疲勞斷口定量分析

前言

斷裂力學(xué)認為，結(jié)構(gòu)件的壽命是應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力水平，構(gòu)件的原始制造質(zhì)量，包括初始缺陷尺寸的大小、形狀、分布形式、部位和數(shù)量等，構(gòu)件的幾何形狀，材料的工作環(huán)境等變量的函數(shù)。絕大多數(shù)產(chǎn)品尤其是航空關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與材料，在實際工作過程中多承受交變載荷的反復(fù)作用，其失效大多為疲勞斷裂。據(jù)統(tǒng)計，航空產(chǎn)品構(gòu)件的斷裂失效中大約70％為疲勞斷裂所致。對于產(chǎn)品的疲勞斷裂而言，構(gòu)件實際斷裂過程中的疲勞壽命與疲勞應(yīng)力的斷口定量反推分析是至關(guān)重要的。通過對產(chǎn)品斷裂失效構(gòu)件疲勞壽命與疲勞應(yīng)力的斷口定量反推分析，不僅可以得到構(gòu)件實際的疲勞循環(huán)壽命，包括疲勞裂紋的萌生壽命與擴展壽命，而且可以得到疲勞裂紋擴展不同階段所受到的應(yīng)力，同時有利于同類構(gòu)件的壽命預(yù)測與失效評估。定量分析的結(jié)果不僅對于正確地確定構(gòu)件的失效模式和原因有著極其重要的工程應(yīng)用價值，而且將推算的載荷與壽命反饋給設(shè)計部門，對損傷容限設(shè)計和給出定檢周期具有重要的借鑒。再如在含缺陷（裂紋）的產(chǎn)品構(gòu)件的服役和處理方面，一方面可能過早的報廢，造成極大浪費，而另一方面無依據(jù)的使用又可能存在很大的安全隱患。采用失效評估技術(shù)，則可在確保產(chǎn)品安全可靠使用的基礎(chǔ)上，使產(chǎn)品在經(jīng)濟上得到最大限度的利用。本書分為8章，前4章分別介紹了斷口定量分析的基本概念和研究進展，疲勞斷裂特征的物理數(shù)理模型，疲勞斷口定量分析方法及常用模型，金屬結(jié)構(gòu)材料疲勞斷口定量分析。

內(nèi)容概要

在對斷口定量分析的作用、疲勞斷裂特征的物理數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)闡述的基礎(chǔ)上，全面闡明了疲勞斷口定量分析疲勞擴展壽命和疲勞應(yīng)力的主要模型、公式和方法及其應(yīng)用，并分析了疲勞斷口定量分析的影響因素以及減少定量反推誤差的處理方法。以典型案例為依托，分別介紹了疲勞斷口定量分析方法在構(gòu)件疲勞擴展壽命反推及疲勞應(yīng)力反推中的應(yīng)用。本書最后一章系統(tǒng)介紹了失效預(yù)測預(yù)防的基本概念、相關(guān)研究進展、失效預(yù)測預(yù)防的主要思路以及疲勞斷口定量分析在失效預(yù)測預(yù)防中的作用。    本書可供從事失效分析的科技人員以及從事斷裂力學(xué)、材料、可靠性分析等方面研究的教師和工程技術(shù)人員參考，也可作為研究生教材。

書籍目錄

第1章  概論  1.1  定性分析與定量分析  1.2  斷口定量分析在失效分析中的作用  1.3  疲勞斷口定量分析的主要技術(shù)和方法  1.4  斷口定量分析的主要模型  1.5  疲勞斷口定量分析研究進展  參考文獻第2章  疲勞斷裂特征  2.1  疲勞弧線  2.2  疲勞小弧線  2.3  疲勞條帶  2.4  疲勞溝線  2.5  臨界裂紋長度  2.6  疲勞瞬斷區(qū)大小  2.7  疲勞瞬斷區(qū)內(nèi)放射線的物理數(shù)學(xué)模型  2.8  疲勞條帶與環(huán)境損傷休止條紋的區(qū)別  參考文獻第3章  疲勞斷口定量分析方法及常用模型  3.1  疲勞斷裂特征及形成機理    3.1.1  疲勞裂紋萌生與擴展過程    3.1.2  疲勞起源階段    3.1.3  疲勞裂紋穩(wěn)定擴展階段    3.1.4  裂紋快速擴展或瞬斷階段    3.1.5  裂紋各階段的形成機理  3.2  疲勞裂紋擴展的階段特性    3.2.1  疲勞裂紋擴展速率曲線    3.2.2  基于AK的裂紋擴展速率表達式  3.3  Paris公式    3.3.1  Patis公式定量反推疲勞擴展壽命    3.3.2  Paris公式定量反推疲勞應(yīng)力    3.3.3  Patis公式定量反推原始疲勞質(zhì)量  3.4  列表梯形法  3.5  斷口宏觀特征定量分析的方法  3.6  Frost and Dugdale模型  3.7  疲勞特征的測量方法    3.7.1  疲勞特征觀察與分析    3.7.2  疲勞條帶的測定    3.7.3  疲勞弧線的測定  3.8  斷口定量分析疲勞擴展壽命的主要程序和步驟  3.9  斷口定量分析疲勞應(yīng)力的主要程序和步驟    參考文獻第4章  金屬結(jié)構(gòu)材料疲勞斷口定量分析  4.1  斷口定量分析疲勞擴展壽命    4.1.1  Paris公式定量反推疲勞擴展壽命適用性驗證    4.1.2  梯形法反推疲勞擴展壽命    4.1.3  Paris公式與梯形法的比較    4.1.4  斷口宏觀特征模型反推疲勞擴展壽命  4.2  疲勞擴展第一階段與第二階段  4.3  疲勞斷口定量反推與斷裂力學(xué)之間關(guān)系    4.3.1  宏觀裂紋擴展速率與微觀裂紋擴展速率    4.3.2  宏、微觀裂紋擴展速率反推擴展壽命結(jié)果的評價  4.4  不同試驗條件對裂紋擴展速率的影響    4.4.1  頻率及保持時間對疲勞裂紋擴展速率的影響    4.4.2  溫度對裂紋擴展速率的影響    4.4.3  應(yīng)力比R對裂紋擴展速率的影響  4.5  應(yīng)力比及對裂紋擴展速率表達式的修正  4.6  斷口定量反推疲勞應(yīng)力    4.6.1  宏觀特征模型反推疲勞應(yīng)力    4.6.2  Paris公式的方法  4.7  幾種材料疲勞應(yīng)力斷口定量分析舉例    4.7.1  18Cr2Ni4WA鋼    4.7.2  TC4鈦合金    4.7.3  LC9鋁合金    4.7.4  GH4169高溫合金  4.8  疲勞應(yīng)力斷口定量反推結(jié)果的分析    參考文獻第5章  疲勞斷口定量分析的影響因素  5.1  斷口定量反推疲勞擴展壽命的影響因素    5.1.1  Paris公式    5.1.2  梯形法    5.1.3  斷口宏觀特征模型  5.2  斷口定量分析疲勞應(yīng)力的影響因素    5.2.1  疲勞條帶間距測量誤差    5.2.2  裂紋擴展材料常數(shù)c、n值的影響    5.2.3  裂紋形狀因子y的影響    5.2.4  復(fù)雜載荷狀態(tài)對疲勞應(yīng)力反推結(jié)果的影響    參考文獻第6章  構(gòu)件疲勞擴展壽命的定量分析  6.1  同類構(gòu)件系統(tǒng)定量分析  6.2  載荷譜下斷口定量分析    6.2.1  等幅譜    6.2.2  隨機載荷譜    6.2.3  塊隨機譜  6.3  構(gòu)件疲勞壽命定量分析典型案例    6.3.1  垂尾疲勞試驗斷口定量分析    6.3.2  轟六飛機下壁板及墊板裂紋斷口分析    6.3.3  殲7E飛機框橫梁裂紋分析    6.3.4  飛機中央翼框及長桁疲勞壽命估算  6.4  特定方法在定量分析疲勞擴展壽命中的應(yīng)用    6.4.1  對稱疲勞擴展方法的利用    6.4.2  裂紋擴展方向改變的情況    6.4.3  從同一斷面的兩側(cè)起源向中間擴展交叉的情況    6.4.4  其他情況  6.5  構(gòu)件定檢周期的評估方法  6.6  斷口定量分析方法評價工藝效果  6.7  某發(fā)動機后機匣焊縫壽命分析與安全評估  6.8  某中減齒輪疲勞擴展壽命反推    參考文獻第7章  構(gòu)件疲勞應(yīng)力斷口定量分析  7.1  斷口定量分析疲勞應(yīng)力的思路  7.2  葉片振動應(yīng)力分析    7.2.1  振動疲勞試驗條件下葉片應(yīng)力反推    7.2.2  壓氣機轉(zhuǎn)子葉片振動應(yīng)力反推    7.2.3  不同條件下反推振動應(yīng)力的過程分析  7.3  螺栓疲勞應(yīng)力斷口定量反推  7.4  機翼根部連接帶板疲勞應(yīng)力反推  7.5  齒輪疲勞應(yīng)力反推  7.6  孔兩側(cè)對稱開裂情況下的裂紋形狀因子    7.7  裂紋擴展速率變化趨勢在分析失效原因中的應(yīng)用    參考文獻第8章  失效分析預(yù)測預(yù)防  8.1  失效分析預(yù)測預(yù)防相關(guān)內(nèi)容    8.1.1  基本概念和研究內(nèi)容    8.1.2  失效分析預(yù)測預(yù)防的相關(guān)學(xué)科  8.2  疲勞斷口定量分析在失效預(yù)測預(yù)防中的作用  8.3  失效分析過程  8.4  安全評估    8.4.1  材料性能的評估    8.4.2  含缺陷零件的安全評估    8.4.3  系統(tǒng)的安全評估    8.4.4  壓力容器安全評定    8.4.5  壓力管道的安全評估  8.5  剩余壽命預(yù)測  8.6  可靠度預(yù)測  8.7  失效預(yù)防理論、技術(shù)和方法的進展  8.8  原始疲勞質(zhì)量評估    8.8.1  原始疲勞質(zhì)量的內(nèi)涵    8.8.2  確定原始疲勞質(zhì)量的意義    8.8.3  結(jié)構(gòu)細節(jié)原始疲勞質(zhì)量的評估方法    8.8.4  結(jié)構(gòu)細節(jié)原始疲勞質(zhì)量在工程應(yīng)用中的局限    8.8.5  材料原始疲勞質(zhì)量    8.8.6  反推原始疲勞質(zhì)量的關(guān)鍵因素    8.8.7  原始疲勞質(zhì)量應(yīng)用舉例參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：分析診斷一般還停留在定性的水平，無法或很難得出各種因素對失效事故的定量影響，無法采取科學(xué)的、有針對性的和有效的失效預(yù)防措施，只能采取“撒大網(wǎng)”式的失效預(yù)防措施，費時、費力、費錢，往往事倍功半，一些事故隱患仍然存在，仍有再次發(fā)生事故的可能性。斷口定量分析是定性分析的深入和發(fā)展，斷口的定量分析主要指對斷口表面或側(cè)表面的成分、結(jié)構(gòu)和形貌特征等方面進行定量參數(shù)的測試、描述和表征。斷口表面的成分定量分析指對斷口表面平均化學(xué)成分、微區(qū)成分、元素的面分布以及線分布、元素沿深度的變化、夾雜物及其他缺陷的化學(xué)元素比等參數(shù)進行分析和表征；斷口表面結(jié)構(gòu)定量分析的對象是斷口所在面的晶面指數(shù)、斷口表面微區(qū)（夾雜、第二相、腐蝕產(chǎn)物等）的結(jié)構(gòu)；斷口形貌特征的定量分析的內(nèi)涵是斷口表面的各種“花樣”，包括各種斷口特征花樣區(qū)域的相對大小以及與材料組織、結(jié)構(gòu)、性能及導(dǎo)致發(fā)生斷裂的力學(xué)條件、環(huán)境條件之間的相互關(guān)系Llj。因此，斷口定量分析研究涉及的領(lǐng)域非常廣，內(nèi)容十分豐富。本書所論述的僅僅涉及疲勞斷口表面形貌特征定量分析。斷口定量分析通過對斷口形貌特征的定量描述，將斷口形貌特征與材料的力學(xué)性能及斷裂過程的各種參數(shù)建立起關(guān)系，達到從斷裂結(jié)果到斷裂過程的反向推導(dǎo)，深入了解斷裂本質(zhì)，判定斷裂失效模式和具體影響參量，且給出參量的定量影響結(jié)果。斷口定量分析不僅可以給出失效因素的大小和量級，從而有助于對產(chǎn)品失效的深入分析和找出深層次的原因；而且可以充分利用失效件上的定量信息，避免一些因素的干擾，使分析更為接近實際情況。在斷口定量分析中，斷口形貌特征定量分析是最為復(fù)雜、最有挑戰(zhàn)性也是最有工程實用意義的。隨著機械產(chǎn)品設(shè)計的發(fā)展和可靠性技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，機械構(gòu)件出現(xiàn)靜載瞬間斷裂破壞的概率越來越低。即使發(fā)生靜載瞬間斷裂破壞，也一般與特定的環(huán)境介質(zhì)有關(guān)。大量的工程實踐表明，疲勞斷裂是機械零部件斷裂失效的主要模式。

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《疲勞斷口定量分析》是由國防工業(yè)出版社出版的。

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