疲劳与断裂5课件知识分享
57页1、1,第五章 断裂失效与断裂控制设计,5.1 结构中的裂纹,5.2 裂纹尖端的应力强度因子,5.3 控制断裂的基本因素,5.4 材料的断裂韧性 K1c,5.5 断裂控制设计,返回主目录,2,第五章 断裂失效与断裂控制设计,结构中的缺陷是引起破坏的重要原因。最严重的缺陷是裂纹。,20世纪50年代后,“断裂力学”形成、发展,人们力图控制断裂、控制裂纹扩展。,裂纹从何而来?材料缺陷;疲劳萌生; 加工、制造、装配等损伤。,3,20世纪50年代,美国北极星导弹固体燃料发动机壳体发射时断裂。材料为高强度钢,屈服强度s=1400MPa,工作应力900MPa。,1965年12月,英国John Thompson公司制造的大型氨合成塔在水压试验时断裂成二段,碎块最重达2吨。断裂起源于焊缝裂纹,发生断裂时的试验应力仅为材料屈服应力的48%。,5.1 结构中的裂纹,按静强度设计,控制工作应力。 但在 时,结构发生破坏的事例并不鲜见。,20世纪80年代初,某电站大型汽轮机转子轴断裂。,4,低应力断裂: 在静强度足够的情况下发生的断裂。,低应力断裂是由缺陷引起的,缺陷的最严重形式是裂纹。裂纹,来源于材料本身的冶金缺
2、陷或加工、制造、装配及使用等过程的损伤。,6,4. 临界裂纹尺寸如何确定? 结构中可以允许多大的初始裂纹? 有裂纹的构件扩展到发生破坏的少剩余寿命?,需要回答下述问题:,1. 裂纹是如何扩展的?,这些问题必须借助于断裂力学才能解决。,7,Fracture is a problem that society has faced for as long as there have been man-made structures. The problem may actually be worse today than in previous centuries, because more can go wrong in our complex technological society.,从人类开始制造结构以来,断裂就是社会面对的一个问题。事实上,现在这个问题比过去一些世纪更严重,因为在我们的复杂技术社会中会有更多的错误出现。,8,Fortunately, advances in the field of fracture mechanics have helped to offset
3、some of the potential dangers. Our understanding of how material fail and our ability to prevent such failures has increased considerably since World War II. Much remains to be learned, however, and existing knowledge of fracture mechanics is not always applied when appropriate.,所幸的是,断裂力学的发展帮助我们避免了一些潜在的危险。我们对材料如何破坏的理解、避免这类破坏发生的能力,自二次世界大战以来已显著增加。然而,还有许多要研究,已有的断裂力学知识也并未总是在适当的时候得到应用。,9,5.2 裂纹尖端的应力强度因子,裂纹的三种基本受载形式:,1型(张开型): 承受与裂纹面垂直的正应力, 裂纹面位移沿y方向,裂纹张开。,2型(滑开型): 承受xy平面内的剪应力, 裂纹面位移沿x方向,裂纹面沿x方向滑开。,3型(
4、撕开型): 承受是在yz平面内的剪应力, 裂纹面位移沿z方向,裂纹沿 z方向撕开。,1 型,2 型,3 型,10,要使裂纹扩展,必须0。 即只有拉应力才能引起裂纹的张开型扩展。,工程中最常见的、危害最大的是 I 型裂纹。,讨论含有长为2a的穿透裂纹的无限大平板,二端承受垂直于裂纹面的拉应力作用的情况。,在距裂尖r,与x轴夹角为处,取一尺寸为dx、dy的微面元;,利用弹性力学方法,可得到裂纹尖端附近任一点(r,)处的正应力x、y和剪应力xy。,11,用弹性力学方法得到裂纹尖端附近任一点(r,)处的正应力x、y和剪应力xy为:,所讨论的是平面问题,故有 yz=zx=0; 对于平面应力状态,还有z=0。 若为平面应变状态,则有z=(x+y)。,12,断裂力学关心的是裂纹尖端附近的应力场。,上式是裂尖应力场的主项,还有r0阶项等。 r0时,应力ij以r-1/2的阶次趋于无穷大; 其后r0阶项等成为次要的,可以不计。,(5-1)式可写为:,r, ij趋于零;但显然可知, 当=0时,在x轴上远离裂纹处,应有y=,且不受r的影响。故此时应以其后的r0阶项为主项。,13,裂尖的应力强度因子K1:,f(
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