疲勞斷裂CAI3課件

1、 20世紀50年代，美國北極星導彈固體燃料發(fā)動機殼體發(fā)射時斷裂(dun li)。材料為高強度鋼，屈服強度s=1400MPa，工作應力900MPa。 1965年12月，英國John Thompson公司制造的大型氨合成塔在水壓試驗時斷裂成二段，碎塊最重達2噸。斷裂起源于焊縫裂紋，發(fā)生斷裂時的試驗(shyn)應力僅為材料屈服應力的48%。一、 結構(jigu)中的裂紋按靜強度設計，控制工作應力。但在 時，結構發(fā)生破壞的事例并不鮮見。第一頁，共二十一頁。1疲勞斷裂CAI3低應力(yngl)斷裂： 在靜強度足夠的情況下發(fā)生的斷裂。 低應力斷裂(dun li)是由裂紋引起的。中心裂紋工程常見裂紋2asW

2、Bs邊裂紋ass表面裂紋2catss討論張開型(I型)裂紋，最常見、最嚴重。 二維裂紋，-穿透厚度(hud)裂紋 ，最簡單。第二頁，共二十一頁。2疲勞斷裂CAI3二、斷裂控制(kngzh)參量和斷裂判據 作用(、a)越大，抗力(kn l)(K1C)越低，越可能斷裂。 裂紋尺寸和形狀(先決條件) 應力大小(必要條件) 材料的斷裂韌性K1C (材料抗力) 含裂紋材料抵抗斷裂能力的度量。斷裂三要素抗力(kn l)斷裂判據可寫為：aKfWa=(,)LspKc1作用ssa斷裂控制參量： 應力強度因子 K第三頁，共二十一頁。3疲勞斷裂CAI3這是進行(jnxng)抗斷設計的基本控制方程。斷裂(dun li

3、)判據：KfaWa=(,)LspKc1K1C是材料斷裂韌性(抗斷指標)，試驗(shyn)確定。f 是裂紋尺寸a和構件幾何(如W)的函數，可查應力強度因子手冊。K的單位是 MPa 。mssa 邊裂紋 寬板 f=1.12中心裂紋 寬板 f=1.02aWss簡單特例第四頁，共二十一頁。4疲勞斷裂CAI3三、材料(cilio)的平面應變斷裂韌性 K1c1）標準(biozhn)試件 (GB4161-84)應力強度(qingd)因子：L=4WWaF三點彎曲 (B=W/2)2孔f 0.25WFFaW1.25W1.2W0.55W緊湊拉伸（B=W/2）)(57.14)(18.14)(20.8)(735.1090

4、.1343221WaWaWaWaa2BWFLK+-+-=p)(9.638)(0.1017)(7.655)(5.1856.294321WaWaWaWaBWaFK+-+-=第五頁，共二十一頁。5疲勞斷裂CAI3X-Y記錄儀FV2）試驗裝置 監(jiān)測載荷F、裂紋張開位移(wiy)V，得到試驗 F-V曲線，確定裂紋開始擴展時的載荷FQ和裂紋尺寸a，代入應力強度因子表達式，即可確定K1C。FF試件試驗機放大器力傳感器輸出F引伸計輸出V第六頁，共二十一頁。6疲勞斷裂CAI33) FQ的確定(qudng)：若在F5前無載荷(zi h)大于F5， 則取 FQ=F5；若在F5前有載荷大于F5， 則取該載荷為 FQ。

5、作比F-V線性部分斜率(xil)小5%的直線，交F-V于F5。Fmax F0VF500F5FmaxFQ=FmaxFmaxFQFQ=F5F5試驗有效條件Fmax / FQ 2.5(K1C/sys)2后， KC最小， 平面應變斷裂韌性K1c。K1C是材料的平面應變斷裂韌性，是材料參數；KC是材料在某給定厚度下的臨界斷裂值。第九頁，共二十一頁。9疲勞斷裂CAI3平面應變厚度要求： B 2.5(K1c/sys)2預制裂紋尺寸(ch cun)： Da1.5mm； 0.45Wa0+Da0.55W預制裂紋時的疲勞載荷： Kmax (2/3)K1c。試驗(shyn)有效性條件與尺寸要求匯總: (國標GB416

6、1-84)斷裂載荷(zi h)有效性： Fmax / FQ1.1 ;裂紋平直度有效性： a-(a1+a5)/2)/a 2.5(K1c/sys)2 =25 mmFmax/FQ=60.5/56=1.081.1 將a/W=32/60=0.533， F=FQ= 56kN 代入，算得： KQ=90.5 MPamK1c=KQ=90.5 MPam第十一頁，共二十一頁。11疲勞斷裂CAI3已知、a，算K，選擇(xunz)材料，保證不發(fā)生斷裂；一般地說，為了(wi le)避免斷裂破壞，須要注意：抗斷設計：基本方程： KfaWa=(,)LspKc1K1c較高的材料，斷裂前ac較大，便于檢查發(fā)現(xiàn)裂紋。當缺陷存在時，

7、應進行抗斷設計計算。控制材料缺陷和加工、制造過程中的損傷。2) 已知a、材料的K1c，確定(qudng)允許使用的工作應力；3) 已知、K1c，確定允許存在的最大裂紋尺寸a。第十二頁，共二十一頁。12疲勞斷裂CAI31) 已知、a，算K，選擇材料(cilio)，保證不發(fā)生斷裂；斷裂(dun li)判據：KfaWa=(,)LspK1C2) 已知a、材料的K1C，確定允許使用(shyng)的工作應力；3) 已知、K1C，確定允許存在的最大裂紋尺寸a。四、 斷裂控制設計的基本概念 抗斷裂設計計算：強度判據：ssyssb穩(wěn)定判據：FFcr第十三頁，共二十一頁。13疲勞斷裂CAI3解：1）不考慮缺陷，按

8、傳統(tǒng)強度設計考慮。 選用二種材料(cilio)時的安全系數分別為： 材料1： n1=ys1/=1800/1000=1.8 材料2： n2=ys2/=1400/1000=1.4 優(yōu)合格 2）考慮缺陷，按斷裂設計考慮。 由于(yuy)a很小，對于單邊穿透裂紋應有: 或KaK1C112.1=psKpas1.121C例1：某超高強寬鋼板有a=1mm的單邊穿透裂紋， 受拉應力 =1000MPa的作用。試選擇材料。 材料1：ys1=1800 MPa，K1C1=50MPa ； 材料2：ys2=1400 MPa，K1C2=75MPa ；mm第十四頁，共二十一頁。14疲勞斷裂CAI3選用(xunyng)材料1，

9、將發(fā)生低應力脆性斷裂；選用材料2，既滿足強度條件，也滿足抗斷要求。選用(xunyng)材料1： 1c=50/1.12(3.140.001)1/2=796MPa 斷裂安全注意，a0越小，K1C越大，臨界斷裂應力c越大。因此，提高K1C ，控制a0，利于防止低應力斷裂。工作應力： s=1000MPa臨界斷裂應力：Kpasc1.121C=第十五頁，共二十一頁。15疲勞斷裂CAI3 壓力容器直徑大，曲率小，可視為承受拉伸應力的無限大中心(zhngxn)裂紋板，f=1。解：由球形壓力容器膜應力(yngl)計算公式有： =pd/4t=54/(40.01)=500MPa例2：球形壓力容器d=5m ，承受內壓

10、p=4MPa， 厚度t=10mm，有一長2a的穿透裂紋。已知 材料K1C=80MPa 。求臨界裂紋尺寸ac。m 斷裂判據： KaK1C1=ps臨界裂紋尺寸：21C)(1spKac第十六頁，共二十一頁。16疲勞斷裂CAI3在發(fā)生(fshng)斷裂的臨界狀態(tài)下有： 21C)(1spKa=c； =pd/4t若內壓不變，容器直徑 d ， ， ac ， 抗斷裂能力越差。內壓 p ， 則 ，臨界裂紋尺寸 ac ；材料的 K1C ，臨界裂紋尺寸 ac ；可知：得到(d do)：ac=(1/3.14)(80/500)2=0.0081m=8.1mm第十七頁，共二十一頁。17疲勞斷裂CAI3裂紋在靜強度足夠的情況

11、(qngkung)下可引起斷裂。工程中最常見的、危害最大的是 I (張開)型裂紋。小結裂紋尺寸和形狀作用應力材料斷裂韌性K1C 斷裂三要素斷裂判據：KfaWa=(,)LspK1C作用(zuyng)抗力(kn l)斷裂控制參量： K應力強度因子，（MPa ）m中心裂紋寬板，f=1；單邊裂紋寬板，f=1.12。第十八頁，共二十一頁。18疲勞斷裂CAI3抗斷裂設計基本(jbn)認識：低溫時，材料K1c降低，注意發(fā)生低溫脆性斷裂。裂紋(li wn)尺寸a與應力強度因子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。當缺陷存在時，應進行抗斷設計計算。K1c較高的材料，斷裂前ac較大，便于檢查發(fā)現(xiàn)裂紋。第十九頁，共二十一頁。19疲勞斷裂CAI3再見(zijin)！謝謝(xi xie)！再見(zijin)！習題：12-6，12-8，12-9第二十頁，共二十一頁。20疲勞斷裂CAI3內容(nirng)總結20世紀50年代，美國北極星導彈固體燃料( t rn lio)發(fā)動機殼體發(fā)射時斷裂。1965年12