断裂力学作业讲诉.docx

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断裂力学作业讲诉

断裂力学及其工程应用

期

末

课

程

总

结

学院：

材料科学与工程学院

班级：

成型091405班（铸造）

姓名：

鲁茂波

学号：

200914030181

通过本学期对断裂力学及其工程应用的系统性学习，对断裂力学在生活中的应用有了深刻的认识，并且用断裂力学理论性的知识解释生活史上发生一系列大的事故的发生原因。

例如1943—1947年美国5000余艘焊接船连续发生了一千多起断裂事故，其中238艘全毁。

1949年东俄亥俄煤气公司的圆柱形型天然气罐发生爆炸，是周围街市变成废墟。

还有等等很多重大性事故都可以用断裂力学的知识解释其发生的原因，并且可以得到怎样癖免它发生的措施。

通过本学期对断裂力学及其工程应用的系统性学习，及老师的精彩讲解。

自己学到了很多东西。

通过总结学到了以下几方面的知识：

1、断裂力学的许多理论性知识；

2、断裂力学在相关工程上的应用；

3、学到了一些相关问题建模的能力、思考问题的能了、解决问题的能力。

第1章：

线弹性断裂力学

1.1裂纹的分类：

1、按裂纹的几何特征可以分为穿透裂纹、表面裂纹和深理裂

纹。

2、在实际构件中的裂纹，由于外加作用力的不同，可以分为

三种基本状态，即张开型裂纹、滑开型裂纹和撕开型裂纹。

张开型裂纹、滑开型裂纹和撕开型裂纹的受力图

1.2构件断裂的两种观点：

1、应力强度因子理论（Irwin应力强度因子理论）

2、能量释放率理论（Griffith脆断理论）

1.3裂纹失稳扩展：

1.4能量释放率断裂理论：

1、Griffith理论临界应力：

2、Orowan理论

3、裂纹表面能：

形成新的裂纹表面所需要的能量。

1.5能量释放率及其断裂判据：

从能量守恒和功能转换关系来研究裂纹扩展过程，由此可以更清楚地揭示断裂韧性的物理意义。

1、断裂韧性：

表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料的韧性好坏的一个定量指标。

2、能量释放率断裂判据：

3、G的表达式：

恒位移情况

恒载荷情况

1.6应力强度因子断裂理论:

1、应力强度因子断裂判据：

应力强度因子

2、断裂韧性及K判据：

脆性断裂的应力强度因子判

据

1.7K判据的工程应用实例：

1、确定带裂纹构件的临界载荷

2、确定容限裂纹尺寸

3、评定与选择材料

1.8屈服判据：

最大剪应力判据

形状改变能判据

1.9裂纹前端屈服区的的大小：

平面应力

平面应变

第2章：

复合型裂纹

2.1最大周向力准则：

1、两个基本假设：

（1）裂纹沿最大周向应力σθmax的方向开裂；

（2）当此方向的周向应力达到临界值时，裂纹失稳扩展。

2、开裂角：

3、开裂条件：

2.2能量释放率准则：

1、基本假设：

（1）裂纹沿着产生最大能量释放率的方向扩展；

（2）裂纹的扩展是由于最大能量释放率达到了临界值而产生。

2、

3、支裂纹的能量释放率：

4、断裂判据：

2.3应变能密度因子准则:

1、特点：

综合考虑了裂尖附近六个应力分量的作用，计算出裂尖附近局部的应变能密度，并在以裂尖为圆心的同心圆上比较局部的应变能密度，从而提出裂纹失稳开裂的判据。

假设

2、

2、应变能密度因子：

3、断裂判据：

2.4工程上应用的近似断裂判据：

1、I—II复合型裂纹问题的断裂判据：

2、I—III复合型裂纹的断裂判据：

3、Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型裂纹的断裂判据：

第3章：

弹塑性断裂力学

3.1弹塑性断裂力学背景：

1、线弹性断裂力学的适用范围：

裂纹失稳扩展前裂纹

尖端无明显塑性变形。

2、弹塑性断裂力学的适用范围：

塑性变形较大，屈服

区尺寸与裂纹长度属于同一量级或更大。

3.2COD理论：

1、定义：

裂纹的张开位移，指裂纹体受载后，在原裂纹尖端垂

直于裂纹方向上所产生的位移，一般用

表示。

2、COD判据：

当裂纹张开位移

达到某一临界值

时，裂纹将

会开裂

=

。

是材料弹塑性断裂韧性指标，是材料常数，有

实验测得，是裂纹开裂的临界值。

3.3D-B带状屈服区模型的COD：

1、

2、D-B模型的适用条件

3.4全面屈服条件下的COD：

由图可见，CVDA曲线在

范围内与

Burdekin曲线相同；在

范围内比其

保守，有较高的安全预度；而在

范围内则比JWES2805保守，但比其余的设计曲线可有较小的安全预度。

3.5COD判据的工程应用：

1、膨胀效应的修正；

2、等效贯穿裂纹换算；

3、考虑加工硬化。

3.6J积分理论：

1、定义：

回路积分定义和形变功率定义。

2、回路积分定义

3、J积分的守恒性

J积分应用的条件：

不计体力，小应变，单向加载

4、J与G的关系：

5、J与COD的关系：

6、J积分的形变功率定义

（1）有限元与数值积分相结合

（2）另一个途经：

利用J积分和试样加载过程中接受的位能或形

变功之间的关系来得到J积分。

7、恒载荷情况

8、恒位移情况

3.7J积分的计算及工程估算方法：

1、深裂纹纯弯曲试样的J积分表达式；

2、弹塑性J积分的估算方法。

第4章：

常用断裂参数的测试

4.1平面应变断裂韧度KIC的测试

4.1.1试样制备：

1、类型：

三点弯曲式样和紧凑拉伸试样

2、试样尺寸：

3、取样及标记

4、裂纹制取：

方法：

首先用切割机在试样上切出机械切口，然后在疲劳实验机上进行疲劳引发疲劳尖裂纹。

4.1.2测试装置：

加力和测力装置；位移测量装置。

4.1.3测试步骤：

1、测试系统的形成。

2、加载前预处理。

3、加载试验。

4.1.4实验结果的处理：

1、临界载荷的确定。

2、裂纹长度的确定：

3、有效性判断：

4.2临界COD的实验测定

4.2.1试样尺寸

4.2.2

的表达式：

1、弹塑性条件下：

4.2.3临界点的确定

4.3J积分的实验测定方法

4.3.1J积分的实验标定：

三点弯曲测J积分的试件尺寸要求：

3、

4.3.2JR阻力线法

第5章：

疲劳问题

5.1疲劳裂纹破坏的特点

1）对静载荷情况长为a的裂纹，只当

达到临界应力

时，裂纹才会失稳扩展，突然断裂。

当

时，构件安全可靠。

2）对交变载荷：

当构件承受同一应力水平的交变力，则裂纹将缓慢扩展，达到临界尺寸

时，失稳断裂。

3）亚临界扩展：

裂纹在交变应力作用下，由初始

扩展至临界值

的过程称为疲劳裂纹的亚临界扩展。

4）对于没有宏观裂纹的试件，在交变应力作用下，也可能萌生裂纹。

5）疲劳破坏时的应力远比静载荷破坏的应力低，且疲劳破坏时一般无明显的塑性变形，对工程结构威胁很大。

5.2疲劳破坏过程：

裂纹成核阶段；微裂纹扩展阶段；宏观裂纹扩展阶段；断裂

阶段。

5.3高周疲劳与低周疲劳：

1、高周疲劳（亦称为应力疲劳）：

当构件所受应力较低，疲劳裂纹在弹性区中扩展，裂纹扩展至断裂所经历的应力循环周期N较高，或裂纹形成寿命较长，称为高周疲劳，N称为失效周数或疲劳寿命。

2、

低周疲劳（亦称为应变疲劳）：

当构件所受的应力较高或因存在孔、槽、圆角等应力集中区，局部应力已超过材料的屈服极限，形成较大的塑性区，裂纹主要在塑性区扩展。

裂纹扩展所经历的应力循环周数N较低，或裂纹形成寿命较短，称为低周疲劳，又称为应变疲劳或塑性疲劳。

低周疲劳总的寿命近似等于裂纹扩展寿命，因此在低周疲劳设计中，主要考虑裂纹扩展寿命。

5.4疲劳裂纹扩展速率：

5.5影响疲劳裂纹扩展速率的因素:

1、平均应力σm的影响；2、过载峰的影响；

3、加载频率的影响；4、温度的影响。

5.6应变疲劳计算疲劳寿命：

5.7疲劳裂纹扩展寿命的估算:

1、

2、

3、

5.8应力腐蚀及腐蚀疲劳：

1、拉应力是产生应力腐蚀开裂的必要条件

2、纯金属一般不发生应力腐蚀

3、应力腐蚀是一种延迟断裂

4、破坏是脆性的

第6章：

防脆断设计

6.1产品安全性满足的条件：

6.2防脆断设计方法：

1、K判据法、COD法、J积分法、应变能密度因子法等

2、当量裂纹尺寸法、临界裂纹尺寸法。

3、裂纹分析图法、确定能量水平法等。

3、有压力容器的先漏后破准则等。

4、半经验方法。

第7章：

弹塑性断裂分析工程方法

7.1方法简介：

该方法认为材料服从式

7.2典型带缺陷结构的弹性解。

7.3裂纹推动力图及其应用：

1、裂纹推动力图的制作方法。

2、裂纹推动力图的性质。

3、裂纹推动力图的工程应用。

7.4裂纹评定图及其应用：

1、稳定评定图的制作。

2、稳定评定图的性质。

3、稳定评定图的应用。

第8章：

断裂质量控制

8.1材料评定：

根据结构的工作条件，分析结构容易发生的主要失效形式以及断裂原因和机理，以此合理选材。

既要考虑材料强度，又要考虑材料韧性。

8.2提高材料韧性的方法：

1、除去和减少合金中降低韧性的有害成分

2、获得达到最大韧性的显微结构。

8.3材料断裂机理图的应用：

1、事故分析。

2、预计寿命。

3、材料的选择和发展。

8.4断裂力学方法评定热处理工艺：

1、淬火开裂问题

2、因热处理不当引起的冶金脆性及开裂问题。

第9章：

概率断裂力学

9.1概率断裂力学的设计方法。

9.2PFM中主要参数的统计性质：

1、裂纹检测概率。

2、缺陷尺寸的统计分布。

3、断裂韧性的概率统计性质。

4、疲劳裂纹扩展速率的概率特性。

9.3PFM在防疲劳断裂中的应用。

9.4蒙特卡洛模拟方法：

通过对随机变量函数的概率模拟、统计实验或抽样，求

解工程技术、数学、物理、生产管理等不同问题的近似数值解的方法。

断裂力学在铸造专业上的应用

通过学习材料科学基础、铸件形成理论、特种铸造、铸造合金熔炼原理等相关专业课程的学习，断裂力学及工程应用对铸造专业有以下几方面的应用：

1、断裂力学在球墨铸铁中的应用。

2、指导铸造合金熔炼，从而提高铸件的疲劳强度和断裂韧度。

3、指导设计合理的铸件，僻免发生断裂和裂纹。

4、根据断裂力学分析和计算铸件的使用寿命。

5、根据断裂力学选择合适的热处理工艺方法。

6、指导选着合适的铸造方法，僻免裂纹、气孔缺陷的产生。

7、根据断裂力学可一定量计算铸件缺陷处的受力大小，进一步确定其使用寿命。

8、根据断裂力学可以控制铸件的质量。

并且指导生产，从而提高效率，降低成本。

9、在满足工作条件和机械性能的前提下，根据断裂力学选择合适的铸件材料，生产出做优质的铸件且成本最低。

10、指导铸件生产过程中，怎样僻免缺陷，或将缺陷降到最低。

11、指导铸件生产过程中，怎样选择合适的铸造工艺方法是缺陷不发生或降到最小程度。

12、指导铸件在加工过程中，选择合适的机加工方法。

给老师的建议

1、希望老师在讲课过程当中，多联系生活中的例子，将理论性的知识在生活中的例子进行应用，否则有时课堂会显得枯燥、无味。

2、希望老师在课堂上多讲一些断裂力学在工程上的应用，多放点相关断裂力学应用的视频，这样课堂会很有趣，学生也爱听。

3、进行每节课点名制度或课堂下课十五分钟左右做课堂作业，这样到课率很好。

4、希望老师增加断裂力学的相关实验课。

这样会很有趣，并能学到动手、思考、解决问题的能力。

5、希望老师布置点课后作业并上交作业，可以使学生加深课堂所学知识。

6、希望老师有必要的话进行课堂提问，可以促进学生思考问题。