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1、结构环境损伤基础,期末复习,1,答： 根据ASTM的定义：在某点或者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的、永久结构变化的发展过程，称为疲劳。 疲劳具有下述特征： 只有在承受扰动应力作用的条件下，疲劳才会发生。 疲劳破坏起源于高应力或者高应变的局部。静载下的破坏，取决于结构整体；疲劳破坏则由应力或应变较高的局部开始，形成损伤并逐渐积累，导致破坏发生。 疲劳破坏是在足够多次的扰动载荷作用之后，形成裂纹或者完全断裂。 疲劳是一个发展过程。疲劳裂纹萌生和扩展，是这一发展过程中不断形成的损伤积累的结果。最后的断裂，标志着疲劳过程的终结。,2,1-1 什
2、么是疲劳？疲劳有什么特征？,答： 典型的疲劳破坏断口的特征：有裂纹源、疲劳裂纹扩展区和最后断裂区三部分；裂纹扩展区断面较光滑，通常有“海带条带”和/或腐蚀痕迹；裂纹源通常在高应力局部或材料缺陷处；无明显的塑性变形。 但是静载破坏的断口是：粗糙、新鲜、无表面磨蚀及腐蚀痕迹。疲劳破坏断口，即使是延性材料，也没有明显的塑性变形。但是静载破坏表面的塑性变形很明显。,3,1-2 简述疲劳断口与静载破坏断口有何不同？,大连理工大学船舶工程学院,4,1-3 失效分析中疲劳断口可能提供哪些信息？,答： 首先观察断口的宏观形貌，由是否存在着裂纹源、裂纹扩展区及瞬断区等三个特征区域，判断是否为疲劳破坏；若为疲劳破
3、坏，则可由裂纹扩展区的大小，判断破坏时的裂纹最大尺寸；进而可利用断裂力学方法，由构件几何及最大裂纹尺寸估计破坏载荷，判断破坏是否在正常工作载荷状态下发生；还可以观察裂纹起源的位置在何处。 再利用金相显微镜或低倍电子显微镜，可对裂纹源进行进一步观察和确认，并且判断是否因为材料缺陷所引起，缺陷的类型和大小若何。 由宏观“海滩条带”和微观“疲劳条纹”数据，结合构件使用载荷谱分析，还可能估计裂纹扩展速率。,大连理工大学船舶工程学院,5,1-4 为何提高表面光洁度，引入残余压应力可以提高疲劳寿命？,根据疲劳问题的特点，疲劳破坏起源于高应力或者高应变的局部。提高表面的光洁度，即可以减少结构整体的应力集中的
4、可能性。这样就可以减少高应力和高应变的区域。 在循环应力过程中引入残余压应力，可以降低实际的循环应力水平，从而降低，这样可以达到提高疲劳寿命的目的。,大连理工大学船舶工程学院,6,1-5 已知循环最大应力200MPa，最小应力50MPa ，计算循环应力变程、应力幅、平均应力和应力比。,MPa， MPa （a） （b） 结合(a)、(b)两式，计算得到： MPa， MPa， 则： MPa。,1-6 已知循环应力幅100MPa，应力比R0.2，计算最大应力、最小应力、平均应力和应力变程。,大连理工大学船舶工程学院,7,8,2-1 若疲劳试验频率选为20Hz，试估算施加106次循环需要多少时间？,9
5、,2-2 依据7075T6铝合金的等疲劳寿命图，当a)R=0.2, N=106；b)R=-0.4, N=105时，估算相应的应力水平。,9,10,2-2 依据7075T6铝合金的等疲劳寿命图，当a)R=0.2, N=106；b)R=-0.4, N=105时，估算相应的应力水平。,10,11,2-3 依据7075T6铝合金的等疲劳寿命图，当a)R=-1 ；b)R=0时，试做其S-N曲线。,11,11,12,2-3 依据7075T6铝合金的等疲劳寿命图，当a)R=-1 ；b)R=0时，试做其S-N曲线。,12,12,13,2-4 某材料极限强度为860MPa，在寿命为107时的应力如下表，做其Go
6、odman图，并将数据点与Goodman直线相比较,14,14,S-1=420MPa 对上表进行数据处理，求得各自的Sa/S-1以及Sm/Su ：,将以上数据在坐标纸中标出数据点，并作出Goodman曲线。,2-5 某构件承受循环载荷，最大应力525MPa，最小应力-35MPa，极限强度为700MPa。假定在对称循环条件下S103=0.9Su， S106=0.5Su。估算寿命？,15,2-5 某构件承受循环载荷，最大应力525MPa，最小应力-35MPa，极限强度为700MPa。假定在对称循环条件下S103=0.9Su， S106=0.5Su。估算寿命？,16,2-5 某构件承受循环载荷，最大
7、应力525MPa，最小应力-35MPa，极限强度为700MPa。假定在对称循环条件下S103=0.9Su， S106=0.5Su。估算寿命？,17,2-5 某构件承受循环载荷，最大应力525MPa，最小应力-35MPa，极限强度为700MPa。假定在对称循环条件下S103=0.9Su， S106=0.5Su。估算寿命？,18,2-6 某构件承受脉冲载荷，其载荷谱如表，S-N曲线为S3N=2.9*1013。估算其寿命。,19,根据已知得SN曲线得到不同下的寿命N,2-8 Miner准则与相对Miner准则,20,大连理工大学船舶工程学院,21,解：1）不考虑缺陷，按传统强度设计考虑。 选用二种材
8、料时的安全系数分别为： 材料1： n 1=ys1/=1800/1000=1.8 材料2： n 2=ys2/=1400/1000=1.4,大连理工大学船舶工程学院,22,选用材料1，将发生低应力脆性断裂； 选用材料2，既满足强度条件，也满足抗断要求。,选用材料1： 1c=50/1.12(3.140.001)1/2=796MPa ,选用材料2： 2c=75/1.12(3.140.001)1/2=1195MPa ,注意，a0越小，K1C越大，临界断裂应力c越大。 因此，提高K1C ，控制a0，利于防止低应力断裂。,大连理工大学船舶工程学院,23,解：由球形压力容器膜应力计算公式有： =pd/4t=5
9、4/(40.01)=500MPa,大连理工大学船舶工程学院,24,； =pd/4t,大连理工大学船舶工程学院,25,若B尺寸足够，则上述值即为材料的断裂韧性K1c。,例3. W=200mm的铝合金厚板，含有2a=80mm的中 心裂纹, 若实验测得此板在=100Mpa时发生断 裂，试计算该材料的断裂韧性。,大连理工大学船舶工程学院,26,例4. 用上例中的铝合金材料，制作厚度B=50mm 的标准三点弯曲试样，若裂纹长度 a=53mm, 试估计试件发生断裂时所需的载荷。,对于本题， a/W=53/100=0.53, 代入后算得修正函数值为： f(a/W)=1.5124,大连理工大学船舶工程学院,2
10、7,发生断裂时应有：K1=K1C，即：,大连理工大学船舶工程学院,28,大连理工大学船舶工程学院,29,对于边裂纹有限宽板，拉伸、弯曲载荷作用下的应力强度因子查表可知分别为：,大连理工大学船舶工程学院,30,注意:上述结果是在线弹性假设下得到的。本题临界状态时: t=P/W=123MPa，b=6Pe/W2= t(6/25)， 二者叠加后也不过ys的30%，故结果是可信的。,大连理工大学船舶工程学院,31,例6. 用B=30mm的标准三点弯曲试件测断裂韧性， 线切割尺寸为a=30mm。试验测得 PQ=56kN, Pmax=60.5kN；裂纹尺寸测量结果为31.8mm, 31.9mm, 32.15mm, 31.95mm, 31.9mm；若已 知材料的 0.2=905MPa, 试确定其K1c。,解： 裂纹长度为： a=(a2+a3+a4)/3=32mm,大连理工大学船舶工程学院,32,有效性检验： 厚度要求： 2.5(KQ/0.2)2=2.5(90.5/905)2=0.025m B=30mm 2.5(K1c/sys)2 =25 mm,PQ的有效性： Pmax/PQ=60.5/56=1.081.1,裂纹尺寸要求： Da=32-30=2mm1.5mm； 0.45a/W=0.5330.55 裂纹平直度要求： a-(a1+a5)/2=0.15 0.1a=3.2,
