失效分析基礎(chǔ)知識(shí)-第2章-刪減版

1、第二章 失效分析基礎(chǔ)知識(shí)一、金屬構(gòu)件中的常見(jiàn)缺陷二、力學(xué)計(jì)算基本概念及手段三、環(huán)境作用機(jī)理2022-6-1611.1 1.1 鑄態(tài)金屬組織缺陷鑄態(tài)金屬組織缺陷 鑄態(tài)金屬常見(jiàn)的組織缺陷有鑄態(tài)金屬常見(jiàn)的組織缺陷有縮孔、疏松、偏析、內(nèi)裂縮孔、疏松、偏析、內(nèi)裂紋、氣泡和白點(diǎn)紋、氣泡和白點(diǎn)等。等。(1)(1)縮孔與疏松縮孔與疏松2022-6-1621.1 1.1 鑄態(tài)金屬組織缺陷鑄態(tài)金屬組織缺陷2022-6-1631.1 1.1 鑄態(tài)金屬組織缺陷鑄態(tài)金屬組織缺陷(2)(2)偏析偏析 金屬在冷凝過(guò)程中，由于某些因素的影響而形成的金屬在冷凝過(guò)程中，由于某些因素的影響而形成的化學(xué)成分不均勻化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象稱

2、為偏析?，F(xiàn)象稱為偏析。 在實(shí)際生產(chǎn)中的一般冷卻條件下，擴(kuò)散過(guò)程常落后于凝固和冷卻過(guò)程。由于擴(kuò)散不足，在凝固后的金屬中，便存在晶體范圍內(nèi)的成分不均勻現(xiàn)象，即晶內(nèi)偏析。這種偏析往往導(dǎo)致金屬中樹(shù)枝狀組織的形成，故亦稱枝晶偏析。 基于同一原因，在固溶體金屬中，后凝固的晶體與先凝固的晶體成分也會(huì)不同。此外，在任何一種金屬中，各個(gè)樹(shù)枝狀晶體之間最后凝固的部分，通常屬于低熔點(diǎn)組成物和不可避免的雜質(zhì)，它們與晶體本身的成分不同。上述這兩種情況都屬于晶體間的成分不均勻現(xiàn)象，即晶間偏析。2022-6-1641.1 1.1 鑄態(tài)金屬組織缺陷鑄態(tài)金屬組織缺陷硫偏析硫偏析碳偏析碳偏析2022-6-1651.1 1.1 鑄

3、態(tài)金屬組織缺陷鑄態(tài)金屬組織缺陷(3)(3)氣泡與白點(diǎn)氣泡與白點(diǎn) 金屬在熔融狀態(tài)時(shí)的溶解大量的氣體，在冷凝過(guò)程未能及時(shí)逸出，包金屬在熔融狀態(tài)時(shí)的溶解大量的氣體，在冷凝過(guò)程未能及時(shí)逸出，包容在還處于塑性狀態(tài)的金屬中，于是形成了氣孔。這種氣孔稱為容在還處于塑性狀態(tài)的金屬中，于是形成了氣孔。這種氣孔稱為氣泡氣泡。 如果鋼液中氫含量較高，在冷卻時(shí)氫以原子態(tài)析出，聚集在鋼中空隙如果鋼液中氫含量較高，在冷卻時(shí)氫以原子態(tài)析出，聚集在鋼中空隙處，結(jié)合成很難在鋼中進(jìn)行擴(kuò)散的氫分子。在空隙處便形成巨大的局部壓處，結(jié)合成很難在鋼中進(jìn)行擴(kuò)散的氫分子。在空隙處便形成巨大的局部壓力力( (可達(dá)數(shù)百個(gè)大氣壓可達(dá)數(shù)百個(gè)大氣壓)

4、 )，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了鋼的強(qiáng)度，因而產(chǎn)生裂縫。當(dāng)出現(xiàn)這，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了鋼的強(qiáng)度，因而產(chǎn)生裂縫。當(dāng)出現(xiàn)這種缺陷以后，在經(jīng)侵蝕后的橫向截面上，呈現(xiàn)較多短小的不連續(xù)的發(fā)絲狀種缺陷以后，在經(jīng)侵蝕后的橫向截面上，呈現(xiàn)較多短小的不連續(xù)的發(fā)絲狀裂縫；而在縱向斷口上會(huì)發(fā)現(xiàn)表面光滑的、銀白色的圓形或橢圓形的斑點(diǎn)，裂縫；而在縱向斷口上會(huì)發(fā)現(xiàn)表面光滑的、銀白色的圓形或橢圓形的斑點(diǎn)，這種缺陷稱為這種缺陷稱為白點(diǎn)白點(diǎn)。白點(diǎn)白點(diǎn)2022-6-166氣泡氣泡1.2 1.2 金屬鍛造及軋制缺陷金屬鍛造及軋制缺陷(1)(1)內(nèi)部組織缺陷內(nèi)部組織缺陷a粗大的魏氏體組織 在熱軋或停鍛溫度較高時(shí)，由于奧氏體晶粒粗大，在隨后冷卻時(shí)的先析出物沿晶

5、界析出，并以一定方向向晶粒內(nèi)部生長(zhǎng)，或平行排列，或成一定角度。這種形貌稱為魏氏體組織。 魏氏體組織因其組織粗大而使材料脆性增加，強(qiáng)度下降。比較重要的工件不允許魏氏體組織存在。2022-6-167b. b. 網(wǎng)絡(luò)狀碳化物及帶狀組織網(wǎng)絡(luò)狀碳化物及帶狀組織 對(duì)于工具鋼，鍛造和軋制的目的不但是毛坯成形，更重要的是使其內(nèi)部的對(duì)于工具鋼，鍛造和軋制的目的不但是毛坯成形，更重要的是使其內(nèi)部的碳化物碎化和分布均勻。如果不是多方向鍛造，和小的鍛造比，鍛件就存在碳化物碎化和分布均勻。如果不是多方向鍛造，和小的鍛造比，鍛件就存在網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)狀或帶狀分布的碳化物狀或帶狀分布的碳化物 由于網(wǎng)狀和帶狀組織破壞了材料性能的均勻

6、性和連貫性，常成為工、模具由于網(wǎng)狀和帶狀組織破壞了材料性能的均勻性和連貫性，常成為工、模具過(guò)早失效的內(nèi)在因素。過(guò)早失效的內(nèi)在因素。1.2 1.2 金屬鍛造及軋制缺陷金屬鍛造及軋制缺陷(1)(1)內(nèi)部組織缺陷內(nèi)部組織缺陷2022-6-168 c c. . 鋼材表層脫碳鋼材表層脫碳 鋼加熱時(shí)，金屬表層的碳原子燒損，使金屬表層碳成分低于內(nèi)層，這種現(xiàn)象鋼加熱時(shí)，金屬表層的碳原子燒損，使金屬表層碳成分低于內(nèi)層，這種現(xiàn)象稱為脫碳，凡降低了碳量的表面層叫做脫碳層。一般的鍛造和軋制是在大氣中進(jìn)行稱為脫碳，凡降低了碳量的表面層叫做脫碳層。一般的鍛造和軋制是在大氣中進(jìn)行的，加熱及鍛、軋過(guò)程中鋼件表層會(huì)強(qiáng)烈燒損而出

7、現(xiàn)脫碳層。的，加熱及鍛、軋過(guò)程中鋼件表層會(huì)強(qiáng)烈燒損而出現(xiàn)脫碳層。1.2 1.2 金屬鍛造及軋制缺陷金屬鍛造及軋制缺陷(1)(1)內(nèi)部組織缺陷內(nèi)部組織缺陷表面脫碳組織形貌2022-6-1691.2 1.2 金屬鍛造及軋制缺陷金屬鍛造及軋制缺陷(2)(2)鋼材表面缺陷鋼材表面缺陷最常見(jiàn)鋼材的表面缺陷有折疊、劃痕、結(jié)疤、分層、表面裂紋等。低碳鉻鉬鋼管內(nèi)壁的折疊低碳鉻鉬鋼管內(nèi)壁的折疊和結(jié)疤和結(jié)疤鋼板分層2022-6-16101.3 1.3 金屬夾雜物金屬夾雜物(1)(1)脆性?shī)A雜物脆性?shī)A雜物 脆性?shī)A雜物一般指那些不具有塑性變形能力的簡(jiǎn)單氧化物(如A12O3、Cr2O3、ZrO2等)、雙氧化物(如FeO

8、A12O3、MgA12O3、CaO6 A12O3等)、氮化物如TiN、Ti(CN)、AlN、VN等和不變形的球狀(或點(diǎn)狀)夾雜物(如球狀鋁酸鈣和含SO2較高的硅酸鹽等)。 2022-6-16111.3 1.3 金屬夾雜物金屬夾雜物(1)(1)脆性?shī)A雜物脆性?shī)A雜物2022-6-1612 塑性?shī)A雜物這類夾雜物在鋼經(jīng)受加工變形時(shí)具有良好的塑性，沿著鋼的塑性?shī)A雜物這類夾雜物在鋼經(jīng)受加工變形時(shí)具有良好的塑性，沿著鋼的流變方向延伸成條帶狀，屬于這類的夾雜物有含流變方向延伸成條帶狀，屬于這類的夾雜物有含SOSO2 2量較低的鐵錳硅酸鹽、硫化量較低的鐵錳硅酸鹽、硫化錳錳( (MnSMnS) )、(Fe(Fe，

9、MnMn)S)S等。等。1.3 1.3 金屬夾雜物金屬夾雜物(2)(2)塑性?shī)A雜物塑性?shī)A雜物 珠光體帶的高倍組織珠光體帶的高倍組織 珠光體帶內(nèi)條狀的硫化物夾雜珠光體帶內(nèi)條狀的硫化物夾雜2022-6-16131.3 1.3 金屬夾雜物金屬夾雜物(3)(3)半塑性?shī)A雜物半塑性?shī)A雜物 半塑性變形的夾雜物一般指各種復(fù)合的鋁硅酸鹽夾雜物，復(fù)合夾雜物中的基體，在熱加工變形過(guò)程中產(chǎn)生塑性變形，但分布在基體中的夾雜物(如鋁酸鈣、尖晶石型的雙氧化物等)不變形，基體夾雜物隨著鋼基體的變形而延伸，而脆性?shī)A雜物不變形，仍保持原來(lái)的幾何形狀，因此將阻礙鄰近的塑性?shī)A雜物自由延伸，而遠(yuǎn)離脆性?shī)A雜物的部分沿著鋼基體的變形方向

10、自由延伸。復(fù)合夾雜物的變形行為復(fù)合夾雜物的變形行為2022-6-16141.3 1.3 金屬夾雜物金屬夾雜物夾雜物對(duì)鋼性能的影響 大量試驗(yàn)事實(shí)說(shuō)明夾雜物對(duì)鋼的強(qiáng)度影響較小，對(duì)鋼的韌性危害較大，大量試驗(yàn)事實(shí)說(shuō)明夾雜物對(duì)鋼的強(qiáng)度影響較小，對(duì)鋼的韌性危害較大，其危害程度又隨鋼的強(qiáng)度的增高而增加。其危害程度又隨鋼的強(qiáng)度的增高而增加。（1 1）變形性能）變形性能 由于夾雜物與鋼基體之間的物理性質(zhì)和變形性方面存在著由于夾雜物與鋼基體之間的物理性質(zhì)和變形性方面存在著較大的差異，在加工變形過(guò)程中，鋼基體的均勻連續(xù)性受到破壞，引起應(yīng)力較大的差異，在加工變形過(guò)程中，鋼基體的均勻連續(xù)性受到破壞，引起應(yīng)力集中。集中。

11、（2 2）應(yīng)力集中）應(yīng)力集中 由于夾雜物和金屬的彈塑性性質(zhì)不同，非金屬夾雜物可使由于夾雜物和金屬的彈塑性性質(zhì)不同，非金屬夾雜物可使金屬中發(fā)生應(yīng)力再分配，引起應(yīng)力集中，成為材料中的薄弱環(huán)節(jié)。金屬中發(fā)生應(yīng)力再分配，引起應(yīng)力集中，成為材料中的薄弱環(huán)節(jié)。（3 3）裂紋誘因）裂紋誘因 夾雜物本身產(chǎn)生斷裂或夾雜物與基體交界面產(chǎn)生斷裂而成夾雜物本身產(chǎn)生斷裂或夾雜物與基體交界面產(chǎn)生斷裂而成為裂源。為裂源。2022-6-16151.4 1.4 金屬焊接組織缺陷金屬焊接組織缺陷（1 1）焊接區(qū)無(wú)論是結(jié)構(gòu)應(yīng)力，還是熱應(yīng)力都是很復(fù)雜；）焊接區(qū)無(wú)論是結(jié)構(gòu)應(yīng)力，還是熱應(yīng)力都是很復(fù)雜；（2 2）組織轉(zhuǎn)變的不均勻性以及不平衡

12、的結(jié)晶凝固引起的物理的與化學(xué)的不均）組織轉(zhuǎn)變的不均勻性以及不平衡的結(jié)晶凝固引起的物理的與化學(xué)的不均勻性勻性（3 3）容易產(chǎn)生工藝缺陷）容易產(chǎn)生工藝缺陷金屬焊接的特點(diǎn) 金屬的焊接是在不平衡的熱力學(xué)條件下進(jìn)行的，加熱與冷卻速度大。在大的結(jié)構(gòu)件上，焊接接頭金屬只是一個(gè)微小部分，它的加熱與冷卻又是在相當(dāng)大的剛性拘束下進(jìn)行的，因此焊接接頭具有如下特點(diǎn)：2022-6-16161.4 1.4 金屬焊接組織缺陷金屬焊接組織缺陷(1)焊接接頭的形成與區(qū)域特征焊接接頭的宏觀區(qū)域結(jié)構(gòu)焊接接頭的宏觀區(qū)域結(jié)構(gòu)2022-6-16171.4 1.4 金屬焊接組織缺陷金屬焊接組織缺陷(2)焊接裂紋a熱裂紋 在高溫下產(chǎn)生，而且

13、都是沿奧氏體晶界開(kāi)裂。根據(jù)產(chǎn)生熱裂紋的形態(tài)、機(jī)理和溫度區(qū)間等因素不同，熱裂紋又分為結(jié)晶裂紋、高溫液化裂紋和多邊化裂紋三類結(jié)晶裂紋結(jié)晶裂紋 焊縫在結(jié)晶過(guò)程中，固相線附近由于凝固金屬收縮時(shí)，殘余液相不足，致使沿晶界開(kāi)裂，故稱結(jié)晶裂紋。 這種裂紋在顯微鏡下觀察時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)具有晶間破壞的特征，多數(shù)情況下在焊縫的斷面上發(fā)現(xiàn)有氧化的色彩，說(shuō)明這種裂紋是在高溫下產(chǎn)生的。焊縫中的結(jié)晶裂紋焊縫中的結(jié)晶裂紋1(母材母材20號(hào)鋼；焊絲號(hào)鋼；焊絲H08A)2022-6-16181.4 1.4 金屬焊接組織缺陷金屬焊接組織缺陷(2)焊接裂紋高溫液化裂紋高溫液化裂紋 在焊接熱循環(huán)峰值溫度作用下，母材近縫區(qū)和多層焊縫的層間

14、金屬中，由于含有低熔共晶組成物(如硫、磷、硅、鎳等)而被重新熔化，在收縮應(yīng)力作用下，沿奧氏體晶間發(fā)生開(kāi)裂。 焊縫中的高溫液化裂紋焊縫中的高溫液化裂紋 焊縫中的多邊化裂紋焊縫中的多邊化裂紋多邊化裂紋多邊化裂紋 焊接時(shí)焊縫或近縫區(qū)在固相線溫度以下的高溫區(qū)間，晶格缺陷的移動(dòng)和聚集，便形成了二次邊界，即“多邊化邊界”，組織疏松，高溫時(shí)的強(qiáng)度和塑性都很低，易沿著多邊化的邊界開(kāi)裂，產(chǎn)生多邊化裂紋，又稱高溫塑性裂紋。2022-6-16191.4 1.4 金屬焊接組織缺陷金屬焊接組織缺陷(2)焊接裂紋b再熱裂紋 厚板結(jié)構(gòu)焊后再進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，其目的是消除焊后的殘余應(yīng)力，改善焊接接頭的金相組織和力學(xué)性能。但

15、對(duì)于某些鋼種(含有沉淀強(qiáng)化元素的)在進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理的過(guò)程中，在焊接熱影響區(qū)的粗晶部位產(chǎn)生裂紋。這種裂紋是在重新加熱(熱處理)過(guò)程中產(chǎn)生的，故稱“再熱裂紋”，又稱“消除應(yīng)力處理裂紋”，國(guó)外簡(jiǎn)稱“SR裂紋”(Stress Relief Cracking)。 再熱裂紋與熱裂紋雖然都是沿晶界開(kāi)裂，但是再熱裂紋產(chǎn)生的本質(zhì)與熱裂紋根本不同，再熱裂紋只在一定的溫度區(qū)間(約550650)敏感，而熱裂紋是發(fā)生在固相線附近。焊縫中的再熱裂紋焊縫中的再熱裂紋82022-6-16201.4 1.4 金屬焊接組織缺陷金屬焊接組織缺陷(2)焊接裂紋c冷裂紋 在相當(dāng)?shù)偷臏囟?，大約在鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度(即Ms點(diǎn))附近，由

16、于拘束應(yīng)力、淬硬組織和氫的作用下，在焊接接頭產(chǎn)生的裂紋屬冷裂紋。冷裂紋主要發(fā)生在低合金鋼、中合金鋼和高碳鋼的熱影響區(qū)，個(gè)別情況下，如焊接超高強(qiáng)鋼或某些鈦合金時(shí)，冷裂紋也出現(xiàn)在焊縫上。主要分為延遲裂紋、淬硬脆化裂紋和低塑性脆化裂紋。焊縫中的延遲裂紋焊縫中的延遲裂紋5淬硬脆化裂紋形貌淬硬脆化裂紋形貌2022-6-16211.4 1.4 金屬焊接組織缺陷金屬焊接組織缺陷(2)焊接裂紋d層狀撕裂 焊接結(jié)構(gòu)的層狀撕裂是屬低溫開(kāi)裂，常用的低合金高強(qiáng)鋼，撕裂溫度不超過(guò)400。層狀撕裂與一般的冷裂紋不同，它主要是由于軋制鋼材的內(nèi)部存在有分層的夾雜物(特別是硫化物夾雜物)和在焊接時(shí)產(chǎn)生的垂直軋制方向的應(yīng)力，致使

17、焊接熱影響區(qū)附近或稍遠(yuǎn)的地方產(chǎn)生呈“臺(tái)階”狀的層狀開(kāi)裂，并具有穿晶發(fā)展。層狀撕裂常發(fā)生在裝焊過(guò)程或結(jié)構(gòu)完工之后，是一種難以修復(fù)的結(jié)構(gòu)破壞，甚至造成災(zāi)難性事故。 。2022-6-16221.5 1.5 熱處理產(chǎn)生的組織缺陷熱處理產(chǎn)生的組織缺陷 鋼鐵零件在熱處理時(shí)出現(xiàn)廢品是平常事，其原因是零件在加熱和冷卻過(guò)程中不可避免產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力來(lái)源有兩個(gè)方面。一方面由于冷卻過(guò)程中零件表面與中心冷卻速度不同，其體積收縮在表面與中心也就不一樣。這種由于溫度差而產(chǎn)生體積收縮量不同所引起的內(nèi)應(yīng)力稱做“熱應(yīng)力”。另一方面，鋼件在組織轉(zhuǎn)變時(shí)比體積發(fā)生變化，比如奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)比體積增大。由于零件斷面上各處轉(zhuǎn)變的先

18、后不同，其體積變化各處不同，由此引起的內(nèi)應(yīng)力稱做“組織應(yīng)力”。 熱處理時(shí)出現(xiàn)的缺陷，主要是淬裂現(xiàn)象。2022-6-16232.1 2.1 傳統(tǒng)強(qiáng)度理論及適用范圍傳統(tǒng)強(qiáng)度理論及適用范圍破壞形式分類破壞形式分類 脆性斷裂脆性斷裂塑性屈服塑性屈服a最大拉應(yīng)力理論(第一強(qiáng)度理論) 破壞原因：破壞原因：1 （最大拉應(yīng)力）（最大拉應(yīng)力） 破壞條件：破壞條件： 1 = = o o （ b b） 強(qiáng)度條件：強(qiáng)度條件： 適用范圍適用范圍: : 脆性材料拉、扭；一般材料三向拉；脆性材料拉、扭；一般材料三向拉； b1n2022-6-1624b最大拉應(yīng)變理論(第二強(qiáng)度理論) 破壞原因：破壞原因：1 （最大拉應(yīng)變）（最

19、大拉應(yīng)變） 破壞條件：破壞條件： 1 = = o o （ b b） 強(qiáng)度條件：強(qiáng)度條件： 適用范圍適用范圍: :石、混凝土壓。石、混凝土壓。 123 2.1 2.1 傳統(tǒng)強(qiáng)度理論及適用范圍傳統(tǒng)強(qiáng)度理論及適用范圍2022-6-1625c最大切應(yīng)力理論(第三強(qiáng)度理論) 2.1 2.1 傳統(tǒng)強(qiáng)度理論及適用范圍傳統(tǒng)強(qiáng)度理論及適用范圍 破壞原因：破壞原因：1 （最大切應(yīng)力）（最大切應(yīng)力） 破壞條件：破壞條件： 1 = = o o （ s/2 ） 強(qiáng)度條件：強(qiáng)度條件： 適用范圍適用范圍: :塑性材料屈服破壞；一般材料三向壓。塑性材料屈服破壞；一般材料三向壓。 132022-6-1626d形狀改變比能理論(

20、第四強(qiáng)度理論) 2.1 2.1 傳統(tǒng)強(qiáng)度理論及適用范圍傳統(tǒng)強(qiáng)度理論及適用范圍 破壞原因：破壞原因： uf （形狀改變必能）（形狀改變必能） 破壞條件：破壞條件： 強(qiáng)度條件：強(qiáng)度條件： 適用范圍適用范圍: : 塑性材料屈服；一般材料三向壓。塑性材料屈服；一般材料三向壓。22212233112s 222122331122022-6-1627強(qiáng)度理論的名稱及分類強(qiáng)度理論的名稱及分類相應(yīng)應(yīng)力表達(dá)式相應(yīng)應(yīng)力表達(dá)式第一類強(qiáng)第一類強(qiáng)度理論度理論（斷裂失（斷裂失效的理論）效的理論）第一強(qiáng)度理論第一強(qiáng)度理論最大拉應(yīng)力最大拉應(yīng)力理論理論第二強(qiáng)度理論第二強(qiáng)度理論最大拉應(yīng)變最大拉應(yīng)變理論理論第二類強(qiáng)第二類強(qiáng)度理論度理

21、論（屈服失（屈服失效的理論）效的理論）第一強(qiáng)度理論第一強(qiáng)度理論最大切應(yīng)力最大切應(yīng)力理論理論第一強(qiáng)度理論第一強(qiáng)度理論形狀改變比形狀改變比能理論能理論 1 123 13 22212233112四個(gè)強(qiáng)度理論的相當(dāng)應(yīng)力表達(dá)式2.1 2.1 傳統(tǒng)強(qiáng)度理論及適用范圍傳統(tǒng)強(qiáng)度理論及適用范圍2022-6-16282.1 2.1 傳統(tǒng)強(qiáng)度理論及適用范圍傳統(tǒng)強(qiáng)度理論及適用范圍（1）在材料力學(xué)傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論的基礎(chǔ)上建立的一整套有關(guān)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的計(jì)算方法，被稱為傳統(tǒng)的強(qiáng)度計(jì)算方法。到目前為止，傳統(tǒng)的強(qiáng)度計(jì)算方法仍對(duì)工程實(shí)踐起著很大的指導(dǎo)作用。（GB150和ASME code）（2）傳統(tǒng)的強(qiáng)度計(jì)算方法簡(jiǎn)單易行，但不夠準(zhǔn)

22、確，因?yàn)榧僭O(shè)材料為均勻連續(xù)、無(wú)損傷的前提，與材料的實(shí)際情況是有區(qū)別的。任何原材料都存在微裂紋、微孔洞、剪切帶以及各種損傷基元的組合。為了保證構(gòu)件的安全，傳統(tǒng)強(qiáng)度計(jì)算方法采用了較高的安全系數(shù)。安全系數(shù)既包容了材料的實(shí)際情況與均勻連續(xù)無(wú)損傷假設(shè)的差異，也包容了真實(shí)變形體與受力假設(shè)模型的差異，甚至包容了制造、使用等過(guò)程產(chǎn)生的變化與理論假設(shè)的差異在內(nèi)，是一個(gè)無(wú)知程度系數(shù)。（3）船舶折斷、橋梁倒塌、車軸斷裂、飛機(jī)墜毀多是構(gòu)件材料裂紋擴(kuò)展引起的。人們對(duì)裂紋萌生、長(zhǎng)大及失穩(wěn)過(guò)程的規(guī)律及對(duì)構(gòu)件承載能力削弱的程度研究，促進(jìn)了斷裂力學(xué)的蓬勃發(fā)展。對(duì)傳統(tǒng)強(qiáng)度理論的評(píng)論The comments on traditio

23、nal strength theories 2022-6-16292.2 2.2 斷裂力學(xué)的基本概念斷裂力學(xué)的基本概念 斷裂力學(xué)研究帶有宏觀裂紋斷裂力學(xué)研究帶有宏觀裂紋( (大于等于大于等于0.1mm) )的均勻連續(xù)基體的力學(xué)行為，的均勻連續(xù)基體的力學(xué)行為，認(rèn)為引起構(gòu)件斷裂失效的主要原因是構(gòu)件材料存在宏觀裂紋的成長(zhǎng)及其失穩(wěn)擴(kuò)展。認(rèn)為引起構(gòu)件斷裂失效的主要原因是構(gòu)件材料存在宏觀裂紋的成長(zhǎng)及其失穩(wěn)擴(kuò)展。主要研究?jī)蓚€(gè)問(wèn)題：主要研究?jī)蓚€(gè)問(wèn)題：（1 1）裂紋體在裂端區(qū)應(yīng)力強(qiáng)度的表征及變化規(guī)律）裂紋體在裂端區(qū)應(yīng)力強(qiáng)度的表征及變化規(guī)律外力作用下裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展外力作用下裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力；的能力；（2 2）是裂

24、紋體發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界值）是裂紋體發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界值材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。圖2-27裂紋開(kāi)口的三種基本類型2022-6-16302.2 2.2 斷裂力學(xué)的基本概念斷裂力學(xué)的基本概念2022-6-16311. 1. 應(yīng)力場(chǎng)表達(dá)式應(yīng)力場(chǎng)表達(dá)式IK a定義應(yīng)力強(qiáng)度因子K線彈性斷裂力學(xué)的應(yīng)力強(qiáng)度因子理論線彈性斷裂力學(xué)的應(yīng)力強(qiáng)度因子理論3cos1 sinsin2223cos1 sinsin22223cossinsin222xyxyar 2022-6-16322.2 2.2 斷裂力學(xué)的基本概念斷裂力學(xué)的基本概念線彈性斷裂力學(xué)的應(yīng)力強(qiáng)度因子理論線彈性斷裂力學(xué)的應(yīng)力強(qiáng)度因子理論2.

25、 2. 應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)力強(qiáng)度因子 裂紋端部應(yīng)力和裂紋端部應(yīng)力和K K有關(guān)，有關(guān)，對(duì)于裂紋端部任意一點(diǎn)對(duì)于裂紋端部任意一點(diǎn)A( A( r r， ) )，該點(diǎn)的應(yīng)，該點(diǎn)的應(yīng)力分量完全由力分量完全由K K決定，決定，控制了應(yīng)力的大小，故稱為應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，下標(biāo)控制了應(yīng)力的大小，故稱為應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，下標(biāo)表表示示型裂紋型裂紋( (張開(kāi)型裂紋張開(kāi)型裂紋) )。針對(duì)無(wú)限大板中心貫穿裂紋推導(dǎo)出來(lái)的。對(duì)于其他。針對(duì)無(wú)限大板中心貫穿裂紋推導(dǎo)出來(lái)的。對(duì)于其他裂紋狀態(tài)的張開(kāi)型裂紋，裂紋狀態(tài)的張開(kāi)型裂紋，K K的表達(dá)式為的表達(dá)式為IKY a其中，其中，Y Y是一個(gè)和載荷無(wú)關(guān)，而與裂紋形狀、加載方式以及試樣幾何形狀有關(guān)

26、是一個(gè)和載荷無(wú)關(guān)，而與裂紋形狀、加載方式以及試樣幾何形狀有關(guān)的量，稱為幾何因子或形狀因子。裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)具有奇異性，應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因的量，稱為幾何因子或形狀因子。裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)具有奇異性，應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子就是用來(lái)描述這種奇異性的力學(xué)參量。子就是用來(lái)描述這種奇異性的力學(xué)參量。 2022-6-16332.2 2.2 斷裂力學(xué)的基本概念斷裂力學(xué)的基本概念線彈性斷裂力學(xué)的應(yīng)力強(qiáng)度因子理論線彈性斷裂力學(xué)的應(yīng)力強(qiáng)度因子理論2. 2. 臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子 由KI的表達(dá)式可見(jiàn)，隨著應(yīng)力的增大，KI值也隨之增加。因此可以推斷，當(dāng)應(yīng)力增大到某一臨界值時(shí)，構(gòu)件發(fā)生破壞即裂紋發(fā)生擴(kuò)展。此時(shí)，裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子K

27、I達(dá)到一個(gè)臨界值KIC，稱之為臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子。是材料斷裂韌度之一，表示材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的物理參量，由試驗(yàn)測(cè)定。 對(duì)于帶裂紋的構(gòu)件來(lái)說(shuō)，因裂紋擴(kuò)展引起構(gòu)件破壞的判據(jù)（簡(jiǎn)稱斷裂判據(jù)）應(yīng)該是：3. 3. K K- -判據(jù)判據(jù)KIKIC K KI I 是裂紋擴(kuò)展的推動(dòng)力是裂紋擴(kuò)展的推動(dòng)力 ，它取決于裂紋尺寸和所受載荷（應(yīng)力）而與材，它取決于裂紋尺寸和所受載荷（應(yīng)力）而與材料性能無(wú)關(guān)，只要材料性能符合線彈性的胡克定律。料性能無(wú)關(guān)，只要材料性能符合線彈性的胡克定律。 K KICIC 是材料的斷裂韌性度，可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試出來(lái)，屬于材料的力學(xué)性能是材料的斷裂韌性度，可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試出來(lái)，屬于材料的力學(xué)性

28、能之一，表征材料的韌性優(yōu)劣。之一，表征材料的韌性優(yōu)劣。線彈性斷裂力學(xué)的歷史功績(jī)：線彈性斷裂力學(xué)的歷史功績(jī)： 第一次建立了缺陷尺寸第一次建立了缺陷尺寸應(yīng)力應(yīng)力材料韌度三者之間的關(guān)系，從而材料韌度三者之間的關(guān)系，從而構(gòu)建了構(gòu)建了“結(jié)構(gòu)完整性結(jié)構(gòu)完整性”理論、理論、“合乎使用合乎使用”準(zhǔn)則。準(zhǔn)則。線彈性斷裂力學(xué)的不足之處：線彈性斷裂力學(xué)的不足之處： “線彈性線彈性”假設(shè)未能充分考慮裂尖的塑性變形的影響，不能適用假設(shè)未能充分考慮裂尖的塑性變形的影響，不能適用于裂尖大范圍屈服甚至結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域（如應(yīng)力集中區(qū)）全面屈服狀于裂尖大范圍屈服甚至結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域（如應(yīng)力集中區(qū)）全面屈服狀況下裂紋的斷裂問(wèn)題。況下裂

29、紋的斷裂問(wèn)題。 于是出現(xiàn)了彈塑性甚至全塑性條件下的斷裂力學(xué)：于是出現(xiàn)了彈塑性甚至全塑性條件下的斷裂力學(xué)： COD理論理論裂紋尖端張開(kāi)位移理論裂紋尖端張開(kāi)位移理論 J積分理論積分理論2022-6-16342.2 2.2 斷裂力學(xué)的基本概念斷裂力學(xué)的基本概念線彈性斷裂力學(xué)的應(yīng)力強(qiáng)度因子理論線彈性斷裂力學(xué)的應(yīng)力強(qiáng)度因子理論2022-6-1635（即COD）2.2 2.2 斷裂力學(xué)的基本概念斷裂力學(xué)的基本概念裂紋尖端張開(kāi)位移（裂紋尖端張開(kāi)位移（COD）理論）理論eLeL2secln8REaR對(duì)于無(wú)限板中心穿透裂紋，利用彈塑性力學(xué)對(duì)于無(wú)限板中心穿透裂紋，利用彈塑性力學(xué)可以導(dǎo)出裂尖的張開(kāi)位移（可以導(dǎo)出裂尖

30、的張開(kāi)位移（D-MD-M模型）：模型）： ReL 材料的屈服強(qiáng)度2 1EEE（平面應(yīng)力） （平面應(yīng)變）2022-6-16362.2 2.2 斷裂力學(xué)的基本概念斷裂力學(xué)的基本概念裂紋尖端張開(kāi)位移（裂紋尖端張開(kāi)位移（COD）理論）理論 COD判據(jù)如下：當(dāng)裂紋尖端張開(kāi)位移判據(jù)如下：當(dāng)裂紋尖端張開(kāi)位移達(dá)到臨界值達(dá)到臨界值C時(shí)，裂紋將要時(shí)，裂紋將要開(kāi)裂，即開(kāi)裂，即 =C 是裂紋的臨界狀態(tài)；當(dāng)是裂紋的臨界狀態(tài)；當(dāng)稍大于稍大于C時(shí)，裂紋開(kāi)裂；當(dāng)時(shí)，裂紋開(kāi)裂；當(dāng)小于小于C時(shí)，裂紋不時(shí)，裂紋不開(kāi)裂。開(kāi)裂。（1）裂紋尖端張開(kāi)位移，可用直接觀察法與蝕刻條紋法等實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定，也可用有限元法與公式計(jì)算求出。（2）C是材

31、料彈塑性斷裂韌度的指標(biāo)，是材料常數(shù)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。2022-6-16372.2 2.2 斷裂力學(xué)的基本概念斷裂力學(xué)的基本概念裂紋尖端張開(kāi)位移（裂紋尖端張開(kāi)位移（COD）理論）理論優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 斷裂判據(jù)應(yīng)用到焊接結(jié)構(gòu)和壓力容器的斷裂安全分析非常有效，而斷裂判據(jù)應(yīng)用到焊接結(jié)構(gòu)和壓力容器的斷裂安全分析非常有效，而且簡(jiǎn)單可行，加上且簡(jiǎn)單可行，加上C的測(cè)量方法也比較簡(jiǎn)單，因此，在的測(cè)量方法也比較簡(jiǎn)單，因此，在20世紀(jì)中后期，世紀(jì)中后期，斷裂判據(jù)在工程上應(yīng)用比較普遍。斷裂判據(jù)在工程上應(yīng)用比較普遍。缺點(diǎn)缺點(diǎn)（1）斷裂判據(jù)的理論基礎(chǔ)薄弱，斷裂判據(jù)的理論基礎(chǔ)薄弱，公式是根據(jù)公式是根據(jù)M-D模型推出的，將裂紋尖端塑模型

32、推出的，將裂紋尖端塑性區(qū)簡(jiǎn)化為窄條形，與真實(shí)情況（魚(yú)尾形狀）不符合。性區(qū)簡(jiǎn)化為窄條形，與真實(shí)情況（魚(yú)尾形狀）不符合。（2）裂紋尖端張開(kāi)位移臨界值）裂紋尖端張開(kāi)位移臨界值C的規(guī)定有困難。如果以開(kāi)裂點(diǎn)的規(guī)定有困難。如果以開(kāi)裂點(diǎn)i的值規(guī)定的值規(guī)定C，尺寸影響較小，比較穩(wěn)定，適合作為材料常數(shù)，但是用于設(shè)計(jì)，則偏于保守；如尺寸影響較小，比較穩(wěn)定，適合作為材料常數(shù)，但是用于設(shè)計(jì)，則偏于保守；如果以失穩(wěn)點(diǎn)果以失穩(wěn)點(diǎn)max的值規(guī)定的值規(guī)定C，尺寸影響較大，數(shù)值不穩(wěn)定，不適合作為材料常數(shù)，尺寸影響較大，數(shù)值不穩(wěn)定，不適合作為材料常數(shù)，但是與斷裂的實(shí)際情況較符合。但是與斷裂的實(shí)際情況較符合。（3）M-D模型僅適用

33、穿透裂紋，而工程中遇到的多數(shù)是表面裂紋。對(duì)于表面裂模型僅適用穿透裂紋，而工程中遇到的多數(shù)是表面裂紋。對(duì)于表面裂紋還沒(méi)有相應(yīng)的模型，只能工程方法近似確定。紋還沒(méi)有相應(yīng)的模型，只能工程方法近似確定。Rice導(dǎo)出圍繞裂紋的一種線積分是一個(gè)與所取導(dǎo)出圍繞裂紋的一種線積分是一個(gè)與所取積分回路的路線無(wú)關(guān)的常量：積分回路的路線無(wú)關(guān)的常量：w 裂紋體各處的應(yīng)變能密度裂紋體各處的應(yīng)變能密度J積分的物理意義是表征裂紋體在載荷積分的物理意義是表征裂紋體在載荷作用下由應(yīng)力應(yīng)變構(gòu)成的一種形變能作用下由應(yīng)力應(yīng)變構(gòu)成的一種形變能量量當(dāng)當(dāng)J積分值達(dá)到臨界值積分值達(dá)到臨界值JIC時(shí)，裂紋發(fā)時(shí)，裂紋發(fā)生開(kāi)裂生開(kāi)裂dsxuTwdJy2022-6-16382.2 2.2 斷裂力學(xué)的基本概念斷裂力學(xué)的基本概念J-積分理論積分理論2022-6-16392.2 2.2 斷裂力學(xué)的基本概念斷裂力學(xué)的基本概念J-積分理論積分理論J-積分?jǐn)嗔雅袚?jù)與裂紋尖端張開(kāi)位移積分?jǐn)嗔雅袚?jù)與裂紋尖端張開(kāi)位移斷裂判據(jù)等比較，其優(yōu)點(diǎn)是：斷裂判據(jù)等比較，其優(yōu)點(diǎn)是：理論根據(jù)嚴(yán)謹(jǐn)，定義明確；用有限元法能夠計(jì)算不同受力情況與各理論根據(jù)嚴(yán)謹(jǐn)，定義明確；用有限元法能夠計(jì)算不同受力情況與各種