断裂力学绪论.pptVIP

一系列严重灾难，这些事故中毁坏的结构是经过传统强度理论严格设计的，为什么不断出现断裂呢？ * * 绪 论 1.断裂力学的产生 1.1 从二战以来的若干断裂事故说起 1943-1947年, 美国近500艘全焊船1000多起脆性破坏，238艘报废。总是在焊接缺陷等应力集中区域，-3~4 °C水 1947年，苏联4500m3石油储罐，-43 ° C，底部和下部壳连接处，大量裂纹。（低温、脆性、焊点应力集中、内外温差） 五十年代，美国北极星导弹固体燃料发动机壳体试验，发生爆炸。高强度合金，传统强度和韧性指标合格，爆炸时工作压力远低于许用应力。（裂纹） 1963年，美国F-111飞机训练中，左翼脱落，飞机坠毁，而当时飞行速度、负荷远低于设计指标。（热处理不当、机翼枢轴出现缺陷，疲劳载荷，裂纹） 2005年2月，美国停飞了30架E型C-130“大力士”飞机，另外60架其他型号，包括某些E型、H型、H1型和HC-130P/N型飞机，美空军也决定处于受限飞行状态。 中央机翼盒结构在一系列检测中发现有裂纹，而且这些裂纹的数量在增多和程度加剧 （屈服）， 为屈服应力，塑性材料 （破坏）， 为强度极限，脆性材料 循环加载 这些结构大多由高与超高强度材料制造，高强度刚屈服应力 ，而普通钢仅200MPa，且材料韧性也很好 (材料可按延伸律分为脆性和韧性两大类，5％为界限 ) 1.2 事故原因分析及断裂力学研究目的 上述典型事故中，脆性断裂总是由宏观裂纹引起的； 这些裂纹要么由冶金夹杂物及加工和装配引起，要么由疲劳载荷及工作环境引起； 对于大多数结构和零件来说，宏观裂纹的存在是不可避免的； 含裂材料的强度，取决于材料对裂纹扩展的抗力，这种抗力由材料的内部属性决定。 断裂力学的目的：就是应用弹塑性理论和新的实验技术，研究裂纹尖端附近的应力、应变场和裂纹的扩展规律。 2.断裂力学的研究对象 2.1 宏观裂纹产生和发展的几个研究阶段： 断裂力学的理论基础： 弹性力学 塑性力学 粘弹性力学 … 断裂力学是材料力学的发展和补充，但两者的设计思想不同 2.2 断裂力学和材料力学的差别 注意：由于断裂力学考虑了裂纹，根据裂纹失稳准则得到的断裂应力与传统强度条件得出的结果不一定相同。 1）静载荷情况 2）循环载荷情况 传统的疲劳设计，是用光滑试件作S－N曲线，求出下界限应力 疲劳极限。如果最大工作应力满足下式 为循环载荷下的安全系数，并认为凡是有缺陷的构件都不能应用。 断裂力学认为：含裂纹构件，只有裂纹未达到临界长度仍可使用；在循环载荷作用下，裂纹先缓慢扩展，直至达到临界长度，构件才失稳破坏。选用指标： 载荷每循环一周裂纹的扩展量，代表材料抵抗裂纹扩展的能力。 断裂力学区分两种寿命，材料的断裂寿命为 －裂纹发生寿命， －剩余寿命。 若初始裂纹深度为 临界裂纹深度为 裂纹扩展速率 剩余寿命： 实验得到： 为循环载荷的最大与最小应力强度因子的差，或应力强度因子幅度 2）循环载荷情况 3）腐蚀介质下的情况 总之：断裂力学抛弃了物体的连续性假设,而从物体中含有裂纹这一前提出发,以弹性力学和塑性力学为理论工具,确定含裂纹体的应力场、位移场分布,据此找出决定位移扩展的物理量,同时,通过试验测定出材料抵抗裂纹扩展的纯力,并建立二者之间的关系,即建立断裂准则 3.断裂的分类 针对晶体材料分析: 结晶体:由原子(或离子、分子)规则排列形成. 解理断裂:金属在一定条件下,当应力达到一定数值时, 便以极快的速度沿一定的结晶学平面发生断裂.断裂面平滑 而光亮. 解理断裂是脆性断裂.解理断裂通常是由于解理面的正 应力的作用破坏了晶体原子间的合力而引起的. 3.1 断裂的晶体学分类 ——晶体学解理断裂与滑移断裂 滑移断裂:受剪应力作用破坏了晶体原子间的结合力而 引起的断裂. 特点:断口黑暗,鹅毛装或纤维状,断裂面与拉伸轴成一定 角度, 断裂发生前,发生了明显的塑性变形. 3.2 断裂的工程学分类——脆性断裂与韧性断裂 韧性材料: 脆性断裂:平齐而光亮,且与正应力垂直.断口上呈现人字纹 或放射花样,基本上没有塑性变形. 韧性断裂:断裂前发生明显的宏观塑性变形,灰暗色,纤维状. 缺口试件在冲击载荷下破断试验得到的缺口韧性值来衡量. 脆性材料: 脆性断裂 韧性断裂 判断断裂韧性的指标 裂纹扩展前裂纹尖端无塑性区,或塑性区尺寸远远小于裂纹长度. K准则和G准则. 发展成熟,理论简单,基础较牢固. 4.断裂力学的研究内容 4.1.线弹性断裂力学 * * *