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第三章 常见失效形式及特征和诊断;主要内容;主要内容;3.1过量弹性变形失效;;;3.2屈服失效;;;;;;材料的韧性与断裂设计;材料的韧性与断裂设计;材料的韧性与断裂设计;;材料的韧性与断裂设计;材料的韧性与断裂设计;;;;材料的韧性与断裂设计;;材料的韧性与断裂设计;材料的韧性与断裂设计;;;裂纹尖端附近的应力场;裂纹尖端附近的应力场 ;对于I型裂纹,裂纹尖端任一点的应力和位移分量取决
于该点的坐标(r,θ),材料的弹性常数以及参量KI。KI
可用下式表示
KI=σ·√πα
若裂纹体的材料一定,且裂纹尖端附近某一点的位置(r,θ)给定时,则该点的各应力分量唯一地决定于KI
之值。
KI之值愈大,该点各应力,位移分量之值愈高。
KI反映了裂纹尖端区域应力场的强度,故称为应力强度
因子。
它综合反映了外加应力、裂纹长度对裂纹尖端应力场强
度的影响。;;;;安全判据 是结构断裂设计的依据。
结构设计应用例
(1)一厚板零件,使用0.45C-Ni-Cr-Mo钢制造。其 如图所示。
无损检测发现裂纹长度在4mm以上,设计工作应力为 。
讨论:a 工作应力?d=750MNm-2 时,检测手段能否保证防止发生脆断?
b 企图通过提高强度以减轻零件重量,若?b提高到1900MNm-2
是否合适?
c 如果?b提高到1900MNm-2 ,则零件的允许工作应力是多少?
解:a 选用钢材, 为66MNm-3/2 ,计算得
b 通过热处理提高材料强度 ?b = 1900MNm-2 ,则 =34.5MNm-3/2 ,计算得裂纹临界长
度2c=2.1mm。小于检测范围,不能保证不发生脆性断裂。
若改用钢材4,则可计算得2c约为4.35mm,满足要求。
c 在?b = 1900MNm-2时,对钢材1,在临界裂纹2c=4mm时,其工作应力为?d=685MNm-2
对钢材4,在临界裂纹2c=4mm时,其工作应力为?d=990MNm-2 ;[例2]* 计算构件中的临界裂纹尺寸,并评价材料的脆断倾向。
一般构件中,较常见的是表面半椭圆裂纹。由前式并从安全考虑,其临界裂纹尺寸可由下式估算;(2)中低强度钢 这类钢在低温下发生韧脆转变。
在韧性区,KIC可高达150 MPa√m
而在脆性区,则只有30-40 MPa√m,甚至更低;1.外因
板厚或截面尺寸:断裂韧性随板厚或截面尺寸的增加而减小趋于KIC
温度:随温度下降,断裂韧性急剧降低。
应变速率:应变速率增加,断裂韧性降低。
2.内因
晶粒尺寸:细化晶粒同时提高强度和韧性
夹杂和第二相:使韧性降低
组织结构:马氏体,贝氏体,奥氏体
断裂韧性:奥氏体下贝氏体马氏体上贝氏体
;低应力脆断特点
低应力,符合强度设计准则
发生在比较低的工作温度下
裂纹源通常在结构或材料的缺陷处
厚截面、高应变速率促进脆断;钢的脆性;;3.3塑性断裂失效;;;;3.4脆性断裂失效;;;;;;;;;右图是建造中的Titanic 号。
Gannon 的文章指出,在水线上下都由10 张30 英尺长的高含硫量脆性钢板焊接成300英尺的船体。
船体上可见长长的焊缝。船在冰水中撞击冰山而裂开时,脆性的焊缝无异于一条300英尺长的大拉链,使船体产生很长的裂纹,海水大量涌入使船迅速沉没。
;由于早年的Titanic 号采用了含硫高的钢板,韧性很差,特别是在低温呈脆性。所以,冲击试样是典型的脆性断口。
近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性;;;;;3.5疲劳断裂失效;;失效分析; 疲劳源;失效分析;;轴的疲劳断口;失效分析;机身结构强度
机翼颤振和付翼“反逆”现象主要原因是结构刚度不足。
疲劳和耐久性要求
;3.5疲劳断裂失效;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;例 铬镍合金钢阶梯轴 ?b=920MPa, ?–1= 420MPa,?–1= 250MPa ,求弯曲和扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数;2.扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数;;;;;;;;;;3.5.2疲劳失效行为特征
热疲劳的基本概念
热疲劳破坏:金属材料由于温度梯度循环引起的热应力循环(或热应变循环),或者与机械应力的联合作用下导致疲劳裂纹形成与扩展,最后一期零部件疲劳失效的现象。
产生原因:
工作交变温度——热应力(又称温差应力)变化引起材料内部
膨胀和收缩产生循环
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