第1章金属的力学性能与结构-1资料.ppt

第一章 机 械 工 程 概 论 Introduction to mechanical engineering 金属的典型蠕变示意图 2007年7月31日，美加利福尼亚一在建立交桥坍塌。 金属的力学性能 —— 断裂韧度 2007年8月1日，美国明尼阿波利斯市，密西西比河桥梁整体坍塌。 金属的力学性能 —— 断裂韧度 2007年8月13日，湖南凤凰县在建的堤溪沱江大桥整体坍塌。死36… 金属的力学性能 —— 断裂韧度 2007年9月9日，印度安得拉邦首府海得拉巴一在建立交桥部分坍塌… 金属的力学性能 —— 断裂韧度 金属的力学性能 —— 断裂韧度 2009-5-17，湖南株洲高架桥坍塌，6死17伤 2009-7-13，印度在建地铁高架桥发生坍塌事故，5死15伤 2009-7-15，津晋高速公路匝道桥坍塌，6死4伤 2009-9-25，印度电厂在建烟囱倒塌，超100人死亡 2009-11-14，浙江温州在建高架桥坍塌，死伤8人 2010-1-4，昆明在建新机场立交桥垮塌，7死34伤 2010-6-8，吉林省道302朝长公路锦江大桥坍塌，6伤 2010-7-24，河南伊河汤营大桥垮塌已致37人死亡19人失踪 …… 类似的事故仍然一直在不断上演： 断裂应力均低于材料的屈服极限σ0.2 ； 即使是塑性材料，断裂前也没有塑性变形的征兆，而呈脆性断裂； 上述断裂事故可统称为“低应力脆断”。 传统材料力学不能解释低应力脆断，为研究其机理与规律，防此类事故的发生，一门新的边缘科学 —— 断裂力学应运而生。 金属的力学性能 —— 断裂韧度 金属的力学性能 —— 断裂韧度 上述事故的共同点： 材料力学的观点： 金属的力学性能 —— 断裂韧度 将金属材料看成无缺陷的均匀体； 断裂力学的观点： 将金属材料看成有许多宏观裂纹的连续体； 实践证明，低应力脆断总是由材料中宏观裂纹的扩展引起； 裂纹可能是气孔、缩松、夹杂等冶金缺陷，也可能是在加工和使用过程中形成，因而是难以避免的； 为此，断裂力学提出新的强度韧性指标（如断裂韧度），以解决零部件内存在裂纹情况下的安全和寿命问题。 断裂力学中表征材料脆性断裂的一种重要抗力指标。 金属的力学性能 —— 断裂韧度 裂纹： 构件中有了宏观裂纹，会降低实际的断裂强度，裂纹在外力作用下的扩展方式主要分三种（实际不局限于此） 张开型(I型)裂纹：火箭发动机壳体存在纵向裂纹时，在环向正应力的作用下，便属于I型裂纹；最危险的类型； 滑开型(Ⅱ型)裂纹：两块厚板用螺栓连接并承受拉力P，当AB面上的螺栓表面有一环向裂纹时，在一对剪应力的作用下，便属于Ⅱ型裂纹； 撕开型(Ⅲ型)裂纹：传动轴工作时受扭转力矩作用，轴上有一环向裂纹时，在一对剪应力作用下，便属Ⅲ型裂纹。 张开型裂纹Ⅰ 滑开型裂纹Ⅱ 撕开型裂纹 Ⅲ 断裂力学提出了一个描述裂纹尖端附近应力场强弱程度的参数 —— 应力强度因子 KI： Y —— 裂纹形状系数，无量纲，1~2； σ—— 作用于工件的拉应力； a —— 裂纹的半长； 可见，随着受载程度和裂纹尺寸的增加，即σ增大，或a 增大，或σ、a 同时增大时，KI也随之增加； 金属的力学性能 —— 断裂韧度 裂纹尖端的实际应力（纵向）与 KI 成正比。 裂纹尖端应力场 金属的力学性能 —— 断裂韧度 KI较小时，裂纹尖端实际应力小于材料强度极限，处于稳定状态，此时裂纹也会由于交变载荷或腐蚀而扩展，但为稳定扩展； KI增大到某临界值时，裂纹尖端应力会超过材料强度极限，使裂纹失稳自动扩展，a 增大，使KI增大，实际应力进一步加大，裂纹迅速扩展，恶性循环，试样断裂，此为失稳扩展。 KI的临界值KIC ，即材料的断裂韧度，此时应力称临界应力σC，裂纹长度a 称临界裂纹长度，aC 。 金属的力学性能 —— 断裂韧度 KIC 代表含裂纹材料抵抗宏观裂纹失稳扩展能力的一个新的力学性能指标；KIC与KI的区别： 不同的概念，与 同 的区别类似； KI 同 对应，只与载荷及试样尺寸相关，与材料无关； KIC对应 ，只与材料成分、组织结构相关，是材料的力学性能指标，而与载荷及试样尺寸无关； 当 时，均质材料断裂；当 时，裂纹失稳扩展，裂纹实体发生低应力脆断。 金属的力学性能 —— 断裂韧度 金属的力学性能 —— 强度 弹性变形： 试样加载后应力不超过σe ，若卸载，试样能恢复原状； 弹性： 材料不产生永久变形的性能，称为弹性； 弹性极限： σe 为材料不产生永久变形所能承受的最大应力，称为弹性极限，即 pe 段的e点； 比例极限： 材料为保持载荷与伸长量成比例增长所能