零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂PPT課件

1、一、基本概念靜載荷和沖擊載荷斷裂：材料在外力作用下分為兩個(gè)或者兩個(gè)以上部分的現(xiàn)象。斷裂的分類(lèi)第1頁(yè)/共69頁(yè)力學(xué)宏觀微觀正斷切斷韌斷脆斷微孔聚合解理晶間晶內(nèi)第2頁(yè)/共69頁(yè) “虹橋”系綦江縣形象工程，形似彩虹而得名，該橋跨越長(zhǎng)江支流綦河，連接城東城西，于1994年11月5日動(dòng)工建設(shè)，1996年2月16日竣工，橋凈空跨度120米，耗資368萬(wàn)元。 1999年1月4日晚6時(shí)50分左右，彩虹橋整體垮塌，包括18名年輕武警戰(zhàn)士在內(nèi)的40人遇難。 調(diào)查組認(rèn)為，這次垮塌事件由兩方面的原因造成。一是工程質(zhì)量問(wèn)題；二是工程承發(fā)包不合法。調(diào)查結(jié)果表明，這次慘劇不是天災(zāi)，而是人禍。其根本原因，是由于政府在工程開(kāi)發(fā)

2、建設(shè)上沒(méi)有遵循法律，履行必要的審核、論證程序，采取了“特事特辦”的方式，盲目追求效率營(yíng)造“獻(xiàn)禮工程”，從而釀成大禍。綦江彩虹橋垮塌案第3頁(yè)/共69頁(yè)1999年3、4月，重慶第一中級(jí)人民法院對(duì)“綦江彩虹橋垮塌案”14名責(zé)任被告人進(jìn)行一審宣判。其中10人不服，并上訴。同年12月，重慶市高院作出終審判決。林世元 男，原綦江縣委員會(huì)副書(shū)記，因受賄罪、玩忽職守罪，被高級(jí)人民法院終審判處死刑，緩期2年執(zhí)行。張基碧 男，原綦江縣城鄉(xiāng)建設(shè)管理委員會(huì)主任，因玩忽職守罪，被判處有期徒刑6年。趙祥忠 男，原重慶市市政工程質(zhì)量監(jiān)督站站長(zhǎng)，因工程重大安全事故罪，被判處有期徒刑5年，并處以罰金2萬(wàn)元。賀際慎 女，原綦江縣

3、人大常委會(huì)副主任，因玩忽職守罪，被判處有期徒刑3年。費(fèi)上利 男，“虹橋”工程組織承建者，因工程重大安全事故罪，被判處有期徒刑10年，并處罰金50萬(wàn)元。此外，李蒙澤、孫立、段浩、夏福利、閻珂、劉澤均、胡開(kāi)明、王遠(yuǎn)凱等人，及重慶通用工業(yè)技術(shù)服務(wù)部，因重大工程重大安全事故罪、玩忽職守罪、生產(chǎn)銷(xiāo)售不符合安全標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品罪等罪名，被判處6年至10年的有期徒刑，并處以3萬(wàn)至25萬(wàn)元罰金。第4頁(yè)/共69頁(yè)第5頁(yè)/共69頁(yè)微孔聚合型斷口解理型斷口晶間斷裂晶內(nèi)斷裂第6頁(yè)/共69頁(yè) 裂紋形成（萌生）階段 裂紋擴(kuò)展階段斷裂過(guò)程裂紋萌生：材料在外力作用下，形成微裂紋或以內(nèi)部缺陷作為裂紋源。裂紋擴(kuò)展：微裂紋或裂紋源逐漸擴(kuò)

4、展至一臨界尺寸時(shí)，立即發(fā)生斷裂。前者段稱裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展階段，后者稱裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段。第7頁(yè)/共69頁(yè)裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)，裂紋擴(kuò)展阻力大，da/dt較??；裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)，裂紋擴(kuò)展阻力小， da/dt大，最大可達(dá)該材料的聲速。第8頁(yè)/共69頁(yè)韌斷時(shí)，裂紋的亞穩(wěn)擴(kuò)展階段較長(zhǎng)，裂紋的擴(kuò)展與塑性變形同時(shí)進(jìn)行，故有明顯的塑性變形，斷裂慢。脆斷時(shí)，幾乎沒(méi)有亞穩(wěn)擴(kuò)展階段，故無(wú)明顯塑性變形，斷裂快。第9頁(yè)/共69頁(yè)韌性韌性越好，脆斷傾向越?。涣W(xué)性能指標(biāo)： 沖擊韌性 斷裂韌性材料在塑性變形和斷裂過(guò)程中吸收能量的能力，是材料強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。第10頁(yè)/共69頁(yè)二、沖擊韌性衡量指標(biāo)：沖擊吸收功 Ak 沖擊韌度 ak

5、(ak Ak/Fk )材料在沖擊載荷下吸收塑性變形功和斷裂功的能力。是材料強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。第11頁(yè)/共69頁(yè)()kAmg hh第12頁(yè)/共69頁(yè)工程中常將材料的屈服強(qiáng)度與沖擊韌性結(jié)合在一起用于零件及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除了強(qiáng)度的要求外，規(guī)定焊接接頭沖擊吸收功 Ak 27J沖擊韌性的應(yīng)用第13頁(yè)/共69頁(yè)-59-124162479低強(qiáng)度鐵素體鋼沖擊斷口照片第14頁(yè)/共69頁(yè)系列沖擊試驗(yàn)奧氏體鋼低強(qiáng)度鐵素體鋼高強(qiáng)度鋼沖擊吸收功 Ak溫度 TTk第15頁(yè)/共69頁(yè)溫度對(duì)材料的韌性影響很大，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，Tk。Ak越高，Tk越低，則材料的韌性越好。A

6、k是對(duì)材料的成分和組織敏感的力學(xué)性能指標(biāo)。鋼韌性最高，無(wú)明顯的Tk ，低溫韌性好；低強(qiáng)度鐵素體鋼韌性次之，有明顯的Tk ，低溫韌性差；高強(qiáng)度M鋼韌性最差，即使室溫韌性好很低。第16頁(yè)/共69頁(yè)三、斷裂韌性傳統(tǒng)的零件及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是基于“材料是一個(gè)連續(xù)均質(zhì)的整體”假設(shè)之上的，為防止脆性斷裂，除強(qiáng)度要求之外，還加上了材料的塑性和韌性指標(biāo)。五大力學(xué)性能指標(biāo)強(qiáng)度 b, s塑性 ,韌性 Ak/ak第17頁(yè)/共69頁(yè)實(shí)際材料中是存在微裂紋及各種冶金缺陷的，而其中裂紋是最危險(xiǎn)的一類(lèi)缺陷，因此有必要研究帶裂紋體的問(wèn)題。斷裂力學(xué)第18頁(yè)/共69頁(yè)應(yīng)力強(qiáng)度因子斷裂力學(xué)研究表明：裂紋尖端的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)可用物理量來(lái)表征。x

7、 , y , xyx , y , xy第19頁(yè)/共69頁(yè)張開(kāi)型裂紋I型滑移型裂紋II型撕裂型裂紋III型第20頁(yè)/共69頁(yè): 幾何形狀因子，Y12；: 工作應(yīng)力； a : 裂紋半長(zhǎng)度。IKYa2a第21頁(yè)/共69頁(yè)研究表明：當(dāng)KI較小時(shí)，裂紋不會(huì)擴(kuò)展，零件是安全的；當(dāng)KI達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，裂紋才會(huì)擴(kuò)展，這個(gè)臨界值KIC是材料的性質(zhì)。斷裂韌度第22頁(yè)/共69頁(yè)斷裂韌度KIC: 是評(píng)定材料抵抗脆性斷裂的力學(xué)性能指標(biāo)，指的是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。單位：MPam 1/2 或者 MN m-3/2KI KIC 構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂KI KIC 構(gòu)件發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂的臨界條件斷裂判據(jù)第23頁(yè)/共69頁(yè)應(yīng)

8、用已知應(yīng)力，材料，確定結(jié)構(gòu)安全的最大裂紋長(zhǎng)度2ICcKaY已知裂紋長(zhǎng)度，材料，確定結(jié)構(gòu)安全的最大應(yīng)力ICcKYa第24頁(yè)/共69頁(yè) 已知應(yīng)力，裂紋長(zhǎng)度，確定結(jié)構(gòu)安全的材料IICKYaK斷裂韌度是用高強(qiáng)度鋼制造的飛機(jī)、導(dǎo)彈和火箭的零件，及用中低強(qiáng)度鋼制造氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等大型零件的重要性能指標(biāo)。第25頁(yè)/共69頁(yè)加載方式材料本質(zhì)溫度和加載速度應(yīng)力集中零件尺寸四、影響脆性斷裂的因素第26頁(yè)/共69頁(yè)（一）加載方式和材料本質(zhì)零件受外力作用時(shí)，其內(nèi)部各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)可用三個(gè)主應(yīng)力1、 2、 3來(lái)（ 1 2 3）來(lái)表示。材料力學(xué)知識(shí)max12313maxmaxmax()2 ：應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)，零

9、件加載方式由表示。第27頁(yè)/共69頁(yè)maxmaxksk側(cè)壓2單向壓2扭轉(zhuǎn)0.8單向拉0.5三向不等拉2單向壓2扭轉(zhuǎn)0.8單向拉0.5三向不等拉0.5加載方式相同，材料本質(zhì)不同，斷裂方式不同第29頁(yè)/共69頁(yè)（二）溫度和加載速度TksTkTk第30頁(yè)/共69頁(yè)（三）應(yīng)力集中應(yīng)力集中改變了應(yīng)力狀態(tài)，max，maxmax, , 。單向拉伸0.50.5，而缺口拉伸試樣 0.5 0.5，易引起脆斷。因此，應(yīng)力集中會(huì)引起材料脆化。第31頁(yè)/共69頁(yè)第32頁(yè)/共69頁(yè)（四）零件尺寸薄板處于平面應(yīng)力狀態(tài)， 較大；厚板處于平面應(yīng)變狀態(tài)， 較小，易產(chǎn)生脆斷。第33頁(yè)/共69頁(yè)第三節(jié) 零件在交變載荷 下的疲勞斷裂基

10、本概念斷口特征抗力指標(biāo)第34頁(yè)/共69頁(yè)一、基本概念交變載荷：載荷大小和方向隨時(shí)間發(fā)生周期變化的載荷。疲勞斷裂：零件在交變載荷下經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間工作而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象成為疲勞斷裂。最大應(yīng)力 max最小應(yīng)力 min幅應(yīng)力 a平均應(yīng)力 m應(yīng)力比 rmaxminmaxminminmax22amr第35頁(yè)/共69頁(yè)minmin002mr maxmax002mrminmax10mr 火車(chē)軸（彎曲）曲軸（扭轉(zhuǎn)）齒輪齒根（彎曲）球軸承（壓縮）00mr連桿（小拉大壓）010mr缸蓋螺釘（大拉小拉）第36頁(yè)/共69頁(yè)疲勞斷裂的特點(diǎn)應(yīng)力很低，常小于靜載屈服強(qiáng)度；斷裂時(shí)無(wú)明顯宏觀塑性變形，脆斷；斷口顯示出裂紋形成、擴(kuò)展和最

11、后斷裂三個(gè)階段。第37頁(yè)/共69頁(yè)二、疲勞斷口的特征第38頁(yè)/共69頁(yè)零件所用材料的內(nèi)部缺陷、加工缺陷、設(shè)計(jì)欠缺等引起局部應(yīng)力集中，這些局部區(qū)域成為裂紋的產(chǎn)生地，即疲勞裂紋源區(qū)。疲勞源區(qū)第39頁(yè)/共69頁(yè)疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞裂紋形成后，在交變應(yīng)力的作用下，裂紋口不斷張開(kāi)和閉合，裂紋表面相互摩擦，裂紋向前擴(kuò)展的同時(shí)留下一條條光亮的弧線，稱疲勞線。疲勞線呈“貝殼狀”或“海灘狀”，這是疲勞斷裂的重要特征。第40頁(yè)/共69頁(yè)最后斷裂區(qū)隨著裂紋的擴(kuò)展，有效承載面積減小，應(yīng)力增加，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)，即發(fā)生快速斷裂。此區(qū)同靜載脆斷斷口，呈放射狀。第41頁(yè)/共69頁(yè)疲勞源區(qū)和疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌一

12、個(gè)疲勞源兩個(gè)疲勞源微裂紋疲勞條紋疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞源區(qū)第42頁(yè)/共69頁(yè)三、疲勞抗力指標(biāo)及其影響因素 無(wú)裂紋零件的疲勞抗力指標(biāo)疲勞極限、過(guò)載持久值、缺口敏感度帶裂紋零件的疲勞抗力指標(biāo)疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值 Kth影響疲勞裂紋抗力的因素載荷類(lèi)型、材料本質(zhì)、表面狀態(tài)、溫度、介質(zhì)第43頁(yè)/共69頁(yè)（一）無(wú)裂紋零（構(gòu)）件的疲勞抗力指標(biāo)材料經(jīng)過(guò)無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。對(duì)應(yīng)于疲勞曲線上水平部分對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。疲勞極限第44頁(yè)/共69頁(yè)材料在高于疲勞極限的應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞斷裂的循環(huán)周次。過(guò)載持久值N1、 N2、 N3、 N4均為疲勞過(guò)載持久值。第45頁(yè)/共69頁(yè)試 驗(yàn) 測(cè) 定材 料 的 疲勞 極 限

13、 常用 旋 轉(zhuǎn) 彎曲 疲 勞 試驗(yàn)，r=-1，結(jié)果用-1表示。 鋼鐵材料 部分在色金屬（Al合金）條 件 疲 勞極限第46頁(yè)/共69頁(yè)應(yīng)用多數(shù)零件按疲勞極限進(jìn)行設(shè)計(jì)；有些零件承受的交變應(yīng)力遠(yuǎn)高于疲勞極限，用過(guò)載持久值進(jìn)行設(shè)計(jì)。低周疲勞 N105 。第47頁(yè)/共69頁(yè)疲勞缺口敏感度11ftKqK常用q來(lái)衡量缺口對(duì)疲勞極限的影響max11;tfmNKK其中，Kt為理論應(yīng)力集中系數(shù)，與零件的幾何形狀有關(guān)，與材料無(wú)關(guān)，可從手冊(cè)中查到； Kf為有效應(yīng)力集中系數(shù)，即光滑試樣和缺口試樣疲勞極限之比，與零件幾何形狀及材料有關(guān)。第48頁(yè)/共69頁(yè)maxmlg N-1-1N第49頁(yè)/共69頁(yè)0q1；Kf1，-1N

14、 -1，即缺口不降低疲勞極限，對(duì)缺口不敏感，此時(shí)q0；KtKf時(shí)，q1，缺口嚴(yán)重降低疲勞極限；q越小越好。第50頁(yè)/共69頁(yè)（二）帶裂紋零構(gòu)件的疲勞抗力指標(biāo)aN1aC1Np1在固定應(yīng)力比和應(yīng)力幅時(shí)，可測(cè)得a-N曲線，裂紋擴(kuò)展速率da/dN隨a增加而增大；21 2Np2aC2增加應(yīng)力幅，在相同循環(huán)次數(shù)下，da/dN增大；da/dN與a、有關(guān)第51頁(yè)/共69頁(yè)maxminmaxminKKKYaYaYaKYa第52頁(yè)/共69頁(yè)lg KlgdadNABCIIIIIIthK10-810-6mm/cyc10-510-2mm/cycndacKdNK=KIC第53頁(yè)/共69頁(yè)應(yīng)用 選材thKYathKYaK

15、確定帶裂紋零（構(gòu)）件的最大承載能力確定零（構(gòu)）件的允許的最大裂紋長(zhǎng)度221thcKaY第54頁(yè)/共69頁(yè)（三）影響疲勞抗力的因素載荷類(lèi)型材料本質(zhì)零件表面狀態(tài)工作溫度腐蝕介質(zhì)第55頁(yè)/共69頁(yè)1. 載荷類(lèi)型 載荷類(lèi)型對(duì)疲勞極限及疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值均有重要影響。拉-壓疲勞-1p0.85-1 （鋼）0.65-1 （鑄鐵）扭轉(zhuǎn)疲勞-1p0.55-1 （鋼）0.8-1 （鑄鐵）第56頁(yè)/共69頁(yè)2. 材料本質(zhì) 不同材料有不同的疲勞曲線，r、q、da/dN、KIC及Kth不同；-10.5 b 中、低強(qiáng)度鋼0.42 b 灰鑄鐵0.48 b 球墨鑄鐵0.350.4 b 鑄鐵銅合金第57頁(yè)/共69頁(yè)材料的純度及

16、組織狀態(tài)對(duì)疲勞抗力有顯著影響組織狀態(tài)b /MPa-1 /MPa退火（鐵素體珠光體）650314淬火（馬氏體）208077540Cr鋼組織類(lèi)型對(duì)疲勞極限的影響第58頁(yè)/共69頁(yè)3. 零件的表面狀態(tài)零件的表面缺陷（如裂紋、刀痕等）對(duì)其強(qiáng)度影響不大，但疲勞極限有顯著影響。材料表面狀態(tài)b /MPa-1 /MPa45鋼（正火）光滑656280有刀痕65414540Cr（淬火200回火）光滑1947780有刀痕1922300第59頁(yè)/共69頁(yè)4. 工作溫度T，r，Kth ，da/dN 5. 腐蝕介質(zhì)在腐蝕介質(zhì)作用下， r，Kth ，da/dN 腐蝕疲勞第60頁(yè)/共69頁(yè)小結(jié)疲勞斷裂是零構(gòu)件常見(jiàn)的一種失效形

17、式，它是一種脆性斷裂，危害很大；疲勞斷口上可清楚顯示疲勞裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)，斷口是判斷是判斷疲勞斷裂的重要依據(jù)；無(wú)裂紋零構(gòu)件設(shè)計(jì)中常用的疲勞抗力指標(biāo)是疲勞極限、過(guò)載持久值和疲勞缺口敏感度；第61頁(yè)/共69頁(yè) r ，構(gòu)件在一定的周次下斷裂，該周次稱為過(guò)載持久值，工作應(yīng)力越大，過(guò)載持久值越低； 帶裂紋零構(gòu)件的疲勞抗力指標(biāo)是Kth； r與Kth均為材料無(wú)限壽命的疲勞性能，前者表示材料阻止裂紋形成的能力，后者表示材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力。第62頁(yè)/共69頁(yè)綦江彩虹橋垮塌-脆性斷裂分析彩虹橋竣工慶?，F(xiàn)場(chǎng)坍塌的彩虹橋第63頁(yè)/共69頁(yè)彩虹橋的 主要受力拱架鋼管焊接質(zhì)量不合格，存在嚴(yán)重缺陷，個(gè)別焊縫并有陳舊性裂