第五章断裂失效与断裂控制设计.pdf

____疲劳与断裂____ 第五章 断裂失效与断裂控制设计 材料或结构中的缺陷（其最严重形式是裂纹）, 是不可避免的。由缺陷引起断 裂所发生的机械、结构的失效，是工程中最重要、最常见的失效模式。在人们还不 能深刻认识由材料缺陷引起断裂破坏的机理、规律的时候，若发现零、构件出现了 裂纹，大都只能够按报废处理。用裂纹萌生寿命控制疲劳破坏，也是受到对断裂认 识的约束的结果。20世纪起（尤其是20世纪50年代后），人们对于裂纹体的广泛研 究，深化了认识，逐步形成了“断裂力学”。以此为基础，人们控制断裂、控制裂 纹扩展的能力不断增强。断裂控制设计是对传统的基于强度设计概念的重要发展， 了解断裂力学的基本概念、理论和断裂控制设计基本方法，对于21世纪的工程师们 是十分必要的。 5.1 结构中的裂纹 按照静强度设计，控制工作应力σ小于材料的许用应力[σ]，人们完成了许多成 功的设计。但是, 即使在 σ≤ [σ]时，结构发生破坏的事例也并不鲜见。 例如，20世纪50年代，美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在发射时发生断裂 。壳体材料为高强度钢，屈服强度σs=1400MPa，计算工作应力σ≈900MPa。按传统强 度设计，强度是足够的。然而，该 材料的断裂韧性KIc (含缺陷材料抵 抗 断 裂 破 坏 能 力 的 指 标 ) 仅 60MPa m ，按断裂力学分析，1mm 左右的裂纹即可引起断裂。 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，飞出的 碎块中最重的达2吨。断裂起源于 焊缝裂纹，发生断裂破坏时的试验 应力仅为材料屈服应力的48%。 图5.1 大型汽轮机转子轴断裂 99 ____疲劳与断裂____ 在我国，汽轮机叶轮叶片、压力容器与管道、车辆轮轴等断裂事故也并不鲜见 ，图5.1即某大型汽轮机转子轴的断裂照片。 这类在静强度足够的情况下发生的断裂，称为低应力断裂。 低应力断裂是由各种形式的缺陷 引起的，缺陷的最严重形式是裂纹， B a t 因为裂纹尖端的应力集中最严重。材 σ σ σ 料或结构中的裂纹，来源于材料本身 W 的冶金缺陷或加工、制造、装配及使 2a a 2c 用等过程的损伤。有的直接以裂纹的 σ σ σ 形式出现，有的是在疲劳载荷作用下 中心裂纹 边裂纹 表面裂纹 逐渐形成的裂纹。 2 图5.1 常见裂纹 图5.2所示是工程中最常见的几 种裂纹。图中所示之“中心裂纹”和“边裂纹”是穿透整个厚度的，称为穿透厚度 裂纹，尺寸用裂纹长度表示即可，其扩展是沿长度方向的。为了数学上的方便，将 中心穿透裂纹总长记作2a, 边裂纹长度记作a。表面裂纹是起源于表面、未穿透厚 度的裂纹，形状通常为半椭圆形，表面方向尺寸用2c表示，深度方向尺寸为a。表 面裂纹可以在表面和深度二个方向扩展。 由于裂纹的存在，将引起严重的应力集中，结构或构件的强度则不可避免地要 受到削弱。与原有强度相比，受裂纹影