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1、 2020世纪世纪世纪世纪5050年代，美国北极星导弹固体燃料发动年代，美国北极星导弹固体燃料发动年代，美国北极星导弹固体燃料发动年代，美国北极星导弹固体燃料发动机壳体发射时断裂机壳体发射时断裂机壳体发射时断裂机壳体发射时断裂(dun li)(dun li)。材料为高强度钢，屈服强。材料为高强度钢，屈服强。材料为高强度钢，屈服强。材料为高强度钢，屈服强度度度度 s=1400MPas=1400MPa，工作应力，工作应力，工作应力，工作应力900MPa900MPa。 19651965年年年年1212月月月月，英英英英国国国国John John ThompsonThompson公公公公司司司司制制制
2、制造造造造的的的的大大大大型型型型氨氨氨氨合合合合成成成成塔塔塔塔在在在在水水水水压压压压试试试试验验验验时时时时断断断断裂裂裂裂成成成成二二二二段段段段，碎碎碎碎块块块块最最最最重重重重达达达达2 2吨吨吨吨。断断断断裂裂裂裂起起起起源源源源于于于于焊焊焊焊缝缝缝缝裂裂裂裂纹纹纹纹，发发发发生生生生断断断断裂裂裂裂时时时时的的的的试试试试验验验验(shyn)(shyn)应应应应力力力力仅为材料屈服应力的仅为材料屈服应力的仅为材料屈服应力的仅为材料屈服应力的48%48%。一、一、 结构结构(jigu)(jigu)(jigu)(jigu)中的裂中的裂纹纹按静强度设计，控制工作应力按静强度设计，控
3、制工作应力按静强度设计，控制工作应力按静强度设计，控制工作应力 。但在但在但在但在 时，结构发生破坏的事例并不鲜见。时，结构发生破坏的事例并不鲜见。时，结构发生破坏的事例并不鲜见。时，结构发生破坏的事例并不鲜见。第一页，共二十一页。1疲劳断裂CAI3低应力低应力(yngl)(yngl)(yngl)(yngl)断裂：断裂： 在静强度足够的情况下发生的断裂在静强度足够的情况下发生的断裂。 低应力断裂低应力断裂低应力断裂低应力断裂(dun li)(dun li)(dun li)(dun li)是由裂纹引起的。是由裂纹引起的。是由裂纹引起的。是由裂纹引起的。中心裂纹中心裂纹中心裂纹中心裂纹工程工程常见
4、常见裂纹裂纹2a2a WB 边裂纹边裂纹边裂纹边裂纹a a 表面裂纹表面裂纹表面裂纹表面裂纹2ca at 讨论张开型讨论张开型讨论张开型讨论张开型(I (I型型型型) )裂纹，最常见、最严重。裂纹，最常见、最严重。裂纹，最常见、最严重。裂纹，最常见、最严重。 二维裂纹，二维裂纹，二维裂纹，二维裂纹，-穿透厚度穿透厚度穿透厚度穿透厚度(hud)(hud)裂纹裂纹裂纹裂纹 ，最简单。，最简单。，最简单。，最简单。第二页，共二十一页。2疲劳断裂CAI3二、断裂控制二、断裂控制(kngzh)(kngzh)(kngzh)(kngzh)参量和断裂判参量和断裂判据据 作用作用( ( 、a)越大，抗力越大，抗
5、力(kn l)(kn l)( (K1C) )越低，越可能断裂越低，越可能断裂。 裂纹尺寸和形状裂纹尺寸和形状( (先决条件先决条件) ) 应力大小应力大小( (必要条件必要条件) ) 材料的断裂韧性材料的断裂韧性K1C ( (材料抗力材料抗力) ) 含裂纹含裂纹材料抵抗断裂能力的度量材料抵抗断裂能力的度量。断断裂裂三三要要素素抗力抗力(kn l)(kn l)断裂判据可写为：断裂判据可写为：aKf fWa= = = =( (, ,) )LLLL p p Kc1 1作用作用 a a断裂控制参量：断裂控制参量： 应力强度因子应力强度因子 K第三页，共二十一页。3疲劳断裂CAI3这是进行这是进行(jn
6、xng)(jnxng)(jnxng)(jnxng)抗断设计的基本控制方程。抗断设计的基本控制方程。断裂断裂(dun li)(dun li)(dun li)(dun li)判判据：据：Kf faWa= = = =( (, ,) )LLLL p p Kc1 1K1C是材料断裂韧性是材料断裂韧性(抗断指标抗断指标)，试验试验(shyn)(shyn)确定。确定。f 是裂纹尺寸是裂纹尺寸a和构件几何和构件几何(如如W)的函数，的函数，可查应力强度因子手册。可查应力强度因子手册。K的单位是的单位是 MPa 。m a a 边裂纹边裂纹 宽板宽板 f=1.12中心裂纹中心裂纹 宽板宽板 f=1.02a2aW
7、简单简单特例特例第四页，共二十一页。4疲劳断裂CAI3三、材料三、材料(cilio)(cilio)的平面应变断裂韧性的平面应变断裂韧性 K1c1）标准）标准(biozhn)(biozhn)试件试件 (GB4161-84)应力强度应力强度应力强度应力强度(qingd)(qingd)因因因因子：子：子：子：L=4WWa aF三点弯曲三点弯曲 (B=W/2)2孔孔f 0.25WFFa aW1.25W1.2W0.55W紧凑拉伸（紧凑拉伸（紧凑拉伸（紧凑拉伸（B=B=WW/2/2） ) )( (5757. .1414) )( (1818. .1414) )( (2020. . 8 8) )( (7373
8、5 5. . 1 1090090. . 1 1 3 34 43 32 22 21 1WWa aWWa aWWa aWWa aa a2 2BWBWFLFLK K+ + + +- - - -+ + + +- - - -= = = =p p p p ) )( (9 9 . .638638) )( (0 0 . .10171017) )( (7 7 . .655655) )( (5 5 . .1851856 6 . .2929 4 43 32 21 1WWa aWWa aWWa aWWa aBWBWa aF FK K+ + + +- - - -+ + + +- - - -= = = =第五页，共二十一
9、页。5疲劳断裂CAI3X-YX-Y记录仪记录仪记录仪记录仪F FV V2）试验装置试验装置 监测载荷监测载荷监测载荷监测载荷F F、裂纹张开位移、裂纹张开位移、裂纹张开位移、裂纹张开位移(wiy)(wiy)V V，得到得到得到得到试验试验试验试验 F F-V-V曲线，确定裂纹开始扩展时的载荷曲线，确定裂纹开始扩展时的载荷曲线，确定裂纹开始扩展时的载荷曲线，确定裂纹开始扩展时的载荷F FQQ和裂纹尺寸和裂纹尺寸和裂纹尺寸和裂纹尺寸a a，代入应力强度因子表达式，即可确定代入应力强度因子表达式，即可确定代入应力强度因子表达式，即可确定代入应力强度因子表达式，即可确定K K1C1C。FF试件试件试件
10、试件试验机试验机放大器放大器放大器放大器力传感器输出力传感器输出力传感器输出力传感器输出F F引伸计输出引伸计输出V第六页，共二十一页。6疲劳断裂CAI33) FQ的确定的确定(qudng)(qudng)：若在若在若在若在F F5 5前无载荷前无载荷前无载荷前无载荷(zi h)(zi h)大于大于大于大于F F5 5， 则取则取则取则取 F FQQ= =F F5 5；若在若在若在若在F F5 5前有载荷大于前有载荷大于前有载荷大于前有载荷大于F F5 5， 则取该载荷为则取该载荷为则取该载荷为则取该载荷为 F FQQ。作比作比作比作比F F- -V V线性部分斜率线性部分斜率线性部分斜率线性部
11、分斜率(xil)(xil)小小小小5%5%的直线，交的直线，交的直线，交的直线，交F-VF-V于于于于F F5 5。Fmax F0VF500F5FmaxF FQQ= =F FmaxmaxF FmaxmaxF FQQF FQQ= =F F5 5F F5 5试验有效条件试验有效条件试验有效条件试验有效条件F Fmaxmax / / F FQQ1.1 2.5(K1C/ ys)2后，后， KC最小，最小， 平面应变断裂韧性平面应变断裂韧性K1c。K K1C1C是材料的平面应变断裂韧性，是材料参数；是材料的平面应变断裂韧性，是材料参数；是材料的平面应变断裂韧性，是材料参数；是材料的平面应变断裂韧性，是材
12、料参数；K KC C是材料在某给定厚度下的临界断裂值。是材料在某给定厚度下的临界断裂值。是材料在某给定厚度下的临界断裂值。是材料在某给定厚度下的临界断裂值。第九页，共二十一页。9疲劳断裂CAI3平面应变厚度要求：平面应变厚度要求：平面应变厚度要求：平面应变厚度要求： B 2.5(B 2.5(K K1c1c/ / ysys) )2 2预制裂纹尺寸预制裂纹尺寸预制裂纹尺寸预制裂纹尺寸(ch cun)(ch cun)： D D D Da a1.5mm1.5mm； 0.45W0.45Wa a0 0+ +D D D Da a0.55W0.55W预制裂纹时的疲劳载荷：预制裂纹时的疲劳载荷：预制裂纹时的疲劳
13、载荷：预制裂纹时的疲劳载荷： K Kmaxmax (2/3) (2/3)K K1c1c。试验试验(shyn)(shyn)有效性条件与尺寸要求汇总有效性条件与尺寸要求汇总: (国标国标GB4161-84)断裂载荷断裂载荷断裂载荷断裂载荷(zi h)(zi h)有效性：有效性：有效性：有效性： F Fmaxmaxmaxmax / / F FQQ1.1 ;1.1 ;裂纹平直度有效性：裂纹平直度有效性：裂纹平直度有效性：裂纹平直度有效性： a a-( -(a a1 1+ +a a5 5)/2)/)/2)/a a10% 2.5( 2.5(K K1c1c/ / ysys) )2 2 =25 =25 mmm
14、mF Fmaxmax/ /F FQQ=60.5/56=1.08=60.5/56=1.08 1.11.1 将将a/W=32/60=0.533， F=FQ= 56kN 代入，算得：代入，算得： KQ=90.5 MPammK1c=KQ=90.5 MPamm第十一页，共二十一页。11疲劳断裂CAI31)1)已知已知已知已知 、a a，算，算，算，算K K，选择，选择，选择，选择(xunz)(xunz)材料，保证不发生断裂；材料，保证不发生断裂；材料，保证不发生断裂；材料，保证不发生断裂；一般地说，为了一般地说，为了(wi le)(wi le)(wi le)(wi le)避免断裂破坏，须要注意：避免断裂
15、破坏，须要注意：抗断设计抗断设计：基本方程：基本方程： Kf faWa= = = =( (, ,) )LLLL p p Kc1 1K K1c1c较高的材料，断裂前较高的材料，断裂前ac c较大，便于检查发现裂纹。较大，便于检查发现裂纹。当缺陷存在时，应进行抗断设计计算。当缺陷存在时，应进行抗断设计计算。控制材料缺陷和加工、制造过程中的损伤。控制材料缺陷和加工、制造过程中的损伤。2) 2) 已知已知已知已知a a、材料的、材料的、材料的、材料的K K1c1c，确定，确定，确定，确定(qudng)(qudng)允许使用的工作应力允许使用的工作应力允许使用的工作应力允许使用的工作应力 ；3) 3)
16、已知已知已知已知 、K K1c1c，确定允许存在的最大裂纹尺寸，确定允许存在的最大裂纹尺寸，确定允许存在的最大裂纹尺寸，确定允许存在的最大裂纹尺寸a a。第十二页，共二十一页。12疲劳断裂CAI31) 1) 已知已知已知已知 、a a，算，算，算，算K K，选择材料，选择材料，选择材料，选择材料(cilio)(cilio)，保证不发生断裂；，保证不发生断裂；，保证不发生断裂；，保证不发生断裂；断裂断裂(dun li)(dun li)判据：判据：KfaWa= =(,)LL p p K1C2) 2) 已知已知已知已知a a、材料的、材料的、材料的、材料的K K1C1C，确定允许使用，确定允许使用，
17、确定允许使用，确定允许使用(shyng)(shyng)的工作应力的工作应力的工作应力的工作应力 ；3) 3) 已知已知已知已知 、K K1C1C，确定允许存在的最大裂纹尺寸，确定允许存在的最大裂纹尺寸，确定允许存在的最大裂纹尺寸，确定允许存在的最大裂纹尺寸a a。四、四、 断裂控制设计的基本概念断裂控制设计的基本概念 抗断裂设计计算：抗断裂设计计算：强度判据：强度判据： ys b稳定判据：稳定判据：F Fcr第十三页，共二十一页。13疲劳断裂CAI3解：解：解：解：1 1）不考虑缺陷，按传统强度设计考虑。）不考虑缺陷，按传统强度设计考虑。）不考虑缺陷，按传统强度设计考虑。）不考虑缺陷，按传统强
18、度设计考虑。 选用二种材料选用二种材料选用二种材料选用二种材料(cilio)(cilio)时的安全系数分别为：时的安全系数分别为：时的安全系数分别为：时的安全系数分别为： 材料材料材料材料1 1： n n 1 1= = ysys1 1/ / =1800/1000=1.8=1800/1000=1.8 材料材料材料材料2 2： n n 2 2= = ysys2 2/ / =1400/1000=1.4=1400/1000=1.4 优优合格合格 2 2）考虑缺陷，按断裂设计考虑。）考虑缺陷，按断裂设计考虑。）考虑缺陷，按断裂设计考虑。）考虑缺陷，按断裂设计考虑。 由于由于由于由于(yuy)(yuy)a
19、 a很小，对于单边穿透裂纹应有很小，对于单边穿透裂纹应有很小，对于单边穿透裂纹应有很小，对于单边穿透裂纹应有: : 或或或或KaK1C1C1 112. 1 = =p p Kp pa 1.121C1C 例例1：某超高强宽钢板有：某超高强宽钢板有a=1mm的单边穿透裂纹，的单边穿透裂纹， 受拉应力受拉应力 =1000MPa的作用。试选择材料。的作用。试选择材料。 材料材料1： ys1=1800 MPa，K1C1=50MPa ； 材料材料2： ys2=1400 MPa，K1C2=75MPa ；mmmm第十四页，共二十一页。14疲劳断裂CAI3选用选用选用选用(xunyng)(xunyng)材料材料材
20、料材料1 1，将发生低应力脆性断裂；，将发生低应力脆性断裂；，将发生低应力脆性断裂；，将发生低应力脆性断裂；选用材料选用材料选用材料选用材料2 2，既满足强度条件，也满足抗断要求。，既满足强度条件，也满足抗断要求。，既满足强度条件，也满足抗断要求。，既满足强度条件，也满足抗断要求。选用选用选用选用(xunyng)(xunyng)材料材料材料材料1 1： 1c1c=50/1.12(3.14=50/1.12(3.14 0.001)0.001)1/21/2=796=796MPaMPa 断裂断裂安全安全注意，注意，注意，注意，a a0 0越小，越小，越小，越小，K K1C1C越大，临界断裂应力越大，临
21、界断裂应力越大，临界断裂应力越大，临界断裂应力 c c越大。越大。越大。越大。因此，提高因此，提高因此，提高因此，提高K K1C1C ，控制，控制，控制，控制a a0 0，利于防止低应力断裂。，利于防止低应力断裂。，利于防止低应力断裂。，利于防止低应力断裂。工作应力：工作应力： =1000MPa临界断裂应力：临界断裂应力：Kp pa c1.121C1C= =第十五页，共二十一页。15疲劳断裂CAI3 压力容器直径大，曲率小，可视为承受拉伸应力压力容器直径大，曲率小，可视为承受拉伸应力压力容器直径大，曲率小，可视为承受拉伸应力压力容器直径大，曲率小，可视为承受拉伸应力的无限大中心的无限大中心的无
22、限大中心的无限大中心(zhngxn)(zhngxn)裂纹板，裂纹板，裂纹板，裂纹板，f f=1=1。解：由球形压力容器膜应力解：由球形压力容器膜应力(yngl)(yngl)计算公式有：计算公式有： =pd/4t=5 4/(4 0.01)=500MPa例例2：球形压力容器：球形压力容器d=5m ，承受内压，承受内压p=4MPa， 厚度厚度t=10mm，有一长，有一长2a的穿透裂纹。已知的穿透裂纹。已知 材料材料K1C=80MPa 。求临界裂纹尺寸。求临界裂纹尺寸ac。mm 断裂判据：断裂判据： KaK1C1C1 1 = =p p 临界裂临界裂纹尺寸：纹尺寸：2 21C1C)(1 p pKac 第
23、十六页，共二十一页。16疲劳断裂CAI3在发生在发生在发生在发生(fshng)(fshng)断裂的临界状态下有：断裂的临界状态下有：断裂的临界状态下有：断裂的临界状态下有： 2 21C1C)(1 p pKa = =c c； = =pdpd/4t/4t若内压不变，容器直径若内压不变，容器直径 d ， ， ac ， 抗断裂能力越差。抗断裂能力越差。内压内压 p ， 则则 ，临界裂纹尺寸，临界裂纹尺寸 ac ；材料的材料的 K1C ，临界裂纹尺寸，临界裂纹尺寸 ac ；可知：可知：得到得到得到得到(d do)(d do)：a ac c=(1/3.14)(80/500)=(1/3.14)(80/500
24、)2 2=0.0081m=8.1mm=0.0081m=8.1mm第十七页，共二十一页。17疲劳断裂CAI3裂纹在静强度足够的情况裂纹在静强度足够的情况裂纹在静强度足够的情况裂纹在静强度足够的情况(qngkung)(qngkung)下可引起断裂。工程下可引起断裂。工程下可引起断裂。工程下可引起断裂。工程中最常见的、危害最大的是中最常见的、危害最大的是中最常见的、危害最大的是中最常见的、危害最大的是 I ( I (张开张开张开张开) )型裂纹。型裂纹。型裂纹。型裂纹。小结小结裂纹尺寸和形状裂纹尺寸和形状作用应力作用应力材料断裂韧性材料断裂韧性K K1C 1C 断裂三要素断裂三要素断裂判据：断裂判据
25、：Kf faWa= = = =( (, ,) )LLLL p p K1C1C作用作用作用作用(zuyng)(zuyng)抗力抗力抗力抗力(kn l)(kn l)断裂控制参量：断裂控制参量： K应力强度因子，（应力强度因子，（MPa ）mm中心裂纹宽板，中心裂纹宽板，中心裂纹宽板，中心裂纹宽板，f f=1=1；单边裂纹宽板，；单边裂纹宽板，；单边裂纹宽板，；单边裂纹宽板，f f=1.12=1.12。第十八页，共二十一页。18疲劳断裂CAI3抗断裂设计基本抗断裂设计基本(jbn)(jbn)(jbn)(jbn)认识：认识：低温时，材料低温时，材料K K1c1c降低，注意发生低温脆性断裂。降低，注意发
26、生低温脆性断裂。裂纹裂纹裂纹裂纹(li wn)(li wn)尺寸尺寸尺寸尺寸a a与应力强度因子与应力强度因子与应力强度因子与应力强度因子K K的平方成正比，故断的平方成正比，故断的平方成正比，故断的平方成正比，故断裂韧性裂韧性裂韧性裂韧性K K1c1c增大一倍，断裂时的临界裂纹尺寸将增大增大一倍，断裂时的临界裂纹尺寸将增大增大一倍，断裂时的临界裂纹尺寸将增大增大一倍，断裂时的临界裂纹尺寸将增大到四倍。到四倍。到四倍。到四倍。控制材料缺陷和加工、制造过程中的损伤。控制材料缺陷和加工、制造过程中的损伤。当缺陷存在时，应进行抗断设计计算。当缺陷存在时，应进行抗断设计计算。K K1c1c较高的材料，
27、断裂前较高的材料，断裂前ac c较大，便于检查发现裂纹。较大，便于检查发现裂纹。第十九页，共二十一页。19疲劳断裂CAI3再见(zijin)！谢谢(xi xie)！再见(zijin)(zijin)！习题：习题：12-6，12-8，12-9第二十页，共二十一页。20疲劳断裂CAI3内容(nirng)总结20世纪50年代，美国北极星导弹固体燃料( t rn lio)发动机壳体发射时断裂。1965年12月，英国John Thompson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2吨。但在 时，结构发生破坏的事例并不鲜见。在静强度足够的情况下发生的断裂。讨论张开型(I型)裂纹，最常见、最严重。二、断裂控制参量和断裂判据。材料的断裂韧性K1C (材料抗力)。20。作比F-V线性部分斜率小5%的直线，交F-V于F5第二十一页，共二十一页。疲劳断裂CAI3
