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含裂纹构件的断裂.DOC

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含裂纹构件的断裂

第十四章 含裂纹构件的断裂 一、基本要求 1.了解工程中构件发生低应力脆断的原因,断裂力学的任务及其与传统强度计算方法之间的关系; 2.理解应力强度因子的概念,掌握简单断裂问题应力强度因子的计算方法; 3.理解断裂韧度的概念,能应用脆性断裂准则进行简单裂纹问题的计算; 4.了解疲劳裂纹的扩展规律,能估算含裂纹构件的剩余疲劳寿命。 二、内容提要 1.概述 1)低应力脆性断裂 在构件的工作应力低于屈服应力的情况下,构件发生脆性断裂,即为低应力脆断。研究表明,它是由于构件上宏观尺寸的裂纹在一定应力作用下发生迅速扩展造成的。 2)断裂力学的任务 研究在载荷作用下裂纹尖端附近的应力、位移及裂纹扩展规律;了解带裂纹构件的承载能力,从而提出抗断裂设计方法,以保证构件安全工作。 3)构件中裂纹的三种基本类型 (1)张开型或I型裂纹(图14-1(a)) (1)滑移型或II型裂纹(图14-1(b)) (1)撕裂型或III型裂纹(图14-1(c)) 本章讨论I型裂纹的断裂问题。 2.应力强度因子 图14.2所示,无限大平板具有长为2a的中心穿 透裂纹在无限远处受垂直于裂纹平面的均匀拉应力作用。应用弹性力学的方法可以得到裂纹尖端附近区域(ra)内任一点A处的应力分量表达式 (14-1) 式中 (14-2) 称为I型裂纹尖端处的应力强度因子。 由式(14-1)可见,对于裂尖附近区域的某一定点,r、θ是一定的,该点的应力分量完全取决于应力强度因子,愈大,则应力分量愈大。 应力强度因子的普遍形式为 (14-3) 式中称为修正系数,其值与构件和裂纹的几何特性以及构件的受力形式有关。应力强度因子的计算是断裂力学的一个重要内容。 3.断裂韧度与断裂准则 1)断裂韧度 使裂纹发生失稳扩展的应力强度因子值,称为材料的断裂韧 度,用表示。试验表明,断裂韧度的值与试样的厚度B有关。当试样的厚度大于某一数值后,断裂韧度趋于一个稳定的低值。这个稳定的低值称为平面应变断裂韧度,用表示。它是材料的力学性能,表示材料抵抗脆断破坏的能力。 2)脆性断裂准则 当裂纹尖端的应力强度因子达到材料的断裂韧度时,裂纹即发生失稳扩展。故I型裂 纹的脆性断裂准则为 (14-4) 根据式(14-4),可以检验含裂纹构件在给定载荷下是否会发生裂纹失稳扩展,也可以确定裂纹发生失稳时构件的临界载荷与裂纹的临界尺寸。 4.疲劳裂纹扩展速率与剩余寿命估算 1)疲劳裂纹的亚临界扩展 含裂纹构件在交变应力作用下,虽然低于,但裂纹仍由初始尺寸a0扩展至临界尺 寸aC的过程,称为疲劳裂纹的亚临界扩展。 裂纹长度a对循环次数N的变化率称为疲劳裂纹扩展速率。试验结果表明,影响 的主要因素是裂尖应力强度因子幅度。 (14-5) 在高周恒应力幅度下,与的关系如图14.4所示。大致可分为三个阶段: (1)当时,裂纹不会扩展。当达到或稍大 于时,裂纹扩展急骤上升。称为裂纹扩展的门槛值。 (2)当时,裂纹稳定扩展。广泛使用Paris公 式描述这一阶段的裂纹扩展规律,即 (14-6) 式中c与n是材料常数,由试验测定。 (3)随裂纹的扩展,逐渐增大。当达到,裂纹失稳扩展直至断裂。 2)含裂纹构件剩余寿命估算 由公式(14-6),得 积分得 (14-7) 式中a0为裂纹的初始长度;aC为裂纹失稳扩展时的临界长度;Nf为到达失稳扩展时的循环次数,即构件的剩余寿命。 三、典型例题分析 例14.1 铝合金2024-T3的抗拉强度,平面应变断裂韧度。D6AC高强度钢的抗拉强度,。若用这两种材料制成同样尺寸的板都有长为2a=2mm的中心贯穿裂纹,假设两种材料均为线弹性的,应力强度因子的表达式为。试求裂纹失稳扩展时的临界应力,并对两者进行分析比较讨论。 解:1.求铝合金板裂纹失稳扩展时的临界应力 由,即得 2.求高强度钢板裂纹失稳扩展时的临界应力 同理,由得 3.讨论 由计算结果可见,铝合金板裂纹失稳扩展时的临界应力远远超过其抗拉强度,故该板将首先发生强度失效。而高强度钢的临界应力低于其抗拉强度,故该板将首先发生裂纹失稳扩展。虽然其强度高,但是由于断裂韧性低,所以不能充分发挥其高强度性能。 返回

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