞設計準則與結構形式；④焊接結構日益廣泛，而在設計和制造過程中人為盲目追求結構的低成本、輕量化，導致焊接結構的設計載荷越來越大；⑤焊接結構有往高速重載方向發展的趨勢，對焊接結構承受動載能力的要求越來越高，而對焊接結構疲勞強度方面的科研水平相對滯后。
展開 復合材料失效理論知多少（十）——Tsai–Wu失效準則
Tsai-Wu 失效準則是一種唯象材料失效理論，廣泛應用于拉伸、壓縮強度不同的各向異性復合材料。當層合板的失效指數達到 1 時，Tsai-Wu 準則預測達到失效狀態。該失效準則是一般二次失效準則的特例，可以表示為以下形式：
其中，Fi和Fij均是通過實驗得到的強度參數，σi和σij采用的是二階張量的Voigt標記方式，如果假定破壞包絡面是封閉凸面，相互作用項Fij還需要滿足下列約束：
這也就意味著Fii項必須是正值。
對于具有三個對稱平面的正交各向異性材料，如果假設Fij=Fji，且假設正應力和剪應力之間、剪應力與剪應力之間沒有耦合的條件下，Tsai-Wu 失效準則的一般形式簡化為：
通常，正交各向異性材料在三個方向的單軸拉伸、壓縮強度表示為σ1t、σ1c、σ2t、σ2c、σ3t、σ3c，剪切強度表示為S23、S31、S12。那么正交各向異性 Tsai-Wu 失效準則的系數為：
上式中，F1、F2、F3、F44、F55、F66可以通過簡單地單軸拉伸實驗或剪切試驗得到，另外，在有的教科書中F1、F2、F3、F11、F22、F33表示為：
兩者差了一個負號，這取決于壓縮應力自身帶不帶負號，如果壓縮應力自帶負號（負數）則用后者，否則用前者。
理論上系數F12、F13、F23可以通過等雙軸試驗（兩個方向應力相同）來確定。如果等雙軸拉伸的破壞強度是：
則F12、F13、F23可以表示為：
但是實際上，等雙軸試驗測定很難，在過去的幾十年中，也有無數的嘗試去確定這個參數，部分復合材料力學教材里給出過當
時誤差最小的結論。近期，諾丁漢大學李曙光老師從自洽性角度出發對F12的合理取值給出了唯一地確定，也使得Tsai-Wu理論更加完備。
展開 GB/T151氣液混合物為何要設置防沖板？
氣泡隨著液體流動，進入超過臨界壓力或者碰撞材料表面時，氣泡潰滅。潰滅的過程是極短的，對壁面產生液壓沖擊、機械力并伴有高溫，長期作用使壁面形成破壞區，一旦流體中存在腐蝕介質，材料將發生加速侵蝕。
氣泡大小、形狀、潰滅特性、氣相濃度、體積分率等，都會影響氣泡顆粒對材料的腐蝕。氣泡的沖擊會造成材料表面出現凹凸不平的潰滅點坑，是材料腐蝕的起始誘因。
當材料表面受到連續不斷由氣泡潰滅產生的沖擊作用時，將會導致材料疲勞失效，而流體的流動沖刷材料表面的保護膜，形成一系列點坑。
造成氣泡沖刷腐蝕破壞的機理主要有兩個：
一、沖擊波理論，該理論認為空泡腐蝕是由于流體在氣泡潰滅時所形成的沖擊波將其所產生的巨大壓強作用到材料壁面，造成腐蝕破壞。沖擊波傳遞到壁面會產生脈沖應力，產生局部塑性變形失效，經氣泡的連續沖擊最終導致材料破壞。
二、微射流理論，該理論認為，靠近固體表面的氣泡，在受到壓力收縮潰滅時，在氣泡的爆破點處，將推動一束液體流沖向表面，引起金屬表面膜的破壞和金屬的塑性變形。此外，氣泡潰滅的瞬間，具有很高的壓力和溫度，其爆破中心處產生的沖擊波能直接破壞材料表面，使其熔化。
展開 nCode學院培訓課程：疲勞失效及壽命預測
nCode培訓_2012-04-24_疲勞理論.pdf
名稱：nCode學院培訓課程：疲勞失效及壽命預測
頁數：32
螺栓失效的熱力耦合疲勞仿真分析
△圖7：實驗對比分析結果
經典案例
一、基于熱-力耦合分析的LNG低溫軟管內波紋管的疲勞性能研究
△圖8：軟管內波紋管的疲勞仿真
1、 波紋管熱-力耦合分析（輸送壓力載荷）
Goodman 公式轉換應力曲線的應力幅值：
2、 波紋管在常溫-低溫交變載荷作用下的疲勞性能
利用Basquin公式描述材料的S-N曲線，求在某一應力水平下的疲勞壽命：
3、聚焦波紋管的應力熱點區域，開展結構優化
基于Miner線性損傷累計理論，描述LNG低溫軟管內波紋管在壓力、常溫-低溫循環載荷符合作用下的損傷量：
二、循環載荷下柔性管線接頭鎧裝鋼絲粘結損傷分析
△圖9：鎧裝鋼絲與樹脂粘結有限元模型
1、 疲勞載荷下樹脂溫度的變化
△圖10：樹脂試樣表面溫度變化
2、 疲勞載荷下樹脂彈性模量的變化
△圖11：樹脂彈性模量隨溫度變化關系
3、 樹脂在循環載荷下的損傷累積
展開 
焊點失效的熱振耦合疲勞仿真分析
△圖2：影響微電子封裝可靠性的主要因素
4、 焊點失效的四種模式：
4.1 熱交變應力破壞失效
? 溫度變化
? 材料蠕變損傷
? 變形與裂紋擴展
4.2 疲勞破壞失效
?由振動載荷引起的高周疲勞失效
4.3 化學因素腐蝕破壞失效
? 水分、氧氣其他離子
? 化學反應腐蝕
? 粘結強度等機械性能降低
4.4 動態機械載荷破壞失效
? 跌落、沖擊和振動
? 開裂、脆裂等損傷
研究內容
△圖3：焊點熱耦合疲勞仿真分析內容
1、基本力學參數的獲取
? 調研焊點、焊腳的材料屬性
? 試驗獲取引腳、錫焊、錫焊界面（金屬化合物）的力學性能參數
? 擬合界面相（金屬化合物）材料的本構關系
2、疲勞數據庫的建立
? 通過疲勞試驗建立材料、界面相的疲勞特性曲線
? 建立單個焊點的有限元分析模型
? 加載循環載荷預測焊點的疲勞壽命與失效位置
? 通過與實驗比較，對有限元分析模型進行驗證
△圖4：不同封裝結構下無鉛SAC305焊點的S-N曲線
3、整機仿真模型
一般而言，在有限元模態分析中，系統的固有頻率會隨著網格密度的增加而降低至一個穩定的收斂值，為了找到合適的網格劃分密度，需要對其進行網格收斂性檢查。振動試驗載荷一般有正弦、窄帶隨機和寬帶隨機三種，PCB邊界條件有四角四點固支，端部四點固支，六點固支，中間四點固支以及中間兩點固支。
3.1 有限元模型建模
△圖5：焊點有限元建模
3.2 組件中各層材料參數設置
考慮到振動過程中焊點發生的一般是彈性形變，無需考慮材料的蠕變參數，各組分材料從上往下依次按照模塑料、封裝基板、Cu焊盤(Cu)、焊球(SAC305)、PCB板(FR-4)賦予。
展開 金屬韌性損傷材料失效模型應用實例-Abaqus/Explicit鋼制管狀結構多工況沖擊損傷失效分析 ￥49.9
在常溫狀態下，大多數工程金屬具有較高的韌性，這種情況下，材料的失效分析通常會使用韌性損傷漸進失效模型。
如下圖所示，該模型完整的定義了材料的彈性階段、塑性階段、損傷起始與損傷演化。材料承載經歷彈塑性階段后達到損傷起始點a，繼續承載，損傷后的材料剛度折減，出現軟化，直到損傷參數D=1時，材料剛度退化為0，單元刪除。
韌性材料損傷漸進失效模型
工程案例：
鋼制管狀結構多工況沖擊損傷失效分析
上圖案例中的分析工況按閱讀順序依次是：
沖擊質量5kg，速度100m/s，桶厚5mm;
沖擊質量25kg，速度100m/s，桶厚5mm;
沖擊質量25kg，速度200m/s，桶厚5mm;
沖擊質量25kg，速度300m/s，桶厚5mm;
沖擊質量25kg，速度400m/s，桶厚5mm;
沖擊質量25kg，速度500m/s，桶厚5mm;
沖擊質量25kg，速度500m/s，桶厚20mm;
沖擊質量25kg，速度400m/s，桶厚50mm;
沖擊質量25kg，速度500m/s，桶厚50mm;
付費部分為鋼制管狀結構多工況沖擊損傷失效分析案例的9種工況共計9個inp文件壓縮包+CAE 源文件壓縮包。
展開 LS-DYNA | 材料的失效模型
失效模型
失效為材料發生故障的開始
失效對材料剛度和強度無影響
失效模型比損傷模型計算簡單
失效模型通常從實驗中識別的參數少
損傷模型
損傷為材料失效的開始
損傷對材料的剛度和強度有影響
損傷模型比失效模型計算復雜
損傷模型需要確定更多參數
一些失效模型
*MAT_PIECWISE_LINEAR_PLASTICITY（#024）
考慮各項同性硬化和應變速率影響的von mises彈塑性材料模型，是基于等效塑性應變的失效模型、
*MAT_MODIFIED_PIECWISE_LINEAR_PLASTICITY（#123）
基于等效塑性應變或主應變的失效模型
*MAT_JOHNSON_COOK（#015）
*MAT_MODIFIED_JOHNSON_COOK（#107）
與溫度和應變率相關的材料，失效準則為應力三軸比的函數。
*MAT_VTM_STM（#135）
正交各項異性彈塑性材料模型，基于Cockcroft-Latham和Bressan-Williams斷裂準則。
展開 材料失效強度理論整理【一】
內容來自《材料力學》《復合材料力學》
一、 各向同性材料
1. 最大正應力理論
認為材料進入失效狀態的標志是最大正應力大于極限應力。
、
是材料單向拉伸，壓縮下的極限應力值。
2.最大剪應力理論
認為材料失效的原因是最大剪應力達到極限值。
3. 最大線應變理論
認為材料失效是因為最大的線應變達到最大值。
4. 最大歪形能理論
認為材料失效的原因是材料的最大歪性能大于極限值。
是材料單向拉伸的極限應力
二、正交各向異性單層復合材料
1. 最大應力理論
認為材料主方向應力應該小于各自對應強度，否則材料失效。
2.最大應變理論
和最大應力理論類似，但認為應變是材料是失效的原因。
展開 