说说断裂力学材料美国纽约

人类历史上任何一门学科的发展大多都和当时的社会环境密不可分,社会矛盾的发展往往会产生某些科技成果,反过来,某些新型科技成果也可以为我们勾画出新型的社会关系。断裂力学的起源和发展也反映了这样的过程。

二次世界大战期间,由于战争的需要,促使高科技的舰艇、攻坚武器、高速飞机的发展;战争结束后,一些高科技的军用技术转民用,世界迎来了历史上科技快速发展的新时期。然后在这一过程中,工程构件的断裂事故给人类带来了惨痛的教训。

后来调查研究表明,由于“彗星”使用了增压座舱,对客舱加压的结构设计经验不足,长时间飞行在窗户尖角处,引发了疲劳裂纹扩展,成为“彗星”号客机事故的主要原因。据统计,历史上哈兰公司制造的114架“彗星”号中,曾有13架发生重大事故。

图1 “彗星号”飞机调查结果显示:模拟相当于3000次飞行后,顶部前ADF窗口开裂导致压力舱失效

大多数断裂事故是在毫无征兆的情况下发生的,破坏载荷远小于其强度极限。1969年,美国俄亥俄河上的一座大桥突然断裂,造成死亡46人伤9人的严重后果,当时载荷仅为设计载荷的40%。断裂事故防不胜防,甚至某些经过严格检验的国防尖端产品的断裂事故也时有发生。

1950年,美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在实验时发生爆炸。1965年美国著名的260SL-1固体火箭发动机压力壳在水压实验时发生脆断,断裂时应力为657MPa,而所用材料的屈服极限为1716.23MPa,仅为屈服极限的38%。

据统计,美国在二次世界大战期间,有4694艘全焊接“自由轮”中有近1000艘发生断裂破坏,100多个损坏处都是焊接缺陷等应力集中的地方,且在气温降到-3℃和水温降到-4℃时发生断裂。1977年,美国火车铁轨断裂事故发生800多起,损失超过60多亿美元。

图2 第二次世界大战期间美国海事委员会T2-SE-A1油轮发生断裂

1983年,美国巴特尔研究所受美国商务部的委托进行调查研究,结果表明:美国工业由于材料失效(包括断裂、疲劳、腐蚀等),每年耗损1190亿美元,其中29%的损失(即345亿美元)可利用现代技术予以避免,如计入目前正在进行的防止失效的研究成果,还可再避免24%的损失。两项共达630亿美元。

据美国和欧共体的权威专业机构统计:世界上由于机件、构件及电子元件的断裂、疲劳、腐蚀、磨损破坏造成的经济损失高达各国国民生产总值的6~8%。据我国劳动部统计,我国在20世纪80年代发生的锅炉和压力容器的爆炸事故约五千起,人员累计伤亡近万人,居国内劳动安全事故的第二位。

针对于材料的断裂,文艺复兴时期意大利科学家达芬奇因其大量的绘画作品需要悬挂让人欣赏,其对悬挂材料的断裂特性产生了兴趣,达芬奇比较了同直径的长铁丝和短铁丝的断裂强度,结果表明长铁丝要比短铁丝更容易被拉断。

图3 达芬奇(1452-1519)

近代力学的奠基人-意大利的另一位科学家伽利略通过在直杆下端悬挂重物的办法研究直杆的断裂强度,结果发现杆件的断裂与长度无关,而与杆件的横截面积成正比。在现在看来,达芬奇与伽利略相似的实验得出的不同结论其实揭示了材料断裂的两种不同的理论。

图4 伽利略(1564-1642)

事实上,伽利略侧重于材料强度,反映的是材料在单位面积上的极限承载能力。如从低碳钢拉伸试验中,很容易发现,当材料拉伸应力达到它的强度极限

时材料发生断裂,因此,传统强度设计依据为:

为了安全通常会加一个安全系数,上述公式变为:

然而,在材料中若存在缺陷时,会在缺陷附近形成应力集中,并且集中程度与缺陷形状相关,对于一些尖裂纹缺陷,其应力集中会达到远端应力的几百甚至上千倍。在达芬奇的铁丝实验中,正是由于在铁丝加工过程中形成了裂纹,而裂纹尖端的应力集中大大降低了材料的承载能力,同时由于长铁丝中含有缺陷的概率远大于短铁丝,因此,达芬奇观察到长铁丝比短铁丝更容易发生断裂。

传统的设计思想把材料视为无缺陷的均有连续体,而在实际工程材料在制作过程中往往都会在冶金夹杂、加工和装配、疲劳载荷、以及工作环境腐蚀下形成材料的原始缺陷。对于大多数结构和零件而言,宏观裂纹的存在时难以避免的,而这种带裂纹材料的强度,则取决于材料对裂纹扩展的抵抗力。

基于这种考虑,有必要在结构设计之初,先研究材料中可能存在的裂纹或缺陷,在考虑缺陷的情况下进行结构设计,便是断裂力学的设计思路。总的来讲,断裂力学是研究裂纹构件断裂强度的一门学科,主要讨论含裂纹构件的裂纹平衡、稳定扩展和失稳扩展规律;以及带裂纹构件的强度;并进行估计结构剩余寿命并研究延长寿命方法。

就构件的断裂,通常可以分为以下几个阶段:裂纹的生成、裂纹的亚临界扩展、裂纹起裂、裂纹扩展、裂纹停止等。断裂一词的含义很广,包括宏观断裂现象和微观结构的破坏机理研究,断裂力学主要从力学角度分析宏观断裂现象,包括宏观裂纹的生成、扩展、失稳开裂、传播和止裂问题。

微观结构的破坏机理属于断裂物理学研究范围,不过,将宏观断裂现象应该和微观断裂过程联合起来,更容易理解材料断裂机理,目前宏观断裂力学和微观断裂的界限也越来越不明显。

断裂力学的任务在于以下几个方面:1)求得各类材料的断裂韧度;2)确定物体在给定外力作用下是否发生断裂,即建立断裂准则;3)研究载荷作用过程中裂纹扩展规律;4)研究在腐蚀环境和应力同时作用下物体的断裂(即应力腐蚀)问题。

如今,断裂力学已在航空、航天、交通运输、化工、机械、材料、能源等工程领域得到广泛应用。

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0.孙博华院士团队:意大利面条动力断裂的断裂段数问题断成几段呢?针对这一挑战,西安建筑科技大学力学技术研究院孙博华教授团队开展了针对意面断裂的相关研究,给出了预测意面断裂极限曲率公式和预测断裂段数的公式。相关工作于2022年以 ”On the Number of Fractured Segments of Spaghetti Breaking Dynamics“ 发表在期刊《Theoretical & Applied Mechanics Letters》。jvzquC41koz/zjzcv0kew7hp1ktgq8622:543?70jvs
1.极限断裂荷载英文怎么写极限断裂荷载英语怎么说及英文单词in the ultimate 到最后, 终于 ultimate reversion 【法】 最终归属权 ultimate temperature 【化】 极限温度 ultimate user 【计】 最终用户 ultimate analysis n.[化]最后分析,元素分析 ultimate consumer 最后消费者 ultimate depth 最终深度 ultimate destination 最终到达 ultimate pinna 末级羽片 ultimate range 极jvzquC41o0nvlrfpi0ipo8hkmw5xa==686;`/@882;:44:4
2.高强铝板韧性断裂准则参数求解及其成形极限期刊[1]曹秒艳,李建超,苑亚宁,等.基于DEM-FEM的AZ31B板材软模成形极限预测[J].中国有色金属学报.2017,(4).DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.04.001. [2]刘雨桐,袁朝龙,吴任东,等.基于压缩试验法的P91韧性断裂行为研究[J].中国机械工程.2016,(16).DOI:10.3969/j.issn.1004-132X.2016.16.022. jvzquC41f0}bpofpifguc7hqo0io1yjtkqjjejq1|itl|}d42812=528
3.弯曲测试有多种行业标准,主要基于被测样品材料,弯曲测试通常涉及测量样品材料的延展性。弯曲测试可能涉及将样品材料带到特定极限并确定负载测量及其与负载规范的关系(通过/失败)。或者,它可能涉及弯曲材料直到材料经历断裂,并确定启动断裂极限所需的载荷和挠度。 显示三点弯曲强度测试的典型图表: jvzq<84yyy4tv6lh0eun1npygt{kzp156:0qyon
4.汽车用先进高强钢板材断裂性能研究进展检测资讯相比于以GTN 和CDM 为代表的复杂耦合型损伤模型,非耦合型断裂模型的材料参数较少且参数的测定过程较为简单,更适用于工业应用。非耦合型断裂模型的出发点在于认定材料性能和承载过程中载荷对材料造成的损伤之间没有关系,损伤因子通过对等效应变,即对0→断裂极限应变进行积分求得。针对损伤因子的获取,如式(9)所示。 jvzq<84o0ctzvnxvkpm/exr1pg}t1:>648?50qyon
5.工学院韦小丁课题组首次实验证明金属达到理论强度极限追求材料的理论极限强度是人类的永恒目标。理论极限强度,是指材料发生断裂破坏所需机械应力的理论上限值,通常在E/10左右(E为杨氏模量)。从2008年科学家通过实验首次验证单层石墨烯的断裂强度达到理论极限强度值以来,碳纳米管、单晶金刚石、新型二维材料等一系列准脆性材料在极限尺寸下被实验证明可以达到理论极限强度。然jvzquC41pg}t0ypw0gjv0ls1lzqz1l8ghf91ej56e6;2hB8:8d859n73;7h767mvo
6.【科研动态】剪不断、理还乱——论液池中液桥的拉伸右侧两项分别代表初始静态高度和动态断裂长度。断裂长度存在无重力极限和静态极限,且具有一无重力拉伸区间,其拉伸相图如下。 机理分析 一个典型的拉伸过程如图所示,(a)线性坐标轮廓,(b)对数坐标轮廓,(c)轴向速度。 以(b)中的虚线为界,拉伸过程可以分为延性阶段和毛细阶段:在延性阶段中,液桥以相似的模式发展;在毛jvzq<84umnugr7lw0kew7hp1uqm1;5431693:4e4:627j7636=578ucig4ivv
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