[2017年整理]结构疲劳与断裂作业

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1、太原理工大学建筑与土木工程学院结构疲劳与断裂作业专业：结构工程姓名：高培文学号：S20090588授课教师：雷宏刚疲劳与断裂是引起结构与构件失效的主要原因，由疲劳与断裂引发的众多灾难性事故给人类造成了难以估量的损失。统计资料表明，80-90%的焊接结构断裂事故是由疲劳失效引起的，由于焊接接头的焊趾处的应力集中和残余拉伸应力作用，焊接接头疲劳强度大幅度地低于基本金属的疲劳强度。虽然结构按疲劳规范设计，仍然发生一些整体结构的过早疲劳失效，造成巨大的经济损失，甚至是人身伤亡事故。一、疲劳破坏疲劳破坏就是材料或构件在交变应力或应变作用下，在某点或某些点产生永久性损伤，经一定循环次数后产生裂纹，并使裂纹

2、扩展直至完全断裂或突然发生完全断裂的过程。构件因发生疲劳破坏而丧失正常工作性能的现象称为疲劳失效。试件抵抗疲劳失效的能力称为材料疲劳强度;构件抵抗疲劳失效的能力称为结构疲劳强度。疲劳寿命，即材料或构件疲劳失效时所经受的规定应力或应变的循环次数。疲劳断裂过程大致可分为四个阶段:裂纹成核阶段、微观裂纹扩展阶段、宏观裂纹扩展阶段、最后断裂阶段。1、裂纹成核阶段受有交变载荷的构件如果是无裂纹或者是无其它缺陷的光滑零部件，在交变应力作用下，虽然名义应力不超过材料的屈服极限，但由于材料组织性能不均匀，在构件的表面局部区域仍然能产生滑移。用力学原理来解释，因为构件表面是平面应力状态，容易产生滑移，但看不到塑

3、性变形特征。由于多次反复的循环滑移过程，便产生金属挤出和挤入的滑移带，由此形成微裂纹的核。2、微观裂纹扩展阶段一旦裂纹成核，微裂纹就沿着滑移面扩展，扩展方向是与主应力轴成45°。此阶段扩展深入表面很浅，大约十几微米，而且不是单一的裂纹，是许多沿滑移带的裂纹，这个过程为裂纹扩展的第一阶段。3、宏观裂纹扩展阶段这一阶段是从微观裂纹直接过渡过来的宏观阶段，裂纹扩展速率增加，扩展方向与拉应力垂直，且为单一裂纹扩展。一般认为裂纹长度a在0.1mm

4、会产生失稳扩展而很快断裂。工程实践应用中，常把这四个阶段合为两个阶段，也就是疲劳裂纹形成阶段和疲劳裂纹扩展阶段。裂纹形成阶段包括裂纹成核阶段和微观裂纹增长阶段;疲劳裂纹扩展阶段包括宏观裂纹扩展阶段和瞬时断裂阶段。相应地将疲劳寿命划分为疲劳裂纹形成寿命和疲劳裂纹扩展寿命两部分。对于低周疲劳，裂纹形成早，裂纹形成寿命短，裂纹扩展寿命接近疲劳总寿命，所以在低周疲劳设计中，主要考虑裂纹扩展寿命。但在高周疲劳中，裂纹形成寿命在总寿命中占有主导地位，所以在高周疲劳设计时，既要考虑裂纹形成寿命也要考虑裂纹扩展寿命。二、断裂破坏承载结构的强度破坏可分为两类:一类是以屈服为主的破坏;另一类是以断裂为主的破坏。缺

5、陷对两类破坏都是重要的，但是对于断裂起头等重要作用的那些缺陷与影响屈服和抗塑变性能的那些缺陷非常不同。对于以屈服为主的破坏，重要的缺陷主要表现在:它们倾向于歪扭和切断晶体晶格平面，因而妨碍位错滑动以及提供塑性变形的阻力，这对于高强度金属来说是必须的。这样缺陷的实例是间隙原子、不同尺寸的置换原子、晶界、共格沉淀物和位错网络。较大的缺陷(如:夹杂物、孔隙、表面划伤和小裂纹)可能影响承受载荷的有效净截面，然而在别的方面对屈服阻力(抗屈服性能)只有小的影响。对于以断裂为主的破坏(即在净截面上，总体屈服之前的断裂)，其首要作用的缺陷，它的尺寸基本上是宏观的，因为没有包括总体可塑性，而只是涉及与缺陷有关的

6、局部应力一应变场。没有直接述及到能够控制塑性变形阻力的、与晶格有关的微小缺陷。从塑性变形阻力方面而言(塑性变形阻力与材料的断裂敏感性有关)，它们起着重要作用。断裂力学研究的内容几乎完全是以断裂为主的破坏。断裂的概念可以描述为:构件在力(机械力、热、磁)及环境(腐蚀介质)单独或联合作用下，本身连续性产生局部或整体的破坏。一般，断裂是由裂纹扩展引起的。构件或材料中常见的裂纹，按沿板的厚度方向分布的不同位置，可分为穿透纹、表面纹和埋藏裂纹三种。三、焊接结构的疲劳与断裂1、焊接结构的疲劳4太原理工大学建筑与土木工程学院钢材或连接在反复循环荷载作用下，由于钢材内部及连接区域不可避免地存在着如夹渣、气孔、

7、咬边等缺陷，我国现行《钢结构工程施工质量验收规范》(GB502o5一2001)对不同质量等级的焊缝也允许存在一定数量、一定尺寸的缺陷，这些缺陷是钢材或焊缝固有特性，与裂纹起同等作用。在疲劳开裂的初始阶段，缺陷起到了初始裂纹的作用:作为裂纹源，在循环荷载作用下，缺陷的存在使得这些缺陷处的应力分布不均匀，缺陷尖端局部产生应力集中，即使连接处的名义应力低于材料的屈服极限，在连接几何形状突变带来的应力集中