《断裂力学绪论》PPT课件.ppt

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1、断裂力学,王新聪,第一章 引 言,1-1 关于断裂的工程问题 随着高强材料和大型结构的广泛应用，一些按照传统强度理论和常规设计方法设计、制造并经严格检验合格的产品，先后发生了不少灾难性断裂事故。,美国航空191号班机是美国航空公司一班从芝加哥奥黑尔国际机场前往洛杉矶国际机场的定期航班。1979年5月25日，执行该飞行任务的一架DC-10型客机起飞时因左边引擎突然脱落而失速坠毁，导致机上271人及地面2人全部遇难。以机上人员罹难人数计，是次事件至今仍为美国本土史上伤亡最多的空难。以总伤亡人数计，则是911事件前美国本土伤亡最惨重的空难。,四十年代后期美国曾建造大约2500艘“自由号”万吨轮，在服

2、役期间有145艘断成两截，700艘左右受到严重的损坏。,1949年，东俄亥俄煤气公司的圆柱形液态天然气罐爆炸，使周围街市变为废墟。,断裂破坏,美国航空公司一架波音737-800型客机22日晚抵达牙买加首都金斯敦诺曼曼利国际机场时冲出跑道，致伤90多人(2009-12-22),伊朗在2011年1月9日又发生了一起不幸的航空事故。这次的伊朗空难死伤十分严重，这架由伊朗首度德黑兰飞往阿塞拜疆的波音727客机，在即将降落时由于天气恶劣，能见度低，被要求返航，在返航途中突然坠毁.75人死，31人伤,发动机风扇转子中存在疲劳裂纹,UA 232航班坠毁，1989,113人死亡,断裂破坏,2011年2月13日

3、，美国海军“格拉维利”号驱逐舰（DDG 107）在佛罗里达南部海域航行途中，桅杆上部发生断裂.所幸无人员伤亡,2009-11-08,伊朗籍货轮在浙江舟山触礁断裂,宜宾小南门桥(事故原因：吊杆断裂),断裂力学的产生背景,传统的强度理论：,传统的强度设计是以材料力学为基础的。假设材料均质，连续，各向同性，没有裂纹和缺陷，设计时只要满足传统强度条件就安全。近些年，随着宇航和航空工业的飞速发展，高强度合金使用量越来越大，而这些高强度合金制成的机械机构比较脆，容易发生断裂；在腐蚀环境中，甚至在在相对湿度较高的环境中，就有可能萌生出裂纹。这些用传统的强度理论，例如屈服判据，是解释不了的。因此需要寻求新的断

4、裂判据。现代断裂力学就在这种背景下诞生了。,1.多小的裂纹或者缺陷是允许存在的，即此小裂纹或者缺陷不会在预定的服役期间发展成断裂的大裂纹？2.多大的裂纹就可能发生断裂，即用什么判据来判断断裂发生的时机？3.从允许存在的小裂纹扩展到断裂时的大裂纹需要多长时间，即机械结构的寿命如何估算？4.在既能保证安全，又能避免不必要的停产损失，探伤检查周期应如何安排？5.万一检查时发现了裂纹，该如何处理？,从工程观点看，如何防止或减少断裂事故的发生呢？首先提出以下5个问题,从选材方面考虑，对材料与断裂的关系则可以提出下列四个问题：,1.什么材料比较不容易萌发裂纹？2.什么材料可以容许比较长的裂纹纯在而不发生断

5、裂？3.什么材料抵抗裂纹扩展的性能比较好？4.怎样冶炼、加工和热处理可以得到最佳效果？,前5个工程问题可以用断裂力学的方法来解决；后4个问题属于材料工程或者金属学的领域。显然，断裂力学是与力学、材料和工程应用等有关的问题。,为解决上面所提的工程问题或材料问题，对于含有裂纹的受力机械零件或构件，必须找一个能表征裂纹端点区应力应变场强度的参量，就象应力可以作为裂纹不存在时的表征参量一样。而断裂的发生多数都是有裂纹引起的。对于不含裂纹的物体，当某处的应力水平超过屈服应力，就要发生塑性变形；而对于含有裂纹的物体，当某处裂端表征应力应变场强度的参量达到临界值时，就要发生断裂。如图1-1所示，在工作载荷较

6、高时，比较短的裂纹就有可能发生断裂；反过来说，在工作载荷较低时，比较长的裂纹才会带来危险。如图1-2所示，构件的储备强度随着时间的增长，从设计的最高强度逐渐地减小。假设在A点处，只有偶尔出现一次最大载荷才会发生断裂；而储备强度在B点时，只要正常载荷就会发生断裂。因此从A到B这段时间就是危险期，在危险期中随时都可能发生断裂,问题是储备强度究竟是个什么养的参量？它与表征裂端区应力应变场强度的参量有何关系？如何计算它？如何测量它？它随时间变化的规律如何？受到什么因素的影响？这一系列问题如能找到答案的话，则上面所提到的五个工程问题就有可能得到解决。断裂力学这门学科就是来解决这个问题的。,断裂力学和材料

7、力学的差别,断裂力学的理论基础：1.弹性力学2.塑性力学3.粘弹性力学 断裂力学是材料力学的发展和补充，但两者的设计思想不同。断裂力学抛弃了物体的连续性假设,而从物体中含有裂纹这一前提出发,以弹性力学和塑性力学为理论工具,确定含裂纹体的应力场、位移场分布,据此找出决定位移扩展的物理量,同时,通过试验测定出材料抵抗裂纹扩展的纯力,并建立二者之间的关系,即建立断裂准则,断裂问题的分类：线弹性断裂力学脆性断裂 弹塑性断裂力学韧性断裂,脆性断裂,韧性断裂,1-2 脆性断裂和韧性断裂,韧度：是指材料在断裂前的弹塑性变形中吸收能量的能力它是个能量的概念，高韧度材料比较不容易断裂，在断裂前往往有大量的塑性变

8、形。,脆性断裂与韧性断裂的区别,脆性断裂:在拉断时，没有明显的塑性变形，断裂面比较平坦，而且基本与轴向垂直。（如粉笔、玻璃、环氧树脂、超高强度合金等）韧性断裂:拉断时，切口根部发生了塑性变形，剩余截面的面积缩小，断口可能呈锯齿状。（如低强度钢）,1-3 小结,断裂力学定义 断裂力学就是从材料或构件中存在的宏观裂纹这一点出发，应用弹性力学和塑性力学理论，研究材料或结构中裂纹产生和扩展的条件和规律的学科。或者，简言之，断裂力学就是研究含裂纹材料或结构的强度及裂纹扩展规律的一门学科。,断裂力学的目的：就是应用弹塑性理论和新的实验技术，研究裂纹尖端附近的应力、应变场和裂纹的扩展规律。其主要目的是解决工程问题，为国民经济建设服务，为国防建设服务。,断裂力学研究范围,从10-4 到100米就是断裂力学的研究范围，包括小至高强度合金的裂端塑性区，大至断裂力学实验试样。更大尺寸就完全属于工程范围。,