零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂講義教材

第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂一、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)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。微孔聚合型斷口解理型斷口晶間斷裂晶內(nèi)斷裂裂紋形成（萌生）階段裂紋擴(kuò)展階段斷裂過程裂紋萌生：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)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。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。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)，幾乎沒有亞穩(wěn)擴(kuò)展階段，故無(wú)明顯塑性變形，斷裂快。韌性韌性越好，脆斷傾向越小；力學(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程中吸收能量的能力，是材料強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。二、沖擊韌性衡量指標(biāo)：沖擊吸收功Ak 沖擊韌度ak(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)。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-59℃-12℃4℃16℃24℃79℃低強(qiáng)度鐵素體鋼沖擊斷口照片系列沖擊試驗(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。Ak是對(duì)材料的成分和組織敏感的力學(xué)性能指標(biāo)。γ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。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σb,σs塑性δ,ψ韌性Ak/ak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)的一類缺陷，因此有必要研究帶裂紋體的問題。斷裂力學(xué)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Ｋ來(lái)表征。σx,σy,τxyεx,εy,γxy張開型裂紋I型滑移型裂紋II型撕裂型裂紋III型Ｙ:幾何形狀因子，Y＝1～2；σ:工作應(yīng)力；a:裂紋半長(zhǎng)度。σσ2a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：MPa·m1/2或者M(jìn)N·m-3/2KI

<KIC

構(gòu)件安全KI>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)應(yīng)用已知應(yīng)力，材料，確定結(jié)構(gòu)安全的最大裂紋長(zhǎng)度已知裂紋長(zhǎng)度，材料，確定結(jié)構(gòu)安全的最大應(yīng)力已知應(yīng)力，裂紋長(zhǎng)度，確定結(jié)構(gòu)安全的材料斷裂韌度是用高強(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)。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（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σ1、σ2、σ3來(lái)（σ1>σ2>σ3）來(lái)表示。材料力學(xué)知識(shí)α：應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)，零件加載方式由α表示。σmaxτmaxτkτsσk側(cè)壓α>2單向壓α＝2扭轉(zhuǎn)α＝0.8單向拉α＝0.5三向不等拉α<0.5加載方式不同，斷裂方式不同σmaxτmaxτkτsσk側(cè)壓α>2單向壓α＝2扭轉(zhuǎn)α＝0.8單向拉α＝0.5三向不等拉α<0.5加載方式相同，材料本質(zhì)不同，斷裂方式不同（二）溫度和加載速度σTσkσsTkTk’（三）應(yīng)力集中應(yīng)力集中改變了應(yīng)力狀態(tài)，σmax↑，τmax↓,α↓。單向拉伸α＝0.5，而缺口拉伸試樣α<0.5，易引起脆斷。因此，應(yīng)力集中會(huì)引起材料脆化。（四）零件尺寸薄板處于平面應(yīng)力狀態(tài)，α較大；厚板處于平面應(yīng)變狀態(tài)，α較小，易產(chǎn)生脆斷。第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂基本概念斷口特征抗力指標(biāo)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σmax最小應(yīng)力σmin幅應(yīng)力σa平均應(yīng)力σm應(yīng)力比r火車軸（彎曲）曲軸（扭轉(zhuǎn)）齒輪齒根（彎曲）球軸承（壓縮）連桿（小拉大壓）缸蓋螺釘（大拉小拉）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)展和最后斷裂三個(gè)階段。二、疲勞斷口的特征零件所用材料的內(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)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。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。疲勞源區(qū)和疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌一個(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)三、疲勞抗力指標(biāo)及其影響因素?zé)o裂紋零件的疲勞抗力指標(biāo)疲勞極限、過載持久值、缺口敏感度帶裂紋零件的疲勞抗力指標(biāo)疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值ΔKth影響疲勞裂紋抗力的因素載荷類型、材料本質(zhì)、表面狀態(tài)、溫度、介質(zhì)（一）無(wú)裂紋零（構(gòu)）件的疲勞抗力指標(biāo)材料經(jīng)過無(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。過載持久值N1、N2、N3、N4均為疲勞過載持久值。試驗(yàn)測(cè)定材料的疲勞極限常用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，r=-1，結(jié)果用σ-1表示。鋼鐵材料部分在色金屬（Al合金）條件疲勞極限應(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，用過載持久值進(jìn)行設(shè)計(jì)。低周疲勞N<105;高周疲勞N>105。疲勞缺口敏感度常用q來(lái)衡量缺口對(duì)疲勞極限的影響其中，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)。σmaxσmlgNσσ-1σ-1N0<q<1；Kf→1，σ-1N→σ-1，即缺口不降低疲勞極限，對(duì)缺口不敏感，此時(shí)q＝0；Kt＝Kf時(shí)，q＝1，缺口嚴(yán)重降低疲勞極限；q越小越好。（二）帶裂紋零構(gòu)件的疲勞抗力指標(biāo)aNaC1Np1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；Np2aC2增加應(yīng)力幅，在相同循環(huán)次數(shù)下，da/dN增大；da/dN與a、Δσ有關(guān)ABCIIIIII10-8~10-6mm/cyc10-5~10-2mm/cycK=KIC應(yīng)用選材確定帶裂紋零（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（三）影響疲勞抗力的因素載荷類型材料本質(zhì)零件表面狀態(tài)工作溫度腐蝕介質(zhì)1.載荷類型載荷類型對(duì)疲勞極限及疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值均有重要影響。拉-壓疲勞σ-1p＝0.85σ-1（鋼）0.65σ-1（鑄鐵）扭轉(zhuǎn)疲勞τ-1p＝0.55σ-1（鋼）0.8σ-1（鑄鐵）2.材料本質(zhì)不同材料有不同的疲勞曲線，σr、q、da/dN、KIC及Kth不同；σ-1＝0.5σb

中、低強(qiáng)度鋼0.42σb

灰鑄鐵0.48σb

球墨鑄鐵0.35～0.4σb

鑄鐵銅合金材料的純度及組織狀態(tài)對(duì)疲勞抗力有顯著影響組織狀態(tài)σb/MPaσ-1/MPa退火（鐵素體＋珠光體）650314淬火（馬氏體）208077540Cr鋼組織類型對(duì)疲勞極限的影響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)σb/MPaσ-1/MPa45鋼（正火）光滑656280有刀痕65414540Cr（淬火＋200℃回火）光滑1947780有刀痕19223004.工作溫度T↑→σ↓，σr↓，ΔKth

↓，da/dN↑5.腐蝕介質(zhì)在腐蝕介質(zhì)作用下，σr↓，ΔKth

↓，da/dN↑腐蝕疲勞小結(jié)疲勞斷裂是零構(gòu)件常見的一種失效形式，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、過載持久值和疲勞缺口敏感度；σ<σr，構(gòu)件不發(fā)生疲勞斷裂；σ>σr，構(gòu)件在一定的周次下斷裂，該周次稱為過載持久值，工作應(yīng)力越大，過載持久值越低；帶裂紋零構(gòu)件的疲勞抗力指標(biāo)是ΔKth；σr與ΔKth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。綦江彩虹橋垮塌-脆性斷裂分析彩虹橋