断裂力学引言

1、1 理论性强,本课程以工程断裂力学的有关概念和有关理论为基础，在基本掌握了工程断裂力学的基本理论的基础上，才可能理解压力容器安全评定的有关概念和规范。,2 综合性强,它要求学习者要全面、综合考虑压力容器在设计、制造、使用过程中所遇到的有关问题。考虑材料、制造工艺、设计理论对压力容器安全运行的影响，只有这样，才能灵活地、有效地学好这门课程。,3 是一门理论联系实际的、发展中的科学,1 实例 2 工程断裂力学应用简介,断裂失效的实例 传统设计方法的不足： 按传统设计方法设计的构件在工作时发生破坏。 1979年5月，DC-10宽体客机发动机脱落。 20世纪40年代后期，145艘自由轮号万吨轮断成两截

2、，700艘左右严重破坏（共生产2500艘，破坏率33.8%）。,Titanic惨剧的原因：三要素,1 材料因素： 采用含硫高的钢板 韧性差，特别是低温呈脆性 2 力学因素： 冰山冲击 冲击载荷 3 环境因素： 冰海 低温,发生断裂失效的船体,为什么？ 传统设计理论的局限,分析： 1 传统设计方法认为材料是均质，无缺陷的，各向同性的。 2 在这个假设的前提下，对于塑性材料破坏之前必须先发生较大的塑性变形。,断裂力学的产生,实际情况是：对于较高强度的具有一定缺陷的构件，往往发生了脆断，即断裂前没有发生较大的塑性变形。通过观察分析可知，这些断裂是从局部裂纹扩展而成的。 判据： 不适用于 评判带有裂纹

3、的构件，为了解决这个问题，断裂力学(fracture mechanics)产生了。,断裂力学理论在安全评定中的应用：,应用于宇航、机械、化工、地质诸方面 主要解决： 裂纹尺寸多大时会发生断裂（破坏）？ 从小裂纹发展到临界裂纹需要多长时间？ 对裂纹的应对措施。 对材料性能的全面认识，注意到韧性的作用,2 工程断裂力学简介,断裂力学的主要任务 韧性断裂与脆性断裂 脆性与韧性 韧度 大韧性破坏 裂纹的扩展 线弹性断裂力学与弹塑性断裂力学,断裂力学的主要任务,为解决断裂力学应用上述问题，需要找到一个参量，该参量能表征裂纹尖端欲扩展的强度。对该参量的观察与限制能判断裂纹是否扩展或控制裂纹的扩展。这就是断

4、裂力学的主要任务之一。,脆性断裂与韧性断裂 脆性：韧度低（brittle） 韧性：韧度高（ductile） 脆性断裂：断裂前无明显塑性变形（无颈缩） 韧性断裂：断裂前有明显塑性变形（有颈缩）,韧性断裂：断裂前有明显塑性变形,韧度（toughness）,材料在断裂前的变形中吸收能量的能力,脆性断裂断裂前没有明显的塑性变形,脆性断裂与韧性断裂,脆性断裂与韧性断裂,脆性断裂发生突然。 韧性断裂从启裂到失稳扩展有一段进程。 低温、截面积增大、裂纹长度增大等会增大脆性断裂的可能性。,大塑性破坏：破坏前颈缩至一根线那么细。,裂纹的扩展,静止的裂纹 亚临界裂纹扩展，卸载后裂纹扩展停止 失稳扩展，100m/s

5、，立即卸载也不一定停止,线弹性断裂力学与弹塑性断裂力学,根据裂纹裂端区的弹塑性情况可分为： 1 线弹性断裂力学 linear elastic fracture mechanics（LEFM) 2 弹塑性断裂力学 elastic plastic fracture mechanics (EPFM),了解了这些断裂实例和基本概念后，我们知道，压力容器以及其他机械构件存在着大量的非常规设计所“描述”的 所限制的整体失效方式。压力容器失效评定的理论和方法正是在探讨这些“意外”失效的机理和防治方法的过程中发展起来的。,1.3 本课程有关内容对经济社会的意义,本节内容： 使“安全性和经济性问题”达到更高层次

6、的一致。 可以对经济社会带来更大的经济效益。,1 使“安全性和经济性问题”达到更高层次 的一致,实践证明，理想的、无缺陷的（设计时所理想）状态是没有的。实际工程中总是存在着缺陷，但这些缺陷对压力容器安全性的影响究竟有多大是需要评定的。这种评定使我们可以在更经济的条件下保证压力容器的安全使用。,2 可以对经济社会带来更大的经济效益,因为压力容器价格昂贵，安装要求严格，体积较大，正确评定缺陷的影响，确定合理的检修、更换方案，无疑会带来巨大的效益 因很多设备用于长周期运转，正确评价缺陷的作用将会带来相关的经济效益。,1.4 结构安全评定的过程、方法及发展趋势,评定过程： 无损检测，确定缺陷 应力分析，总体应力分析和缺陷部位的应力分析 确定力