《断裂力学》PPT课件

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1、3/3.10-11断裂力学ⅠⅡIntroductiontofracturemechanics主要内容疲劳和脆性断裂线弹性断裂力学断裂力学的应用疲劳强度的基本概念影响焊接接头疲劳强度的因素提高焊接结构疲劳强度的措施1.1载荷的分类与破坏形式结构承受载荷的性质、大小、方向、作用位置中一项或多项不断变化（疲劳）或变化过大、过速（冲击）的情况都属于动载。1概述疲劳是结构失效的基本形式，约占结构失效总量的80～90％。冲击载荷容易造成结构的脆性破坏。造成脆性破坏，或加速疲劳破坏的原因可能是结构形式不佳（如应力集中严重）或结构工作环境的恶化（如环境温度变得过低，使材料材质变脆；或环

2、境介质腐蚀性强，使结构缺陷加深增大）等。疲劳破坏和脆性破坏都属于低应力破坏，发生破坏时的工作应力可能只有结构材料屈服极限的1/2，1/5，1/10，甚至没有外载荷。1.2结构脆性断裂的特点⑴名义工作应力低:只有材料的1/3～1/10，甚至外载荷等于零。⑵断裂之前无明显塑性变形，无征兆，突发断裂。⑶低应力脆性破坏多发生在低温阴冷的时刻。⑷发生低应力脆性断裂的结构内，多半存在着较大的内应力，有较高的内能。⑸发生低应力脆性断裂的结构上，必有裂源或应力集中点存在。脆性断裂对缺陷和应力集中很敏感。前三个特点，让人猝不及防，容易造成严重危害;后两个特点，反映了低应力脆性断裂的必然性

3、。1.3结构发生脆性断裂的原因和条件（金属结构脆性断裂的能量理论）固体内部的裂纹和缺陷，导致其发生低应力脆性断裂。使材料的实际断裂强度只有其理论强度的1/10～1/1000。＞０表示能量的需要＞释放，不能自动扩展＝０即，表示结构处于临界状态＜０表示释放的能量＞需要，裂纹自动扩展，多余的能量以声、光、热等形式释放出来，造成灾难。两点结论：①由能量原理可以看出，拉应力σ（可能包括外载引起的拉应力和内部残余拉应力）是裂纹产生和扩展的动力，拉应力及缺陷的大小直接影响裂纹萌生和扩展的速度。②阻止裂纹扩展的主要因素是压应力和材料的塑性变形。1.4影响金属结构延、脆性断裂的主要因素（

4、产生脆性断裂的原因）1.4.1内在抗力因素⑴材质因素根据上述理论，金属结构的延性或塑性变形是裂纹扩展的主要障碍。①金属的化学成分及其晶粒度增韧元素：Mn、Ni、Cr、Mo、V……等,有提高强度，细化晶粒，增加韧性的作用。致脆元素：C、S、P、H、O、N……等，容易偏析，降低强度，有脆化作用。②延/脆转变温度高（如图），容易发生脆性断裂。化学成分和晶粒度，对转变温度的高低影响较大。③材质缺陷（气孔、疏松、偏析、夹杂、夹渣、夹层、裂纹、伤痕、咬肉…等）是产生应力集中的根源；缺陷较多、较大或处在拉应力区，则影响较大；垂直拉应力的片状缺陷，特别裂纹影响最大。⑵结构因素：①结构形

5、体、尺寸等影响应力大小、分布的因素；②结构表面形状的突变较大，则应力集中严重；③突变处的局部刚度过大，则使结构对应力集中敏感…等。这些都是促成结构脆性破坏的重要原因。⑶内部应力：焊接内应力、构件之间的拘束应力、温差应力、各种冷热加工应力等在结构中造成过大的拉伸内应力。这与过大的外载荷一样，均能促成结构的脆性破坏。1.4.2外在客观因素⑴应力状态物体承载时，在包含分析点的单元体上，三个正应力和三个剪应力的大小，会因单元体方向的变化而变化。①不同加载方式的应力状态②结构表面形状突变和金属内部缺陷，特别是垂直主应力方向的片状缺陷、裂纹等，在裂纹尖端或在应力集中点，会形成三向拉

6、伸的应力状态。内因、外因结合，造成名义工作应力很低时，发生脆性破坏。其实低应力脆性断裂，裂纹尖端应力并不低。③材料的塑性较好，即材料D1的屈服点与材料的正断抗力的比值较小时，材料容易发生塑性变形。这有三点好处：一可以促使应力集中点的应力均匀化，降低应力集中的作用；二可使内应力重新分布，减小残余内应力的大小和影响；三可通过一定的塑性变形位移，使外力做功，消耗一部分内能，减小脆性破坏的危险性。否则，如果材料的塑性较差，如D2，在外力增大时，就会在金属缺陷部位，逐渐积累起较大的弹性变形能，一旦条件成熟，裂纹扩展，积累起来的弹性变形能释放出来，就会成为裂纹失稳扩展的动力，形成瞬

7、间发生的脆性断裂。以上三点中，①是加载方式，属外因；②、③反映结构抗力，属内因；是否脆断，须综合分析。⑵环境温度低温会降低金属材料抗脆断的能力。温度较高会增大金属原子的活力，容易发生塑性变形，不易产生脆性断裂。低温会使金属材料变脆，发生（延/脆）转变，脆断多发生在低温时。⑶加载速率正应力反映金属内部弹性变形的大小。正应力以声速（高度）在金属介质（钢）中传播，而塑性变形只能以比较缓慢的速度传播。以冲击等高速加载方式加载时，常常来不及产生塑性变形，而发生脆性断裂了。注意，表面形状突变、缺陷、裂纹等造成应力集中，同样具有增大加载、应变速率作用。