12.3斷裂失效與斷裂控制設(shè)計結(jié)構(gòu)中的缺陷是引起破壞的重要原因。最嚴(yán)重的缺陷是裂紋。裂紋引起斷裂破壞，如何分析、控制？不會分析時，構(gòu)件發(fā)現(xiàn)裂紋，報廢。20世紀(jì)50年代后，“斷裂力學(xué)”形成、發(fā)展，人們力圖控制斷裂、控制裂紋擴(kuò)展。裂紋從何而來？材料缺陷；疲勞萌生；加工、制造、裝配等損傷。120世紀(jì)50年代，美國北極星導(dǎo)彈固體燃料發(fā)動機(jī)殼體發(fā)射時斷裂。材料為高強(qiáng)度鋼，屈服強(qiáng)度s=1400MPa，工作應(yīng)力900MPa。

1965年12月，英國JohnThompson公司制造的大型氨合成塔在水壓試驗時斷裂成二段，碎塊最重達(dá)2噸。斷裂起源于焊縫裂紋，發(fā)生斷裂時的試驗應(yīng)力僅為材料屈服應(yīng)力的48%。一、結(jié)構(gòu)中的裂紋按靜強(qiáng)度設(shè)計，控制工作應(yīng)力。但在[]時，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的事例并不鮮見。2低應(yīng)力斷裂：在靜強(qiáng)度足夠的情況下發(fā)生的斷裂。低應(yīng)力斷裂是由裂紋引起的。中心裂紋工程常見裂紋2asWBs邊裂紋ass表面裂紋2catss討論張開型(I型)裂紋，最常見、最嚴(yán)重。二維裂紋，---穿透厚度裂紋，最簡單。3二、斷裂控制參量和斷裂判據(jù)作用(、a)越大，抗力(K1C)越低，越可能斷裂。裂紋尺寸和形狀(先決條件)應(yīng)力大小(必要條件)材料的斷裂韌性K1C

(材料抗力)含裂紋材料抵抗斷裂能力的度量。斷裂三要素抗力斷裂判據(jù)可寫為：aKfWa=(,)Lsp￡Kc1作用ssa斷裂控制參量：應(yīng)力強(qiáng)度因子K4這是進(jìn)行抗斷設(shè)計的基本控制方程。斷裂判據(jù)：KfaWa=(,)Lsp￡Kc1K1C是材料斷裂韌性(抗斷指標(biāo))，試驗確定。f是裂紋尺寸a和構(gòu)件幾何(如W)的函數(shù)，可查應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊。K的單位是MPa。mssa邊裂紋寬板

f=1.12中心裂紋寬板

f=1.02aWss簡單特例5三、材料的平面應(yīng)變斷裂韌性K1c1）標(biāo)準(zhǔn)試件(GB4161-84)應(yīng)力強(qiáng)度因子：L=4WWaF三點彎曲(B=W/2)2孔f

0.25WFFaW1.25W1.2W0.55W緊湊拉伸（B=W/2）])(57.14)(18.14)(20.8)(735.1090.1[343221WaWaWaWaa2BWFLK+-+-=p])(9.638)(0.1017)(7.655)(5.1856.29[4321WaWaWaWaBWaFK+-+-=6X-Y記錄儀FV2）試驗裝置

監(jiān)測載荷F、裂紋張開位移V，得到試驗F-V曲線，確定裂紋開始擴(kuò)展時的載荷FQ和裂紋尺寸a，代入應(yīng)力強(qiáng)度因子表達(dá)式，即可確定K1C。FF試件試驗機(jī)放大器力傳感器輸出F引伸計輸出V73)FQ的確定：若在F5前無載荷大于F5，則取FQ=F5；若在F5前有載荷大于F5，則取該載荷為FQ。作比F-V線性部分斜率小5%的直線，交F-V于F5。Fmax

F0VF500F5FmaxFQ=FmaxFmaxFQFQ=F5F5試驗有效條件Fmax/FQ<1.18預(yù)制裂紋的前緣一般呈弧形，故實際裂紋尺寸應(yīng)打開試件斷口后測量值確定。四等分厚度，用工具顯微鏡量取五個處裂紋尺寸，取a=(a2+a3+a4)/3;4)裂紋尺寸a的確定：BWa1a2a3a4a5為保證裂紋的平直度，還要求滿足：[a-(a1+a5)/2]0.1a9討論：厚度的影響實驗表明，材料斷裂時應(yīng)力強(qiáng)度因子KC與試件的厚度B有關(guān)。KK1CBKc

平面應(yīng)變區(qū)平面應(yīng)變：厚度足夠大時，沿厚度方向的變形被約束在垂直于厚度方向的平面內(nèi)，可以不計。厚度B，KC；B>2.5(K1C/sys)2后，

KC最小，平面應(yīng)變斷裂韌性K1c。K1C是材料的平面應(yīng)變斷裂韌性，是材料參數(shù)；KC是材料在某給定厚度下的臨界斷裂值。10平面應(yīng)變厚度要求求：B>2.5(K1c/sys)2預(yù)制裂紋尺寸：Da>1.5mm；0.45W<a0+Da<0.55W預(yù)制裂紋時的疲勞勞載荷：Kmax<(2/3)K1c。試驗有效性條件與與尺寸要求匯總:(國標(biāo)GB4161-84)斷裂載荷有效性：：Fmax/FQ<1.1;裂紋平直度有效性性：[a-(a1+a5)/2)]/a<10%滿足上述條件，才才是平面應(yīng)變斷裂裂韌性K1C。11例1.用B=30mm的標(biāo)準(zhǔn)三三點彎曲試件測斷斷裂韌性，裂紋尺寸為a=32mm。試驗測得FQ=56kN,Fmax=60.5kN；材料的0.2=905MPa,求其K1C。解：對于標(biāo)準(zhǔn)三點點彎曲試樣，有：：])(57.14)(18.14)(20.8)(735.1090.1[)(432WaWaWaWaWaf+-+-=)(2321WafaBWFLKp=(W=2B，L=4W)有效性檢驗：B=30mm>2.5(K1c/sys)2=25mmFmax/FQ=60.5/56=1.081.1將a/W=32/60=0.533，F(xiàn)=FQ=56kN代入，算得：KQ=90.5MPamK1c=KQ=90.5MPam12已知、a，算K，選擇材料，保證不不發(fā)生斷裂；一般地說，為了避避免斷裂破壞，須須要注意：抗斷設(shè)計：基本方程：KfaWa=(,)Lsp￡Kc1K1c較高的材料，斷裂前ac較大，便于檢查發(fā)現(xiàn)裂紋。當(dāng)缺陷存在時，應(yīng)進(jìn)行抗斷設(shè)計計算。控制材料缺陷和加工、制造過程中的損傷。2)已知a、材料的K1c，確定允許使用的的工作應(yīng)力；3)已知、K1c，確定允許存在的的最大裂紋尺寸a。131)已知、a，算K，選擇材料，保證證不發(fā)生斷裂；斷裂判據(jù)：KfaWa=(,)Lsp￡K1C2)已知a、材料的K1C，確定允許使用的的工作應(yīng)力；3)已知、K1C，確定允許存在的的最大裂紋尺寸a。四、斷裂控制設(shè)設(shè)計的基本概念抗斷裂設(shè)計計算：：強(qiáng)度判據(jù)：ssyssb穩(wěn)定判據(jù)：FFcr14解：1）不考慮缺缺陷，按傳統(tǒng)強(qiáng)度度設(shè)計考慮。選用二種材料時的的安全系數(shù)分別為為：材料1：n1=ys1/=1800/1000=1.8材料2：n2=ys2/=1400/1000=1.4優(yōu)合格2）考慮缺缺陷，按斷斷裂設(shè)計考考慮。由于a很小，對于于單邊穿透透裂紋應(yīng)有有:或KaK1C112.1￡=psKpas1.121C￡例1：某超高強(qiáng)寬鋼板有a=1mm的單邊穿透裂紋，受拉應(yīng)力=1000MPa的作用。試選擇材料。材料1：ys1=1800MPa，K1C1=50MPa；材料2：ys2=1400MPa，K1C2=75MPa；mm15選用材料1，將發(fā)生生低應(yīng)力脆脆性斷裂；；選用材料2，既滿足足強(qiáng)度條件件，也滿足足抗斷要求求。選用材料1：1c=50/[1.12(3.140.001)1/2]=796MPa<選用材料2：2c=75/[1.12(3.140.001)1/2]=1195MPa>斷裂安全注意，a0越小，K1C越大，臨界界斷裂應(yīng)力力c越大。因此，提高高K1C，控制a0，利于防止止低應(yīng)力斷斷裂。工作應(yīng)力：s=1000MPa臨界斷裂應(yīng)力：Kpasc1.121C=16壓力容器直直徑大，曲曲率小，可可視為承受受拉伸應(yīng)力力的無限大大中心裂紋紋板，f=1。解：由球形形壓力容器器膜應(yīng)力計計算公式有有：=pd/4t=54/(40.01)=500MPa例2：球形壓力容器d=5m，承受內(nèi)壓p=4MPa，厚度t=10mm，有一長2a的穿透裂紋。已知材料K1C=80MPa。求臨界裂紋尺寸ac。m斷裂判據(jù)：

KaK1C1￡=ps臨界裂紋尺寸：21C)(1spKac￡17在發(fā)生斷裂裂的臨界狀狀態(tài)下有：：21C)(1spKa=c；=pd/4t若內(nèi)壓不變，容器直徑d，，ac，抗斷裂能力越差。內(nèi)壓p，則，臨界裂紋尺寸ac；材料的K1C，臨界裂紋尺寸ac；可知：得到：ac=(1/3.14)(80/500)2=0.0081m=8.1mm18裂紋在靜強(qiáng)強(qiáng)度足夠的的情況下可可引起斷裂裂。工程中中最常見的的、危害最最大的是I(張開)型裂裂紋。小結(jié)裂紋尺寸和形狀作用應(yīng)力材料斷裂韌性K1C斷裂三要素斷裂判據(jù)：KfaWa=(,)Lsp￡K1C作用抗力斷裂控制參量：K—應(yīng)力強(qiáng)度因子，（MPa）m中心裂紋寬寬板，f=1；單