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1、第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂一、基本概念静载荷和冲击载荷 断裂：材料在外力作用下分 为两个或者两个以上部分的现象 。 断裂的分类力学宏观微观正断切断韧断脆断微孔聚合 解理 晶间 晶内“虹桥”系綦江县形象工程，形似彩虹而得 名，该桥跨越长江支流綦河，连接城东城西，于 1994年11月5日动工建设，1996年2月16日竣工，桥 净空跨度120米，耗资368万元。 1999年1月4日晚6时50分左右，彩虹桥整 体垮塌，包括18名年轻武警战士在内的40人遇难。 调查组认为，这次垮塌事件由两方面的原 因造成。一是工程质量问题；二是工程承发包不合 法。调查结果表明，这次惨剧不是天灾，而是人祸 。其
2、根本原因，是由于政府在工程开发建设上没有 遵循法律，履行必要的审核、论证程序，采取了“ 特事特办”的方式，盲目追求效率营造“献礼工程” ，从而酿成大祸。綦江彩虹桥垮塌案1999年3、4月，重庆第一中级人民法院对“綦江彩虹 桥垮塌案”14名责任被告人进行一审宣判。其中10人不服，并 上诉。同年12月，重庆市高院作出终审判决。 林世元 男，原綦江县委员会副书记，因受贿罪、玩 忽职守罪，被高级人民法院终审判处死刑，缓期2年执行。 张基碧 男，原綦江县城乡建设管理委员会主任，因 玩忽职守罪，被判处有期徒刑6年。 赵祥忠 男，原重庆市市政工程质量监督站站长，因 工程重大安全事故罪，被判处有期徒刑5年，并
3、处以罚金2万元 。 贺际慎 女，原綦江县人大常委会副主任，因玩忽职 守罪，被判处有期徒刑3年。 费上利 男，“虹桥”工程组织承建者，因工程重大安 全事故罪，被判处有期徒刑10年，并处罚金50万元。 此外，李蒙泽、孙立、段浩、夏福利、阎珂、刘泽 均、胡开明、王远凯等人，及重庆通用工业技术服务部，因重 大工程重大安全事故罪、玩忽职守罪、生产销售不符合安全标 准的产品罪等罪名，被判处6年至10年的有期徒刑，并处以3万 至25万元罚金。微孔聚合型断口解理型断口晶间断裂晶内断裂裂纹形成（萌生）阶 段 裂纹扩展阶段断裂过程裂纹萌生：材料在外力作用下，形成微裂纹 或以内部缺陷作为裂纹源。裂纹扩展：微裂纹或裂
4、纹源逐渐扩展至一临界 尺寸时，立即发生断裂。前者段称 裂纹亚稳扩展阶段，后者称裂纹失 稳扩展阶段。裂纹亚稳扩展时，裂纹扩展 阻力大，da/dt较小；裂纹失稳扩展时，裂纹扩展 阻力小， da/dt大，最大可达该材 料的声速。韧断时，裂纹的亚稳扩展阶段 较长，裂纹的扩展与塑性变形同时进 行，故有明显的塑性变形，断裂慢。 脆断时，几乎没有亚稳扩展阶 段，故无明显塑性变形，断裂快。韧性韧性越好，脆断倾向越小； 力学性能指标：冲击韧性断裂韧性材料在塑性变形和断裂过程中吸收能 量的能力，是材料强度和塑性的综合 表现。二、冲击韧性衡量指标：冲击吸收功 Ak冲击韧度 ak (ak Ak/Fk )材料在冲击载荷
5、下吸收塑性变形功和断 裂功的能力。是材料强度和塑性的综合 表现。工程中常将材料的屈服强度与 冲击韧性结合在一起用于零件及结构 的设计。 焊接结构设计中，除了强度的 要求外，规定焊接接头冲击吸收功 Ak 27J冲击韧性的应用-59-124162479低强度铁素体钢冲击断口照片系列冲击试验奥氏体钢低强度铁素体钢高强度钢冲击吸收功 Ak温度 TTk温度对材料的韧性影响很大，材料 由韧性状态转变为脆性状态的温度称为韧 脆转变温度，Tk。 Ak越高，Tk越低，则材料的韧性越 好。 Ak是对材料的成分和组织敏感的力 学性能指标。钢韧性最高，无明显的Tk ， 低温韧性好；低强度铁素体钢韧性次之， 有明显的T
6、k ，低温韧性差；高强度M钢韧 性最差，即使室温韧性好很低。三、断裂韧性传统的零件及结构设计是基于“材 料是一个连续均质的整体”假设之上的，为 防止脆性断裂，除强度要求之外，还加上 了材料的塑性和韧性指标。五大力学 性能指标强度 b, s塑性 ,韧性 Ak/ak实际材料中是存在微裂纹及各种冶 金缺陷的，而其中裂纹是最危险的一类缺 陷，因此有必要研究带裂纹体的问题。断裂力学应力强度因子断裂 力学研究表 明：裂纹尖 端的应力应 变场可用物 理量来表 征。x , y , xy x , y , xy张开型裂纹I型滑移型裂纹II型撕裂型裂纹III型: 几何形 状因子，Y12； : 工作应 力；a : 裂
7、纹半 长度。2a研究表明：当KI较小时，裂 纹不会扩展，零件是安全的；当KI 达到一个临界值时，裂纹才会扩 展，这个临界值KIC是材料的性质 。 断裂韧度断裂韧度KIC: 是评定材料抵抗 脆性断裂的力学性能指标，指的是材 料抵抗裂纹失稳扩展的能力。 单位：MPam 1/2 或者 MN m-3/2KI KIC 构件发生脆性断裂 KI KIC 构件发生低应力脆性断裂的临界条件断裂判据应用已知应力，材料，确定结构安全的 最大裂纹长度已知裂纹长度，材料，确定结构安全 的最大应力已知应力，裂纹长度，确定结 构安全的材料断裂韧度是用高强度钢制造的飞机、导弹和火箭 的零件，及用中低强度钢制造气轮机转子、大型
8、 发电机转子等大型零件的重要性能指标。加载方式 材料本质 温度和加载速度 应力集中 零件尺寸四、影响脆性断裂的因素（一）加载方式和材料本质零件受外力作 用时，其内部各点 的应力状态可用三 个主应力1、 2、 3来（ 1 2 3） 来表示。材料力学知识：应力状态软性系数，零件加载方式由表示 。maxmaxksk侧压2单向压2扭转0.8单向拉0.5三向不等拉2单向压2扭转0.8单向拉0.5三向不等拉105 。疲劳缺口敏感度常用q来衡量 缺口对疲劳极 限的影响其中，Kt为理论应力集中系数，与零件的几何 形状有关，与材料无关，可从手册中查到；Kf为有效应力集中系数，即光滑试样和缺口试 样疲劳极限之比，
9、与零件几何形状及材料有关。maxmlg N-1-1N0r ，构件在一定的周次下断裂， 该周次称为过载持久值，工作应力越大， 过载持久值越低； 带裂纹零构件的疲劳抗力指标是 Kth； r与Kth均为材料无限寿命的疲劳 性能，前者表示材料阻止裂纹形成的能力 ，后者表示材料阻止裂纹扩展的能力。綦江彩虹桥垮塌-脆性断裂分析彩虹桥竣工庆祝现场坍塌的彩虹桥彩虹桥的 主要受力拱架钢管焊接质 量不合格，存在严重缺陷，个别焊缝并有 陈旧性裂痕；钢管内混凝土抗压强度不足 ，低于设计标号的三分之一；连接桥梁、 桥面和拱架的拉 索、锚具和镏片严重锈蚀 。 工程质量问题坍塌原因有二，一是工程质量问题，二是工程承发包不合法 。此工程无设计专用章，设计手续不全，实际上是私人设计 ；施工承包者是一个挂靠国有的个体业主，其组织的施工队 伍不具备进行市政工程建设的技术力量和设备，不具有合法 的市政工程施工资质。调查组结论记者的报道专业分析裂 纹三向应力三 向应力 裂 纹脆化结构脆性断裂
