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          材料力学12(完整)

          简介:本文档为《材料力学12(完整)ppt》,可适用于财会税务领域

          第十二章疲劳与断裂疲劳破坏及其断口特征SN曲线及疲劳裂纹萌生寿命断裂失效与断裂控制设计dadNDK曲线及疲劳裂纹扩展寿命机械、结构等受力如何?如何运动?如何变形?破坏?如何控制设?#30130;?#20854;目的是:了解工程系统的性态并为其设计提供合理的规则。工程力学:将力学原理应用实际工程系统的科学。回顾强度稳定研究对象是无缺陷变形体目的是保证在一次最大载荷作用下有足?#22351;?#24378;度和稳定性。应力控制按静强度设计满足???为什么还发生破坏?主要原因是由缺陷或裂纹导致的断裂。有缺陷怎么办?研究含缺陷材料的强度断裂Fracture多次载荷作用下如何破坏?研究多?#38382;?#29992;载荷作用下裂纹如何萌生、扩展。疲劳FatigueFracture缺陷从何而来?材料固有或使用中萌生、扩展疲劳与断裂裂纹如何萌生?有裂纹是否发生破坏?构件能用多长时间?(寿命)疲劳断裂破坏的?#29616;匭阅?#32654;国众议院科学技术委?#34987;?#22996;托商业部国家标准局(NBS)调查断裂破坏对美国经济的影响。提交报告:“美国断裂破坏的经济影响”SP“数据资料和经济分析方法”SP断裂使美国一年损失亿美元摘要发表于IntJofFracture,Vol,No,译文见力学进展VolNo普及断裂的基本知识可减少损失(亿年)。对策设计、制造人员了解断裂主动采取改进措施如设计材料断裂韧性冷、热加工质量等。国际民航组织(ICAO)发表的“涉及金属疲劳断裂的重大飞机失事调查”指出:年代以来由金属疲劳断裂引起的机毁人亡重大事故平均每年次。(不包括?#23567;?#33487;)IntJFatigue,Vol,No,疲劳断裂引起的空难达每年?#25105;?#19978;工程实际中发生的疲劳断裂破坏占全部力学破坏的是机械、结构失效的最常见?#38382;健?#22240;此工程技术人员必须认真考虑可能的疲劳断裂问题。一、什么是疲劳?ASTME疲劳破坏及其断口特征疲劳是在某点或某些点承受扰动应力且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程。研究目的:发展过程有多长?预测寿命N。N=NiNp裂纹萌生扩展扰动应力高应力局部裂纹发展过程。问题的特点:只有在扰动应力作用下疲劳才会发生。扰动应力?#20405;?#38543;时间变化的应力。恒幅循环载荷最简单。恒幅循环应力?#20146;?#31616;单的。循环应力(cyclicstress)的描述:常用导出量:平均应力Sm=(SmaxSmin)描述循环应力水平的基本量:SmaxSmin应力幅Sa=(SmaxSmin)应力?#28982;?#24490;环特性?#38382;齊=SminSmax应力变程DS=SmaxSmin已知?#25105;?#20108;个量其余即可导出。设?#30130;?#29992;SmaxSmin直观试验:用SmSa便于加载分析:用SaR突出主要控制参量,便于分类?#33268;邸?#20027;要控制参量:Sa重要影响参量:R频率(f=Nt)和波形的影响是较?#25105;?#30340;。应力比R反映了载荷的循环特性。如对称循环静载脉冲循环破坏起源于高应力、高应变局部。应力集中处常常是疲劳破坏的起源。要研究细节处的应力应变。静载下的破坏取决于结构整体疲劳破坏则由应力或应变?#32454;?#30340;局部开始形成损伤并逐渐累积导致破坏发生。可见局部性是疲劳的明显特点。因此要注意细节设计研究细节处的应力应变尽可能减小应力集?#23567;?#30130;劳损伤的结果是形成裂纹有裂纹萌生扩展断裂三个阶段。要研究疲劳裂纹萌生和扩展的机理及规律。飞机轮毂疲劳断口)有裂纹源、裂纹扩展区和最后断裂区三个部分。裂纹源裂纹扩展区海滩条带最后断裂区二、疲劳断口特征)裂纹扩展区断面较光滑可见“海滩条带”,还有腐蚀痕迹。高倍电镜可见疲劳条纹(CrNiWMoV钢)金属学报,)肉眼透射电镜万倍)裂纹源在高应力局部或材料缺陷处。二、疲劳断口特征)与静载破坏相比即使是?#26377;?#26448;料也没有明显的塑?#21592;?#24418;。)实际工程?#26800;?#34920;面裂纹多呈半椭圆形。疲劳破坏与静载破坏之比较疲劳破坏S<Su破坏是局部损伤累积的结果。断口光滑有海滩条带或腐蚀痕迹。有裂纹源、裂纹扩展区、瞬断区。无明?#36816;芐员?#24418;。应力集中对寿命影响大。由断口可分析裂?#30772;?#22240;、扩展信息、临界裂纹尺寸、破坏载荷等是失效分析的重要依据。静载破坏S>Su破坏是瞬间发生的。断口粗糙新鲜无表面磨蚀及腐蚀痕迹。韧性材料塑?#21592;?#24418;明显。应力集中对极限承载能力影响不大。疲劳断口分析有助于判断失效原因可为改进疲劳研究和抗疲劳设计提供参考。因此应尽量保护断口避免损失了宝贵的信息。由疲劳断口进行初步失效分析断口宏观形貌:是否疲劳破坏裂纹临界尺寸破坏载荷?是否正常破坏?金相或低倍观察:裂纹源?是否有材料缺陷?缺陷的类型和大小?高倍电镜微观观察:“海滩条带”“疲劳条纹?#31508;?#29992;载荷谱估计速率。第一次作业?#21512;?#39064;:应力疲劳:Smax<sysNf>也称高周(长寿命)疲劳。S应力水平用Sa和R描述。N寿命为到破坏的循?#21453;问N曲线应力疲劳SN曲线及疲劳裂纹萌生寿命研究裂纹萌生寿命“破坏”定义为:标准小尺寸试件断裂。脆性材料出现可见小裂纹,或可测的应变降。?#26377;?#26448;料应变疲劳:Smax>sysNf<也?#39057;椭?#24212;变疲劳。应变疲劳R=(Sa=Smax)条件下得到的应力S寿命N曲线。基本SN曲线:一般形状及特性值用一组标准试件在R=下施加不同的Sa进行疲劳试验可得到SN曲线。SN曲线上对应于寿命N的应力称为寿命为N循环的疲劳强?#21462;?#30130;劳强度(fatiguestrength)SN:“无穷大”一般被定义为:钢材次循环焊接件×次循环疲劳极限(endurancelimit)Sf:寿命N趋于无穷大时所对应的应力S的极限值Sf。对称循环下的疲劳极限Sf(R=)简记为S。满足S<Sf的设计即无限寿命设计。有色金属次循环。SN曲线的数学表达得到SN曲线为:Sm?N=Cm与C是与材料、应力?#21462;?#21152;载方式等有关的?#38382;?#19988;有:A=LgCmB=m。实验结果表明SN间有对数线性关系lgS=ABlgNA、B由线?#38405;夂细?#20986;。R?Sm?且有:Sm=(R)Sa(R)R的影响?Sm的影响Sm>,对疲劳有不利的影响Sm<,?#39038;?#24179;均应力存在对疲劳是有利的。喷丸、?#36153;购?#39044;应变?残余压应力?提高寿命。平均应力的影响)一般趋势Sa不变R?orSm?N?N不变R?orSm?SN?)SaSm关?#31561;?#22270;在等寿命线上Sm?Sa?Sm?Su。Haigh图:(无量纲?#38382;?N=,当Sm=时Sa=S当Sa=时Sm=Su。对于其他给定的N只需将S换成Sa(R=)即可。利用上述关系已知Su和基本SN曲线即可估计不同Sm下的Sa或SN。Goodman等寿命直线:(SaS)(SmSu)=已知应力比R应力幅Sa恒幅疲劳寿命估算方法:已知材料的基本SN曲线解:工作循环应力幅和平均应力:Sa=(SmaxSmin)=MPaSm=(SmaxSmin)=MPa例:构件受拉压循环应力作用Smax=MPa,Smin=MPa。材料的极限强度为Su=MPa基本SN曲线为SN=?试估算其寿命。求Sa(R=)。由方程:(SaSa(R=))(SmSu)=可解出:Sa(R=)=MPa估计构件寿命N=CSm=×=×(次)若构件在某恒幅应力水平S作用下循?#20998;?#30772;坏的寿命为N则循?#20998;羘?#38382;?#30340;损伤定义为:D=nN若n=,则D=构件未受损伤D随循环数n线性增长:线性累积损伤理论若n=N则D=发生疲劳破坏。疲劳破坏判据为:D=Di=niNini是在Si作用下的循?#21453;问?#30001;载荷谱给出Ni是在Si下循环到破坏的寿命由SN曲线确定。若构件在k个应力水平Si作用下各经受ni次循环总损伤为:(i=,,k)Miner累积损伤理论是线性的损伤和D与载荷Si的作用次序无关。线性累积损伤理论与载荷的作用次序无关。变幅载荷下的疲劳分析解:由SN曲线算Ni例构件SN曲线为SN=×若其一年内所承受的典型应力谱如表试估?#30772;?#23551;命。设构件寿命为?年则总损伤应当是D=??(niNi)。计算Di=niNi一年的损伤为:?(niNi)=?(niNi)=Miner理论给出:D=??(niNi)=故有:?=?(niNi)==(年)例已知SN曲线为SN=×设计寿命期间载荷谱如表。试估计最大可用应力水平S。解:假定载荷F时的应力水平为Si=MPa。由SN曲线得到Ni,计算损伤Di列入表?#23567;?#21487;知若取S=MPa,D=>,发生疲劳破坏。再取S=MPa,算得:D=<,可达设计寿命。总损伤D=?Di=?niNi=Di=niNi变幅载荷疲劳分析的方法:)已知典?#26925;?#26399;内的应力谱估算使用寿命。典型应力谱(Si,ni)判据lD=SN曲线)已知应力谱型和寿命估计可用应力水?#20581;?#24212;力谱型(Si?,ni)判据D=SN曲线随机谱与循环计数法恒幅载荷变程?#21512;?#37051;峰、谷点载荷值之差。有正、负变程反向点:峰或谷斜率改变符号之处。适于以典型载荷谱段表示的重复历程。简化雨流计数法(rainflowcounting)雨流计数法要求典型?#26410;幼?#22823;峰或谷处起止。简化雨流计数方法:第一次雨流谱转?雨滴下流。若无阻挡则反向流至端点。记下流过的最大峰、谷值为一循?#33539;?#20986;?S,Sm。删除雨滴流过部分对剩余历程重?#20174;?#27969;计数。简化雨流计数结果:第一次雨流雨流计数是二?#38382;?#35745;数结果均为全循环。典型段计数后的重复只需考?#20405;?#22797;?#38382;?#21363;可。小结:R=的SN曲线是基本SN曲线。疲劳?#38405;?#21487;用SN曲线描述:Sm?N=CSa不变时平均应力Sm增大疲劳寿命下降。Goodman直线(不同应力水平的等寿命转换)(SaS)(SmSu)=无限寿命设?#30130;篠?SfSf疲劳持久极限第二次作业?#21512;?#39064;:断裂失效与断裂控制设计结构?#26800;?#32570;陷是引起破坏的重要原因。最?#29616;?#30340;缺陷是裂纹。世纪年代后“断裂力学”形成、发展人们力图控制断裂、控制裂纹扩展。裂纹从何而来?材料缺陷疲劳萌生加工、制造、装配等损伤。世纪年代美国北极星导弹固体燃料发动机壳体发射时断裂。材料为高强度钢屈服强度?s=MPa工作应力??MPa。年月英国JohnThompson公司制造的大型氨合成塔在水压试验时断裂成二段碎块最重达吨。断裂起源于焊缝裂纹发生断裂时的试验应力仅为材料屈服应力的。一、结构?#26800;?#35010;纹按静强度设计控制工作应力?。但在???时结构发生破坏的事例并不鲜见。低应力断裂:在静强度足?#22351;?#24773;况下发生的断裂。低应力断裂是由裂纹引起的。?#33268;?#24352;开型(I型)裂纹最常见、最?#29616;亍?#20108;维裂纹穿透厚度裂纹最简单。二、断裂控制参量和断裂判据作用(?、a)越大抗力(KC)越低越可能断裂。抗力断裂控制参量:应力强度因子K这是进行抗断设计的基本控制方程。断裂判据:KC是材料断裂韧性(抗断指标)试验确定。三、材料的平面应变断裂韧性Kc)标准试件(GB)应力强度因子?#28023;?#35797;验装置监测载荷F、裂纹张开位移V得到试验FV曲线确定裂纹开始扩展时的载荷FQ和裂纹尺寸a代入应力强度因子表达式即可确定KC。)FQ的确定:若在F前无载荷大于F则取FQ=F若在F前有载荷大于F则取该载荷为FQ。作比FV线性部分斜率小的直线交FV于F。试验有效条件FmaxFQ<预制裂纹的前缘一般呈弧形故实际裂纹尺寸应打开试件断口后测量?#31561;?#23450;。四等分厚度用工具显微?#30423;?#21462;五个处裂纹尺寸取a=(aaa))裂纹尺寸a的确定?#20309;?#20445;证裂纹的平直度还要求满足:a(aa)?a?#33268;郟?#21402;度的影响实验表明材料断裂时应力强度因子KC与试件的厚度B有关。平面应变:厚度足够大时沿厚?#30830;较?#30340;变形被?#38469;?#22312;垂直于厚?#30830;较?#30340;平面内可以不计。KC是材料的平面应变断裂韧性是材料?#38382;齂C是材料在某给定厚度下的临界断裂值。平面应变厚度要求:B>(Kcsys)预制裂纹尺寸:Da>mmW<aDa<W预制裂纹时的疲劳载荷:Kmax<()Kc。试验有效性条件与尺寸要求汇总:(国标GB)断裂载荷有效性:FmaxFQ<裂?#30772;?#30452;度有效性:a(aa))a<满足上述条件才是平面应变断裂韧性KC。例用B=mm的标准三点弯曲试件测断裂韧性裂纹尺寸为a=mm。试验测得FQ=kN,Fmax=kN材料的?=MPa,求其KC。解:对于标准三点弯曲试样有:有效性检验:B=mm>(Kcsys)=mmFmaxFQ==?已知?、a算K选择材料保证不发生断裂一般地说为了避免断裂破坏须要注意:)已知a、材料的Kc确定?#24066;?#20351;用的工作应力?)已知?、Kc确定?#24066;?#23384;在的最大裂纹尺寸a。)已知?、a算K选择材料保证不发生断裂断裂判据:)已知a、材料的KC确定?#24066;?#20351;用的工作应力?)已知?、KC确定?#24066;?#23384;在的最大裂纹尺寸a。四、断裂控制设计的基本概念抗断裂设计计算?#20309;?#23450;判据:F?Fcr解?#28023;?#19981;考虑缺陷按传统强度设计考虑。选用二种材料时的?#36393;?#31995;数分别为:材料:n?=?ys?==材料:n?=?ys?==)考虑缺陷按断裂设计考虑。由于a很小对于单边穿透裂纹应有:或选用材料将发生低应力脆性断裂选用材料既满足强度条件也满足抗断要求。选用材料:?c=(?)=MPa<?选用材料:?c=(?)=MPa>?注意a越小KC越大临界断裂应力?c越大。因此提高KC控制a利于?#20048;?#20302;应力断裂。压力容器?#26412;?#22823;曲率小可?#28216;?#25215;受拉伸应力的无限大?#34892;?#35010;纹板f=。解:由球形压力容器膜应力计算公式有:?=pdt=?(?)=MPa在发生断裂的临界状态下有:?=pdt得到:ac=()()=m=mm裂纹在静强度足?#22351;?#24773;况下可引起断裂。工程中最常见的、危害最大的是I(张开)型裂纹。作用抗力?#34892;?#35010;纹宽板f=单边裂纹宽板f=。抗断裂设计基本认识:裂纹尺寸a与应力强度因子K的平方成正比故断裂韧性Kc增大一倍断裂时的临界裂纹尺寸将增大到四倍。第三次作业?#21512;?#39064;:第十二章疲劳与断裂疲劳破坏及其断口特征SN曲线及疲劳裂纹萌生寿命断裂失效与断裂控制设计dadNDK曲线及疲劳裂纹扩展寿命问题:有缺陷怎么办?发现裂纹能否继续使用?剩余寿命?如何控制检修?理论基础:线弹性断裂力学()计算手段:计算机迅速发展实验手段:高倍电镜、电液伺服疲劳机电火花切割机等疲劳裂纹萌生研究(已?#33268;郟篸adNDK曲线及疲劳裂纹扩展寿命研究问题:含裂纹体的疲劳裂纹扩展规律疲劳裂纹扩展寿命预测方法。循环载荷作用下的裂纹扩展速率研究思路断裂力学法初始条件:N=时a=a破坏条件:N=Nf时a=acdadNDK曲线及疲劳裂纹扩展寿命给定a???,dadN?一、疲劳裂纹扩展速率dadN)a?N曲线)疲劳裂纹扩展控制参量dadNa?N曲线的斜率。给定??,a?,dadN?。裂纹只有在张开的情况下才能扩展故控制参量?K定义为:?K=KmaxKminR>?K=KmaxR<疲劳裂纹扩展速率dadN的控制参量是应力强度因子幅度?K=f(??,a)即:dadN=?(?K,R,…)应力比(线弹性情况)R=KminKmax=?min?max=PminPmax与?K相比应力比R的影响是第二?#22351;摹?疲劳裂纹扩展速率FatigueCrackGrowthRateR=时的dadN?K曲线是基本曲线。实验a=aR=??=const二、dadN?K曲线低、?#23567;?#39640;速率三个区域:C、m和?Kth是描述疲劳裂纹扩展?#38405;?#30340;基本?#38382;?#19977;、疲劳裂纹扩展寿命预测基本公式dadN用Paris公式表达时的裂纹扩展方程对于无限大板f=const在??=const作用下由Paris公式dadN=C(?K)m积分即:()已知a,ac,给定寿命NC,估算在使用工况(R)下所?#24066;?#20351;用的最大应力smax。抗疲劳断裂设计计算已知载荷条件?sR初始裂纹尺寸a,估算临界裂纹尺寸ac,剩余寿命NC。已知载荷条件?sR,给定寿命NC,确定aC及可?#24066;?#30340;初始裂纹尺寸a。临界裂纹尺寸:aC=(p)(KCfsmax)裂纹扩展寿命:Nc=?(f,D?,R,a,ac)裂纹扩展条件:DK>DKth解:边裂纹宽板K的表达式:K=s(pa)例:边裂纹板a=mm,载荷为smax=MPa。R=,材料?#38382;齭ys=MPa,su=MPa,DKth=MPa,Kc=MPa,裂纹扩展速率为dadN=×(DK),试估算其寿命。临界裂纹长度ac?aC=(p)(KCfsmax)=(p)(?)=m长度为a的初始裂纹是否扩展?DK=?s(pa)=MPa>DKth=DK=KmaxKmin=(smaxsmin)=?s估算寿命NC:将a=,aC=,Ds=,f=,m=代入()式得:NC=次循?#35837;致郟篴和KC对疲劳裂纹扩展寿命的影响控制a可大大提高疲劳裂纹扩展寿命。例?#34892;?#35010;纹宽板受?max=MPa,?min=MPa作用。KC=MPa,工作频率Hz。为保证?#36393;?#27599;小时进行一次无损检验。试确定检查时所能?#24066;?#30340;最大裂纹尺寸ai。dadN=×(?K)mc解:计算临界裂纹尺寸ac:对于?#34892;?#35010;纹宽板f=,有:检查期间的循?#21453;问?N=××=×次尺寸ai的裂纹,在下一检查期内不应扩展至ac。本题m=,由裂纹扩展方程()式有:?#33268;郟?#33509;检查发现ai>mm则不?#36393;?#35201;继续使用应?#26723;?#24212;力水平或缩短检查期。如:检查时发现裂纹ai=mm,若不改变检查周期继续使用则应满足:如缩短检修周期同样可求得由ai=mm到ac=mm的循?#21453;问?#20026;:N<次检查期周为:T<N(×)=小时。解得:??<MPa,?max=??(R)<MPa疲劳的特点是:扰动应力作用破坏起源于高应力局部有裂纹萌生扩展断裂三阶?#38382;?#19968;个发展过程。R=的SN曲线是基本SN曲线。疲劳?#38405;?#21487;用SN曲线描述:Sm?N=CSa不变时R或Sm增大疲劳寿命下降。无限寿命设?#30130;篠?SfSf疲劳持久极限恒幅疲劳应力比R应力幅Sa已知材料的基本SN曲线求寿命Nf=CSa疲劳裂纹萌生寿命分析:裂纹在静强度足?#22351;?#24773;况下可低应力引起断裂。工程中最常见的、危害最大的是I(张开)型裂纹。作用抗力?#34892;?#35010;纹宽板f=单边裂纹宽板f=。dadNDK曲线下限有?Kth。裂纹不扩展条件:?K??Kth疲劳裂纹扩展速?#23454;?#20027;要控制参量是?K。控制a可大大提高疲劳裂纹扩展寿命。第四次作业?#21512;?#39064;:。

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