断裂韧度在工程中的应用.pptVIP

断裂韧度在工程中的应用 ——制作者： 张波，秦重庆，罗宋平 内容提要 ☆一、断裂力学简介 ☆二、判据小结 K判据 ☆三、判据应用 材料选择 安全校核 失效分析 评价材料脆性 材料开发 一、断裂力学简介 断裂力学就是把弹性力学、弹塑性力学的理论应用到含有裂纹的实际材料中，从应力和能量的角度，研究裂纹的扩展过程，建立裂纹扩展判据，并因此而引出与之相对应的一个材料力学性能指标——断裂韧度，从而进行结构设计、材料选择、载荷校核、安全性检验、材料开发等。 一、断裂力学简介 利用断裂力学的原理进行防断设计主要有下述几方面： （1）估算含裂纹构件的安全性和寿命，确定构件在工作条件下的裂纹容限； （2）用断裂力学作指导进行安全设计； （3）分析各种断裂事故, 提出改进措施； （4）合理选择材料和工艺, 发展新材料， 新工艺，寻找代用材料。 二、判据小结 含裂纹体的断裂判据: K、G、J、δ判据，判据 固有的性能指标—断裂韧度（KIC ,GIC , JIC，δC ），以便用来比较材料抗断裂的能力。 二、判据小结 其中： a.GI和KI有相互联系： K（应力）、G（能量）判据为裂纹失稳扩展的断裂判据； b. J、δ判据是裂纹开始扩展的判据，不是裂纹失稳扩展的断裂判据（按这种判据设计构件偏于保守）； 由δ判据可对中、低强度钢板，压力容器进行设计。 a：裂纹长度的1/2；Y：裂纹形状系数 ★对于不同类型的裂纹， KI 和Y的表达式见本章附表（P84-85） ★ Y的计算很复杂,根据不同的裂纹存在位置→应力场→应力→Y ★实际应用中，可根据试样、加载方式，查手册得到Y，一般Y=1~2。 二、判据小结 对于实际金属。当裂纹尖端附近的应力等于或大于屈服强度时，金属就要发生塑性变形，改变了裂纹尖端的应力分布。 当应力增大时，裂纹尖端的塑性区也增大，对应力强度因子的影响就越大 对KI的修正 KI的修正 等效裂纹长度：a+ry 修正前： 修正后： 二、判据小结 KC—平面应力断裂韧度,KIC—平面应变，I类裂纹 断裂判据： KIKIC 有裂纹，但不会扩展 KI=KIC 临界状态 KIKIC 发生裂纹扩展，直至断裂 思考：为什么K判据中没有KC? 三、判据应用——材料选择 例：有一火箭壳体承受很高的工作压力，其周向最大工作拉应力 采用超高强度钢制造，焊接后发现有纵向表面椭圆裂纹，尺寸为a=1.0mm，a/2c=0.3。现有两种材料，其性能如下： A: B: 从断裂力学角度考虑，选用哪种材料较为合适？ 三、判据应用——材料选择 三、判据应用——材料选择 解：采用K判据解答问题 分析: （1）判断是否需要修正 σ/ σs≥(0.6-)0.7时需修正 （2）判断裂纹类型以及应力状态,确定计算公式： 平面应力、平面应变下的KⅠ表达式 不需修正时：类似P67(4-5) 需修正时：类似P70(4-17) ????:火箭壳体=厚板?薄板? 三、判据应用——材料选择 对于材料A: 由于 ，所以必须考虑塑性区的修正问题 由于火箭壳体为厚板—平面应变状态 等效裂纹长度为a+ry，而 用a+ry替代公式 ： 中的a 得到： 三、判据应用——材料选择 a/c=0.6，查表可得 1.62。将有关数据代入KI式中，得： 由此可见， ，说明使用材料A不会发生脆性断裂，可以选用。 三、判据应用——材料选择 对于材料B： 由于 ，所以不必考虑塑性区的修正，可直接采用公式： 计算KI 。 同样根据a/c的值得到 1.62，将有关数据代入 KI计算公式，得： 三、判据应用——材料选择 由此可见， ，说明使用材料B会发生脆性断裂，不可选用。 这一类型的问题，也可通过计算临界裂纹尺寸ac和临界应力 ，利用啊aac和 的安全判据进行选材。 通过以上讨论可以发现：从断裂力学的观点出发，对于断裂体，并不是材料的强度越高就越安全，这与传统的材料强度理论是不一致的。 三、判据应用——材料选择 例2：某中强钢 Mpa , Mpa ;某高强钢 Mpa , Mpa ，试估算此两种材料制成的圆筒形压力气瓶所含纵向裂纹尺寸的临界值 ，若要求二者具有同样的工作安全系数