2014iwe课件38动载结构7断裂力学.pptx

3/7 断裂力学介绍 Mechanics of fracture; 结构承受载荷的性质（拉、压、扭转、剪切）、大小、方向、作用位置中一项或多项不断变化（疲劳）或变化过大、过速（冲击）的情况都属于动载。疲劳是结构失效的基本形式，约占结构失效总量的80～90%。冲击载荷容易造成结构的脆性破坏。造成脆性破坏，或加速疲劳破坏的原因可能是结构形式不佳（如应力集中严重）或结构工作环境的恶化（如环境温度变得过低，使材料材质变脆；或环境介质腐蚀性强，使结构缺陷加深增大）等。疲劳破坏和脆性破坏都属于低应力破坏，发生破坏时的工作应力可能只有结构材料屈服极限的1/2，1/5，1/10，甚至没有外载荷。; 例如，历史上曾经发生的破坏事件：海面上本来风平浪静，船舶却突然开裂破坏；火车尚未到达大桥，大桥却突然先行倒塌。人类已经为突发性的低应力破坏付出了太多、太沉重的代价。科研工作者为研究低应力破坏的机理、规律、预防措施等，做出了巨大贡献，我们应当认真学习研究这些知识，预防低应力破坏事件的发生。;1.2结构脆性断裂的特点： ;—断裂之前无明显塑性变形，无征兆，突发断裂。 ;1.3结构发生脆性断裂的原因和条件（金属结构脆性断裂的能量理论） ;⑴ 一个 的微裂纹体（图2）， ，在平均力F的作用下，伸长了 长，两端固定起来（相当于被均匀拉伸的弹性体的一个局部）。 ; ⑷ 产生2a长裂纹需要的能量： ，裂纹有上下2个2a·1的表面。产生单位裂纹表面所需的弹性变形能为r，塑性变形能为p。 ;;因为r 远远小于p 。可作如下分析：a较小时，;① 由能量原理可以看出，拉应力σ（可能包括外载引起的拉应力和内部残余拉应力）是裂纹产生和扩展的动力，拉应力及缺陷的大小直接影响裂纹萌生和扩展的速度。;1.4 影响金属结构延、脆性断裂的主要因素（产生脆性断裂的原因）;② 延／脆 转变温度高（图3），容易发生脆性断裂。化学成分和晶粒度，对转变温度的高低影响较大。;③ 材质缺陷（气孔、疏松、偏析、夹杂、夹渣、夹层、裂纹、伤痕、咬肉…等）是产生应力集中的根源；缺陷较多、较大或处在拉应力区，则影响较大；垂??拉应力的片状缺陷，特别是裂纹影响最大。;⑶ 内部应力： ;1.4.2外在客观因素;① 不同加载方式的应力状态系数 在应力状态图4中，软性系数 是通过坐标原点斜线的斜率： ;;② 结构表面形状突变和金属内部缺陷，特别是垂直主应力方向的片状缺陷、裂纹等，在裂纹尖端或在应力集中点，会形成三向拉伸的应力状态。 ;③ 材料的塑性较好，即材料D1的屈服点 与材料的正断抗力 的比值 较小时，材料容易发生塑性变形。这有三点好处： ; 否则，如果材料的塑性较差，在外力增大时，就会在金属缺陷部位，逐渐积累起较大的弹性变形能，一旦条件成熟，裂纹扩展，积累起来的弹性变形能释放出来，就会成为裂纹失稳扩展的动力，形成瞬间发生的脆性断裂。 ;⑶ 加载速率 ;1.5预防脆性断裂的措施;1.5.1正确选择材料 ; 实际结构材料及其生产制造工艺所能达到情况，却与需求相反，如图6所示。材料强度较低时，常有较大的塑性储备，而材料强度较高时，塑性韧性却明显不足。 ;图7 焊接接头焊缝与母材的强度匹配关系图 a) 高组配 b) 低组配; 高强材料的焊接接头采用低组配，这实际上，是高韧性组配，焊缝材料化学成分纯度高，杂质少，韧性好，接头承载时，焊缝金属和母材相比，有一定的塑性变形能力，有利于减小缺陷或应力集中的影响，促使应力均匀化，推迟裂纹的萌生，减缓裂纹的扩展。 另外，高韧性，低组配的焊接接头，工艺性好，焊接缺陷少。焊缝宽度较窄时（窄间隙焊接），高韧性，低组配的焊接接头能与母材等强度。;;图8 对接焊缝及缓和槽;⑶ 尽量避免接头区局部刚度过大，如图10，局部刚度越大，对应力集中越敏感。;;1.5.4 正确使用，精心维护 ;2断裂力学及其在焊接中的应用; 近代高强合金材料大量涌现，强度越来越高，结构越来越轻巧，但材料的塑性储备越来越小，对缺陷、应力集中、内应力的影响越来越敏感，低应力脆性破坏事故屡屡发生，给人类造成巨大损失，断裂力学应运而生。 ; 研究表明，结构的脆性破坏，与名义工作应力关系不大，直接取决于临近缺陷位置的局部应力和应力集中程度。结构的低（工作）应力破坏是由宏观裂纹的扩展而引发的。; 裂纹扩展有稳定扩展（又称亚临界扩展）和不稳定扩展（失稳扩展）两种： ① 裂纹只有不断接受外界能量，才会扩展的情况，