断裂力学强度理论.ppt

态（屈服或破坏）。
注意：一般用于校核。
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强度设计中的问题及解决
百度文库
应力分析中的不确定因素
–外载荷的不确定 –应力分析中的不确定 –材料特性的不确定
实际应用:
– 大于1的安全系数
设计基本思想（理想）
–连续体
–永不破坏
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工程破坏的现实
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事故案例
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5.1.3 断裂力学中的几个基本概念
长度量纲与断裂有关学科的划分（裂纹） – 静止的裂纹（应力分析） – 亚临界裂纹扩展（断裂准则） – 失稳扩展 – 止裂
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5.1.4 断口分析（概念）
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金属断口：金属构件断裂后，破坏部分外观形貌的
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5.1.2 断裂力学的研究内容
工程应用
– 在已知外载荷作用下结构中容许的裂纹长度 (即临界裂纹长度)是多大?
– 结构中存在(或假定的)某长度的初始裂纹时， 扩展到临界裂纹长度需要多少时间(或多少 次载荷循环)? -----剩余寿命
– 结构的剩余强度与裂纹长度有什么样的函数 关系?
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5.1.2 断裂力学的研究内容
选材方面涉及问题
– 什么材料比较不容易萌生裂纹? – 什么材料可以容许比较长的裂纹存在而不发
生断裂? – 什么材料抵抗裂纹扩展的性能比较好? – 怎样冶炼、加工和热处理可以得到最佳效果?
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5.1.2 断裂力学的研究内容
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谁对空难负责?
–1979年，美国历史上最大的空难事件，270多人
–原因：联接发动机和机翼的连接件发生了断裂
历史的回顾
–铁路：英国，车轮、车轨、轨道断裂
–桥梁：比利时，4年14起
–轮船：二次大战，美货轮、油轮，焊接
–飞机：英国“彗星”号
–导弹：美国“北极星”
–压力容器
–航天飞机、…
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事故的共同特点
破坏时的工作应力远远低于材料的屈服 极限； 破坏的主要原因在于实际结构材料中存 在各种缺陷或裂纹，这些裂纹的存在显 著地降低了结构材料的实际强度。
含裂纹体的强度理论
何雪浤
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前四章小结
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目标: 叙述连续体的常规强度理论
–弹性和塑性理论的基本假设 –求解应力的基本方法和基本方程 –一点处应力状态的描述及分析
应用：强度设计
– 计算外力； – 计算一点处的应力（弹、塑性理论）； – 根据强度条件判断一点处的应力是否已处于临界状
–将能量释放率概念与应力强度因子联系起来 –奠定了线弹性断裂力学的基础
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5.1.1 断裂力学的发展过程
1958年， Irwin等用修正方法扩大线弹性断裂力 学应用范围；Wells提出COD
1968年，Rice和Hutchinson等人的工作，为J积分 方法奠定了理论基础。此后逐渐建立了弹塑性 断裂力学的主要参量体系。
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问题如何解决? 研究与发展含裂纹体的强度理论：
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5 含裂纹体的强度理论
5.1 概论 5.2 裂纹尖端的应力应变场 5.3 应力强度因子及其求法 5.4 脆性断裂的K准则 5.5 线弹性断裂力学在小范围屈服中的推广 5.6 弹塑性断裂力学 5.7 疲劳裂纹扩展速率
断裂力学涉及力学、材料学和工程应用的 许多问题，可用于处理：
– 结构形式已定，裂纹的情况已知，该结构的 承载能力如何？（剩余强度）
– 结构形式已定，外载荷已知，允许最长的裂 纹为多少？（损伤容限）
– 已知结构的损伤容限和外载荷。如何使结构 中各部件尺寸满足要求（损伤容限设计）
– 寿命计算。（疲劳裂纹扩展寿命）
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5.1 概论
5.1.1 断裂力学的发展过程 5.1.2 断裂力学的研究内容 5.1.3 断裂力学中的几个基本概念
–脆性断裂和韧性断裂 –穿晶断裂和沿晶断裂 –长度量纲与断裂有关学科的划分
5.1.4 断口分析
–宏观断口分析 –微观断口分析
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5.1.1 断裂力学的发展过程
➢ 断裂面比较平坦，而且基本与轴向垂直；
➢ 断注口平意齐：而光概亮念，且的与相正应对力性垂直。断口上常
呈人字（纹受或放温射度花样、。应力、
韧性断裂： ➢ 断裂环前的境切等口根的部影发生响了）塑性变形，剩余截面
的面积缩小(即发生颈缩)；
➢ 断口可能呈锯齿状；
➢ 用肉眼和低倍显微镜观察时，断口呈暗灰色，
– 选择材料。
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5.1.3 断裂力学中的几个基本概念
脆性断裂和韧性断裂
韧度(toughness)：材料在断裂前的弹塑性变
2020/11/15 形中吸收能量的能力。
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5.1.3 断裂力学中的几个基本概念
脆性断裂和韧性断裂
脆性断裂： ➢ 在拉断时，没有明显的塑性变形，是一种突然
发生的断裂，断前没有预兆；
纤维状。
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5.1.3 断裂力学中的几个基本概念
穿晶断裂和沿晶断裂
解理形式（原子键的简单拉断） 脆性断裂
滑移和空洞聚集形式 2020/11/15 韧性断裂
由于晶界存在着脆性相、 氢脆或回火脆性等原因引起
多属于脆性断裂 18
5.1.3 断裂力学中的几个基本概念
长度量纲与断裂有关学科的划分（学科）
1961年，Paris提出裂纹扩展速率与应力强度 因子之间关系的著名公式
对动态断裂的定量分析研究方兴未艾
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5.1.2 断裂力学的研究内容
断裂力学的目的在于定量地研究承载体由于 含有一条主裂纹发生扩展（包括静载及疲劳 载荷下的扩展）而产生失效的条件。
研究材料或结构的裂纹扩展（萌生）的动力和阻力 断裂准则及其适用范围和适用条件 应用于复杂结构的分析：裂纹起裂、扩展到失稳过程 估算含裂纹结构的寿命：疲劳问题
统称。记录着裂纹的发生、扩展和断裂的过程。
断口分析：用宏观和微观的方法对断口的形貌进行
15世纪，达芬奇：铁丝的断裂载荷与长度成反比 1919年，俄国КолоcoB：无限大板中含一椭圆孔时应 力集中问题 （应力）
–结论：带有裂纹的构件，不能承载
1921年，Griffith 研究脆性材料的断裂问题。（能量） 二战后，Irwin和Orowan各自独立将Griffith理论加以补 充，以适用于金属材料。