1、第11章 材料失效及強度理論,11-1 常用工程材料的失效模式及強度理論概念,1）常用工程材料的失效模式,當(dāng)材料發(fā)生斷裂時，構(gòu)件因解體而喪失承載能力；當(dāng)材料發(fā)生屈服時，晶面間相對滑移，構(gòu)件要產(chǎn)生塑性變形而失去正常的功能。這兩種現(xiàn)象稱為材料失效，屈服與斷裂是材料的兩種基本失效模式。,在簡單應(yīng)力狀態(tài)（單向應(yīng)力狀態(tài)與純切應(yīng)力狀態(tài)）下，材料發(fā)生哪種失效，將取決于材料本身的力學(xué)性能。即，脆性材料發(fā)生脆性斷裂失效；而塑性材料發(fā)生屈服失效。,在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，材料發(fā)生哪種失效，還將取決于應(yīng)力狀態(tài)。 例如，在三向壓應(yīng)力狀態(tài)，即使是非常好的脆性材料，也不會發(fā)生斷裂失效。,第11章 材料失效及強度理論,11-1

2、常用工程材料的失效模式及強度理論概念,2）強度理論的概念,材料發(fā)生什么形式的失效？何時發(fā)生失效？失效時的應(yīng)力，即極限應(yīng)力是多大？怎樣建立失效判據(jù)？要解決這些問題，對于單向應(yīng)力狀態(tài)情況是很容易的。那就是可以模擬實際的單向應(yīng)力狀態(tài)進行軸向拉伸試驗。對于脆性材料，當(dāng) 時，材料便發(fā)生斷裂失效，這就是失效判據(jù)，強度極限 就是極限應(yīng)力；對于塑性材料，當(dāng) 時，材料便發(fā)生屈服失效，這也是失效判據(jù)，屈服點 也是極限應(yīng)力。,對于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)情況，要回答上述問題就不那么容易了。因為實際構(gòu)件受力是多種多樣的，其主應(yīng)力間比值也因此而異。如果也僅用實驗的方法去建立失效判據(jù)，那么就需要對每一種材料針對每一種主應(yīng)力比值的應(yīng)力

3、狀態(tài)進行實驗，以確定每一種主應(yīng)力比值下失效時的主應(yīng)力值，這顯然是不現(xiàn)實的。,第11章 材料失效及強度理論,11-1 常用工程材料的失效模式及強度理論概念,2）強度理論的概念,但是，材料失效是存在原因和規(guī)律的，在有限實驗的基礎(chǔ)上，可以對材料失效的現(xiàn)象加以歸納、整理，對失效原因作一些假說，即無論何種應(yīng)力狀態(tài)，也無論何種材料，只要失效模式相同，便具有同一個失效原因。這樣，就可以通過軸向拉伸這一簡單實驗的結(jié)果，去預(yù)測材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下的失效和建立材料在一般應(yīng)力狀態(tài)下的失效判據(jù)。,關(guān)于材料失效原因與失效規(guī)律的假說或?qū)W說，稱為強度理論。,強度理論必須經(jīng)受實驗與實踐的檢驗。實際上，也正是在反復(fù)實驗與實踐的

4、基礎(chǔ)上，強度理論才得到發(fā)展并日趨完善。目前，有許多種強度理論，本課只介紹工程中常用的幾種強度理論。,第11章 材料失效及強度理論,11-2 關(guān)于斷裂的強度理論,1）最大拉應(yīng)力強度理論（第一強度理論）,最大拉應(yīng)力理論把材料脆斷失效的原因歸結(jié)為最大拉應(yīng)力。認為，無論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要最大拉應(yīng)力達到材料單向拉伸脆斷時的極限拉應(yīng)力值（即強度極限） ，材料就發(fā)生脆斷失效。,失效原因：,實驗表明，脆性材料在二向或三向拉伸斷裂時，該理論與實驗結(jié)果相當(dāng)吻合。當(dāng)存在壓應(yīng)力，若材料仍發(fā)生脆性拉斷失效時，與實驗結(jié)果也接近；但若發(fā)生剪斷時，該理論與實驗結(jié)果不符合。,失效判據(jù)：,這一理論沒有考慮 和 對材料失效

5、的影響。此外，對于沒有拉應(yīng)力的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，不能應(yīng)用此理論。,即,第11章 材料失效及強度理論,11-2 關(guān)于斷裂的強度理論,2）最大拉應(yīng)變強度理論（第二強度理論）,最大拉應(yīng)變理論把材料脆斷失效的原因歸結(jié)為最大拉應(yīng)變。認為，無論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要最大拉應(yīng)變達到材料單向拉伸脆斷時的極限拉應(yīng)變值 ，材料就發(fā)生脆斷失效。,失效原因：,實驗證明：脆性材料在雙向拉伸-壓縮應(yīng)力狀態(tài)下，且壓應(yīng)力值大于拉應(yīng)力值時，該理論與實驗結(jié)果大致吻合。最大拉應(yīng)變理論能很好解釋大理石在軸向壓縮時（試件與實驗機夾板間摩擦力較小條件下）沿軸向開裂的失效現(xiàn)象。,失效判據(jù)：,因為,第11章 材料失效及強度理論,11-3

6、關(guān)于屈服的強度理論,1）最大切應(yīng)力強度理論（第三強度理論）,最大切應(yīng)力理論把材料屈服失效的原因歸結(jié)為最大切應(yīng)力。認為，無論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要最大切應(yīng)力達到材料單向拉伸屈服時的極限最大切應(yīng)力值 ，材料就發(fā)生屈服失效。,失效原因：,失效判據(jù)：,因為,第11章 材料失效及強度理論,11-3 關(guān)于屈服的強度理論,1）最大切應(yīng)力強度理論（第三強度理論）,若為平面應(yīng)力狀態(tài)時，假如 （三個主應(yīng)力沒有順序關(guān)系）。這樣，上式將變?yōu)?討論：,第11章 材料失效及強度理論,11-3 關(guān)于屈服的強度理論,1）最大切應(yīng)力強度理論（第三強度理論）,討論：,在 應(yīng)力平面內(nèi),第三強度理論的屈服線,第11章 材料失效及

7、強度理論,11-3 關(guān)于屈服的強度理論,2）形變應(yīng)變能強度理論（第四強度理論）,形變應(yīng)變能理論把材料屈服失效的原因歸結(jié)為形變應(yīng)變能。認為，無論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要形變應(yīng)變能達到材料單向拉伸屈服時的極限形變應(yīng)變能 ，材料就發(fā)生屈服失效。,失效原因：,失效判據(jù)：,因為,第11章 材料失效及強度理論,11-3 關(guān)于屈服的強度理論,2）形變應(yīng)變能強度理論（第四強度理論）,討論：,若為平面應(yīng)力狀態(tài)時，假如 （三個主應(yīng)力沒有順序關(guān)系）。這樣，上式將變?yōu)?第11章 材料失效及強度理論,11-3 關(guān)于屈服的強度理論,2）形變應(yīng)變能強度理論（第四強度理論）,討論：,在 應(yīng)力平面內(nèi),第四強度理論的屈服線,在

8、純切應(yīng)力狀態(tài)下，屈服時主應(yīng)力分別為 。 按照最大切應(yīng)力強度理論，有,按照形變應(yīng)變能強度理論，有,兩個強度理論，在純切應(yīng)力狀態(tài)時差別最大 。,第11章 材料失效及強度理論,11-3 關(guān)于屈服的強度理論,3）相當(dāng)應(yīng)力,第一強度理論,綜上所述，當(dāng)由強度理論來建立各種應(yīng)力狀態(tài)下材料失效判據(jù)時，是將主應(yīng)力的某一綜合值與材料單向拉伸時極限應(yīng)力相比較。主應(yīng)力的這一綜合值稱為相當(dāng)應(yīng)力，用 表示。,第二強度理論,第三強度理論,第四強度理論,第11章 材料失效及強度理論,11-4 許用應(yīng)力 強度條件,1）許用應(yīng)力,工程構(gòu)件的強度達到極限狀態(tài)（即發(fā)生強度失效）的條件是什么？怎樣才能保證構(gòu)件安全可靠的工作？,以最大切應(yīng)力理論為例，來回答這個問題。,現(xiàn)有材料相同的四個構(gòu)件，其危險點應(yīng)力狀態(tài),由于存在強度分析的諸多不確定因素，那么，B 構(gòu)件比D