疲劳与断裂第五章断裂失效与断裂控制设计1

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1、第五章断裂失效与断裂控制设计5.1结构中的裂纹5.2裂纹尖端的应力强度因子5.3控制断裂的基本因素5.4材料的断裂韧性K1c5.5断裂控制设计返回主目录1第五章断裂失效与断裂控制设计结构中的缺陷是引起破坏的重要原因。最严重的缺陷是裂纹。裂纹引起断裂破坏，如何分析、控制？不会分析时，构件发现裂纹，报废。20世纪50年代后，“断裂力学”形成、发展，人们力图控制断裂、控制裂纹扩展。裂纹从何而来？材料缺陷；疲劳萌生；加工、制造、装配等损伤。220世纪50年代，美国北极星导弹固体燃料发动机壳体发射时断裂。材料为高强度钢，屈服强度s

2、=1400MPa，工作应力900MPa。1965年12月，英国JohnThompson公司制造的大型氨合成塔在水压试验时断裂成二段，碎块最重达2吨。断裂起源于焊缝裂纹，发生断裂时的试验应力仅为材料屈服应力的48%。5.1结构中的裂纹按静强度设计，控制工作应力。但在[]时，结构发生破坏的事例并不鲜见。20世纪80年代初，某电站大型汽轮机转子轴断裂。3低应力断裂：在静强度足够的情况下发生的断裂。低应力断裂是由缺陷引起的，缺陷的最严重形式是裂纹。裂纹，来源于材料本身的冶金缺陷或加工、制造、装配及使用等过程的损伤。中心

3、裂纹工程常见裂纹2asWBs边裂纹ass表面裂纹2catss4剩余强度:受裂纹影响降低后的强度。载荷或腐蚀环境作用正常工作应力可能破坏破坏裂纹尺寸使用时间a)裂纹扩展曲线剩余强度裂纹尺寸b)剩余强度曲线最大设计应力载荷裂纹应力集中严重结构或构件强度削弱裂纹扩展剩余强度下降在大的偶然载荷下，剩余强度不足，发生破坏。在正常使用载荷下，裂纹扩展，直至最后断裂。54.临界裂纹尺寸如何确定？结构中可以允许多大的初始裂纹？有裂纹的构件扩展到发生破坏的少剩余寿命？需要回答下述问题：1.裂纹是如何扩展的？2.剩余强度与裂纹尺寸的关系如何？

4、3.控制含裂纹结构破坏与否的参量是什么？如何建立破坏（断裂）判据？这些问题必须借助于断裂力学才能解决。6Fractureisaproblemthatsocietyhasfacedforaslongastherehavebeenman-madestructures.Theproblemmayactuallybeworsetodaythaninpreviouscenturies,becausemorecangowronginourcomplextechnologicalsociety.从人类开始制造结构以来，断裂就是社会面对的

5、一个问题。事实上，现在这个问题比过去一些世纪更严重，因为在我们的复杂技术社会中会有更多的错误出现。7Fortunately,advancesinthefieldoffracturemechanicshavehelpedtooffsetsomeofthepotentialdangers.OurunderstandingofhowmaterialfailandourabilitytopreventsuchfailureshasincreasedconsiderablysinceWorldWarII.Muchremainstob

6、elearned,however,andexistingknowledgeoffracturemechanicsisnotalwaysappliedwhenappropriate.所幸的是，断裂力学的发展帮助我们避免了一些潜在的危险。我们对材料如何破坏的理解、避免这类破坏发生的能力，自二次世界大战以来已显著增加。然而，还有许多要研究，已有的断裂力学知识也并未总是在适当的时候得到应用。85.2裂纹尖端的应力强度因子裂纹的三种基本受载形式：ssxyzttxyz1型(张开型):承受与裂纹面垂直的正应力，裂纹面位移沿y方向，裂纹

7、张开。2型(滑开型):承受xy平面内的剪应力，裂纹面位移沿x方向，裂纹面沿x方向滑开。3型(撕开型):承受是在yz平面内的剪应力，裂纹面位移沿z方向，裂纹沿z方向撕开。ttxyz1型2型3型9要使裂纹扩展，必须>0。即只有拉应力才能引起裂纹的张开型扩展。工程中最常见的、危害最大的是I型裂纹。讨论含有长为2a的穿透裂纹的无限大平板，二端承受垂直于裂纹面的拉应力作用的情况。ssxy2adxdyrqsysxtxy在距裂尖r，与x轴夹角为处，取一尺寸为dx、dy的微面元；利用弹性力学方法，可得到裂纹尖端附近任一点(r,

8、)处的正应力x、y和剪应力xy。10用弹性力学方法得到裂纹尖端附近任一点(r,)处的正应力x、y和剪应力xy为：所讨论的是平面问题，故有yz=zx=0；对于平面应力状态，还有z=0。若为平面应变状态，则有z=(x+y)。ssxy2adxdyrqsysxtxyssqyar=+2