1章材料的疲劳与断裂.

材料的疲劳与断裂曹睿兰州理工大学材料学院2011.03.04·2·兰州理工大学材料学院机械、结构等受力如何？如何运动？如何变形？破坏？如何控制设计？性态规则回顾工程力学（或者应用力学）是:将力学原理应用实际工程系统的科学。其目的是：了解工程系统的性态并为其设计提供合理的规则。·3·兰州理工大学材料学院受力如何？如何运动？如何变形？破坏？理论力学、振动理论等，研究对象为刚体；基本方程是平衡方程、运动方程等。材料力学、弹性力学、塑性力学等，研究对象为变形体；基本方程是平衡方程、物理方程、几何方等。·4·兰州理工大学材料学院强度设计的一般方法：平衡方程变形几何条件应力应变关系内力应力设计目标初步设计强度条件满意？结束YESNO修改设计强度计算材料试验极限应力选取安全系数许用应力控制设计：强度是最主要的控制指标。研究对象是无缺陷变形体，研究目的是保证在最大载荷下有足够的强度。·5·兰州理工大学材料学院有缺陷怎么办？多次载荷作用下如何破坏？缺陷从何而来？研究含缺陷材料的强度--断裂研究多次使用载荷作用下的破坏--疲劳材料固有或使用中萌生--疲劳与断裂·6·兰州理工大学材料学院结构/构件强度的控制参量是应力。工作应力：构件在可能受到的最大工作载荷作用下的应力。(由力学分析计算得到)极限应力：ys、b材料可以承受的强度指标。延性材料：ys；脆性材料：b(通过材料力学性能的实验得到)ys延性材料b脆性材料强度判据：(作用抗力)结构或构件的工作应力材料的极限应力·7·兰州理工大学材料学院按静强度设计，满足[]，为什么还发生破坏？19世纪30-40年代，英国铁路车辆轮轴在轴肩处（应力仅为0.4ys）多次发生破坏；1954年1月,英国慧星(Comet)号喷气客机坠入地中海（机身舱门拐角处开裂）；·8·兰州理工大学材料学院1967年12月15日，美国西弗吉尼亚的PointPleasant桥倒塌，46人死亡；1980年3月27日，英国北海油田Kielland号钻井平台倾复；127人落水只救起89人；二次大战期间，400余艘全焊接舰船断裂。主要原因是由缺陷或裂纹导致的断裂。·9·兰州理工大学材料学院大型汽轮机转子·10·兰州理工大学材料学院轴叶轮疲劳断裂破坏·11·兰州理工大学材料学院转子轴疲劳开裂疲劳断裂破坏·12·兰州理工大学材料学院叶片击穿厂房·13·兰州理工大学材料学院飞机整机结构强度实验机翼破坏实验·14·兰州理工大学材料学院飞机整机结构强度实验机身破坏实验·15·兰州理工大学材料学院上海东方电视塔高300m球径45m·16·兰州理工大学材料学院静强度失效、断裂失效和疲劳失效，是工程中最为关注的基本失效模式。控制疲劳强度、断裂强度的是什么？·17·兰州理工大学材料学院主要内容：1.断裂韧性的基本概念2.断裂力学的基本原理3.断裂过程分析－机理4.材料的疲劳5.最新发展·18·兰州理工大学材料学院学习目的：课程特点：交叉性学科参考书：《材料力学性能》西交大《金属材料强度学》西交大《金属的韧性与韧化》北科大肖纪美《断裂力学》《断裂物理基础》《断裂与环境断裂》北科大《材料的疲劳》1.为开发抗疲劳、抗断裂的高强韧化材料打好基础2.为工程结构安全、可靠性的设计及评价奠定基础3.为发展新的疲劳断裂理论打好基础·19·兰州理工大学材料学院工程断裂事故中发现脆性断裂的共同特征：这就促使对工程材料的断裂破坏过程进行深入的研究第一章金属断裂概论1.1断裂事故与工程设计－－－断裂事故消耗很小能量的断裂断裂从裂纹、缺口等应力集中处开始低温、厚截面，高变形速率易诱发断裂突发性、灾难性断裂是在没有宏观塑性变形之前的低应力断裂·20·兰州理工大学材料学院材料力学：四项力学性能指标（屈服点：s,抗拉强度b，伸长率和冲击韧度ak，截面收缩率y）规定值ka,,一系列事故的发生表明：按照传统的常规设计方法所设计的构件，有时也会发生意外的断裂事故。1.1断裂事故与工程设计－－－工程设计第一章金属断裂概论材料力学：按照常规设计方法进行设计（强度指标和韧性指标）·21·兰州理工大学材料学院从以上分析发现传统的设计思想存在一个严重的问题：将材料视为无缺陷的均匀连续体，实际上材料内部存在各种不同形式的缺陷，所以裂纹、缺陷是造成构件低应力脆性断裂的祸根。从而提出了断裂力学。断裂力学力求回答以下几个方面的问题：（1）什么是作为裂纹尺寸函数的剩余强度？（2）最大容许的裂纹尺寸？（3）从一定的初始裂纹尺寸扩展到最大容许裂纹尺寸所需的时间？（4）使用寿命与a的关系？（5）在裂纹检查的有效期内，对于结构中的裂纹，应该间隔多长时间检查一次？第一章金属断裂概论·22·兰州理工大学材料学院1.2强度、塑性、韧性、弹性一、材料性能定义：材料在给定的外界条件下的表现行为抵抗变形和断裂的能力强度韧性塑性弹性断裂时总的变形能力，是材料塑性变形和断裂全过程中吸收能量的能力，是强度和塑性的综合表现断裂变形的能力，断裂时总塑性变形的程度变形后恢复原形状的能力第一章金属断裂概论·23·兰州理工大学材料学院二、韧性和其他性能之间的关系高弹簧钢：Uoe=面积OABUop=四边形ABCDUot=四边形OACD低碳钢：Uoe=面积OA‘B’Uop=四边形A‘B’C‘D’Uof=四边形C‘D’E‘F’Uot=OA’E’F’E’D’F’C’第一章金属断裂概论·24·兰州理工大学材料学院1.3断裂韧性和断裂力学1.缺口冲击韧性测定时的条件：1.3.1缺口冲击韧性缺口圆滑Cv提高，缺口变深Cv下降（对于10×10×55mm的U型缺口试样，缺口深度d值有三种规定：梅氏试样（我国）2mm；夏氏U型缺口试样（美国）5mm；DVM试样（西德）3mm）温度T一定（误差±2℃）冲击速度一定试样尺寸形状一定缺口形状一定介质一定第一章金属断裂概论·25·兰州理工大学材料学院0.00.51.01.5051015202530DCBOP,KNx,mmA2.断裂过程OA段：弹性变形AB段：塑性变形，应力集中、塑性区B点裂纹产生，BC裂纹扩展C点最大载荷CD段裂纹扩展，载荷下降特点：（1）快，0.5-1s（2）材料脆性大时，线性阶段断裂，OA脆段；AB间断裂（未有裂纹）——脆断（发生了少量塑变）；BC间韧脆断；CD段——韧断（3）能量——表面能＋塑变能第一章金属断裂概论·26·兰州理工大学材料学院·27·兰州理工大学材料学院3.冲击功的影响因素缺口深度a缺口半径R试验温度T大小低冲击功Cv下降第一章金属断裂概论·28·兰州理工大学材料学院1.3.2裂纹断裂韧性和断裂力学1.冲击韧性的应用和局限(2)NDT（无延性转变温度），TNDT，韧性好(1)规定某一Cv时的温度，用T的高低来衡量材料的性质(3)50％FATT，50％脆性断口形貌对应的温度，越低韧性越好(4)给定某一温度T的冲击值，则冲击值越好性能越好应用第一章金属断裂概论·29·兰州理工大学材料学院对已有裂纹的构件不适用缺口尺寸和实验室中不同，选材可以但不可以作为设计参数相关性方法可应用，但粗糙（2）（1）（3）第一章金属断裂概论局限性·30·兰州理工大学材料学院2.裂纹断裂韧性和断裂力学的提出0),,(ccFXafFcICaKa（1）裂纹存在对应力分布的影响（2）用什么性能来表示材料阻止裂纹扩展能力的指标（3）如何建立裂纹的临界尺寸，裂纹断裂韧性及断裂应力之间的关系…第一章金属断裂概论1.3.2裂纹断裂韧性和断裂力学·31·兰州理工大学材料学院1.4断裂韧性和断裂力学1.断裂失效的分析方法2.断裂学科断裂物理、断裂力学、断裂化学三部分组成的综合的边缘学科，技术学科（1）断口分析（2）应力强度分析（3）断裂力学分析（4）化学介质分析（5）断裂机理的分析第一章金属断裂概论