疲劳破坏机理

疲劳破坏机理

1、定义

材料或构件受到多次重复变化的载荷作用后，即使最大的重复交变应力低于材料的屈服极限，经过一段时间的工作后，最后也会导致破坏，材料或结构的这种破坏就叫做疲劳破坏。

材料科学揭示，由于制造过程中存在不可避免的缺陷，材料中的微裂纹总是存在的，特别是在焊缝处。这些微裂纹在交变应力作用下扩展和聚合，形成宏观裂纹，宏观裂纹的进一步扩展导致最后的破坏。疲劳破坏的微观过程是个极其复杂的过程，在宏观上一般来说可分为三个阶段:裂纹的萌生、裂纹的稳定扩展及裂纹的失稳扩展问。

2、疲劳裂纹萌生机理

金属材料如果含有缺陷，夹杂物，切口或者其它应力集中源，疲劳裂纹就可能起源于这些地方。通常将疲劳裂纹的萌生过程称为疲劳裂纹成核。如果金属材料没有上述各种应力集中源，则裂纹成核往往在构件表面。因为构件表面应力水平一般比较高，且难免有加工痕迹影响;同时表面区域处于平面应力状态，有利于塑性滑移的进行。构件在循环载荷作用下经过一定次数应力循环之后，先在部分晶粒的局部出现短而细的滑移线，并呈现相继错动的滑移台阶，又由于往复滑移在表面上形成缺口或突起而产生应力集中。随着循环次数增加，在原滑移线时近又会出现新滑移线逐渐形成较宽的滑移带，进一步增加

应力循环次数，滑移带尺寸及数量均明显增加，疲劳裂纹就在这此滑移量大的滑移中产生。这些滑移带称为驻留滑移带，标志裂纹在表面形成。在大量滑移带中，由于原滑移所引起在表面有挤出和侵入槽的出现。从而在表面下留下相应的空洞成为裂纹源。随着循环次数提高和应力集中的加剧，会使空洞扩连形成新的较大空洞。

3、疲劳裂纹扩展机理

疲劳裂纹在表面处成核，是由最大剪应力控制的，这些微裂纹在最大剪应力方向上。在单轴加载条件下，微裂纹与加载方向大致呈45度方向。在循环载荷的继续作用下，这些微裂纹进一步扩展或互相连接。其中大多数微裂纹很快就停止扩展，只有少数几条微裂纹能达到几十微米的长度。此后逐渐偏离原来的方向，形成一条主裂纹而趋向于转变到垂直于加载方向的平面(最大拉应力面)内扩展。裂纹由滑移面向最大拉应力面的转变称为裂纹从第一阶段扩展向第二阶段扩展的转变。随着循环拉应力的增大，裂尖材料由于高度的应力集中而发生塑性屈服，材料沿最大剪应力方向产生塑性滑移。循环拉应力进一步增大，滑移区扩大使裂尖钝化而呈半圆形，此时裂纹尖端己向前移动。此后进入卸载循环。在循环加载时，由于滑移，在裂尖形成一个塑性区，塑性区外的材料只有弹性变形。卸载后弹性变形要恢复，而裂尖已发生塑性变形的材料却不能协调地收缩，故形成了压缩应力作用在塑性区上。在裂尖处这种压应力值可以很大，甚至能够超过屈服极限而使裂尖材料发生反向塑性变形，滑移反向，裂纹上下表面间

距离缩小。但是，加载时裂尖塑性钝化形成的新的裂纹面却不能消失，它将在压应力的作用下屈曲失稳，而在裂尖形成双凹槽形。最后在循环最大压应力作用下又形成了一个裂纹尖，但长度已经增加了。下一个循环开始，裂纹又张开钝化扩展锐化，重复上述过程。这样断口裂纹面上就留下了一条痕迹，即为疲劳条纹。

4、疲劳裂纹的失稳扩展

疲劳裂纹扩展到某临界长度时，将发生失稳扩展而导致迅速断裂。这一阶段是构件寿命的最后阶段。失稳扩展由材料韧性，裂纹尺寸和应力水平等因素综合决定。失稳扩展到断裂这一短暂过程对于寿命的贡献是可以忽略的。

4.1疲劳破坏与静力破坏的本质区别

(1)疲劳破坏是多次重复载荷作用下产生的破坏，它是较长期的交变应力作用的结果。疲劳破坏往往要经历一定时间，这与静载下的一次破坏不同。

(2)疲劳破坏通常没有宏观显著塑性变形的迹象，即使在静载下表现为韧性的材料，在交变应力作用下，也表现为无明显塑性变形的断裂，与脆性破坏很类似，但前者需要经过一段较长的列为亚临界扩展时间，而后者则高速扩展而突然导致破坏。

(3)疲劳破坏的断口上，总是呈现两个区域:一部分是暗淡光滑区，也即疲劳裂纹发生和扩展区;另一部分是光亮晶粒状区，也即快速断裂区。在交变荷重作用下，整个疲劳破坏过程，是以构件存在的缺陷

处开始的，对光滑无缺口试样，则由于滑移产生微小裂纹，裂纹起点叫疲劳源。由于反复的变形，裂纹逐渐扩展，扩展过程中开裂的两个面时而挤紧，时而松离，这样反复摩擦产生了光滑区。随着裂纹的扩大，剖面削弱越来越厉害，直到材料或构件静强度不足时，即在某载荷作用下，突然断裂，这种突然性的破坏常常使材料的断面呈晶粒状。在疲劳裂纹的发生、扩展区，往往可借助电子显微镜看到明暗交替相平行的疲劳条痕，条痕的出现是判断疲劳破坏的重要依据。

(4)就疲劳破坏来说，材料组成、构件的形状、尺寸、表面状态、使用环境等因素都是非常敏感的，因此，对同一种材料，同一种试验条件下得到的数据具有相当的分散性，即疲劳抗力具有统计性质。4.2影响疲劳强度的因素

疲劳破坏总是出现在应力集中的地方。引起应力集中的原因可分为两类:(1)母材上的开孔或边缘处;(2)焊接部位。对于前者可直接应用前面介绍的方法进行疲劳强度分析。但焊接部位的疲劳强度还与其它许多因素有关。

4.2.1定常幅值S一N曲线的问题

在疲劳寿命估算中需要用到S一N曲线。从理论上来说，这些S 一N曲线应该在相同的载荷谱上进行测量。但在实际上，所有的S 一N曲线都是在定常应力幅值范围下测量的，而且是用小试件模型测得的。在这一方面目前还存在如下几个问题:

(1)小试件替代大结构的合理性还没有充分的依据;

(2)试验结果大都集中在N<107范围，而实际应用中有很多处于

N>1了，外推会造成多大的误差;

(3)定常幅值范围的疲劳试验在10“

(4)过去对疲劳数据的统计描述都采用常方差的对数正态分布形式。但最近有些数据显示，方差随应力的减少而增加。

4.2.2随机载荷下的问题

随机载荷下的疲劳损伤计算通常基于下列两个假设:①Palmgrne 一Mincr准则;②循环识别方法。最有效的循环识别法是“雨流计数法”扭ainflowCuontnigMhetdo)。在这方面存在的问题有:

(1)“雨流计数法”需要模拟随机载荷的整个时间历程，费时太多，如何建立一个简单的方法又能够反映非正态性和带宽的影响是目前的当务之急;

(2)如何处理定常幅值试验中的疲劳门槛值;

(3)周期性过载(Periodicoverload)对累积损伤的影响;

(4)现在一般都假定船舶结构由波浪引起的疲劳应力幅值范围的长期分别服从二参数的W七ibull分布。这一假定隐含了稳态随机过程。最近日本的一份研究资料对此提出了质疑，他们认为长期分布可以用W七lbull分布描述，但时间历程是非稳态的。他们提出了一种新的随机载荷模型(称为风暴模型)用于疲劳强度分析闭，这一研究引起了重视。

4.2.3平均应力的影响

由于历史和现实的原因，人们一直认为应力幅值范围对疲劳累积损伤起主导作用，而平均应力是次要的，甚至可以忽略。但现在许多疲劳专家已意识到平均应力对累积损伤也有相当大的影响。正确的处理方法必须要考虑平均应力的影响。实验证明，平均应力增加时，对于一定循环次数下产生破坏的应力范围要减小，也就是说在非对称循环的交变应力下，如果要求的循环次数一定，增加平均应力结果将导致能承受的交变应力范围的下降。为了考虑平均应力对疲劳寿命的影响，可把非对称循环时的交变应力转换成相当于对称循环时产生相同疲劳破坏的交变应力，该应力称为当量交变应力。但对于平均应力的修正公式目前还没有达成共识。

4.2.4残余应力的影响

在焊接处的残余应力通常很高，可能己经达到屈服强度。过去一直将残余应力当作平均应力来看待。但现在人们都知道，残余应力在载荷循环过程中是逐步衰减的。因此，残余应力对累积损伤的贡献远比以前的分析结果要小。另外，有些残余应力对疲劳强度有增强的效果。这些问题目前还在研究之中。

4.2.5环境的影响

构件在腐蚀介质中(淡水、海水……)工作时，介质的腐蚀作用在构件表面产生腐蚀坑，形成缺口和应力集中。当腐蚀坑足够尖锐时就造成高度应力集中从而产生裂纹。钢的强度越大，腐蚀对疲劳强度影响也愈大。

4.2.6.制造工艺的影响

设计不当，制造工艺不完善等往往引起疲劳裂纹。疲劳裂纹通常起源于应力集中部位，它是构件几何形状不连续而引起的。任何构件在形状设计，加工中都存在其种程度不连续性，因而造成局部应力集中。构件加工过程中形成的表面粗糙度，刻槽等缺陷;在构件内部的缺陷，特别是材料中的夹杂物漪化物、氧化物)等，都是应力集中和疲劳裂纹的萌生地。夹杂物分布形成一定方向的流线，随钢的强度的提高，其影响也就越明显，还常在流线露头处引发疲劳裂纹。

4.2.7尺度效应

构件尺寸增大时，受交变应力作用，受到损伤的区域大，碰到缺陷多，形成疲劳裂纹源的几率也大，所以大尺寸疲劳极限应随之降低。

钢结构的质量事故处理报告

关于**刚结构工程质量事故的调查处理报告 1 工程质量事故情况(时间、地点、工程部位、施工单位、责任人员等)。 1、由我单位（中建八局）加工制作的**钢构工程钢构件部位,自2010年9月开工以来多次出现质量问题，甲方及业主提出的问题也没得到及时彻底整改，尤其是喷砂除锈及涂装质量被甲方业主多次投诉，致使过程中构件不断整修、返修、事态扩大被甲方发联系函要求构件退场返修，影响极坏，造成直接经济损失超过伍万，信誉损失不可估量，已经酿成质量事故。现经公司领导研究，对质量事故调，该工程的项目经理楚克望严重失职 2 质量事故调查的原始资料、测试数据。 统表C02-89 钢结构焊缝超声波检测报告

检测单位:（盖章）批准：审核：检测：年月 日 3 质量事故的原因分析、论证。 结构设计计算错误 现行的钢结构设计方法中，许多门式刚架的中柱都是按照摇摆柱设计的，但实际的连接构造却没有做到铰接，而是一种半刚性连接，这样便会导致中柱顶部承受巨大弯矩而破坏。一些变截面构件的设计不合理，刚度突变太大，在刚度突变处容易产生破坏。同时，对于钢梁与框架柱顶的连接一般设计成刚性连接，但实际工程中却有很多是采用端板连接，这其实也是一种半刚性连接，本身钢梁的截面尺寸不大，刚度较小，对框架柱的约束作用就有限，并且采用端板连接，使得这种约束作用进一步削弱，从而使柱的计算长度与规范的取值相差较大，也就造成了计算上的误差。 钢材选材不当 钢材的选用一般要求满足与之相应的《钢结构设计规范》，而现行《钢结构设计规范》（GB50017- 2003）仅对结构需要进行疲劳验算时钢材的冲击韧性有明确的规定，但并没有对无需疲劳验算、且施工与正常使用阶段温度为负温的钢材有所要求。文献[4]经研究认为：无需疲劳验算的钢材也应该考虑到环境温度的影响，否则容易出现由于钢材的低温冷脆而导致的结构破坏。 钢材的利用率过高 目前，我国轻钢结构的设计是以厂家设计为主，在工程招投标中设计和施工往往一起进行，工程报价又往往是确定招投标结果的重要指标。厂家为了降低报价，提高中标的可能性，尽可能地“挖掘”用钢量。设计人员也往往为了证明自己的“水平”，反复优化，将钢材的力学性能指标用到极至，给工程带来了极大的安全隐患。 4 质量事故的处理依据。 5 钢结构焊接工程

岩石破坏机理及节理裂隙分布尺度效应的非线性动力学分析与应用

第24卷第22期岩石力学与工程学报V ol.24 No.22 2005年11月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov.，2005 岩石破坏机理及节理裂隙分布尺度效应的非线性 动力学分析与应用 刘传孝 (山东科技大学资源与环境工程学院，山东青岛 266510) 博士学位论文摘要：通过MTS系统、扫描电镜和光学电子显微镜等岩石力学实验研究，抽象出砂岩全应力–应变实验曲线的3种典型形态，从断裂损伤角度探讨了岩石节理裂隙微观、细观和宏观破坏的机理联系。提出了圆与正方形相耦合的分形维数计算方法和相空间重构时滞判定的功率谱分析法，将该方法应用于岩石节理裂隙分布尺度效应研究和混沌动力学评价TDS准则的建立；同时，补充了非线性动力学研究的基础理论与方法。运用分形理论分析砂岩跨越尺度界限的微、细、宏观节理裂隙分布特征，得到了砂岩节理裂隙分布的无标度区域，为解决岩石断裂机理的尺度效应问题提供了可行途径。在无标度区域建立了定量描述岩体结构的节理裂隙分布(条数)预测模型，并将该预测模型应用于岩石破坏机理的离散单元法研究。通过岩石力学实验建立了混沌动力学评价岩石节理裂隙系统破坏的TDS准则数学模型，在一定程度上克服了Wolf方法判定混沌动力学指标鲁棒性较差的局限。提出岩石全应力–应变曲线的二分法原则，应用混沌动力学评价TDS准则定性研究了砂岩全应力–应变曲线的分段特征，运用Kolmogorov熵理论实现了岩石节理裂隙贯通与否的定量判别，并尝试应用于岩石强度准则的研究。基于断裂力学理论及能量余法建立坚硬顶板及三维顺层滑坡系统的运动方程，运用混沌动力学评价TDS 准则分析运动方程的稳定性，得到了资源开采活动对坚硬顶板系统稳定性的扰动规律和三维顺层滑坡体阻尼敏感的系统效应。混沌动力学理论与3DEC反演建模相结合，研究坚硬顶板运动的阶段特征，由此可以控制坚硬顶板从冲击性整体运动向周期性分段运动转化，并实现对其运动状态的短时预测。将混沌动力学评价TDS准则应用于现场顺层滑坡的稳定性评价，得到阶段Kolmogorov熵值的升高是滑坡体稳定性状态突变时机及临界状态预测的关键，证明了从能量角度分析与预测滑坡系统运动状态这一方法是可行的。 关键词：岩石力学；破坏机理；节理裂隙；尺度效应；非线性动力学；分形；混沌；3DEC 中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)22–4202–01 ANALYSIS AND APPLICATION OF ROCK DAMAGE MECHANISM AND SCALE EFFECT ON JOINTS DISTRIBUTION WITH NONLINEAR DYNAMICS LIU Chuan-xiao (College of Resources and Environmental Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao266510，China) 收稿日期：2005–09–12 作者简介：刘传孝(1970–)，男，2005年于山东科技大学资源与环境工程学院获工学博士学位，导师为蒋金泉教授，现为副教授，主要从事非线性动力学、计算力学、岩土力学与工程等方面的教学与研究工作。E-mail：lchuanx@https://www.doczj.com/doc/6f1996586.html,。

某滑坡的变形和破坏机理分析研究

某滑坡的变形和破坏机理分析研究 介绍了某滑坡的特征，分析了滑坡区区域工程地质和水文地质特征，对该滑坡体的变形和破坏机理进行了研究和分析。分析表明：人为活动和地形地貌是滑坡发生变形破坏的主要因素，降雨诱发、岩层产状等因素是造成滑坡发生滑动和进一步破坏的诱发因素。 标签：滑坡变形破坏诱发因素 1概述 塔山滑坡位于广东省开平市长沙区平岗村塔山开元塔底。由于建设工程的需要，在塔山的东南侧进行采石，采用放炮等土石法，致使塔山南侧岩石大量开采形成陡崖，并使周边岩土体产生裂缝，之后由于人为因素和自然因素的影响，塔山南侧裂缝逐渐扩大，至90年代，开始形成滑坡。1999～2001年，在修建塔山公园公路时对山体坡脚进行开挖，在公路北侧形成高约10～17m，坡度约35～45°的高陡边坡，滑坡距公路最近的平岗村居民区约22m，山坡坡脚距公路最近仅2m左右。2004年和2005年雨季，由于连降暴雨，滑坡有活动下滑的趋势，滑坡体前缘公路路面隆起，最高处隆起约40cm，隆起部分面积约有20～30m2，公路北侧排水沟产生变形歪斜，部分已经破坏，水沟上方在雨水后有地下水浸出，形成间歇性下降泉，平岗村内部分房屋墙面产生裂痕，进出塔山公园的公路曾数次被塔山山坡上崩塌的土体破坏。 2滑坡变形形态特征 X 根据实地踏勘，除滑坡体后壁出现较大裂缝外，滑坡周界及滑坡体底部也有约13处裂缝，现将裂缝走向一致的裂缝分为一组，共五组裂缝（表1）。 3滑坡体的工程地质与水文地质特征 塔山滑坡滑坡体主要由第四系坡积土层、风化残积土层、侏罗系中上统百足山群、全风化、强风化、少量中风化基岩组成（见图1）。滑坡体中上部为残积土层，主要由粉土、粉质粘性土组成，呈可塑状或松散状，含较多的碎石和砂、砾石，透水性较好；风化残积土层主要由粉质粘性土，含少量碎石和砂砾石组成，局部夹有全风化、强风化岩，其透水性较差；基岩主要为全风化、强风化泥质粉砂岩，含少量强、中风化岩块，其透水性较好；滑床基本处在中—微风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩中，岩石呈中厚层状，岩质坚硬，局部裂隙发育，透水性好。 滑坡区地下水主要为第四系冲积土层、残坡积土层中的孔隙水和基岩裂隙水，地下水补给来源主要为大气降水的渗入补给和相邻含水层之间的侧向补给。

疲劳分析流程 fatigue

摘要：疲劳破坏是结构的主要失效形式，疲劳失效研究在结构安全分析中扮演着举足轻重的角色。因此结构的疲劳强度和疲劳寿命是其强度和可靠性研究的主要内容之一。机车车辆结构的疲劳设计必须服从一定的疲劳机理,并在系统结构的可靠性安全设计中考虑复合的疲劳设计技术的应用。国内的机车车辆主要结构部件的疲劳寿命评估和分析采用复合的疲劳设计技术，国外从疲劳寿命的理论计算和疲劳试验两个方面在疲劳研究和应用领域有很多新发展的理论方法和技术手段。不论国内国外，一批人几十年如一日致力于疲劳的研究，对疲劳问题研究贡献颇多。 关键词：疲劳 UIC标准疲劳载荷 IIW标准 S-N曲线机车车辆 一、国内外轨道车辆的疲劳研究现状 6月30日15时，备受关注的京沪高铁正式开通运营。作为新中国成立以来一次建设里程最长、投资最大、标准最高的高速铁路，京沪高铁贯通“三市四省”，串起京沪“经济走廊”。京沪高铁的开通，不仅乘客可以享受到便捷与实惠，沿线城市也需面对高铁带来的机遇和挑战。在享受这些待遇的同时，专家指出，各省市要想从中分得一杯羹，配套设施建设以及机车车辆的安全性绝对不容忽略。根据机车车辆的现代设计方法，对结构在要求做到尽可能轻量化的同时，也要求具备高度可靠性和足够的安全性。这两者之间常常出现矛盾，因此，如何准确研究其关键结构部件在运行中的使用寿命以及如何进行结构的抗疲劳设计是结构强度寿命预测领域研究中的前沿课题。 在随机动载作用下的结构疲劳设计更是成为当前机车车辆结构疲劳设计的研究重点，而如何预测关键结构和部件的疲劳寿命又是未来机车车辆结构疲劳设计的重要发展方向之一。机车车辆承受的外部载荷大部分是随时间而变化的循环随机载荷。在这种随机动载荷的作用下，机车车辆的许多构件都产生动态应力，引起疲劳损伤，而损伤累积后的结构破坏的形式经常是疲劳裂纹的萌生和最终结构的断裂破坏。随着国内铁路运行速度的不断提高，一些关键结构部件，如转向架的构架、牵引拉杆等都出现了一些断裂事故。因此，机车车辆的结构疲劳设计已经逐渐成为机车车辆新产品开发前期的必要过程之一，而通过有效的计算方法预测结构的疲劳寿命是结构设计的重要目标。 1.1国外 早在十九世纪后期德国工程师Wohler系统论述了疲劳寿命和循环应力的关系并提出了S-N 曲线和疲劳极限的概念以来，国内外疲劳领域的研究已经产生了大量新的研究方法和研究成果。 结构疲劳设计中主要有两方面的问题：一是用一定材料制成的构件的疲劳寿命曲线；二是结构件的工作应力谱，也就是载荷谱。载荷谱包括外部的载荷及动态特性对结构的影响。根据疲劳寿命曲线和工作应力谱的关系，有3种设计概念：静态设计(仅考虑静强度)；工作应力须低于疲劳寿命曲线的疲劳耐久限设计；根据工作强度设计，即运用实际使用条件下的载荷谱。实际载荷因为受到车辆等诸多因素的影响而有相当大的离散性，它严重地影响了载荷谱的最大应力幅值、分布函数及全部循环数。为了对疲劳寿命进行准确的评价，必须知道设计谱的存在概率，并且考虑实际载荷离散性，才可以确定结构可靠的疲劳寿命。 20世纪60年代，世界上第一条高速铁路建成，自那时起，一些国外高速铁路发达国家已经深入研究机车车辆结构轻量化带来的关键结构部件的疲劳强度和疲劳寿命预测问题。其中，包括日本对车轴和焊接构架疲劳问题的研究；法国和德国采用试验台仿真和实际线路相结合的技术开发出试验用的机车车辆疲劳分析方法；英国和美国对转向架累计损伤疲劳方面的研究等等。在这些研究中提出了大量有效的疲劳寿命的预测研究方法。 1.2、国内 1.2.1国内疲劳研究现状与方法 国内铁路相关的科研院所对结构的疲劳寿命也展开了大量的研究和分析，并且得到了很多研

无梁楼盖倒塌事故原因及破坏机理分析

一“直冲”破坏 1从外行的角度谈谈子弹射击玻璃的破坏现象，当高速子弹射到四边嵌固的平板玻璃上， 在冲击波与子弹冲量作用下，玻璃将被直穿出一个孔，此可称为“直冲”，这大概是冲 击波速远大于玻璃的应力波速度而造成上述的所谓“直冲”破坏；当一位大力士用尖头 锤击玻璃，在猛烈的敲击下，玻璃将会产生钉锤下的小孔及其沿小孔周边呈局部的放射 状的裂缝，这样的破坏现象很类似我们钢筋混凝土板发生的受冲切承载力破坏，故可称 之为“冲切”；如果对该平板玻璃施加一个居中的集中荷载，按静力加荷方式直至玻璃 破坏，此时会发现平板玻璃的跨厚比较大的情况下，会出现类似数条大裂缝而迅即脆性 破坏，这属玻璃特性，但在此拟其为呈平板结构的受弯状破坏，或者此拟为钢筋混凝土 平板呈双向板塑性铰线似的破坏。 2对金属板产生“直冲”破坏的典型例子是：冲床冲孔，其孔必然是垂直的。 3发生“直冲”破坏的条件是：被“直冲”破坏的板类部件本身要具备足够的刚性和整体 承载力，才能实现局部的“直冲”破坏；局部的“直冲”承载力将会受到周边结构部位 的约束，其“直冲”能力将会有较大提高，这里可能会涉及双向或三向的强度问题。 4对钢筋混凝土板进行“直冲”的试验研究，据我的估计是极少的，在六十余载从事钢筋 混凝土研究中，甚少见到这方面的论文可供参照。我个人曾在下放到预制构件厂工作时，模拟杯口基础底板冲切试验，但发现破坏均呈“冲切”的喇叭口状，如下列图示；对于 素混凝土板进行“直冲”试验，按我的想象，可按下列图示来做： （a）素混凝土“冲切”试验（b）素混凝土“直冲”试验 素混凝土板试验 从上述两种破坏图示意中可知，两种试验的承载力值必定是： 实际冲切锥呈喇叭状破坏面上主要靠混凝土抗拉强度来抵抗破坏面上的主拉应力（概念 表述，并不准确）；而在“直冲”试验中，“直冲柱体”受到周边混凝土块体的约束， 沿破坏面上的压剪强度会有较大提高。 因此，不能简单地看到柱头顶穿楼板呈“直冲柱体”状的破坏面，就认为是“直冲”破坏。 二“直剪”破坏

材料的疲劳性能

材料的疲劳性能一、疲劳破坏的变动应力 材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。变动载荷在单位面积上的平均值称为变动应力，分为规则周期变动应力（或称循环应力）和无规则随 1 /2； min） 2 应力； ②不对称循环：σm≠0，-1σm>0，-10，r=0，齿轮的齿根及某些压力容器承受此类应力。σm=σa<0，r=∞，轴承承受脉动循环压应力；

④波动循环：σm>σa，0

②疲劳破坏属于低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命的预测显得十分重要和必要； ③疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织）十分敏感，即对缺陷具有高度的选择性。因为缺口或裂纹会引起应力集中，加大对材料的损伤作用；组织缺陷（夹杂、疏松、白点、脱碳等）将降低材料的局部强度。二者综合更加速疲劳破坏 出现两个疲劳源。 （2）疲劳裂纹扩展区（亚临界扩展区）? 疲劳裂纹扩展区特征为断口较光滑并分布有贝纹线或裂纹扩展台阶。贝纹线是疲劳区最典型的特征，是一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向。近疲劳源区贝纹线较细密（裂纹扩展较慢），远

钢结构事故中的疲劳破坏及腐蚀破坏

钢结构事故中的疲劳破坏及腐蚀破坏 摘要：本文分析了铜结构疲劳破坏及腐蚀破坏的原因，近而提出了提高和改善铜结构构件疲劳及腐蚀的措施， 关键词:钢结构；疲劳；腐蚀；破坏 引言 钢结构相较于混凝土结构具有质量轻、塑性韧性好、易于采用工业化生产等优点，近年来在工民建，铁路，桥梁等结构中被大量采用。然而钢结构在受到交变荷载的作用下极易产生脆性破坏，特别在承受行车动荷载的桥梁结构中此问题更为明显，在一定程度上阻碍了钢结构的发展。鉴于此，本文在分析疲劳破坏及腐蚀破坏原因的基础上重点介绍工程设计预防疲劳破坏及腐蚀破坏的措施，以此来避免此问题的产生。 一，钢结构疲劳破坏 钢结构的疲劳破坏是裂纹在重复或交变荷载作用下的不断开裂以及最后达到临界尺寸而出现的断裂。此类破坏属脆性破坏。由于在破坏发生前几乎观察不到构件的塑性发展过程。没有破坏的征兆，然而一旦破坏后果严重，所以工程设计的任何一个领域无一例外的都要避免。疲劳破坏经历三个阶段：裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。对于钢结构，实际上只有后两个阶段，因为在钢材生产和结构制造等过程中，不可避免地在结构的某些部位存在着局部微小缺陷，如钢材化学成分的偏析、非金属杂质；非焊接构件表面上的刻痕、轧钢皮的凹凸、轧钢缺陷和分层以及制造时的冲孔、剪边、火焰切割带来的毛边和裂纹在静荷载下，具有初始裂纹的构件当应力水平达到临界应力时才会出现失稳扩展，导致破坏。而承受交变荷载的构件经历裂纹的缓慢扩展过程最终达到破坏时，破坏应力还远小于静荷载作用时的临界应力。 钢结构疲劳分析时，习惯上当循环次数N<105时称为低周疲劳：N>105时称为高周疲劳。如果钢结构构件的实际循环应力特征和实际循环次数超过设计时所采取的参数，就可能发生疲劳破坏。此外影响钢结构疲劳破坏的原因还有：结构构件中有较大应力集中区域：所用钢材的抗疲劳性能差：钢结构构件加工制作时有缺陷其中裂纹缺陷对钢材疲劳强度的影响比较大：钢材的冷热加工、焊接工艺所产生的残余应力和残余变形对钢材疲劳强度也会产生较大影响。 二，抗疲劳的措施 出疲劳性能的影响因素来看，应力幅及循环次数是客观存在的事实，因此，提高和改善疲劳性能的途径只有从减小应力集中人手。具体措施如下： 1选材 对用于动载作用的钢结构或构件，应严格控制钢材的缺陷，并选择优质钢材。 2设计措施 (I)力求减少截面突变，避免焊缝集中，使钢结构构造做法合理化。 (2)要避免多条焊缝相互交汇而导致高额残余拉应力的情形。尤其是三条在空间相互垂直的焊缝交于一点，造成三轴拉应力的不利状况。对于加劲肋应与受拉翼缘不焊接，且保持一段距离。对于连接横向支撑处的横向加劲肋，可以把横向加劲肋和受拉翼缘顶紧不焊，且将加劲肋切角，保持腹板与加劲肋50～lOOr砌不焊。 三，钢结构腐蚀破坏 普通钢材的抗腐蚀能力比较差，这一直是工程上关注的重要问题。腐蚀使钢结构杆件净截面面积减损，降低结构承载力和可靠度，腐蚀形成的“锈坑”使钢结构脆性破坏的可能性增大，尤其是抗冷脆性能下降。一般来说钢结构下列部位容易发生锈蚀：经常干湿交替又未包混凝

材料的疲劳性能

材料的疲劳性能 一、疲劳破坏的变动应力 材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。变动载荷在单位面积上的平均值称为变动应力，分为规则周期变动应力（或称循环应力）和无规则随机变动应力两种。 1、表征应力循环特征的参量有： ①最大循环应力：σmax； ②最小循环应力：σmin； ③平均应力：σm=（σmax+σmin）/2； ④应力幅σa或应力范围Δσ：Δσ=σmax-σmin，σa=Δσ/2=（σmax-σmin）/2； ⑤应力比（或称循环应力特征系数）：r=σmin/σmax。 2、按平均应力和应力幅的相对大小，循环应力分为： ①对称循环：σm=（σmax+σmin）/2=0，r=-1，大多数旋转轴类零件承受此类应力； ②不对称循环：σm≠0，-1σm>0，-1

③脉动循环：σm=σa>0，r=0，齿轮的齿根及某些压力容器承受此类应力。σm=σa<0，r=∞，轴承承受脉动循环压应力； ④波动循环：σm>σa，0

东北大学岩石力学讲义第二章岩石破坏机制及强度理论.

第二章 岩石破坏机制及强度理论 第一节 岩石破坏的现象 在不同的应力状态下，岩石的破坏机制不同，常见的岩石破坏形式有以下几种 一、拉破坏：岩石试件单向抗压的纵向裂纹，矿柱，采面片帮。特点出现与最大应力方向平行的裂隙。 二、剪切破坏：岩石试件单向抗压的X 形破坏。从应力分析可知，单向压缩下某一剪切面上的切向应力达到最大引起的破坏。 (a ) (b )

三、重剪破坏：即沿原有的结构面的滑动、重剪破坏 主要的机制：岩体受剪切作用或者受拉应力的作用、三向受压情况下多数为剪切应力的作用，侧向压力较小时可能是拉神破坏，实际工程中可能是不同机制的组合，但侧向应力较大时，可以认为剪切应力是岩石重剪破坏的主要破坏机制。 从岩石破坏的现象看，从小到几厘米的岩块到大的工程岩体，破坏形式雷同，并可归纳为两种，拉断与剪坏，因此有一定的规律可寻。 对岩石破坏的研究： 在单向条件下可以从实验得到破坏的经验关系。但是三向受力条件下，不同应力的组合有无穷多种，因此无法仅仅依靠实验得到破坏的经验关系，因此在一般应力状态，对岩石破坏的研究需要结合理论分析和试验研究两个方面。现代关于岩石破坏的理论分析一般归结为、寻求破坏时的主应力之间的关系 123(,)f σσσ= 研究的方法有：理论分析；2、试验研究；3、理论研究结合试验研究。 第二节 岩石拉伸破坏的强度条件 一、最大线应变理论 该理论的主要观点是，岩石中某个面上的拉应变达到临界值时破坏，而与所处的应力状态无关。强度条件为 c εε≤ (2-1) c ε—拉应变的极限值，ε—拉应变。

若岩石在破坏之前可看作是弹性体，在受压条件下σ1>σ2>σ3下， 3ε是最小主应力。按弹性力学有3 3E E σμ εσσ= -12（+），即33E εσμσσ=-12（+）。若3ε<0则产生拉应变。由于E >0，因此产生拉应变的条件是 3σμσσ-12（+）<0，3μσσσ12（+）> 若3ε=0ε<0则产生拉破坏，此时抗拉强度为0t E σε＝?0t E σε＝。 按最大线应变理论30εε≥破坏，即 312()t σμσσσ-+≥ (2-2) 式中0ε是允许的拉应变。 二、格里菲斯理论 格里菲斯理论的主要观点是：材料内微小裂隙失稳扩展导致材料的宏观破坏。 格里菲斯理论的主要依据是：1）、任何材料中总有各种微小微纹；2）、裂纹尖端的有严重的应力集中，即应力最大，并且有拉应力集中的现象；3）、当这种拉应力集中达到拉伸强度时微裂纹失稳扩展，导致材料的破坏。 格里菲斯理论的来源：由玻璃破坏得到的启示。 格里菲斯理论的基本假设为： 1、岩石的裂隙可视为极扁的扁椭圆裂隙； 2、裂隙失稳扩展可按平面应力问题处理； 3、裂隙之间互不影响。 按格里菲斯理论，裂纹失稳扩展条件为 1）、当1330σσ+>时，满足 21313()8()0t σσσσσ-++= (2-2)

第6章结构件及连接的疲劳强度计算原理

148 第6章 结构件及连接的疲劳强度 随着社会生产力的发展，起重机械的应用越来越频繁，对起重机械的工作级别要求越来越高。《起重机设计规范》GB/T 3811-2008规定，应计算构件及连接的抗疲劳强度。对于结构疲劳强度计算，常采用应力比法和应力幅法，本章仅介绍起重机械常用的应力比法。 6.1 循环作用的载荷和应力 起重机的作业是循环往复的，其钢结构或连接必然承受循环交变作用的载荷，在结构或连接中产生的应力是变幅循环应力，如图6-1所示。 起重机的一个工作循环中，结构或连接中某点的循环应力也是变幅循环应力。起重机工作过程中每个工作循环中应力的变化都是随机的，难以用实验的方法确定其构件或连接的抗疲劳强度。然而，其结构或连接在等应力比的变幅循环或等幅应力循环作用下的疲劳强度是可以用实验的方法确定的，对于起重机构件或连接的疲劳强度可以用循环记数法计算出整个 循环应力中的各应力循环参数，将其转化为等应力比的变幅循环应力或转化为等平均应力的等幅循环应力。最后，采用累积损伤理论来计算构件或连接的抗疲劳强度。 6.1.1 循环应力的特征参数 (1) 最大应力 一个循环中峰值和谷值两极值应力中绝对值最大的应力，用max σ表示。 (2) 最小应力 一个循环中峰值和谷值两极值应力中绝对值最小的应力，用min σ表示。 (3) 整个工作循环中最大应力值 构件或连接整个工作循环中最大应力的数值，用max ?σ 表示。 (4) 应力循环特性值 一个循环中最小应力与最大应力的比值，用min max r σσ=表示。 (5) 循环应力的应力幅 一个循环中最大的应力与最小的应力的差的绝对值，用σ?表示。

滑坡破坏机理分析研究及稳定性计算理论

3滑坡破坏机理研究及稳定性计算 3.1边坡滑坡破坏机理 3.1.1水平坡的变形破坏机理 水平坡是指岩层倾向大致与边坡走向一致，而岩层倾角小于软弱岩层面残余摩擦角的一类层状岩质边坡。这类边坡的主要变形机理为滑移——压致拉裂，在这一变形机制下，其可能的破坏模式为转动型滑坡<弧面破坏），具体过程描述如下：边坡形成后由于卸荷回弹或者蠕变，坡体沿平缓结构面向坡前临空方向产生缓慢的滑移。滑移面的锁固点或错列点附近，因拉应力集中生成与滑移面近于垂直的拉张裂隙，向上<个别情况向下）扩展且其方向渐转成与最大主应力方向趋于一致<大体平行坡面）并伴有局部滑移。这种拉裂面的形成机制与压应力作用下格里菲斯裂纹的形成扩展规律近似，所以它应属于压致拉裂。滑移和拉裂变形是由斜坡内软弱结构面处自下而上发展起来的。 据实例分析和模拟研究，这类变形演变过程可分为三个阶段<图3-1）。 图3-1滑移-压致拉裂变形演变图 <1）卸荷回弹阶段 人工边坡在边坡开挖形成后，由于边坡以外岩土体的卸除原有的平衡状态被打破，边坡岩土体将向临空面方向发生膨胀变形。对近水平层状岩质边坡而言，这种变形表现为沿岩层面向临空面方向缓慢滑移，如图3-1

<2）压致拉裂面自下而上扩展阶段 坡底附近岩层在上面岩土体的高压力作用下，随着滑移变形的发展，逐渐产生近似垂至于岩层面的裂隙，如图3-1

钢结构事故预防措施

作为一种新型的结构体系，钢结构以其强度高、自重轻、塑性和韧性好、抗震性能优越、工厂化生产程度高、装配方便、造型美观、综合经济效益显著等一系列优点，受到国内外建筑师和结构工程师的青睐，在高层、大跨建筑领域显示出其无与伦比的优势。我国国内建筑领域的钢结构也同其它发达国家一样，呈现出蓬勃发展的势头，取得了很大成就。但是，钢结构工程领域的各类事故也时有所闻，给人民群众的财产与生命安全造成巨大损失。从设计、施工、使用等环节入手，全面客观地认识、分析、解决钢结构工程在各环节存在的问题，可以大大减少钢结构工程事故的发生。就事故的性质而言，钢结构工程事故可以分为材料事故、变形事故、失稳事故、脆性断裂事故、疲劳破坏事故、锈蚀事故和火灾事故等。 1. 钢结构的材料事故钢结构材料事故是指由于材料本身的原因引起的事故。钢结构所用材料包括钢材（Q235、16Mn、15MnV等）和连接材料（螺栓、焊材等）两大类。影响钢材性能的主要因素有有害化学成分超标、冶金轧制缺陷、硬化使钢材的塑性和韧性降低、应力集中以及温度过高或过低等。引发钢结构材料事故的常见因素有钢材质量不合格、螺栓质量不合格、焊接材料质量不合格、设计选材不当、制作安装工艺不合理、母材与焊接材料不匹配、随意混用或替代材料等。要防止发生这类事故，在设计环节上，应熟知各种材料的性能参数与特性，因地制宜的选用合适的材料；在施工过程中，严格按照设计规定选用材料，材料进场时严格按照有关规范复检钢材和连接材料的各项指标，严禁使用不合格材料，选择恰当的施工工艺，严格按照设计与相关规范进行制作、安装。某地一大型贮油罐采用12mm 厚的钢板焊接而成。该油罐建成2年后突然崩塌，原油外流，引发大火，造成巨大的人员伤亡与经济损失。经调查，该油罐使用的钢材力学性能合格但化学成分不合格，含硫量为0.9％（超限近一倍）。过高的含硫量使钢材的可焊性降低，焊接过程中产生的热裂纹在外力作用下逐渐扩展，最终使钢材突然断裂，引发重大事故。 2. 钢结构的变形事故钢结构不论整体变形还是局部变形，都将降低结构的整体刚度和稳定性，影响连接和组装，并可能产生附加应力，降低构件的承载力，引发变形事故。而钢结构由于具有强度高、塑性好等优点，使得钢结构的截面越来越小，板厚、壁厚很薄。加上加工、制作、安装过程中的缺陷，钢结构的变形问题更加突出。钢结构的变形包括以下几个部分：钢材初始变形、冷加工变形、焊接变形、制作安装变形、运输过程中的变形以及使用不当（碰撞、高温）产生的变形等。某汽车厂造型车间为54×84m的单层三跨车间，钢屋架上弦杆、下弦杆均采用角钢。屋架和屋面板施工完毕后发现有个别屋架的竖腹杆有明显倾斜，经检测，位移偏差超标的测点达80%，变形严重的一榀屋架呈扭曲状。经调查，事故的主要原因是屋架堆放方式不规范。依据相关规范要求，屋架堆放时应直立，两个端头须用固定支架固定，相邻两个钢屋架应隔以木块，相互绑牢。该工程施工工程中虽在堆放钢屋架时采用了直立方式，但却错误地将钢屋架的一端靠在一堆屋面板上，另一端没有采取可靠的侧向支撑，钢屋架间没有拉紧捆绑，结果使钢屋架逐个挤压，产生扭曲变形。在支撑系统安装过程中，由于工期原因也未按规定对屋架进行矫正，最终导致发生事故。 3. 钢结构的失稳事故钢结构的失稳事故是指因钢结构或构件丧失整体稳定性或局部 稳定性而引发的事故。相对于混凝土结构而言，钢结构因强度高而使构件细长，截面相对较小，因此在外荷载作用下更容易失稳。而相对于抗拉破坏而言，钢结构失稳破坏前的变形可能很小，呈现出脆性破坏的特征，而脆性破坏的突发性也使得失稳破坏具有更大的危险性。我国的现代钢结构工程起步较晚，许多工程技术人员对稳定概念的认识较为模糊，在钢结构工程设计中普遍存在重视强度问题而轻视稳定问题的错误倾向，这是钢结构工程失稳事故不断发生的重要原因之一。因此，设计人员必须强化稳定概念，在设计过程中应重视支撑体系的布置，结构整体布置必须满足整体稳定性和局部稳定性的要求。加工、制作过程中产生的构件初偏心、初弯曲、焊接残余变形等缺陷将显著降低钢结构的稳定承载力；同时，与混凝土结构、砌体结构不同的是，钢结构在安装、施工的过程中，在形成稳定的整体结构之前，

东北大学岩石力学讲义第二章岩石破坏机制及强度理论

精品文档 第二章岩石破坏机制及强度理论 岩石破坏的现象第一节 在不同的应力状态下，岩石的破坏机制不同，常见的岩石破坏形式有以下几种：岩石试件单向抗压的纵向裂纹，矿柱，采面片帮。特点出现与最大应力一、拉破坏方向平行的裂隙。

) (b) (a 形破坏。从应力分析可知，单向压缩下某一剪二、剪切破坏：岩石试件单向抗压的X 切面上的切向应力达到最大引起的破坏。

精品文档． 精品文档 三、重剪破坏：即沿原有的结构面的滑动、重剪破坏 主要的机制：岩体受剪切作用或者受拉应力的作用、三向受压情况下多数为剪切应力的作用，侧向压力较小时可能是拉神破坏，实际工程中可能是不同机制的组合，但侧向应力较大时，可以认为剪切应力是岩石重剪破坏的主要破坏机制。 并可归纳从小到几厘米的岩块到大的工程岩体，破坏形式雷同，从岩石破坏的现象看，为两种，

拉断与剪坏，因此有一定的规律可寻。对岩石破坏的研究：不同应力的组合在单向条件下可以从实验得到破坏的经验关系。但是三向受力条件下，对岩石破因此在一般应力状态，有无穷多种，因此无法仅仅依靠实验得到破坏的经验关系，坏的研究需要结合理论分析和试验研究两个方面。现代关于岩石破坏的理论分析一般归结为、寻求破坏时的主应力之间的关系???)(,?f321、理论研究结合试验研究。、试验研究；3研究的方法有：理论分析；2 岩石拉伸破坏的强度条件第二节 一、最大线应变理论岩石中某个面上的拉应变达到临界值时破坏，而与所处的应力该理论的主要观点是，状态无关。强度条件为(2-1) ???c—拉应变的极限值，—拉应变。??c 精品文档． 精品文档 ?是最小主应力。σ下，σ>σ>若岩石在破坏之前可看作是弹性体，在受压条件下3123??????3，E>0<0则产生拉应变。由于，即。若按弹性力学有?????）?（?+）E?（?+32312133EE因此产生拉应变的条件是 ????????）>（（?++）<0，312132??????t?E＝＝。若则产生拉破坏，此时抗拉强度为= <0

材料的疲劳性能汇总

一.本章的教学目的与要求 本章主要介绍材料的疲劳性能，要求学生掌握疲劳破坏的定义和特点，疲劳断口的宏观特征，金属以及非金属材料疲劳破坏的机理，各种疲劳抗力指标，例如疲劳强度，过载持久值，疲劳缺口敏感度，疲劳裂纹扩展速率以及裂纹扩展门槛值，影响材料疲劳强度的因素和热疲劳损伤的特征及其影响因素，目的是为疲劳强度设计和选用材料建立基本思路。 二．教学重点与难点 1. 疲劳破坏的一般规律（重点） 2．金属材料疲劳破坏机理（难点） 3. 疲劳抗力指标（重点） 4.影响材料及机件疲劳强度的因素（重点） 5热疲劳（难点） 三．主要外语词汇 疲劳强度：fatigue strength 断口：fracture 过载持久值：overload of lasting value 疲劳缺口敏感度：fatigue notch sensitivity 疲劳裂纹扩展速率：fatigue crack growth rate 裂纹扩展门槛值：threshold of crack propagation 热疲劳：thermal fatigue 四. 参考文献 1.张帆，周伟敏.材料性能学.上海：上海交通大学出版社，2009 2.束德林.金属力学性能.北京：机械工业出版社，1995 3.石德珂，金志浩等.材料力学性能.西安：西安交通大学出版社，1996 4.郑修麟.材料的力学性能.西安：西北工业大学出版社，1994 5.姜伟之，赵时熙等.工程材料力学性能.北京：北京航空航天大学出版社，1991 6.朱有利等.某型车辆扭力轴疲劳断裂失效分析[J]. 装甲兵工程学院学报，2010,24（5）：78-81 五．授课内容

关于岩石爆破破碎机理及影响爆破作用的因素

关于岩石爆破破碎机理及影响爆破作用的因素 班级：____________ 姓名：____________ 学号：____________ 指导教师：__________

关于岩石爆破破碎机理及影响爆破作用的因素 摘要：岩石爆破破坏是一个高温、高压、高速的瞬态过程，在几十微秒到几十毫秒之内即完成。使得研究岩石爆破破碎机理变得困难，所提出的各种破岩理论还只能算是假说。 关键词：岩石爆破、压力膨胀、冲击波 1.岩石爆破破碎机理研究的问题 1.1岩石爆破破碎机理研究的主要内容 （1）炸药爆炸释放的能量是通过何种形式作用在岩石上； （2)岩石在这种能量作用下处于什么样的应力状态； （3）岩石在这种应力状态中怎么发生破坏、变形和运动的。 （4）影响岩石破坏的因素。 （5）炸药装药量和爆破效果关系。 1.2岩石爆破破碎机理研究存在的主要困难 (1)炸药爆炸荷载复杂性:高速、高温、高压、高能量密度荷载 (2)岩体本身的复杂性:不均质性，各向异性，非连续，非线性 (3)爆破施工工艺多样性 2.岩石爆破破碎的主因 破碎岩石时炸药能量以两种形式释放出来，一种是冲击波，一种是爆炸气体。但是，岩石破碎的主要原因是冲击波作用的结果还是爆炸气体作用的结果，由于认识和掌握资料的不同，便出现了不同的结果。 2.1爆炸气体产物膨胀压力破坏理论 2.1.1爆炸气体产物膨胀压力破坏理论基本观点

1953年以前，该派观点在爆破界极为流行。从静力学观点出发，认为药包爆炸后，产生大量高温、高压气体，这种气体膨胀时所产生的推力作用在药包周围的岩壁上，引起岩石质点的径向位移，由于作用力不等引起的不同径向位移，导致在岩石中形成剪切应力。当这种剪切应力超过岩石的极限抗剪强度时就会引起岩石的破裂。当爆炸气体的膨胀推力足够大时，还会引起自由面附近的岩石隆起、鼓开并沿径向方向推出。它在很大程度上忽视了冲击波的作用。后来经过村田勉等人的努力，利用近代观点重新做了解释，形成了一个完整的体系。 2.1.2理论依据 （1）炸药爆炸→气体产物（高温，高压）→在岩中产生应力场→ 引起应力场内质点的径向位移→径向压应力→切向拉应力→岩石产生径向裂纹 （2）如果存在自由面，岩石质点速度在自由面方向上最大，位移阻

第6章 钢结构的疲劳破坏事故

第6章钢结构的疲劳破坏事故 6.1 疲劳破坏的概念 疲劳问题最初是在1829年由法国采矿工程师尔倍特（W.A.J.Albert）根据所做的铁链的重复载荷试验所提出的。1939年波客来特（Poncelet）首先采用“疲劳”（Fatigue）一词来描述“在反复施加的载荷作用下的结构破坏现象。”但是疲劳一词作为题目的第一篇论文是由勃累士畏特（Braithwaite）于1854年在伦敦土木工程年会上发表的，在第二次世界大战中，发生了多起飞机疲劳失事事故，人们从一系列的灾难性事故中，逐渐认识到疲劳破坏的严重性。 金属结构的疲劳是工程界早已关注的问题。就金属结构包括飞机、车辆等各类结构都在内的总体，大约80—90%的破坏事故和疲劳有关。其中土建钢结构所占的比重虽然不大，但随着焊接结构的发展，焊接吊车梁的疲劳问题已十分普遍，受到了工程界人士的重视。目前钢结构设计规范（GBJ17-88）中已建立了疲劳验算方法，此方法对防止疲劳破坏的发生有重要作用。 钢结构的疲劳破坏是指钢材或构件在反复交变荷载作用下在应力远低于抗拉极限强度甚至屈服点的情况下发生的一种破坏。就断裂力学的观点而言，疲劳破坏是裂纹起始、扩展到最终断裂的过程。 疲劳破坏与静力强度破坏是截然不同的两个概念。它与塑性破坏、脆性破坏相比，具有以下特点： （1）疲劳破坏是钢结构在反复交变动载作用下的破坏形式，而塑性破坏和脆性破坏是钢结构在静载作用下的破坏形式。 （2）疲劳破坏虽然具有脆性破坏特征，但不完全相同。疲劳破坏经历了裂缝起始、扩展和断裂的漫长过程，而脆性破坏往往是无任何先兆的情况下瞬间突然发生。 （3）就疲劳破坏断口而言，一般分为疲劳区和瞬断区。疲劳区记载了裂缝扩展和闭合的过程，颜色发暗，表面有较清楚的疲劳纹理，呈沙滩状或波纹状。瞬断区真实反映了当构件截面因裂缝扩展削弱到一临界尺寸时脆性断裂的特点。瞬断区晶粒粗亮。 图6.1 疲劳断口分区

疲劳破坏机理

疲劳破坏机理 1、定义 材料或构件受到多次重复变化的载荷作用后，即使最大的重复交变应力低于材料的屈服极限，经过一段时间的工作后，最后也会导致破坏，材料或结构的这种破坏就叫做疲劳破坏。 材料科学揭示，由于制造过程中存在不可避免的缺陷，材料中的微裂纹总是存在的，特别是在焊缝处。这些微裂纹在交变应力作用下扩展和聚合，形成宏观裂纹，宏观裂纹的进一步扩展导致最后的破坏。疲劳破坏的微观过程是个极其复杂的过程，在宏观上一般来说可分为三个阶段:裂纹的萌生、裂纹的稳定扩展及裂纹的失稳扩展问。 2、疲劳裂纹萌生机理 金属材料如果含有缺陷，夹杂物，切口或者其它应力集中源，疲劳裂纹就可能起源于这些地方。通常将疲劳裂纹的萌生过程称为疲劳裂纹成核。如果金属材料没有上述各种应力集中源，则裂纹成核往往在构件表面。因为构件表面应力水平一般比较高，且难免有加工痕迹影响;同时表面区域处于平面应力状态，有利于塑性滑移的进行。构件在循环载荷作用下经过一定次数应力循环之后，先在部分晶粒的局部出现短而细的滑移线，并呈现相继错动的滑移台阶，又由于往复滑移在表面上形成缺口或突起而产生应力集中。随着循环次数增加，在原滑移线时近又会出现新滑移线逐渐形成较宽的滑移带，进一步增加

应力循环次数，滑移带尺寸及数量均明显增加，疲劳裂纹就在这此滑移量大的滑移中产生。这些滑移带称为驻留滑移带，标志裂纹在表面形成。在大量滑移带中，由于原滑移所引起在表面有挤出和侵入槽的出现。从而在表面下留下相应的空洞成为裂纹源。随着循环次数提高和应力集中的加剧，会使空洞扩连形成新的较大空洞。 3、疲劳裂纹扩展机理 疲劳裂纹在表面处成核，是由最大剪应力控制的，这些微裂纹在最大剪应力方向上。在单轴加载条件下，微裂纹与加载方向大致呈45度方向。在循环载荷的继续作用下，这些微裂纹进一步扩展或互相连接。其中大多数微裂纹很快就停止扩展，只有少数几条微裂纹能达到几十微米的长度。此后逐渐偏离原来的方向，形成一条主裂纹而趋向于转变到垂直于加载方向的平面(最大拉应力面)内扩展。裂纹由滑移面向最大拉应力面的转变称为裂纹从第一阶段扩展向第二阶段扩展的转变。随着循环拉应力的增大，裂尖材料由于高度的应力集中而发生塑性屈服，材料沿最大剪应力方向产生塑性滑移。循环拉应力进一步增大，滑移区扩大使裂尖钝化而呈半圆形，此时裂纹尖端己向前移动。此后进入卸载循环。在循环加载时，由于滑移，在裂尖形成一个塑性区，塑性区外的材料只有弹性变形。卸载后弹性变形要恢复，而裂尖已发生塑性变形的材料却不能协调地收缩，故形成了压缩应力作用在塑性区上。在裂尖处这种压应力值可以很大，甚至能够超过屈服极限而使裂尖材料发生反向塑性变形，滑移反向，裂纹上下表面间