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一、基本概念•静载荷和冲击载荷•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。•断裂的分类力学宏观微观正断切断韧断脆断微孔聚合解理晶间晶内•“虹桥”系綦江县形象工程，形似彩虹而得名，该桥跨越长江支流—綦河，连接城东城西，于1994年11月5日动工建设，1996年2月16日竣工，桥净空跨度120米，耗资368万元。•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。•调查组认为，这次垮塌事件由两方面的原因造成。一是工程质量问题；二是工程承发包不合法。调查结果表明，这次惨剧不是天灾，而是人祸。其根本原因，是由于政府在工程开发建设上没有遵循法律，履行必要的审核、论证程序，采取了“特事特办”的方式，盲目追求效率营造“献礼工程”，从而酿成大祸。綦江彩虹桥垮塌案1999年3、4月，重庆第一中级人民法院对“綦江彩虹桥垮塌案”14名责任被告人进行一审宣判。其中10人不服，并上诉。同年12月，重庆市高院作出终审判决。林世元男，原綦江县委员会副书记，因受贿罪、玩忽职守罪，被高级人民法院终审判处死刑，缓期2年执行。张基碧男，原綦江县城乡建设管理委员会主任，因玩忽职守罪，被判处有期徒刑6年。赵祥忠男，原重庆市市政工程质量监督站站长，因工程重大安全事故罪，被判处有期徒刑5年，并处以罚金2万元。贺际慎女，原綦江县人大常委会副主任，因玩忽职守罪，被判处有期徒刑3年。费上利男，“虹桥”工程组织承建者，因工程重大安全事故罪，被判处有期徒刑10年，并处罚金50万元。此外，李蒙泽、孙立、段浩、夏福利、阎珂、刘泽均、胡开明、王远凯等人，及重庆通用工业技术服务部，因重大工程重大安全事故罪、玩忽职守罪、生产销售不符合安全标准的产品罪等罪名，被判处6年至10年的有期徒刑，并处以3万至25万元罚金。微孔聚合型断口解理型断口晶间断裂晶内断裂•裂纹形成（萌生）阶段•裂纹扩展阶段断裂过程裂纹萌生：材料在外力作用下，形成微裂纹或以内部缺陷作为裂纹源。裂纹扩展：微裂纹或裂纹源逐渐扩展至一临界尺寸时，立即发生断裂。前者段称裂纹亚稳扩展阶段，后者称裂纹失稳扩展阶段。裂纹亚稳扩展时，裂纹扩展阻力大，da/dt较小；裂纹失稳扩展时，裂纹扩展阻力小，da/dt大，最大可达该材料的声速。•韧断时，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，故有明显的塑性变形，断裂慢。•脆断时，几乎没有亚稳扩展阶段，故无明显塑性变形，断裂快。韧性•韧性越好，脆断倾向越小；•力学性能指标：冲击韧性断裂韧性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。二、冲击韧性衡量指标：冲击吸收功Ak冲击韧度ak(ak＝Ak/Fk)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。()kAmghh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。焊接结构设计中，除了强度的要求外，规定焊接接头冲击吸收功Ak27J冲击韧性的应用-59℃-12℃4℃16℃24℃79℃低强度铁素体钢冲击断口照片系列冲击试验奥氏体钢低强度铁素体钢高强度钢冲击吸收功Ak温度TTk温度对材料的韧性影响很大，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，Tk。Ak越高，Tk越低，则材料的韧性越好。Ak是对材料的成分和组织敏感的力学性能指标。γ钢韧性最高，无明显的Tk，低温韧性好；低强度铁素体钢韧性次之，有明显的Tk，低温韧性差；高强度M钢韧性最差，即使室温韧性好很低。三、断裂韧性传统的零件及结构设计是基于“材料是一个连续均质的整体”假设之上的，为防止脆性断裂，除强度要求之外，还加上了材料的塑性和韧性指标。五大力学性能指标强度σb,σs塑性δ,ψ韧性Ak/ak实际材料中是存在微裂纹及各种冶金缺陷的，而其中裂纹是最危险的一类缺陷，因此有必要研究带裂纹体的问题。断裂力学应力强度因子断裂力学研究表明：裂纹尖端的应力应变场可用物理量Ｋ来表征。σx,σy,τxyεx,εy,γxy张开型裂纹I型滑移型裂纹II型撕裂型裂纹III型Ｙ:几何形状因子，Y＝1～2；σ:工作应力；a:裂纹半长度。IKYaσσ2a研究表明：当KI较小时，裂纹不会扩展，零件是安全的；当KI达到一个临界值时，裂纹才会扩展，这个临界值KIC是材料的性质。断裂韧度断裂韧度KIC:是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，指的是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。单位：MPa·m1/2或者MN·m-3/2KIKIC构件安全KIKIC构件发生脆性断裂KI＝KIC构件发生低应力脆性断裂的临界条件断裂判据应用①已知应力，材料，确定结构安全的最大裂纹长度2ICcKaY②已知裂纹长度，材料，确定结构安全的最大应力ICcKYa③已知应力，裂纹长度，确定结构安全的材料IICKYaK断裂韧度是用高强度钢制造的飞机、导弹和火箭的零件，及用中低强度钢制造气轮机转子、大型发电机转子等大型零件的重要性能指标。•加载方式•材料本质•温度和加载速度•应力集中•零件尺寸四、影响脆性断裂的因素（一）加载方式和材料本质零件受外力作用时，其内部各点的应力状态可用三个主应力σ1、σ2、σ3来（σ1σ2σ3）来表示。材料力学知识max12313maxmaxmax()2α：应力状态软性系数，零件加载方式由α表示。σmaxτmaxτkτsσk侧压α2单向压α＝2扭转α＝0.8单向拉α＝0.5三向不等拉α0.5加载方式不同，断裂方式不同σmaxτmaxτkτsσk侧压α2单向压α＝2扭转α＝0.8单向拉α＝0.5三向不等拉α0.5加载方式相同，材料本质不同，断裂方式不同（二）温度和加载速度σTσkσsTkTk’（三）应力集中应力集中改变了应力状态，σmax↑，τmax↓,α↓。单向拉伸α＝0.5，而缺口拉伸试样α0.5，易引起脆断。因此，应力集中会引起材料脆化。（四）零件尺寸•薄板处于平面应力状态，α较大；•厚板处于平面应变状态，α较小，易产生脆断。第三节零件在交变载荷下的疲劳断裂•基本概念•断口特征•抗力指标一、基本概念交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。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σmax最小应力σmin幅应力σa平均应力σm应力比rmaxminmaxminminmax22amrminmin002mrmaxmax002mrminmax10mr火车轴（弯曲）曲轴（扭转）齿轮齿根（弯曲）球轴承（压缩）00mr连杆（小拉大压）010mr缸盖螺钉（大拉小拉）疲劳断裂的特点•应力很低，常小于静载屈服强度；•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。二、疲劳断口的特征零件所用材料的内部缺陷、加工缺陷、设计欠缺等引起局部应力集中，这些局部区域成为裂纹的产生地，即疲劳裂纹源区。疲劳源区疲劳裂纹扩展区疲劳裂纹形成后，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”，这是疲劳断裂的重要特征。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。疲劳源区和疲劳裂纹扩展区的微观形貌一个疲劳源两个疲劳源微裂纹疲劳条纹疲劳裂纹扩展区疲劳源区三、疲劳抗力指标及其影响因素•无裂纹零件的疲劳抗力指标疲劳极限、过载持久值、缺口敏感度•带裂纹零件的疲劳抗力指标疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth•影响疲劳裂纹抗力的因素载荷类型、材料本质、表面状态、温度、介质（一）无裂纹零（构）件的疲劳抗力指标材料经过无限次应力循环不发生断裂的最大应力。对应于疲劳曲线上水平部分对应的应力值。疲劳极限材料在高于疲劳极限的应力作用下发生疲劳断裂的循环周次。过载持久值N1、N2、N3、N4均为疲劳过载持久值。试验测定材料的疲劳极限常用旋转弯曲疲劳试验，r=-1，结果用σ-1表示。钢铁材料部分在色金属（Al合金）条件疲劳极限应用•多数零件按疲劳极限进行设计；•有些零件承受的交变应力远高于疲劳极限，用过载持久值进行设计。•低周疲劳N105;•高周疲劳N105。疲劳缺口敏感度11ftKqK常用q来衡量缺口对疲劳极限的影响max11;tfmNKK其中，Kt为理论应力集中系数，与零件的几何形状有关，与材料无关，可从手册中查到；Kf为有效应力集中系数，即光滑试样和缺口试样疲劳极限之比，与零件几何形状及材料有关。σmaxσmlgNσσ-1σ-1N•0q1；•Kf→1，σ-1N→σ-1，即缺口不降低疲劳极限，对缺口不敏感，此时q＝0；•Kt＝Kf时，q＝1，缺口严重降低疲劳极限；•q越小越好。（二）带裂纹零构件的疲劳抗力指标aN1aC1Np1在固定应力比和应力幅时，可测得a-N曲线，裂纹扩展速率da/dN随a增加而增大；212Np2aC2增加应力幅，在相同循环次数下，da/dN增大；da/dN与a、Δσ有关maxminmaxminKKKYaYaYaKYalgKlgdadNABCIIIIIIthK10-8~10-6mm/cyc10-5~10-2mm/cycndacKdNK=KIC应用•选材thKYathKYaK•确定带裂纹零（构）件的最大承载能力•确定零（构）件的允许的最大裂纹长度221thcKaY（三）影响疲劳抗力的因素•载荷类型•材料本质•零件表面状态•工作温度•腐蚀介质1.载荷类型•载荷类型对疲劳极限及疲劳裂纹扩展门槛值均有重要影响。拉-压疲劳σ-1p＝0.85σ-1（钢）0.65σ-1（铸铁）扭转疲劳τ-1p＝0.55σ-1（钢）0.8σ-1（铸铁）2.材料本质•不同材料有不同的疲劳曲线，σr、q、da/dN、KIC及Kth不同；σ-1＝0.5σb中、低强度钢0.42σb灰铸铁0.48σb球墨铸铁0.35～0.4σb铸铁铜合金•材料的纯度及组织状态对疲劳抗力有显著影响组织状态σb/MPaσ-1/MPa退火（铁素体＋珠光体）650314淬火（马氏体）208077540Cr钢组织类型对疲劳极限的影响3.零件的表面状态零件的表面缺陷（如裂纹、刀痕等）对其强度影响不大，但疲劳极限有显著影响。材料表面状态σb/MPaσ-1/MPa45钢（正火）光滑656280有刀痕65414540Cr（淬火＋200℃回火）光滑1947780有刀痕19223004.工作温度T↑→σ↓，σr↓，ΔKth↓，da/dN↑5.腐蚀介质在腐蚀介质作用下，σr↓，ΔKth↓，da/dN↑腐蚀疲劳小结•疲劳断裂是零构件常见的一种失效形式，它是一种脆性断裂，危害很大；•疲劳断口上可清楚显示疲劳裂纹源、裂纹扩展区和最后断裂区，断口是判断是判断疲劳断裂的重要依据；•无裂纹零构件设计中常用的疲劳抗力指标是疲劳极限、过载持久值和疲劳缺口敏感度；•σσr，构件不发生疲劳断裂；•σσr，构件在一定的周次下断裂，该周次称为过载持久值，工作应力越大，过载持久值越低；•带裂纹零构件的疲劳抗力指标是ΔKth；•σr与ΔKth均为材料无限寿命的疲劳性能，前者表示材料阻止裂纹形成的能力，后者表示材料阻止裂纹扩展的能力。綦江彩虹桥垮塌-脆性断裂分析彩虹桥竣工庆祝现场坍塌的彩虹桥彩虹桥的主要受力拱架钢管焊接质量不合格，存在严重缺陷，个别焊缝并有陈旧性裂痕；钢管内混凝土抗压强度不足，低于设计标号的三分之一；连接桥梁、桥面和拱架的拉索、锚具和镏片严重锈蚀。工程质量问题坍塌原因有二，一是工程质量问题，二是工程承发包不合法。此工程无设计专用章，设计手续不全，实际上是私人设计；施工承包者是一个挂靠国有的个体业主，其组织的施工队伍不具备进行市政工程建设的技术力量和设备，不具有合法的市政工程施工