金屬疲勞分析的案例
橡膠疲勞≠金屬疲勞 第1部分：平均應變效應
橡膠和金屬的力學行為有非常大的差異，我們首先可以從平均應變或應力對材料疲勞性能影響的角度來分析這種差異。
圖1顯示了幾個典型的等幅應變循環，每個循環都處于不同的平均應變水平。在循環疲勞試驗中，如果施加的應力幅度等于平均應力，我們把這種情況稱為脈沖載荷循環或全松弛載荷循環。如果平均應力為零，我們把這種情況稱為完全反轉的拉伸/壓縮加載循環。如果最小應力總是正的，則稱為非全松弛載荷循環（即試樣總是處于加載狀態）。非全松弛載荷循環在應用中很常見，例如：在安裝過程中對產品施加了預載荷；襯套在模壓過程中產生的壓縮預應力、過盈配合、由于熱膨脹/收縮而產生的內應力；以及在輪胎中，簾線的形狀記憶效應。
圖1. 在三種不同的平均應變下的恒定振幅加載循環
在金屬疲勞分析方法中，通常以應力幅度σa和平均應力σm相對于屈服應力σy和極限應力σu的大小來定義應力均值效應對金屬材料疲勞行為的影響。如圖2所示。當加載應力處于疲勞閾值應力σ0以下時，材料具有無限壽命。Haigh圖（或Goodman圖）（圖2左）將疲勞壽命繪制為這些變量的函數[1]。Wohler曲線（圖2右）提供了類似的信息。對于金屬材料，有一個普遍適用的簡單規則：增加平均應變將降低疲勞壽命。通常還假設金屬的潛在疲勞開裂面垂直于最大主應力方向。
圖2. 顯示平均應變對金屬疲勞壽命影響的Haigh圖（左）和Wohler曲線（右）
橡膠材料與金屬材料有許多不同之處
1.在原子尺度上
At the atomic scale
橡膠由長鏈分子組成，這些分子經歷恒定的熱運動，同時以永久的網絡拓撲結構相互連接。這種結構允許發生大的彈性/可逆應變。而金屬則完全不同，它們以單個原子的形式存在于有序的晶體中，偶爾會出現位錯或晶格空位。
展開 疲勞分析材料特點及應用
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淺談疲勞分析
在開始講疲勞分析這個專業的術語前，我們先來看一個關于疲勞破壞的小故事。
二戰結束后，英國的一家航空公司創建了當時最先進的噴氣式客機——“彗星式”客機，它采用了超輕鋁合金蒙皮和寬大敞亮的方形舷窗設計，能以800公里的時速在12000米高的平流層穩定飛行，是當時妥妥的黑科技產品。然而就在1954年的1月10日，一架飛往倫敦的客機，在意大利厄爾巴島上空7800米處解體，機上所有人員無一幸免。事故引起了社會的恐慌，但是由于調查遲遲沒有進展，兩個月后，彗星式客機獲取了復飛的資格。但沒想到在同年的4月8日，又一架客機栽入意大利那不勒斯灣，此時工程師們才意識到這絕不是巧合。為了找出事故的源頭，他們建立了一個大型水槽模擬飛機運行過程中承受的載荷。然而試驗僅持續了一個月，“彗星式”飛機方形舷窗處的蒙皮，就在反復增壓和減壓的沖擊下產生了破裂，而元兇就是“方形舷窗”！
彗星式客機蒙皮破壞處
由于方形邊角的設計會產生極大的應力集中現象，在反復的沖擊下會導致蒙皮發生疲勞斷裂，最終引發事故。對該空難事故的調查，讓人類真正開始注意到金屬疲勞分析的重要性。這則故事很好地闡述了疲勞破壞的定義：零件由于交變載荷的反復作用，在它所承受的交變應力尚未達到靜強度設計的許用應力情況下就會在零件或構件的局部位置產生疲勞裂紋并擴展、最后突然斷裂。現在回歸今天的疲勞主題，首先要讓大家明白什么是交變應力和疲勞曲線。
交變應力簡單說就是隨時間周期變化的應力。但是應力怎么變？變多少？都是一門學問，由其衍生出的一系列學名過于復雜，今天不在這介紹，大家看下圖就能明白：
各類型交變應力
在這么多的交變應力類型中，最特別的就是對稱循環應力了，因為這種交變應力的平均應力為0，循環系數r=-1，我們常說的材料疲勞曲線就是在這個應力條件下試驗得到的。
展開 橡膠疲勞仿真中的三大挑戰與解決思路
在工程實踐中，橡膠部件的疲勞壽命預測常常面臨諸多挑戰。與金屬材料相比，橡膠表現出獨特的力學行為和失效機理，這使得傳統的疲勞分析方法往往難以直接應用。基于我們此前的系列研究，現將橡膠疲勞仿真中的三個關鍵問題重新梳理，為工程實踐提供參考。
挑戰一
平均應力效應的準確評估
01
PART
在金屬疲勞分析中，拉伸平均應力通常會對材料壽命產生不利影響。然而，橡膠材料的響應則更為復雜：對于能夠發生應變誘導結晶的橡膠，適當的平均拉伸應變反而可能顯著延長其疲勞壽命，提升幅度可達幾個數量級；而對于非結晶橡膠，平均應變的影響則與金屬類似，表現為導致產品壽命的降低。
分析方法建議：
需要采用臨界平面分析方法，結合材料的應變結晶特性評估，對各個潛在裂紋面的壽命進行獨立計算。這種方法能夠更準確地描述平均應變在橡膠疲勞中的復雜作用機制。
延伸閱讀：
橡膠疲勞 ≠ 金屬疲勞：平均應變效應
挑戰二
非線性響應的處理
02
PART
金屬疲勞分析中廣泛采用的線性疊加方法，在處理橡膠材料時面臨根本性挑戰。橡膠在使用中常伴有顯著的非線性材料行、大變形運動和非線性接觸，這使得復雜載荷譜對應的應力-應變響應無法通過簡單縮放單位載荷結果來合成。
解決途徑：
采用載荷空間離散化和插值方法，通過預計算一組有限元解，建立載荷與響應之間的非線性映射關系，從而實現對復雜載荷歷程的高效分析。這種方法在保證計算精度的同時，能夠顯著減少必要的有限元仿真計算量，提升分析效率。
展開 
《Nature》金屬所：金屬疲勞領域取得突破性進展！
疲勞通常指反復施加循環載荷(遠小于材料的屈服應力極限)而引起的一種材料弱化過程。實際服役過程中約90%金屬構件的失效均由疲勞斷裂引起，其原因是材料在循環加載過程中微觀結構不斷變化、遭受嚴重且不可逆轉的累積損傷，從而導致材料循環硬化或軟化直至最終失效。金屬材料的非穩定循環響應及疲勞壽命強烈依賴于其疲勞歷史，實際復雜循環載荷服役條件下金屬構件的疲勞失效和壽命預測更加困難。因此，抗疲勞損傷材料發展的重大瓶頸問題就是如何減小或抑制循環變形過程中微觀結構局域化和不可逆損傷。
最近，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家(聯合)實驗室盧磊研究員研究組和美國布朗大學高華健教授研究組合作在這一領域取得了突破性進展。他們發現具有晶體學對稱結構的納米孿晶金屬不但具有循環穩定響應而且疲勞累計損傷非常有限。這種具有獨特的穩定循環響應特征和有限累計損傷的納米結構為發展抗疲勞損傷的高性能工程金屬材料提供了新思路。該成果發表在《Nature》（2017年10月30日在線）。
論文鏈接：
https://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/pdf/nature24266.pdf
研究人員利用直流電解沉積技術成功制備了塊體擇優取向納米孿晶純銅樣品。通過傳統拉-壓變幅應變控制疲勞實驗研究了該樣品的相關循環應力響應, 發現在恒定應變幅下，其應力響應迅速穩定（既不硬化也不軟化）；尤為重要的是，當應變幅階梯式遞進增加以及隨后階梯式遞進減小時，該樣品的應力-應變響應完全可逆，即當應變幅恒定時，應力和應變具有一一對應關系，且循環滯后環完全重合（圖1）。
圖1. 納米孿晶Cu與歷史無關的穩定循環響應行為。
展開 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
在彎曲和扭轉條件下，應力的分布集中于表層，表面處理形成的殘余應力和這種外加應力疊加，使表面實際承受的應力降低，同時，由于表層材料的強化，因而能有效地提高彎曲和扭轉條件下的疲勞強度。
和滲碳、氮化以及碳氮共滲等化學熱處理相反，如果零件在熱處理過程中脫碳，使表層的強度降低，則會使材料的疲勞強度大幅度降低。同樣，表面鍍層（如鍍Cr、Ni等）由于鍍層中的裂紋造成的缺口效應、鍍層在基體金屬中引起的殘余拉應力以及電鍍過程中氫氣的浸入導到氫脆等原因，使疲勞強度降低。
采用感應淬火、表面火焰淬火以及低淬透性鋼的薄殼淬火，均可獲得一定深度的表面硬度化層，并在表層形成有利的殘余壓應力，因而也是提高零件疲勞強度的有效方法。
表面滾壓和噴丸等處理，由于能在試樣表面形成一定深度的形變硬化層，同時使表面產生殘余壓應力，因而也是提高疲勞強度的有效途徑。
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展開 書籍－－金屬疲勞斷裂理論
疲勞方面的書籍
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金屬疲勞斷裂的特點
一、概述
金屬零部件在遠低于材料強度極限的交變應力作用下，發生的破壞叫做金屬疲勞破壞。據統計，在機械零件失效中有80％以上屬于疲勞破壞。
例如大多數軸類零件，通常受到的交變應力為對稱循環應力，這種應力可以是彎曲應力、扭轉應力、或者是兩者的復合。如火車的車軸，是彎曲疲勞的典型，汽車的傳動軸、后橋半軸主要是承受扭轉疲勞，柴油機曲軸和汽輪機主軸則是彎曲和扭轉疲勞的復合。再如齒輪在嚙合過程中，所受的負荷在零到某一極大值之間變化，而缸蓋螺栓則處在大拉小拉的狀態中，這類情況叫做拉-拉疲勞；連桿不同于螺栓，始終處在小拉大壓的負荷中，這類情況叫做拉-壓疲勞。
我們還可以列舉很多常用的機械零件所受的負荷情況，綜合這些情況就會得到上面已經提過的結論：大多數零件的失效是屬于疲勞破壞的。
二、疲勞斷裂破壞的特點
盡管疲勞斷裂有各種類型，但它們都有一些共同的特點：
1、 發生斷裂時，零部件并無明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有明顯的預兆，而是突然地破壞。
2、通常引起疲勞斷裂的應力值很低，常常低于靜載時的屈服強度。
3、發生疲勞斷裂產生的斷口處能清楚地顯示出裂紋源、擴展和最后斷裂三個組成部分。
三、疲勞斷口分析
疲勞斷口有各種型式，它取決于載荷的類型，即所受應力為彎曲應力、扭轉應力還是拉-壓應力，同時與應力的大小和應力集中程度有關。
一個典型的金屬疲勞斷口總是由疲勞源區、疲勞擴展區和瞬時斷裂區三部分構成。
(一)疲勞源區
疲勞源是零件疲勞破壞的起始點，用肉眼很難看到，它通常發生在零構件的尖角、凹糟、截面突變等應力集中部位表面，或發生在有夾雜、疏松、氣孔等零構件的內部。
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擴展黃永剛原始晶體塑性程序加入AF背應力模擬金屬疲勞問題
參考文獻：《Low-cycle fatigue life prediction of a polycrystalline nickel-base superalloy using crystal plasticity modelling approach》
在原始程序中修改流動方程，加入背應力項，引入運動硬化項，從而可以描述多晶金屬循環加載中的包辛格效應
背應力的演化遵循AF模型
并使用原始的PAN模型描述滑移系統的硬化行為
為了表征多晶的疲勞壽命，引入兩類疲勞指示因子分別為
一：累計塑性滑移
二：累計能量耗散
展開 書籍－－金屬材料的腐蝕疲勞
希望對朋友們有幫助啊
金屬材料的腐蝕疲勞.part1.rar
金屬材料的腐蝕疲勞.part2.rar
影響金屬材料疲勞強度的八大因素
和滲碳、氮化以及碳氮共滲等化學熱處理相反，如果零件在熱處理過程中脫碳，使表層的強度降低，則會使材料的疲勞強度大幅度降低。同樣，表面鍍層（如鍍Cr、Ni等）由于鍍層中的裂紋造成的缺口效應、鍍層在基體金屬中引起的殘余拉應力以及電鍍過程中氫氣的浸入導到氫脆等原因，使疲勞強度降低。
采用感應淬火、表面火焰淬火以及低淬透性鋼的薄殼淬火，均可獲得一定深度的表面硬度化層，并在表層形成有利的殘余壓應力，因而也是提高零件疲勞強度的有效方法。
表面滾壓和噴丸等處理，由于能在試樣表面形成一定深度的形變硬化層，同時使表面產生殘余壓應力，因而也是提高疲勞強度的有效途徑。
展開 金屬構件應用疲勞損傷力學_電子書
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金屬材料疲勞強度的八大主要影響因素
和滲碳、氮化以及碳氮共滲等化學熱處理相反，如果零件在熱處理過程中脫碳，使表層的強度降低，則會使材料的疲勞強度大幅度降低。同樣，表面鍍層（如鍍Cr、Ni等）由于鍍層中的裂紋造成的缺口效應、鍍層在基體金屬中引起的殘余拉應力以及電鍍過程中氫氣的浸入導到氫脆等原因，使疲勞強度降低。
采用感應淬火、表面火焰淬火以及低淬透性鋼的薄殼淬火，均可獲得一定深度的表面硬度化層，并在表層形成有利的殘余壓應力，因而也是提高零件疲勞強度的有效方法。
表面滾壓和噴丸等處理，由于能在試樣表面形成一定深度的形變硬化層，同時使表面產生殘余壓應力，因而也是提高疲勞強度的有效途徑。
展開 混凝土/水泥/建材/金屬疲勞試驗機技術
混凝土/水泥/建材/金屬疲勞試驗機技術
參考附件資料，歐洲實驗機技術資料
混凝土/水泥/建筑材料試驗機系列產品
參考ＷＷＷ．ＲＵＭＵＬ．ＣＨ
ＷＷＷ．ＷＡＬＴＥＲＢＡＩ．ＣＯＭ
中國聯系人 ＬＯＸＯＦＯ＠ＹＡＨＯＯ．ＣＯＭ．ＣＮ
W B多功能動態（疲勞）材料測試系統 (LFV)
LFV系列液壓伺服試驗機是一種通用型的、模塊式結構的測試系統，可以用來和各種夾具、引伸計和不同的軟件以及各種附件進行組合，以滿足用戶的特殊要求。LFV家族有超過20種測量范圍的產品，測量范圍從0.2 kN 到 2000 kN以滿足以下領域的各種試驗、研究用途：
? 生物醫學和生物機械測試
? 復合材料測試
? 普通構件的疲勞試驗測試
? 土和瀝青測試
? 塑料測試
? 人造橡膠測試
? 木材和紙張測試
? 混凝土測試
? 材料性能測試
? 土、瀝青、巖石三軸測試
所有的LFV成員都同時具備靜態和動態測試能力，可以進行一下各種測試項目：
? 靜態拉伸、壓縮、彎曲和剪切試驗
? 低頻疲勞試驗
? 高頻疲勞試驗
? 部件壽命試驗
通過適當的配置，還用來確定以下的各種不同材料測試目的：
? 拉伸和最終強度
? 蠕變和粘彈性性能
? 彈性模量測試
? 泊松比
? 疲勞特征
? 磨損特征
? 斷裂韌度和斷裂力學
增加圍壓控制系統，可以完成各種材料的三軸試驗。
混凝土水泥管道試驗機.doc
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