2022年医学专题—疲劳断裂CAI3.ppt

1,20世纪50年代，美国北极星导弹固体燃料发动机壳体发射时断裂(dun li)。材料为高强度钢，屈服强度s=1400MPa，工作应力900MPa。,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。断裂起源于焊缝裂纹，发生断裂时的试验(shyn)应力仅为材料屈服应力的48%。,一、结构(jigu)中的裂纹,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。,第一页，共二十一页。,2,低应力(yngl)断裂：在静强度足够的情况下发生的断裂。,低应力断裂(dun li)是由裂纹引起的。,讨论张开型(I型)裂纹，最常见、最严重。二维裂纹，-穿透厚度(hud)裂纹，最简单。,第二页，共二十一页。,3,二、断裂控制(kngzh)参量和断裂判据,作用(、a)越大，抗力(kn l)(K1C)越低，越可能断裂。,抗力(kn l),断裂控制参量：应力强度因子 K,第三页，共二十一页。,4,这是进行(jnxng)抗断设计的基本控制方程。,断裂(dun li)判据：,K1C是材料断裂韧性(抗断指标)，试验(shyn)确定。,第四页，共二十一页。,5,三、材料(cilio)的平面应变断裂韧性 K1c,1）标准(biozhn)试件(GB4161-84),应力强度(qingd)因子：,第五页，共二十一页。,6,2）试验装置,监测载荷F、裂纹张开位移(wiy)V，得到试验 F-V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K1C。,第六页，共二十一页。,7,3)FQ的确定(qudng)：,若在F5前无载荷(zi h)大于F5，则取 FQ=F5；若在F5前有载荷大于F5，则取该载荷为 FQ。,作比F-V线性部分斜率(xil)小5%的直线，交F-V于F5。,试验有效条件Fmax/FQ1.1,第七页，共二十一页。,8,预制裂纹的前缘一般呈弧形(h xn)，故实际裂纹尺寸应打开试件断口后测量值确定。,四等分厚度，用工具显微镜量取五个处裂纹(li wn)尺寸，取 a=(a2+a3+a4)/3;,4)裂纹(li wn)尺寸a的确定：,为保证裂纹的平直度，还要求满足：a-(a1+a5)/2 0.1a,第八页，共二十一页。,9,讨论(toln)：厚度的影响,实验表明，材料断裂(dun li)时应力强度因子KC与试件的厚度B有关。,平面(pngmin)应变：厚度足够大时，沿厚度方向的变形被约束在垂直于厚度方向的平面(pngmin)内，可以不计。,K1C是材料的平面应变断裂韧性，是材料参数；KC是材料在某给定厚度下的临界断裂值。,第九页，共二十一页。,10,平面应变厚度要求：B 2.5(K1c/sys)2预制裂纹尺寸(ch cun)：Da1.5mm；0.45Wa0+Da0.55W预制裂纹时的疲劳载荷：Kmax(2/3)K1c。,试验(shyn)有效性条件与尺寸要求汇总:(国标GB4161-84),断裂载荷(zi h)有效性：Fmax/FQ1.1;裂纹平直度有效性：a-(a1+a5)/2)/a10%,满足上述条件，才是平面应变断裂韧性 K1C。,第十页，共二十一页。,11,例1.用B=30mm的标准(biozhn)三点弯曲试件测断裂韧性，裂纹尺寸为a=32mm。试验测得FQ=56kN,Fmax=60.5kN；材料的 0.2=905MPa,求其K1C。,解：对于标准三点(sn din)弯曲试样，有：,有效性检验(jinyn)：B=30mm 2.5(K1c/sys)2=25 mm,Fmax/FQ=60.5/56=1.081.1,第十一页，共二十一页。,12,已知、a，算K，选择(xunz)材料，保证不发生断裂；,一般地说，为了(wi le)避免断裂破坏，须要注意：,2)已知a、材料的K1c，确定(qudng)允许使用的工作应力；,3)已知、K1c，确定允许存在的最大裂纹尺寸a。,第十二页，共二十一页。,13,1)已知、a，算K，选择材料(cilio)，保证不发生断裂；,断裂(dun li)判据：,2)已知a、材料的K1C，确定允许使用(shyng)的工作应力；,3)已知、K1C，确定允许存在的最大裂纹尺寸a。,四、断裂控制设计的基本概念,抗断裂设计计算：,稳定判据：FFcr,第十三页，共二十一页。,14,解：1）不考虑缺陷，按传统强度设计考虑。选用二种材料(cilio)时的安全系数分别为：材料1：n1=ys1/=1800/1000=1.8 材料2：n2=ys2/=1400/1000=1.4,2）考虑缺陷，按断裂设计考虑。由于(yuy)a很小，对于单边穿透裂纹应有:或,第十四页，共二十一页。,15,选用(xunyng)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(xunyng)材料1：1c=50/1.12(3.140.001)1/2=796MPa,选用(xunyng)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。,第十五页，共二十一页。,16,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(zhngxn)裂纹板，f=1。,解：由球形压力容器膜应力(yngl)计算公式有：=pd/4t=54/(40.01)=500MPa,第十六页，共二十一页。,17,在发生(fshng)断裂的临界状态下有：,；=pd/4t,得到(d do)：ac=(1/3.14)(80/500)2=0.0081m=8.1mm,第十七页，共二十一页。,18,裂纹在静强度足够的情况(qngkung)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(zuyng),抗力(kn l),中心裂纹宽板，f=1；单边裂纹宽板，f=1.12。,第十八页，共二十一页。,19,抗断裂设计基本(jbn)认识：,裂纹(li wn)尺寸a与应力强度因子K的平方成正比，故断裂韧性K1c增大一倍，断裂时的临界裂纹尺寸将增大到四倍。,第十九页，共二十一页。,20,再见(zijin)！,谢谢(xi xie)！,再见(zijin)！,习题：12-6，12-8，12-9,第二十页，共二十一页。,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。,