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1、第九章 失效一、学习目的一个部件或结构的设计常常要求工程师使失效的可能性降到最小。这样，理解各种失效模式的机制就很重要，即：断裂、疲劳和蠕变。此外，熟悉所应用的合适的设计原理，以防止服役中失效二、本章主要教学内容学习本章后你可以做如下：1. 描述韧性与脆性断裂的裂纹扩展机理。2. 解释脆性材料的强度比理论计算值低很多的原因。3. 以术语来定义断裂韧性（a）简单陈述（b）给出公式，说明公式中所有参数。4. 分辨应力集中系数、断裂韧性、平面应变断裂韧性。5. 简单解释为何相同陶瓷材料的同样试样的断裂强度通常会显著分散。6. 简单描述陶器出现细微裂纹的现象。7. 给出名称并描述两种冲击断裂实验技术。
2、8. 定义疲劳并特殊说明产生条件。9. 从某种材料的疲劳图上确定：(a)疲劳寿命（在特定应力值下）；(b)疲劳强度（在给定循环次数条件下）。10. 定义蠕变，详细说明其产生条件。11. 给出某种材料的蠕变图，判定(a)稳态蠕变率，(b)断裂寿命。1. 重要名词、概念和基本定律（中英文对照）Ductile fracture. A mode of fracture that is attended by extensive gross plastic deformation.延性/韧性断裂：一种伴随大量塑性变形的断裂方式。Brittle fracture. Fracture that occurs
3、 by rapid crack propagation and without appreciable macroscopic deformation.脆性断裂：通过快速裂纹扩展发生断裂，没有明显的宏观变形。Transgranular fracture. Fracture of polycrystalline materials by crack propagation through the grains.穿晶断裂：多晶材料裂纹穿过晶粒扩展而断裂。Intergranular fracture. Fracture of polycrystalline materials by crack pr
4、opagation along grain boundaries.沿晶断裂：多晶材料裂纹沿着晶界扩展而断裂。Fracture mechanics. A technique of fracture analysis used to determine the stress level at which preexisting cracks of known size will propagate, leading to fracture.断裂力学：一门断裂分析技术，用于确定已知尺寸的预先存在裂纹扩展并导致断裂的应力水平。Stress raiser. A small flaw (internal
5、or surface) or a structural discontinuity at which an applied tensile stress will be amplified and from which cracks may propagate.应力集中：一个小裂缝（内部或表面的）或者是结构不连续，在该处施加的拉伸应力将被放大，裂纹会扩展。Fracture toughness (Kc). Critical value of the stress intensity factor for which crack extension occurs.断裂韧度(Kc)：发生裂纹扩展时应
6、力强度因子的临界值。Plane strain. The condition, important in fracture mechanical analyses, wherein, for tensile loading, there is zero strain in a direction perpendicular to both the stress axis and the direction of crack propagation; this condition is found in thick plates, and the zero-strain direction is
7、perpendicular to the plate surface.平面应变：在断裂力学中重要的条件，对于拉伸载荷，在垂直于应力轴和裂纹扩展的方向上均为零应变。该条件存在于厚板，零应变方向垂直于板面。厚度方向无应变，可以有应力。Plane strain fracture toughness (KIc). The critical value of the stress intensity factor (i.e., at which crack propagation occurs) for the condition of plane strain.平面应变断裂韧性(KIc)：平面应变条件
8、下应力强度因子的临界值（即达到该值时裂纹发生扩展）。Charpy test. One of two tests (see also Izod test) that may be used to measure the impact energy or notch toughness of a standard notched specimen. An impact blow is imparted to the specimen by means of a weighted pendulum.却贝/摆锤式单梁冲击实验：两种用于测量标准缺口试件冲击功或缺口韧性实验的一种（另一种见Izod tes
9、t）。通过重摆锤给试件施加冲击。Izod test. One of two tests (see also Charpy test) that may be used to measure the impact energy of a standard notched specimen. An impact blow is imparted to the specimen by a weighted pendulum.悬臂梁式冲击实验：两种用于测量标准缺口试件冲击功实验的一种（另一种见Charpy test）。通过重摆锤给试件施加冲击。Impact energy (notch toughnes
10、s). A measure of the energy absorbed during the fracture of a specimen of standard dimensions and geometry when subjected to very rapid (impact) loading. Charpy and Izod impact tests are used to measure this parameter, which is important in assessing the ductile-to- brittle transition behavior of a
11、material.冲击功（缺口韧性）：标准尺寸及形状的试件受到快速冲击载荷时，断裂过程中所吸收能量的度量。采用摆锤式或悬臂梁式冲击实验来测量该参数。在评定材料的塑性-脆性转变行为方面很重要。Ductile-to-brittle transition. The transition from ductile to brittle behavior with a decrease in temperature exhibited by BCC alloys; the temperature range over which the transition occurs is determined b
12、y Charpy and Izod impact tests.延性-脆性转变：体心立方合金随着温度的降低表现出从延性到脆性行为的转变。该转变发生的温度范围可以通过摆锤式或悬臂梁式冲击实验来确定。Fatigue limit. For fatigue, the maximum stress amplitude level below which a material can endure an essentially infinite number of stress cycles and not fail.疲劳极限：对疲劳而言，最大应力幅值水平，低于该值材料可以承受无限次应力循环而不失效。Fat
13、igue strength. The maximum stress level that a material can sustain, without failing, for some specified number of cycles.疲劳强度：对应某一特定循环次数，材料能承受而不失效的最大应力水平。Case hardening. Hardening of the outer surface (or case) of a steel component by a carburizing or nitriding process; used to improve wear and fat
14、igue resistance.表面硬化：通过渗碳或渗氮方法使钢件的外表面或“表面”硬化，用于改善耐磨性和抗疲劳性。Creep. The time-dependent permanent deformation that occurs under stress; for most materials it is important only at elevated temperatures. 蠕变：承受应力时依赖于时间发生的永久性变形，对大多数材料而言只在高温下重要。Corrosion fatigue. A type of failure that results from the simul
15、taneous action of a cyclic stress and chemical attack.腐蚀疲劳：由循环应力和化学腐蚀同时作用导致的一类失效。Fatigue. Failure, at relatively low stress levels, of structures that are subjected to fluctuating and cyclic stresses.疲劳：在相对低的应力水平下，承受交变和循环应力结构的失效。Fatigue life (Nf ). The total number of stress cycles that will cause a
16、 fatigue failure at some specified stress amplitude.疲劳寿命(Nf )：在某一指定应力幅值下，引起疲劳失效的应力循环总数。 Stress intensity factor (K). A factor used in fracture mechanics to specify the stress intensity at the tip of a crack.应力强度因子(K)：断裂力学中使用的一个因子，说明裂纹尖端处的应力强度。Thermal fatigue. A type of fatigue failure wherein the cy
17、clic stresses are introduced by fluctuating thermal stresses.热疲劳：一种疲劳失效类型，循环应力是由于交变热应力引起的。2. 主要例题、习题的分析解答指导举例9.1较大块玻璃承受40 MPa拉力，如果其比表面能和弹性模量为0.3 J/m2 和 69 GPa，求不产生断裂的最大表面裂纹长度。解答：解此题必须用公式9.3，把a作为应变量重组表达式，已知：= 40 MPa, s = 0.3 J/m2, E = 69 GPa ，代入得：设计举例9.1考虑半径为r厚度为t可以用作压力容器的薄壁球罐(图9.5)。（a）设计球罐要求在由于形成临界尺
18、寸裂纹并随后快速扩展之前球壁材料屈服，这样，球壁的塑性变形可以观察到，球罐内的压力可以在灾难性失效发生前释放掉。显然，希望材料具有大的临界裂纹长度，以这一准则为基础，把金属合金按类别列表见附录B表B.5，临界裂纹尺寸从最长到最短。（b）也常应用于压力容器的选择性设计术语为“破坏前泄露”。利用断裂机制原理，在裂纹快速扩展发生之前，允许裂纹生长穿过整个容器壁厚度。这样，裂纹将完全穿透容器壁，不会出现灾难性失效，允许通过带压液体泄露进行检测。用这个准则，临界裂纹长度ac（即内部裂纹长度的一半）可以取值为 压力容器的壁厚t。允许ac = t 而非 ac = t/2，保证在危险的高压力积累之前发生液体泄
19、露。使用这一准则，将金属合金按类别列表见附录B表B.5，以及最大许用压力。对于这种球形压力容器，根据下式圆周应力是容器内压力p、半径r和壁厚t的函数 (9.15)对(a) 和 (b) 均假定为平面应变条件。解答(a) 对第一条设计准则，希望圆周应力小于材料的屈服强度。以y代公式9.11中的，把安全因子N合并得： (9.16)这里，ac为临界裂纹长度，解出ac得到下式： (9.17)因此，临界裂纹长度与KIc-y比值的平方呈正比。基于表B.5金属的分类，给出了表9.2，可见，中碳钢（1040）具有最大的比值和最长的临界裂纹长度，因此，根据这一准则，为最合适的材料。(b) 如前所述，破坏前泄露准则
20、只是当内部裂纹长度的一半等于压力容器壁厚时才会碰到，即a = t. 将 a = t 带入公式9.11得： (9.18)由公式9.15得 (9.19)用屈服强度代替应力，由于容器要设计成容许压力而不屈服，因此，将公式9.19 带入 9.18，整理后得到下式： (9.20)因此，对给定半径为r的球罐，与破坏前泄露准则一致的最大许用压力与K2Ic/ y成正比。根据这一比值将相同的一些材料列于表9.3，如表所注，中碳钢允许压力最大。在表B.5列出的11种金属合金中，根据屈服和破坏前泄露两个准则，中碳钢均排在第一位。因此，当不必考虑高温和腐蚀时很多压力容器都是用中碳钢制造的。9.7 The tensil
21、e strength of brittle materials may be determined using a variation of Equation 9.1b. Compute the critical crack tip radius for an Al2O3 specimen that experiences tensile fracture at an applied stress of 275 MPa (40,000 psi). Assume a critical surface crack length of 2 10-3 mm and a theoretical frac
22、ture strength of E/10, where E is the modulus of elasticity.脆性材料的抗拉强度可以从式9.1b变形得到。计算Al2O3试样受到275 MPa应力拉伸断裂的临界裂纹尖端半径。假设临界表面裂纹长度为2 10-3 mm，理论断裂强度为E/10，E为弹性模量。解：由公式(9.1b) ，当m达到材料的断裂强度时将断裂，由给定的m=E/10，则或解出t由表7.1知，Al2O3的E = 393 GPa，解得9.8 If the specific surface energy for soda-lime glass is 0.30 J/m2, usi
23、ng data contained in Table 7.1, compute the critical stress required for the propagation of a surface crack of length 0.05 mm.9.8钠钙玻璃的比表面能为0.30 J/m2，使用表7.1的数据，计算长度为0.05 mm表面裂纹扩展所需要的临界应力。解：采用式(9.3)求解，由表7.1得其弹性模量为69GPa，得到：9.12* A portion of a tensile specimen is shown as follows: (a) Compute the magni
24、tude of the stress at point P when the externally applied stress is 100 MPa (14,500 psi).(b) How much will the radius of curvature at point P have to be increased to reduce this stress by 20%?9.12*如图所示为拉伸试件的一部分：(a) 当外加应力为100 MPa时，计算点P处的应力幅值。(b) 点P处的曲率半径增加多少应力才能减少20%?解：本题涉及拉伸试件，给出了图。(a) 需要计算外加应力为100
25、MPa时，计算点P处的应力幅值。可以参考图9.8c。由试件尺寸得w/h = (25 mm)/(20 mm) = 1.25;此外，r/h比值为(3 mm)/(20 mm) = 0.15，用图9.8c w/h= 1.25的曲线，r/h= 0.15时 Kt 值为1.7，由于，所以9.15* For each of the metal alloys listed in Table 9.1, compute the minimum component thickness for which the condition of plane strain is valid. 对表9.1列出的每种金属合金，计算
26、平面应变条件下铝件的厚度。9.15* 此题要求我们确定B值，由公式(9.12)可以求得平面应变条件下的工件最小厚度。对于2024-T3铝合金对于260回火的4340合金钢9.D1* Consider a flat plate of width 90 mm (3.5 in.) that contains a centrally positioned, through-thickness crack (Figure 9.12) of length (i.e., 2a) 20 mm (0.8 in.). Determine the minimum plane strain fracture toug
27、hness necessary to ensure that fracture will not occur for a design stress of 375 MPa (54,400 psi). The ratio is in radians.设计题目1：考虑宽度为90 mm的平板，在中心位置有一穿透裂纹（见图9.12），长度20 mm，当设计应力为375 MPa时，确定不断裂时其最小平面应变断裂韧度。比值为弧度。9.D1* 这个问题要求我们计算确定不断裂时其最小平面应变断裂韧度Klc的表达式。首先我们必须由公式(9.10)计算Y(a/W)现在使用公式(9.11)Klc9.D16*Cons
28、ider an 18-8 Mo stainless steel component (Figure 9.47) that is exposed to a temperature of 500 (773 K). What is the maximum allowable stress level for a rupture lifetime of 5 years? 20 years?考虑18-8 Mo不锈钢（见图9.47），工作温度500，求其5年及20年的断裂最大许用应力。9.D16* 此题要求计算18-8 Mo不锈钢工作温度500断裂寿命为5年及20年的应力水平。首先必须使用给定的温度和时间
29、计算Larson-Miller参数，对应于5年和20年的tr值分别为4.38 104 h 和 1.75 105 h，因此5年的寿命为对于tr = 20年应用图9.47的曲线，对应于5年和20年的应力值分别为260 MPa (37,500 psi)和 225 MPa (32,600 psi)。3. 相关历史背景资料和国内外现状（包括科学、工程应用实际范例）结构构件的动态断裂及其引发的后续破坏是对重大工程结构安全最具威胁性的失效形式，往往由此出现一场灾难性的事故。以连续介质力学为基础研究动态断裂问题形成了“动态断裂力学-Dynamic Fracture Mechanics或称断裂动力学-Fract
30、ure Dynamics”。它包含了载荷或裂纹尺寸迅速变化的所有断裂力学问题，而不管惯性力的大小。一切涉及裂纹快速起裂、扩展和/或止裂与时间有关的边值问题都属断裂动力学研究的范畴。断裂：构件在力（机械力、热、磁）及环境（腐蚀介质）单独或联合作用下，本身连续性产生局部或整体的破坏，称之为断裂。一般，断裂是由裂纹扩展引起的。裂纹种类：穿透裂纹、表面裂纹和埋藏裂纹。裂纹扩展形式：由于外力的不同可以分为3种基本形式：1）张开型（型）-垂直于裂纹表面的拉应力的作用，使裂纹张开而扩展；2）滑开型（型）-平行裂纹面而垂直于裂纹前缘的剪应力的作用，使裂纹滑开而扩展；3）撕开型（型）-平行于裂纹前缘的剪应力的作
31、用，使裂纹撕开而扩展。这三者中，以型最常见，也最危险，易引起低应力脆断。1）脆性断裂特征 断裂前几乎不产生明显的塑性变形的断裂，称为脆性断裂。具有低应力脆断特征，断口平齐光亮，与拉应力方向垂直。断口附近截面收缩很小，一般不超过3%，断口常有人字形放射花样。2）韧性断裂特征 金属在断裂前和断裂过程中发生显著的塑性变形，称为韧性断裂。主要特征是：破坏应力大于强度极限，即cb；断口不光亮，断口上常呈现暗灰色纤维状小凸凹。脆断和韧断的断口特征断裂形式宏观断口特征微观断口特征断裂机制脆断断口平齐无拉边，整个断口由无数闪闪发亮的小平面组成存在河流花样，解理舌，解理台阶解理断裂韧断断口呈灰色纤维状断口有大小
32、、深浅不同的凹坑韧窝韧窝断裂影响脆断和韧断的因素：材质-高强钢比中、低强钢易脆断；有无缺口及裂纹缺口及裂纹试样均为脆断；温度影响-存在冷脆转变温度，即断口形貌转变温度FATT（Fracture Appearance Transition Temperature）；构件尺寸大截面尺寸构件在有小裂纹时易脆断；加载速率高易脆断；环境在腐蚀介质（如海水、硫化氢等）中易脆断。断裂力学的任务就是测算一个给定尺寸的缺陷在服役载荷下是否会以灾难性的方式扩展，从而确定结构对于断裂失效的安全裕度。阻止裂纹快速扩张的性能就是该材料的断裂韧性，可通过对含有已知长度的尖锐裂纹试样的加载直至断裂的办法测得。止裂理论在核电
33、系统中的应用：自从前苏联切尔诺贝利核电站的灾难性事故之后，和平利用核能的安全性已经成为当今世界人类安全最为关注的问题。反应堆压力容器和辅助管道的断裂是最大的潜在危险之一。在加压水冷却反应堆（PWR）电站最可能发生的冷却剂流失故障（LOCA）中反应堆压力容器断裂的可能性。由于应力腐蚀造成管道系统破裂则是引起这种LOCA故障最可能的原因。已有许多应力腐蚀开裂事故，尤其是较小直径的不锈钢管的开裂事故的报道。研究表明，如果出现LOCA事故又具备下述三个条件就会发生核压力容器的灾难性事故：1 由于核辐射以及在容器焊接处有较高的铜和镍含量而引起无延性转变温度（NDT）上移很大；2 容器内表面存在初始缺陷；
34、3 在容器内侧表面喷溅冷水引起急剧过冷转变。潜在的危险在于，随着运行年代的增长，中子辐射程度也会很快达到危险点，对于那些采用有焊接工艺的核电站更是如此。在大多数情况下最值得重视的是，管道内壁焊接热影响区中产生的表面裂纹。在焊接引起的残余应力作用下，这些裂纹沿径向和周向扩展，其尺寸有时可达相当大而占管壁面积很大的比例数。在分析带裂纹的核电管道问题时，最引起人们兴趣的是把“破裂前渗漏”这一概念作为失效模型的考虑。这个概念假设了这样一种失效条件，即管壁内表面裂纹在失效事故中扩展成为穿透壁厚的裂纹，引起管内盛装液体以有限速度外泄，而外泄的液体能被迅速检测出来，从而使系统停止运转以避免严重事故发生。如果
35、这个穿透壁厚的裂纹不再扩展（止裂），这个概念将建立一个有用的失效模式。进一步的工作则是建立渗漏检测系统。常规的工程设计基本点是：避免因全面屈服而导致的失效。在设计标准中规定的性能是材料的流变应力：通常取屈服应力或0.2%屈服应力（即条件屈服应力0.2），但在早期的设计标准中也偶尔用抗拉强度。设计应力是用计算得出的引起破坏的作用应力除以一个安全系数。典型的安全系数为：锻钢1.5，铸钢4，起重钢丝绳5-10，目的是考虑设备在安装、制造或服役过程中可能出现的附加应力会使作用应力升高而引起塑性塌陷和失效。但安全系数并未考虑其他失效形式的可能性，例如脆性断裂或快速断裂。过去认为，选用较高的安全系数就能避
36、免这种类型的低应力断裂。经验证明并非如此，材料中存在缺陷或裂纹的构件或结构，在应力值远低于设计应力的情况下就会发生全面失效，例子很多。在脆性断裂中，必定存在应力集中，因为驱动断裂机制所要求的塑性应变只能在局部区域发展，而不会引起全面屈服破坏。在服役中，重要的应力集中产生于“裂纹型缺陷”，特别是那些位于易产生高应力区域，诸如角焊缝、键槽、喷嘴口或舱口附近。典型的裂纹型缺陷例子有：焊缝或铸件中的凝固裂纹；热影响区的氢致裂纹；轧制板材中夹杂物附近的层状撕裂；因疲劳或应力腐蚀机制所产生的亚临界扩展的裂纹。通常用超声波检测或其他无损检测（NDT）技术可以检测这些缺陷并能确定其在有关区域内最大尺寸。构件在交变应力作用下，当应力超过一定限度时，在应力最大处产生细致的疲劳裂纹。裂纹顶端由于应力集中，随应力循环次数增加而扩展。随着裂纹的扩展，构件截面被逐渐削弱直至突然断裂。疲劳断裂的主要特征是：1）破坏应力低；2）存在持久极限；3）宏观断口上一般可见明显的光滑区及晶粒状粗糙区。