結(jié)構(gòu)斷裂失效與斷裂控制設(shè)計PPT

1、第五章 斷裂失效與斷裂控制設(shè)計5.1 結(jié)構(gòu)中的裂紋5.2 裂紋尖端的應(yīng)力強度因子5.3 控制斷裂的基本因素5.4 材料的斷裂韌性 K1c5.5 斷裂控制設(shè)計返回主目錄1 KfaWa=(,)LspKc1斷裂判據(jù)：抗力作用作用 K=f (s, a, .) 由力學(xué)分析得到； 彈性力學(xué)方法，有限元法，手冊等。抗力 K1C 由材料斷裂實驗獲得； 按標(biāo)準(zhǔn)試驗方法 ( 如GB4161-84 ) 。25.4 材料的斷裂韌性 K1cL=4WWaP三點彎曲（B=W/2）1）標(biāo)準(zhǔn)試件 ( GB4161-84 )應(yīng)力強度因子：)(7.38)(6.37)(8.21)(6.4)(9.22/92/72/52/32/12/3

2、WaWaWaWaWaBWPLK+-+-=2孔f 0.25WPPaW1.25W1.2W0.55W緊湊拉伸（B=W/2） 裂紋預(yù)制:電火花切割一切口，使用鉬絲直徑約0.1mm。用疲勞載荷預(yù)制裂紋，應(yīng)使Da 1.5mm。疲勞載荷越小，裂紋越尖銳，所需時間越長。為保證裂紋足夠尖銳，要求循環(huán)載荷中Kmax(2/3)K1c。3X-Y記錄儀PV2）試驗裝置 監(jiān)測載荷P、裂紋張開位移V，得到試驗 P-V曲線，確定裂紋開始擴展時的載荷PQ和裂紋尺寸a，代入應(yīng)力強度因子表達(dá)式，即可確定Kc。PP試件試驗機放大器力傳感器輸出P引伸計輸出V43) PQ的確定：若在P5前無載荷大于P5， 則取 PQ=P5；若在P5前有

3、載荷大于P5， 則取該載荷為 PQ。作比P-V線性部分斜率小5%的直線，交P-V于P5。PmaxP0VP500P5PmaxPQ=PmaxPmaxPQPQ=P5P5試驗有效條件Pmax / PQ 2.5(K1c/sys)2后， Kc最小，平面應(yīng)變斷裂韌性K1c。K1c是材料的平面應(yīng)變斷裂韌性，是材料參數(shù)；Kc是材料在某給定厚度下的臨界斷裂值。7平面應(yīng)變厚度要求： B 2.5(K1c/sys)2預(yù)制裂紋尺寸： Da1.5mm； 0.45Wa0+Da0.55W預(yù)制裂紋時的疲勞載荷： Kmax (2/3)K1c。匯總： 試驗有效性條件與尺寸要求 (國標(biāo)GB4161-84)斷裂載荷有效性： Pmax /

4、 PQ1.1 ;裂紋平直度有效性： a-(a1+a5)/2)/a 2.5(K1c/sys)2 =25 mmPQ的有效性： Pmax/PQ=60.5/56=1.081.1裂紋尺寸要求： Da=32-30=2mm1.5mm； 0.45a/W=0.5330.55裂紋平直度要求： a-(a1+a5)/2=0.15 0.1a=3.2滿足有效性條件，故 K1c=KQ=90.5 MPa 。m11基本方程： KfaWa=(,)LspKc15.5 斷裂控制設(shè)計As the stress intensity factor reaches a critical value KC , unstable fractur

5、e occurs. This critical value of stress intensity factor is known as the fracture toughness of the material. The fracture toughness can be considered the limiting value of stress intensity just as the yield stress might be considered the limiting value of applied stress.應(yīng)力強度因子到達(dá)某臨界值KC，失穩(wěn)斷裂發(fā)生。這一應(yīng)力強度因

6、子的臨界值被稱為材料的斷裂韌性。斷裂韌性是應(yīng)力強度因子的極限值，就象屈服應(yīng)力是作用應(yīng)力的極限值一樣。12The fracture toughness varies with specimen thickness until limiting conditions (maximum constraint) are reached. Recall that maximum constraint conditions occur in the plane strain state. If the specimen thickness satisfy the plane strain requirem

7、ents, The resulted fracture toughness is then named plane strain fracture toughness, writing as K1c .斷裂韌性在到達(dá)極限條件（約束最大）前是隨試件厚度變化的。最大約束條件在平面應(yīng)變狀態(tài)出現(xiàn)。若試件厚度滿足平面應(yīng)變要求，所得到的斷裂韌性才是平面應(yīng)變斷裂韌性，記作K1c。131) 已知、a，算K，選擇材料，保證不發(fā)生斷裂；基本方程：KfaWa=(,)LspKc12) 已知a、材料的K1c，確定允許使用的工作應(yīng)力；3) 已知、K1c，確定允許存在的最大裂紋尺寸a。臨界情況：KfaWa=(,)Lsp=K

8、c1cc5.5 斷裂控制設(shè)計14若B尺寸足夠，則上述值即為材料的斷裂韌性K1c。例2. W=200mm的鋁合金厚板，含有2a=80mm的中 心裂紋, 若實驗測得此板在=100Mpa時發(fā)生斷 裂，試計算該材料的斷裂韌性。解： 由表5-1可知，對于中心裂紋板有： ；)(1xpsFaK=)2/sec()(pxx=F 對于本題，=2a/w=0.4； 故斷裂時的應(yīng)力強度因子為： =100(0.04)1/2(sec(0.2)1/2 =39.4MPa ；)(1xpsFaK=m15例3. 用上例中的鋁合金材料，制作厚度B=50mm 的標(biāo)準(zhǔn)三點彎曲試樣，若裂紋長度 a=53mm, 試估計試件發(fā)生斷裂時所需的載荷

9、。解：對于標(biāo)準(zhǔn)三點彎曲試樣，有：)(57.14)(18.14)(20.8)(735.1090.1)(432WaWaWaWaWaf+-+-=)(2321WafaBWPLKp=( W=2B，L=4W )對于本題， a/W=53/100=0.53,代入后算得修正函數(shù)值為： f(a/W)=1.5124 16發(fā)生斷裂時應(yīng)有：K1=K1C，即：CKWafaBWPLK121)(23=p =53200(N) =53.2 (KN)(3212WafaLKBWPCp=5124.1)053.0(4.03104.391.005.022/162p=由上例知該材料 K1C=39.4MPa ；故有：m17解：應(yīng)用線性疊加原理

10、， 圖示載荷的作用等于拉伸與純彎曲二種情況的疊加，故裂紋尖端的應(yīng)力強度因子K可表達(dá)為：KKK+=PPPPMM=Pe 、 分別是拉伸、彎曲載荷下的應(yīng)力強度因子。KK例4：邊裂紋板條受力如圖，P為單位厚度上作用 的力。已知W=25mm，a=5mm，e=10mm， 材料ys=600Mpa，K1C=60MPa 。 試估計斷裂時臨界載荷Pc。mWaePP18即有： )05.1(6Pe2/Wap=K對于邊裂紋有限寬板，拉伸、彎曲載荷作用下的應(yīng)力強度因子查表可知分別為：拉伸： t=P/W； =0.2； =1.37Wa/=x43239.3072.2155.10231.012.1)(xxxxx+-+-=F);(

11、xpsFa=Kt即有：WaP/37.1p=K彎曲： b=6Pe/W2； =0.2； =1.05);(xpsFa=KbWa/=x4320.1408.1333.740.1122.1)(xxxxx+-+-=FKKK=+=WeWaP)/3.637.1)(/(+p得到：19發(fā)生斷裂時的臨界狀態(tài)下應(yīng)有：ccKWeWaP1)/3.637.1)(/(=+pK= 代入已知數(shù)據(jù)并注意統(tǒng)一單位，得到： =3.07 MN)0.025/01.03.637.1(005.014.3025.060)/3.637.1(1+=+=WeaWKPccp注意:上述結(jié)果是在線彈性假設(shè)下得到的。本題臨界狀態(tài)時: t=P/W=123MPa，

12、b=6Pe/W2= t(6/25)，二者疊加后也不過ys的30%，故結(jié)果是可信的。20低應(yīng)力斷裂：在靜強度足夠的情況下發(fā)生的斷裂。剩余強度: 受裂紋影響降低后的強度。工程中最常見的、危害最大的是 I (張開)型裂紋。用彈性力學(xué)方法可以得到裂紋尖端附近任一點(r,)處的應(yīng)力場：spfqijijKr=12()Ka1=sp式中：小結(jié)應(yīng)力強度因子 K反映了裂尖應(yīng)力場的強弱；K的量綱為應(yīng)力長度1/2，常用MPa 。m21裂尖的應(yīng)力強度因子K1可以更一般地寫為：KafaW1=sp(,.)對于承受拉伸的無限寬中心裂紋板， f=1；對于無限寬單邊裂紋板， f=1.12。裂紋尺寸和形狀作用應(yīng)力材料斷裂韌性K1C

13、 斷裂三要素 或 KK1CKfaWa=(,)LspKc1斷裂判據(jù)：抗力作用22抗斷裂設(shè)計基本認(rèn)識：低溫時，材料K1c降低，注意發(fā)生低溫脆性斷裂。裂紋尺寸a與應(yīng)力強度因子K的平方成正比，故斷裂韌性K1c增大一倍，斷裂時的臨界裂紋尺寸將增大到四倍。控制材料缺陷和加工、制造過程中的損傷。當(dāng)缺陷存在時，應(yīng)進(jìn)行抗斷設(shè)計計算。K1c較高的材料，斷裂前ac較大，便于檢查發(fā)現(xiàn)裂紋。23有待討論的二個問題：1. 表面裂紋的應(yīng)力強度因子：多為表面裂紋t2Wa2c工程中的裂紋加工缺陷疲勞萌生表面裂紋是三維問題，其應(yīng)力強度因子的計算，比平面二維問題復(fù)雜得多。但對于斷裂分析、疲勞裂紋擴展壽命估計有著十分重要實際意義。將

14、在第七章討論。24用彈性力學(xué)方法得到裂紋尖端附近任一點(r,)處的正應(yīng)力x、y和剪應(yīng)力xy為：ssxy2adxdyrqsysxtxy2. 裂紋尖端材料的屈服-彈塑性斷裂的問題：ssqyar=+221cosqq232sinsintsqqqxyar=22232sincoscosssqxar=-221cosqq232sinsin(5-1)在裂紋線上， =0， ，裂尖材料屈服。ssyar=2rpax yysABDoHK25As is well-known, materials develop plastic strains as the yield stress is exceeded in the

15、region near the crack tip. The amount of plastic deformation is restricted by the surrounding material, which remains elastic. The size of this plastic zone is dependent on the stress conditions of the body. 眾所周知，在裂紋尖端附近區(qū)域超過屈服應(yīng)力后會發(fā)生塑性應(yīng)變。塑性變形的程度受到周圍彈性材料的約束。塑性區(qū)尺寸取決于物體的應(yīng)力條件。26Plane stress condition:In

16、a thin body, the stress through the thickness (z) cannot vary appreciable due to the thin section. Because there can be no stress normal to a free surface, z=0 through the section and a biaxial state of stress result. xzy在薄截面物體中，穿過厚度的應(yīng)力z不可能有什么變化。因為自由表面不可能有法向應(yīng)力，故整個截面有z=0，成為雙軸應(yīng)力狀態(tài)。27In a thick body, the material is constrained in the z direction due to the thickness of the cross section and ez=0, resulting in a plane strain condition. Due to Poissons effect, a stress, z , is developed in the z direction. Maximum cons