第十一章 材料失效及強度理論 (課堂PPT)

第11章材料失效及強度理論,11.1常用工程材料的失效模式及強度理論概念11.2關(guān)于斷裂的強度理論11.3關(guān)于屈服的強度理論11.4彎曲與扭轉(zhuǎn)的組合,1,a)低碳鋼拉伸斷裂,b)鑄鐵拉伸斷裂,F,c)鑄鐵壓縮破壞,第11章材料失效及強度理論,引言,2,a)低碳鋼扭轉(zhuǎn)破壞,b)鑄鐵扭轉(zhuǎn)破壞,第11章材料失效及強度理論,引言,3,1）常用工程材料的失效模式,材料的兩種基本失效模式,簡單應(yīng)力狀態(tài)（單向應(yīng)力狀態(tài)與純切應(yīng)力狀態(tài)），材料的失效現(xiàn)象取決于材料本身的力學(xué)性能：,復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，材料發(fā)生哪種失效，還將取決于應(yīng)力狀態(tài)。例如，在三向壓應(yīng)力狀態(tài)，即使是非常好的脆性材料，也不會發(fā)生斷裂失效。,11-1常用工程材料的失效模式及強度理論概念,屈服,斷裂,第11章材料失效及強度理論,4,2）強度理論的概念,單向應(yīng)力狀態(tài)情況：脆性材料，當(dāng)時，材料便發(fā)生斷裂失效，這就是失效判據(jù)，強度極限就是極限應(yīng)力；塑性材料，當(dāng)時，材料便發(fā)生屈服失效，這也是失效判據(jù)，屈服點也是極限應(yīng)力。,第11章材料失效及強度理論,11-1常用工程材料的失效模式及強度理論概念,材料發(fā)生什么形式的失效？何時發(fā)生失效？失效時的應(yīng)力，即極限應(yīng)力是多大？怎樣建立失效判據(jù)？,5,第11章材料失效及強度理論,2）強度理論的概念,11-1常用工程材料的失效模式及強度理論概念,材料發(fā)生什么形式的失效？何時發(fā)生失效？失效時的應(yīng)力，即極限應(yīng)力是多大？怎樣建立失效判據(jù)？,6,強度理論：關(guān)于材料失效原因與規(guī)律的假說或?qū)W說。,強度理論必須經(jīng)受實驗與實踐的檢驗。實際上，也正是在反復(fù)實驗與實踐基礎(chǔ)上，強度理論才得到發(fā)展并日趨完善。目前，有許多種強度理論，本課只介紹工程中常用的幾種強度理論。,第11章材料失效及強度理論,2）強度理論的概念,11-1常用工程材料的失效模式及強度理論概念,7,11-2關(guān)于斷裂的強度理論,1）最大拉應(yīng)力強度理論（第一強度理論）,把材料脆斷失效的原因歸結(jié)為最大拉應(yīng)力。只要最大拉應(yīng)力達到材料單向拉伸脆斷時的極限拉應(yīng)力值（即強度極限），材料就發(fā)生脆斷失效。,失效原因：,失效判據(jù)：,這一理論沒有考慮和對材料失效的影響。此外，對于沒有拉應(yīng)力的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，不能應(yīng)用此理論。,即,實用范圍：實用于破壞形式為脆斷的構(gòu)件。,第11章材料失效及強度理論,8,11-2關(guān)于斷裂的強度理論,2）最大拉應(yīng)變強度理論（第二強度理論）,把材料脆斷失效的原因歸結(jié)為最大拉應(yīng)變。只要最大拉應(yīng)變達到材料單向拉伸脆斷時的極限拉應(yīng)變值，材料就發(fā)生脆斷失效。,失效原因：,最大拉應(yīng)變理論能很好解釋大理石在軸向壓縮時（試件與實驗機夾板間摩擦力較小條件下）沿軸向開裂的失效現(xiàn)象。,失效判據(jù)：,因為,所以,實用范圍：實用于破壞形式為脆斷的構(gòu)件。,第11章材料失效及強度理論,9,11-3關(guān)于屈服的強度理論,1）最大切應(yīng)力強度理論（第三強度理論）,材料屈服失效的原因歸結(jié)為最大切應(yīng)力。認(rèn)為，無論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要最大切應(yīng)力達到材料單向拉伸屈服時的極限最大切應(yīng)力值，材料就發(fā)生屈服失效。,失效原因：,失效判據(jù)：,因為,所以,第11章材料失效及強度理論,10,第三強度理論曾被許多塑性材料的試驗結(jié)果所證實，且稍偏于安全。這個理論所提供的計算式比較簡單，故它在工程設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。該理論沒有考慮中間主應(yīng)力2的影響，其帶來的最大誤差不超過15，而在大多數(shù)情況下遠(yuǎn)比此為小。,第11章材料失效及強度理論,11-3關(guān)于屈服的強度理論,1）最大切應(yīng)力強度理論（第三強度理論）,11,2）形變應(yīng)變能強度理論（第四強度理論）,材料屈服失效的原因歸結(jié)為形變應(yīng)變能。認(rèn)為，無論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要形變應(yīng)變能達到材料單向拉伸屈服時的極限形變應(yīng)變能，材料就發(fā)生屈服失效。,失效原因：,失效判據(jù)：,因為,所以,第11章材料失效及強度理論,11-3關(guān)于屈服的強度理論,12,第三強度理論可進行偏保守（安全）設(shè)計。,第四強度理論可用于更精確設(shè)計，要求對材料強度指標(biāo)、載荷計算較有把握。,第二強度理論僅用于石料、混凝土等少數(shù)材料。,第一強度理論用于脆性材料的拉伸、扭轉(zhuǎn)。,按某種強度理論進行強度校核時，要保證滿足如下兩個條件:1.所用強度理論與在這種應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生的破壞形式相對應(yīng);2.用以確定許用應(yīng)力的,也必須是相應(yīng)于該破壞形式的極限應(yīng)力。,第11章材料失效及強度理論,小結(jié),13,塑性材料（如低碳鋼）在三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)下呈脆斷破壞，應(yīng)選用第一強度理論。,注意,脆性材料（如大理石）在三向壓縮應(yīng)力狀態(tài)下呈塑性屈服失效狀態(tài)，應(yīng)選用第三、第四強度理論。,例(a)一鋼質(zhì)球體防入沸騰的熱油中,將引起爆裂，試分析原因。,受力分析：鋼球入熱油中，其外部因驟熱而迅速膨脹，內(nèi)芯受拉且處于三向受拉應(yīng)力狀態(tài)，而發(fā)生脆斷破壞。,例（b）深海海底的石塊，盡管受到很大的靜水壓力,并不破壞，試分析原因。,受力分析：石塊處于三向受壓狀態(tài)。,第11章材料失效及強度理論,14,莫爾認(rèn)為：最大剪應(yīng)力是使物體破壞的主要因素，但滑移面上的摩擦力也不可忽略（莫爾摩擦定律）。綜合最大剪應(yīng)力及最大正應(yīng)力的因素，莫爾得出了他自己的強度理論。,第11章材料失效及強度理論,11-4莫爾強度理論,15,近似包絡(luò)線,極限應(yīng)力圓的包絡(luò)線,O,t,s,1）兩個概念：,（1）極限應(yīng)力圓：材料失效時對應(yīng)的一系列應(yīng)力圓,（2）極限曲線：極限應(yīng)力圓的包絡(luò)線（envelope）。,第11章材料失效及強度理論,16,（1）破壞判據(jù)：,2）莫爾強度理論：任意一點的應(yīng)力圓若與極限曲線相接觸，則材料即將屈服或斷裂。,第11章材料失效及強度理論,（2）實用范圍：實用于破壞形式為屈服的構(gòu)件及其拉壓極限強度不等的處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的脆性材料的破壞（巖石、混凝土等）。,17,認(rèn)為材料的屈服是由兩個較大的主切應(yīng)力引起的。當(dāng)兩個較大主切應(yīng)力之和達到材料在單向拉伸屈服時的極限雙切應(yīng)力之和時，材料就發(fā)生屈服（流動）破壞。,主應(yīng)力表示：,實用于破壞形式為屈服的材料,第11章材料失效及強度理論,雙切應(yīng)力強度理論,西安交通大學(xué)俞茂宏教授1961年提出:,破壞判據(jù)：,18,11-5許用應(yīng)力強度條件,1）相當(dāng)應(yīng)力,第一強度理論,綜上所述，當(dāng)由強度理論來建立各種應(yīng)力狀態(tài)下材料失效判據(jù)時，是將主應(yīng)力的某一綜合值與材料單向拉伸時極限應(yīng)力相比較。主應(yīng)力的這一綜合值稱為相當(dāng)應(yīng)力，用表示。,第二強度理論,第三強度理論,第四強度理論,第11章材料失效及強度理論,19,例11-1對于圖示各單元體，試分別按第三強度理論及第四強度理論求相當(dāng)應(yīng)力。,110MPa,140MPa,(b),已知1=140MPa，2=110MPa,3=0,第11章材料失效及強度理論,20,2）許用應(yīng)力,工程構(gòu)件的強度達到極限狀態(tài)（即發(fā)生強度失效）的條件是什么？怎樣才能保證構(gòu)件安全可靠的工作？,以最大切應(yīng)力強度理論為例：,第11章材料失效及強度理論,11-5許用應(yīng)力強度條件,為了有足夠的強度儲備，以保證構(gòu)件能安全可靠地工作，將等比例