動載焊接結(jié)構(gòu)強度及設(shè)計--斷裂力學(xué)-文庫吧資料
2025-04-10 14:24本頁面
【正文】 KⅠ c 線彈性斷裂力學(xué)在小塑性區(qū)的應(yīng)用 線彈性斷裂力學(xué)只適用于線彈性體 ， 而實際上金屬材料在裂紋尖端區(qū)總有少量塑性變形 ，線彈性斷裂力學(xué)原則上不再適用 ， 但當(dāng)裂紋尖端塑性區(qū)遠(yuǎn)較裂紋尺寸小 （ 稱為小范圍屈服 ）情況下 ， 仍可按線彈性斷裂力學(xué)的近似地估計出真實性能 ， 而被推廣使用 。 它反映了材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展 ， 即抵抗脆性斷裂的能力 ， 所以平面應(yīng)變條件下的脆性斷裂判據(jù)為 KⅠ ≥KⅠ c KⅠ c稱為材料的斷裂韌性 ， 由實驗得出 ， 表示材料抗裂能力的力學(xué)性能指標(biāo) 。 當(dāng)有裂紋的構(gòu)件在外力作用逐漸增大 ， 裂紋逐漸擴展時 ， 裂紋尖端的應(yīng)力強度因子 KⅠ 也隨之逐漸增加 ， 當(dāng) KⅠ 達(dá)到臨界值 ，構(gòu)件中的裂紋將產(chǎn)生突然的失穩(wěn)擴張 ， 這個應(yīng)力強度因子 KⅠ 的臨界值 ， 稱為臨界應(yīng)力強度因子 ， 它就是材料的斷裂韌性 。 由此可得出板厚關(guān)系到斷裂形式 ， 隨厚度的增加 ， 其塑性變形減少 ， 向平面應(yīng)變狀態(tài)發(fā)展 ，容易引起三向應(yīng)力的斷裂 。 （ 2） 平面應(yīng)變狀態(tài) 如果在 Z方向把受力物體加以固定 ， 不能收縮 ，即 εx=0， 這時就相當(dāng)于在 Z方向加一個應(yīng)力 ζz，此時彈性內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變稱為平面應(yīng)變狀態(tài) 。 x xxyyyzzz? ?? ?? ? 裂紋擴展形式 裂紋類型 ： 穿透裂紋、表面裂紋和內(nèi)部裂紋三種。（最危險，著重研究）（ 2）滑移型 ：在平行于裂紋表面且垂直于裂紋前緣剪應(yīng)力作用下，使裂紋滑動而擴展。 因此 ， K1表示尖端附近應(yīng)力場強弱的因子 ， 簡稱應(yīng)力強度因子： ? Y裂紋形狀因子 ， 是一個無量綱的系數(shù) ， 2a裂紋長度 。 它的大小就確定裂紋尖端附近各點應(yīng)力大小 。 )0,( ?? ?? rfyxy?n?yx?y?x? )23sin2sin1(2cos2??????? ??rax )23sin2sin1(2cos2 ??????? ?? ray )23cos2cos2sin2 ????? rxy二 裂紋尖端應(yīng)力強度因子 應(yīng)力強度因子 : 線彈性斷裂力學(xué)認(rèn)為，材料脆性斷裂前基本上是彈性變形，其中應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是線性關(guān)系，在這樣條件下，就可用材料力學(xué)來分析裂紋擴展的規(guī)律。 斷裂力學(xué)的任務(wù)： ① 宏觀裂紋源在什么條件下會導(dǎo)致失穩(wěn)擴展以致斷裂； ② 建立裂紋尺寸和破壞應(yīng)力之間的關(guān)系 。 用于裂紋尖端產(chǎn)生小范圍屈服的研究 ， 在工程實踐中應(yīng)用于超高強度鋼 、 厚截面中強度鋼結(jié)構(gòu) ， 塑性變形小和對中低強度鋼的結(jié)構(gòu) 。 小于臨界尺寸裂紋稱亞臨界裂紋 ， 不會自行擴展 。 裂紋不穩(wěn)定擴展： 是指裂紋在不需要外界繼續(xù)提供能量情況下裂紋就擴展 ， 低應(yīng)力脆斷時裂紋擴展屬于此種 。 裂紋的擴展可分為穩(wěn)定擴展 （ 又稱亞臨界擴展 ） 和失穩(wěn)擴展 （ 不穩(wěn)定擴展 ） ： 裂紋的穩(wěn)定擴展： 是裂紋在不斷接受外界能量情況才會擴展 。 （ 一 ） 斷裂力學(xué)研究任務(wù) 通過研究裂紋尖端局部區(qū)域的應(yīng)力和變形情況 ， 掌握裂紋在外載荷作用下擴展規(guī)律 ，了解帶裂紋構(gòu)件的承載能力 ， 從而提出抗斷設(shè)計的方法 ， 保證構(gòu)件的安全工作 。 一 、 斷裂力學(xué) ? 經(jīng)典力學(xué)： 常規(guī)的強度計算方法是以材料為基礎(chǔ) ，把材料抽象為均勻 、 連續(xù)和各向同性的 ， 未考慮材料的內(nèi)部缺陷 ， 用 σs、 σb和安全系數(shù) n反映結(jié)構(gòu)安全可靠性 ， 它與破壞過程均無直接聯(lián)系 。 眾多焊接結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂事故中，可以清楚的看到焊接接頭的重要影響，疲勞破壞一般都是從應(yīng)力集中處開始，而焊接結(jié)構(gòu)的疲勞裂縫又往往從焊接接頭的應(yīng)力集中處產(chǎn)生。 但疲勞強度卻不是這樣 。 疲勞斷裂與脆性斷裂相比較： 相同點： 二者斷裂時形變都很小 ， 并都在動載作用下斷裂 ， 不同點： （ 1） 載荷：疲勞斷裂需要多次加載 ， 而脆斷一般不需要多次加載； （ 2） 時間：脆斷是瞬時完成的 ， 而疲勞裂縫的擴展則是緩慢的 ， 有時需要長達(dá)數(shù)年的時間 。 （ 4） 材料狀態(tài)影響： 1） 板厚度的影響 : 首先厚板在缺口處容易形成三向應(yīng)力的平面應(yīng)變狀態(tài) ， 另外板厚軋制次數(shù)少 ， 組織疏松 ， 內(nèi)外性能不均： 2） 晶粒影響 : 晶粒度對脆性轉(zhuǎn)變溫度有很大影響 ， 晶粒越細(xì) ， 其轉(zhuǎn)變溫度降低； 3） 化學(xué)成分影響 : 鋼中 C、 N、 O、 H、 S、P增加鋼中的脆性 。 （ 3） 加載速度的影響 研究表明提高加載速度能促使材料脆性破壞 ， 其作用相當(dāng)于降低溫度 。 在三軸拉伸時 ， 最大應(yīng)力就超出單軸拉伸時的屈服應(yīng)力 ， 形成很高的局部應(yīng)力而材料尚未發(fā)生屈服 ， 結(jié)果降低了材料塑性 ， 使該處材料變脆 。實驗證明，許多材料處于單軸或雙軸拉伸應(yīng)力下，呈現(xiàn)塑性，當(dāng)處于三軸拉伸應(yīng)力下，因不易發(fā)生塑性變形，呈現(xiàn)脆性。當(dāng)1 2 3? ? ???，m ax?/m a x?=0 ，在 力學(xué)狀態(tài)圖上 與 橫軸 重合 ，說明 材料必然是脆斷。 α↑的應(yīng)力狀態(tài)有利塑性變形切應(yīng)力的韌性斷裂 ， 而 α↓則有利正應(yīng)力的脆性斷裂 。 σmax和 τmax及其比值 與加載方式有關(guān) 。 由于解理斷裂通常發(fā)生在體心立方和密集六方點陣的金屬和合金中 ， 只在特殊情況下 ， 如應(yīng)力腐蝕條件下 ， 才在面心立方點陣的金屬中發(fā)生 ， 因此面心立方點陣的金屬 （ 如奧氏不銹鋼 ） ， 可以在很低溫度下工作而不發(fā)生脆性斷裂 。 這是因為隨溫度的降低 ， 發(fā)生解理斷裂的危險性增大 ， 材料將出現(xiàn)塑性到脆性斷裂的轉(zhuǎn)變 。 此外晶粒度及其顯微組織對材料破壞傾向也有很大影響 。 研究表明 ， 其最重要的影響因素是溫度
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