零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂

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1、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)“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

2、是天災(zāi)，而是人禍。其根本原因，是由于政府在工程開發(fā)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)，

3、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(guò)程裂紋萌生：材料在

4、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較小；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(méi)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??；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(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)。

5、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

6、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(wèn)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,σ

7、y,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-3/2KIKIC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

8、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