第十一章 材料失效及强度理论 (课堂PPT)

第11章材料失效及强度理论,11.1常用工程材料的失效模式及强度理论概念11.2关于断裂的强度理论11.3关于屈服的强度理论11.4弯曲与扭转的组合,1,a)低碳钢拉伸断裂,b)铸铁拉伸断裂,F,c)铸铁压缩破坏,第11章材料失效及强度理论,引言,2,a)低碳钢扭转破坏,b)铸铁扭转破坏,第11章材料失效及强度理论,引言,3,1）常用工程材料的失效模式,材料的两种基本失效模式,简单应力状态（单向应力状态与纯切应力状态），材料的失效现象取决于材料本身的力学性能：,复杂应力状态下，材料发生哪种失效，还将取决于应力状态。例如，在三向压应力状态，即使是非常好的脆性材料，也不会发生断裂失效。,11-1常用工程材料的失效模式及强度理论概念,屈服,断裂,第11章材料失效及强度理论,4,2）强度理论的概念,单向应力状态情况：脆性材料，当时，材料便发生断裂失效，这就是失效判据，强度极限就是极限应力；塑性材料，当时，材料便发生屈服失效，这也是失效判据，屈服点也是极限应力。,第11章材料失效及强度理论,11-1常用工程材料的失效模式及强度理论概念,材料发生什么形式的失效？何时发生失效？失效时的应力，即极限应力是多大？怎样建立失效判据？,5,第11章材料失效及强度理论,2）强度理论的概念,11-1常用工程材料的失效模式及强度理论概念,材料发生什么形式的失效？何时发生失效？失效时的应力，即极限应力是多大？怎样建立失效判据？,6,强度理论：关于材料失效原因与规律的假说或学说。,强度理论必须经受实验与实践的检验。实际上，也正是在反复实验与实践基础上，强度理论才得到发展并日趋完善。目前，有许多种强度理论，本课只介绍工程中常用的几种强度理论。,第11章材料失效及强度理论,2）强度理论的概念,11-1常用工程材料的失效模式及强度理论概念,7,11-2关于断裂的强度理论,1）最大拉应力强度理论（第一强度理论）,把材料脆断失效的原因归结为最大拉应力。只要最大拉应力达到材料单向拉伸脆断时的极限拉应力值（即强度极限），材料就发生脆断失效。,失效原因：,失效判据：,这一理论没有考虑和对材料失效的影响。此外，对于没有拉应力的三向压应力状态，不能应用此理论。,即,实用范围：实用于破坏形式为脆断的构件。,第11章材料失效及强度理论,8,11-2关于断裂的强度理论,2）最大拉应变强度理论（第二强度理论）,把材料脆断失效的原因归结为最大拉应变。只要最大拉应变达到材料单向拉伸脆断时的极限拉应变值，材料就发生脆断失效。,失效原因：,最大拉应变理论能很好解释大理石在轴向压缩时（试件与实验机夹板间摩擦力较小条件下）沿轴向开裂的失效现象。,失效判据：,因为,所以,实用范围：实用于破坏形式为脆断的构件。,第11章材料失效及强度理论,9,11-3关于屈服的强度理论,1）最大切应力强度理论（第三强度理论）,材料屈服失效的原因归结为最大切应力。认为，无论材料处于何种应力状态，只要最大切应力达到材料单向拉伸屈服时的极限最大切应力值，材料就发生屈服失效。,失效原因：,失效判据：,因为,所以,第11章材料失效及强度理论,10,第三强度理论曾被许多塑性材料的试验结果所证实，且稍偏于安全。这个理论所提供的计算式比较简单，故它在工程设计中得到了广泛的应用。该理论没有考虑中间主应力2的影响，其带来的最大误差不超过15，而在大多数情况下远比此为小。,第11章材料失效及强度理论,11-3关于屈服的强度理论,1）最大切应力强度理论（第三强度理论）,11,2）形变应变能强度理论（第四强度理论）,材料屈服失效的原因归结为形变应变能。认为，无论材料处于何种应力状态，只要形变应变能达到材料单向拉伸屈服时的极限形变应变能，材料就发生屈服失效。,失效原因：,失效判据：,因为,所以,第11章材料失效及强度理论,11-3关于屈服的强度理论,12,第三强度理论可进行偏保守（安全）设计。,第四强度理论可用于更精确设计，要求对材料强度指标、载荷计算较有把握。,第二强度理论仅用于石料、混凝土等少数材料。,第一强度理论用于脆性材料的拉伸、扭转。,按某种强度理论进行强度校核时，要保证满足如下两个条件:1.所用强度理论与在这种应力状态下发生的破坏形式相对应;2.用以确定许用应力的,也必须是相应于该破坏形式的极限应力。,第11章材料失效及强度理论,小结,13,塑性材料（如低碳钢）在三向拉伸应力状态下呈脆断破坏，应选用第一强度理论。,注意,脆性材料（如大理石）在三向压缩应力状态下呈塑性屈服失效状态，应选用第三、第四强度理论。,例(a)一钢质球体防入沸腾的热油中,将引起爆裂，试分析原因。,受力分析：钢球入热油中，其外部因骤热而迅速膨胀，内芯受拉且处于三向受拉应力状态，而发生脆断破坏。,例（b）深海海底的石块，尽管受到很大的静水压力,并不破坏，试分析原因。,受力分析：石块处于三向受压状态。,第11章材料失效及强度理论,14,莫尔认为：最大剪应力是使物体破坏的主要因素，但滑移面上的摩擦力也不可忽略（莫尔摩擦定律）。综合最大剪应力及最大正应力的因素，莫尔得出了他自己的强度理论。,第11章材料失效及强度理论,11-4莫尔强度理论,15,近似包络线,极限应力圆的包络线,O,t,s,1）两个概念：,（1）极限应力圆：材料失效时对应的一系列应力圆,（2）极限曲线：极限应力圆的包络线（envelope）。,第11章材料失效及强度理论,16,（1）破坏判据：,2）莫尔强度理论：任意一点的应力圆若与极限曲线相接触，则材料即将屈服或断裂。,第11章材料失效及强度理论,（2）实用范围：实用于破坏形式为屈服的构件及其拉压极限强度不等的处于复杂应力状态的脆性材料的破坏（岩石、混凝土等）。,17,认为材料的屈服是由两个较大的主切应力引起的。当两个较大主切应力之和达到材料在单向拉伸屈服时的极限双切应力之和时，材料就发生屈服（流动）破坏。,主应力表示：,实用于破坏形式为屈服的材料,第11章材料失效及强度理论,双切应力强度理论,西安交通大学俞茂宏教授1961年提出:,破坏判据：,18,11-5许用应力强度条件,1）相当应力,第一强度理论,综上所述，当由强度理论来建立各种应力状态下材料失效判据时，是将主应力的某一综合值与材料单向拉伸时极限应力相比较。主应力的这一综合值称为相当应力，用表示。,第二强度理论,第三强度理论,第四强度理论,第11章材料失效及强度理论,19,例11-1对于图示各单元体，试分别按第三强度理论及第四强度理论求相当应力。,110MPa,140MPa,(b),已知1=140MPa，2=110MPa,3=0,第11章材料失效及强度理论,20,2）许用应力,工程构件的强度达到极限状态（即发生强度失效）的条件是什么？怎样才能保证构件安全可靠的工作？,以最大切应力强度理论为例：,第11章材料失效及强度理论,11-5许用应力强度条件,为了有足够的强度储备，以保证构件能安全可靠地工作，将等比例