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损伤容限设计
2.温度的影响: 一般说来KIC值随温度升高而增大。 3.腐蚀环境的影响: 金属材料在特定的腐蚀环境中工作,它的断裂韧度也会下降。 四、应力强度因子断裂判据 对于一个带裂纹的零件,其裂纹尖端的应力场的强弱,对I型裂纹可用KI来定量描述;而材料抵抗裂纹的扩展能力可用KIC来评定,故由这两个量的相对大小就可以判断裂纹体是否会发生脆断,脆断判据为: 如果上式成立,则零件的裂纹将会扩展。 所以,带裂纹零件不发生脆断的条件,也就是裂纹不产生失稳扩展的条件即为: 裂纹尖端的应力强度因子达到临界值KIC时,裂纹扩展长度也相应达到临界长度aC值,称为临界裂纹长度,表达式为: 若有: 则表示零件已不可用; 若有: 则表示零件仍可继续使用。 五、疲劳裂纹亚临界扩展规律 一个含有初始裂纹(长度为a0)的零件,在承受静载荷时,只有当应力水平达到临界应力σC时,亦即裂纹尖端的应力强度因子达到临界值KIc时,才会发生脆性断裂。若静载作用下的应力σ<σC时,则构件就不会发生破坏。但是,如果零件承受一个具有一定幅值的交变应力的作用,裂纹在交变应力作用下就会缓慢地扩展。当裂纹长度达到临界长度aC时,裂纹发生失稳扩展,零件迅速破坏。裂纹在交变应力作用下,由初始长度a0扩展到临界长度aC的这一扩展过程,叫做疲劳裂纹的亚临界扩展。 为了确保在使用时已存在的和正在扩展的裂纹不会造成灾难性破坏,必须可靠地确定疲劳条件下的亚临界裂纹扩展速率,它是决定零、部件疲劳破坏寿命的特性指标之一,研究裂纹在变应力下的扩展速率是对传统疲劳试验和分析方法的一个重要发展和补充。 如果在应力循环ΔN次之后,裂纹扩展量为Δa,则应力每循环一 周,裂纹扩展为(Δa/ΔN),称为疲劳裂纹亚临界扩展速率,简称疲劳裂纹扩展速率。在极限条件下,疲劳裂纹扩展速率用(da/dN)表示。 对于裂纹扩展速率,近年来在国内外作了大量的研究工作。在高周恒幅交变载荷下测得的疲劳裂纹扩展数据,经过整理后画在lg (da/dN)-lg (ΔKI) 坐标系中,得到如图所示的试验曲线。 ΔKI称为应力强度因子幅度。 将试验测得的数据经过整理,得到如图所示的曲线。该图明确表示出了疲劳裂纹扩展速率da/dN是应力强度因子幅度ΔKI的函数。 da/dN与ΔKI的关系在双对数坐标上是一条S形曲线,这条da/dN—ΔKI曲线大致可以划分为三个区域: I区、II区和III区。 I区为不扩展区,在该阶段内,应力强度因子幅度ΔKI值小,并在da/dN=0处给出了ΔKth值。当ΔKI值小于某一界限值ΔKth 时,裂纹基本上不扩展。该界限值ΔKth称为疲劳裂纹扩展门槛值。 * 第二讲 机械抗疲劳设计 (三) 高等机械设计 损伤容限设计 ——线弹性断裂理论在疲劳强度设计中的应用 一、裂纹的宏观表现方式 二、应力强度因子K 三、断裂韧性 四、应力强度因子断裂判据 五、疲劳裂纹亚临界扩展规律 六、疲劳裂纹扩展寿命的估算 前述的常规疲劳强度设计法是把材料的初始状态看作没有裂纹的均匀连续体,经过一定应力循环之后,由于材料的损伤积累才形成裂纹,它没有考虑材料内部固有的裂纹与缺陷。传统的疲劳强度设计公式是从S—N曲线推导出来的,例如材料的疲劳极限或有限寿命疲劳极限等,都是材料达到疲劳破坏时的极限应力,凡是计算应力小于或等于疲劳极限,其疲劳强度都是安全的。因此,传统的疲劳强度理论认为:凡是静强度指标高的材料,疲劳强度也高,疲劳寿命也长。 事实上并非全是如此。为了提高疲劳强度而采用了高强度材料,例如高强度钢制的容器、焊接结构、低温设备等,虽然传统的疲劳强度设计符合要求,但却出现了在低应力情况下的脆断。脆性断裂是机械零件失致方式之一。即机件受载过程中未显示明显的宏观塑性变形前就突然发生断裂。防止机件脆断的传统方法是选择材料具有一定数值的塑性,但这种方法是经验性的,并不能保证机件工作安全。特别是对导弹、火箭、高速航空器等使用高强度材料的制品,其低应力脆断最为突出。 第二次世界大战期间,由于新工艺、新材料及其在新环境中的大量使用,世界上接连发生了许多次低应力脆断的灾难性事故。其中著名的有:1942~1948年间,美国近五千艘焊接的“自由轮”和“T—2”油船在使用中发生了一千多次低应力脆断事故,其中238艘完全报废,21艘折为两段;1950年美国“北极星”导弹的260英寸固体火箭发动机壳体(用高强度材料σb=1400MPa制造)在实验发射时发生脆断爆炸,破坏应力不足屈服极限的一半;1954年“世界协和号”巨轮在北大西洋折成两半,美国“慧星号”飞机在空中发生脆断事故;1954~1956年美国有多起大型电站转子断裂;60年代美英日等国均发生多起压力容器爆炸事故。 脆断失效具有下列特点:一是低应力破坏,其工作应力小于疲劳极限,有时只有屈服极限的一半;二
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