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桧季
5 years ago
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1 失效 : 零件失去了设计所要求的效能常见失效方式 : 过量变形断裂疲劳磨损高温蠕变腐蚀低碳钢 σ-ε: 弹性变形屈服塑性变形均匀塑性变形不均匀集中塑性变形零 ( 构 ) 件受力时抵抗弹性变形的能力刚度强度弹性塑性硬度材料抵抗变形或断裂的能力材料弹性变形的大小用弹性能表示材料断裂前发生塑性变形的能力材料抵抗压入或刻划的能力 1

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3 悲剧发生在泰坦尼克号的处女航 1912 年 4 月 10 日英国美国纽约 4 月 14 日晚 11 点 40 分, 泰坦尼克号在北大西洋撞上冰山 3

4 悲剧发生在泰坦尼克号的处女航 2208 名船员和旅客中,705 人生还 1503 人葬生海底船体撞击冰山, 导致船底的铆钉承受不了撞击因而毁坏劣质铆钉谋杀泰坦尼克矿渣含量是现代锻铁的三倍 4

5 重庆綦江彩虹桥豆腐渣工程害死人拱架钢管焊接质量不合格钢管内混凝土抗压强度不足连接桥梁桥面的拉索锚具和镏片严重锈蚀 1999 年 1 月 4 日晚 6 时 50 分左右, 彩虹桥整体垮塌, 包括 18 名年轻武警战士在内的 40 人遇难坍塌的彩虹桥 5

6 痛惜的婚礼上海高速路 6

7 塔吊事故频发 7

8 大量零部件的断裂失效 8

9 一基本概念静载荷冲击载荷两个作相对运动的零构件发生碰撞而产生的载荷 1.2 零件在静载和冲击载荷下的断裂第二节零件在静载和冲击载荷下的断裂载荷从零逐渐缓慢地增加到最终值而保持不变, 或变化很小的载荷断裂材料在外力作用下分为两个或者两个以上部分的现象 9

10 1.2 零件在静载和冲击载荷下的断裂断裂的分类断裂前发生明显塑性变形的断裂韧性断裂断口特征 : 杯锥状, 暗灰色脆性断裂断裂前未发生明显塑性变形的断裂断口特征 : 平齐, 无数发亮的小平面韧断脆断韧断脆断 10

11 1.2 零件在静载和冲击载荷下的断裂包含两个阶段裂纹的形成 ( 萌生 ) + 裂纹的扩展断裂过程材料在外力作用下, 形成微裂纹或以内部缺陷作为裂纹源微裂纹或裂纹源逐渐扩展至临界尺寸时, 立即发生断裂微裂纹扩展至临界裂纹长度快速扩展至断裂裂纹亚稳扩展阶段裂纹失稳扩展阶段 11

12 裂纹亚稳扩展阶段 1.2 零件在静载和冲击载荷下的断裂裂纹失稳扩展阶段韧性断裂裂纹的亚稳扩展阶段较长裂纹的扩展与塑性变形同时进行断裂慢吸收能量很多脆性断裂几乎没有亚稳扩展阶段无明显塑性变形断裂快吸收的能量较少 12

13 韧性断裂 1.2 零件在静载和冲击载荷下的断裂 or 脆性断裂?? 韧性有没有定量评判的标准? 材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力是材料强度和塑性的综合表现韧性越好, 脆断倾向越小力学性能指标冲击韧性断裂韧性 13

14 1.2 零件在静载和冲击载荷下的断裂二冲击韧性衡量指标 : 材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力是材料强度和塑性的综合表现冲击吸收功 A K = mg(h 1 -h 2 ) 单位 :J 冲击韧度 a K (a K = A K /F K) 单位 :J/cm 2 F K= 断口截面积 m = 摆锤的质量冲击实验的试样冲击实验示意图 14

15 1.2 零件在静载和冲击载荷下的断裂冲击韧度与温度的关系三种钢的冲击韧度随温度变化曲线示意图 15

16 1.2 零件在静载和冲击载荷下的断裂冲击韧度随温度降低而减小存在韧脆转变温度 T K 材料由韧性状态转变为脆性状态的温度称为韧脆转变温度对材料的成分和组织敏感夹杂物偏析气泡内部裂纹钢的回火脆性晶粒粗化 16

17 1.2 零件在静载和冲击载荷下的断裂冲击韧性在材料设计中的应用 A k 值低的材料称为脆性材料 A k 值高的材料称为韧性材料工程中常将材料的屈服强度与冲击韧性结合在一起用于零件及结构的设计例 1: 飞机主起落架着陆瞬间 : 承受 ( 几十吨力至几百吨力 ) 的撞击力材料性能要求 : 冲击韧性好的超高强度结构钢 17

18 1.2 零件在静载和冲击载荷下的断裂例 2: 锯片基体良好的抗冲击韧性例 3: 焊接件, 除了强度的要求外, 规定焊接接头冲击吸收功 A K > 27J 材料力学性能判据 σ s /k, δ, ψ, A K, a K 18

19 1.2 零件在静载和冲击载荷下的断裂三断裂韧性传统的零件及结构设计是基于假设材料是一个连续均质的整体实际材料, 存在缺陷微裂纹冶金缺陷气孔夹杂, 裂纹最危险微裂纹气孔夹杂 19

20 断裂力学把材料看成是裂纹体, 利用弹塑性理论, 研究裂纹尖端的应力应变, 以及应变能分布 ; 确定裂纹的扩展规律 ; 建立裂纹扩展的新的力学参数 σ 裂纹尖端应力场强度因子 K I 1.2 零件在静载和冲击载荷下的断裂 K I Y Y : 几何形状因子,Y=1~2 σ: 工作应力 a : 裂纹半长度 a 断裂力学 2a σ 20

21 1.2 零件在静载和冲击载荷下的断裂断裂韧度 K IC 评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力单边切口梁法 3PL KIC Y a 2 2bW 断裂判据 P/2 W K I < K IC 构件安全 K I > K IC 构件发生脆性断裂 K I = K IC 构件发生低应力脆性断裂的临界条件 P L a P/2 b 单位 :MPa m 1/2 MN m -3/2 21

22 1.2 零件在静载和冲击载荷下的断裂断裂判据 - 应用 * 已知应力, 材料确定最大裂纹长度 a c K IC Y 2 * 已知裂纹长度, 材料确定最大应力 c Y K IC a * 已知应力, 裂纹长度确定材料 K Y a K I IC 22

23 1.2 零件在静载和冲击载荷下的断裂四影响脆性断裂的因素韧性断裂脆性断裂 (a) 加载方式和材料本质加载方式拉伸脆性例 : 灰铸铁压缩韧性材料本质表 1-2 常见工程材料的断裂韧度纯金属 > 合金复合材料 > 陶瓷玻璃 23

24 1.2 零件在静载和冲击载荷下的断裂 (b) 温度和加载速度 T k : 材料的韧脆转变温度 T k 越低, 机件越不容易发生脆性断裂提高加载速度, 导致韧脆转变温度升高加载速度越高, 材料的脆断倾向就越大屈服强度随温度变化示意图 24

25 1.2 零件在静载和冲击载荷下的断裂 (c) 应力集中应力集中改变了应力状态, 应力集中越严重 α 应力状态就越硬, 材料就越容易发生脆性断裂 (d) 零件尺寸缺口处应力集中示意图零件尺寸越大, 塑性变形越困难, 脆断倾向越大 25

26 1.2 零件在静载和冲击载荷下的断裂影响脆性断裂的因素加载方式和材料本质温度和加载速度应力集中零件尺寸 26

27 1.3 零件在交变载荷下的疲劳断裂第三节零件在交变载荷下的疲劳断裂一基本概念交变载荷 : 载荷大小和方向随时间发生周期变化疲劳断裂 : 零件在交变载荷下经过长时间工作而发生断裂的现象成为疲劳断裂最大应力 σ max 最小应力 σ min 应力幅 σ a 平均应力 σ m 应力比 r r a m max max min max 2 2 min min 27

28 1.3 零件在交变载荷下的疲劳断裂几种常见的交变应力 28

29 1.3 零件在交变载荷下的疲劳断裂几种常见的交变应力 29

30 1.3 零件在交变载荷下的疲劳断裂几种常见的交变应力 30

31 疲劳断裂的特点断裂的应力很低断裂时无明显宏观塑性变形, 脆断断口显示出裂纹形成扩展和最后断裂三个阶段发动机曲轴铝合金曲柄 1.3 零件在交变载荷下的疲劳断裂 ( < σ s ) 31

32 1.3 零件在交变载荷下的疲劳断裂二疲劳断口的特征分三个区域疲劳断口的形貌疲劳源区疲劳裂纹扩展区最后断裂区 32

33 1.3 零件在交变载荷下的疲劳断裂疲劳源区形成于应力集中处内部缺陷 ( 夹杂物, 孔洞 ) 加工缺陷 ( 刀痕, 微裂纹 ) 不当设计 ( 截面突然变化 ) 33

34 疲劳裂纹扩展区 1.3 零件在交变载荷下的疲劳断裂疲劳裂纹形成后, 在交变应力的作用下, 裂纹口不断张开和闭合, 裂纹表面相互摩擦, 裂纹向前扩展的同时留下一条条光亮的弧线, 称疲劳线疲劳线呈贝壳状或海滩状疲劳断裂的重要特征静载脆断断口没有这个区 34

35 1.3 零件在交变载荷下的疲劳断裂最后断裂区随着裂纹的扩展, 有效承载面积减小, 应力增加, 当应力超过材料的断裂强度时, 即发生快速断裂此区同静载脆断断口, 呈放射状 35

36 1.3 零件在交变载荷下的疲劳断裂三无裂纹零 ( 构 ) 件的疲劳抗力指标 1 疲劳极限和过载持久值 1) 疲劳曲线旋转弯曲疲劳实验机 36

37 1) 疲劳曲线 1.3 零件在交变载荷下的疲劳断裂钢铁材料部分有色金属 ( 如铝合金等 ) 疲劳曲线示意图 N 0 两种类型疲劳曲线 lgn 37

38 1.3 零件在交变载荷下的疲劳断裂 2) 疲劳极限 ( σ r ) 经受无限多次应力循环也不断裂的最大应力 σ -1 : r = -1, 旋转弯曲疲劳极限 3) 条件疲劳极限 : 不存在疲劳极限时, 规定循环基数 N 0 时的断裂应力 4) 过载持久值在高于疲劳极限的应力作用下, 发生疲劳断裂的的应力循环周次 38

39 2. 疲劳缺口敏感度 q 定性对比不同材料缺口对疲劳极限的敏感程度 1.3 零件在交变载荷下的疲劳断裂测试标准试样实际零件 ( 圆角台阶键槽 ) 静载下缺口处的应力集中 smooth specimen notched specimen 高低 σ -1 光滑试样疲劳极限 σ -1N 缺口试样的疲劳极限光滑试样 1 与缺口试样 2 的疲劳极限 39

40 疲劳缺口敏感度 K f K t 1 1N max m q K K f t 1 1 K f 有效应力集中系数与缺口几何形状和材料都有关 K t 理论应力集中系数仅与缺口几何形状有关 1.3 零件在交变载荷下的疲劳断裂 (0<q<1) 用 q 可定性对比不同材料缺口对疲劳极限的敏感程度疲劳缺口敏感度的变化范围 :0 < q < 1 当 q=0, 缺口不降低材料疲劳极限最不敏感当 q=1, 缺口严重降低材料疲劳极限最敏感 40

41 1.3 零件在交变载荷下的疲劳断裂四影响疲劳抗力的因素 1. 载荷类型拉 - 压疲劳扭转疲劳 : 1P 钢 1P ( 铸铁 ) ( 钢及轻合金 ) ( 铸铁 ) 2. 材料本质不同材料有不同的疲劳极限 σ -1 几种材料的疲劳曲线 41

42 3 零件表面状态 1) 表面光洁度 1.3 零件在交变载荷下的疲劳断裂试样表面轻微刀痕对抗拉强度和疲劳极限的影响 MPa /MPa 2) 表面应力状态表面残余压应力有利 4 温度 T 疲劳极限降低 T 疲劳极限升高, 但缺口敏感度增加 5 腐蚀性介质 42

43 1.3 零件在交变载荷下的疲劳断裂五提高材料疲劳抗力的途径常用的表面强化处理方法表面冷作变形 : 喷丸滚压表面热处理 : 渗碳渗氮表面镀层 : 镀铬镀镍表面强化处理提高疲劳极限的原因 : 提高零件表层强度在零件表层产生残余压应力防止疲劳裂纹产生 43

44 谢谢 44

第五章线弹性断裂力学概述

第五章线弹性断裂力学概述第五章断裂力学概述 5- 断裂力学在焊接结构中的研究对象焊接结构在制造过程中必然要产生应力和变形, 同时也会出现裂纹和各种缺陷, 传统的设计计算方法不能保证焊接结构在使用过程中不发生断裂, 特别是脆性断裂断裂力学较好地解决了这一问题线弹性断裂力学成功地解决了高强钢和超高强钢的断裂问题, 对于中低强度钢的断裂行为研究广泛采用了弹塑性断裂力学一静载下焊接结构设计的一般依据在静载荷作用下,