結構環境損傷基礎期末復習1答： 根據ASTM的定義：在某點或者某些點承受擾動應力，且在足夠多的循環擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發生的局部的、永久結構變化的發展過程，稱為疲勞。疲勞具有下述特征：只有在承受擾動應力作用的條件下，疲勞才會發生。疲勞破壞起源于高應力或者高應變的局部。靜載下的破壞，取決于結構整體；疲勞破壞則由應力或應變較高的局部開始，形成損傷并逐漸積累，導致破壞發生。疲勞破壞是在足夠多次的擾動載荷作用之后，形成裂紋或者完全斷裂。疲勞是一個發展過程。疲勞裂紋萌生和擴展，是這一發展過程中不斷形成的損傷積累的結果。最后的斷裂，標志著疲勞過程的終結。21-1什么是疲勞？疲勞有什么特征？答：典型的疲勞破壞斷口的特征：有裂紋源、疲勞裂紋擴展區和最后斷裂區三部分；裂紋擴展區斷面較光滑，通常有“海帶條帶”和/或腐蝕痕跡；裂紋源通常在高應力局部或材料缺陷處；無明顯的塑性變形。

但是靜載破壞的斷口是：粗糙、新鮮、無表面磨蝕及腐蝕痕跡。疲勞破壞斷口，即使是延性材料，也沒有明顯的塑性變形。但是靜載破壞表面的塑性變形很明顯。31-2簡述疲勞斷口與靜載破壞斷口有何不同？大連理工大學船舶工程學院41-3失效分析中疲勞斷口可能提供哪些信息？答：

首先觀察斷口的宏觀形貌，由是否存在著裂紋源、裂紋擴展區及瞬斷區等三個特征區域，判斷是否為疲勞破壞；若為疲勞破壞，則可由裂紋擴展區的大小，判斷破壞時的裂紋最大尺寸；進而可利用斷裂力學方法，由構件幾何及最大裂紋尺寸估計破壞載荷，判斷破壞是否在正常工作載荷狀態下發生；還可以觀察裂紋起源的位置在何處。再利用金相顯微鏡或低倍電子顯微鏡，可對裂紋源進行進一步觀察和確認，并且判斷是否因為材料缺陷所引起，缺陷的類型和大小若何。由宏觀“海灘條帶”和微觀“疲勞條紋”數據，結合構件使用載荷譜分析，還可能估計裂紋擴展速率。大連理工大學船舶工程學院51-4為何提高表面光潔度，引入殘余壓應力可以提高疲勞壽命？根據疲勞問題的特點，疲勞破壞起源于高應力或者高應變的局部。提高表面的光潔度，即可以減少結構整體的應力集中的可能性。這樣就可以減少高應力和高應變的區域。在循環應力過程中引入殘余壓應力，可以降低實際的循環應力水平，從而降低，這樣可以達到提高疲勞壽命的目的。大連理工大學船舶工程學院61-5已知循環最大應力200MPa，最小應力50MPa，計算循環應力變程、應力幅、平均應力和應力比。 MPa，

MPa （a） （b）結合(a)、(b)兩式，計算得到：

MPa， MPa，則：

MPa。1-6已知循環應力幅100MPa，應力比R＝0.2，計算最大應力、最小應力、平均應力和應力變程。大連理工大學船舶工程學院782-1若疲勞試驗頻率選為20Hz，試估算施加106次循環需要多少時間？92-2依據7075－T6鋁合金的等疲勞壽命圖，當a)R=0.2,N=106；b)R=-0.4,N=105時，估算相應的應力水平。9102-2依據7075－T6鋁合金的等疲勞壽命圖，當a)R=0.2,N=106；b)R=-0.4,N=105時，估算相應的應力水平。10112-3依據7075－T6鋁合金的等疲勞壽命圖，當a)R=-1；b)R=0時，試做其S-N曲線。1111122-3依據7075－T6鋁合金的等疲勞壽命圖，當a)R=-1；b)R=0時，試做其S-N曲線。1212132-4某材料極限強度為860MPa，在壽命為107時的應力如下表，做其Goodman圖，并將數據點與Goodman直線相比較1414Smax（MPa）420476482581672700707Smin（MPa）-420-378-308-2310203357S-1=420MPa對上表進行數據處理，求得各自的Sa/S-1以及Sm/Su

：

Sa/S-111.020.940.970.800.590.42Sm/Su00.060.100.200.390.520.62將以上數據在坐標紙中標出數據點，并作出Goodman曲線。2-5某構件承受循環載荷，最大應力525MPa，最小應力-35MPa，極限強度為700MPa。假定在對稱循環條件下S103=0.9Su，S106=0.5Su。估算壽命？152-5某構件承受循環載荷，最大應力525MPa，最小應力-35MPa，極限強度為700MPa。假定在對稱循環條件下S103=0.9Su，S106=0.5Su。估算壽命？162-5某構件承受循環載荷，最大應力525MPa，最小應力-35MPa，極限強度為700MPa。假定在對稱循環條件下S103=0.9Su，S106=0.5Su。估算壽命？172-5某構件承受循環載荷，最大應力525MPa，最小應力-35MPa，極限強度為700MPa。假定在對稱循環條件下S103=0.9Su，S106=0.5Su。估算壽命？182-6某構件承受脈沖載荷，其載荷譜如表，S-N曲線為S3N=2.9*1013。估算其壽命。19Smax（MPa）500400300200每年循環n1060.010.030.10.5根據已知得S－N曲線得到不同下的壽命N

S500400300200N0.2320.4531.0743.6252-8Miner準則與相對Miner準則20大連理工大學船舶工程學院21解：1）不考慮缺陷，按傳統強度設計考慮。選用二種材料時的安全系數分別為：材料1：n1=ys1/=1800/1000=1.8

材料2：n2=ys2/=1400/1000=1.4

優合格

cKK1112.1≤=sKcs

.11≤

大連理工大學船舶工程學院22選用材料1，將發生低應力脆性斷裂；選用材料2，既滿足強度條件，也滿足抗斷要求。材料斷裂應力為：Kcs

.11￡選用材料1：1c=50/[1.12(3.140.001)1/2]=796MPa<選用材料2：2c=75/[1.12(3.140.001)1/2]=1195MPa>斷裂安全注意，a0越小，K1C越大，臨界斷裂應力c越大。因此，提高K1C

，控制a0，利于防止低應力斷裂。大連理工大學船舶工程學院23壓力容器直徑大，曲率小，可視為承受拉伸應力的無限大中心裂紋板，有：

或cKK11￡=

21)(1spcKa￡解：由球形壓力容器膜應力計算公式有：

=pd/4t=54/(40.01)=500MPa

大連理工大學船舶工程學院24在發生斷裂的臨界狀態下有：

故得到：

ac=(1/3.14)(80/500)2=0.0081m=8.1mm21)(1spcKa=c；=pd/4t若內壓不變，容器直徑d，，ac

，抗斷裂能力越差。內壓p，則，臨界裂紋尺寸ac

；材料的K1C

，臨界裂紋尺寸ac

；可知：大連理工大學船舶工程學院25若B尺寸足夠，則上述值即為材料的斷裂韌性K1c。例3.W=200mm的鋁合金厚板，含有2a=80mm的中心裂紋,若實驗測得此板在=100Mpa時發生斷裂，試計算該材料的斷裂韌性。解：由表5-1可知，對于中心裂紋板有：；)(1xpsFaK=)2/sec()(pxx=F

)(1xpsFaK=大連理工大學船舶工程學院26例4.用上例中的鋁合金材料，制作厚度B=50mm

的標準三點彎曲試樣，若裂紋長度a=53mm,

試估計試件發生斷裂時所需的載荷。解：對于標準三點彎曲試樣，有：])(57.14)(18.14)(20.8)(735.1090.1[)(432WaWaWaWaWaf+-+-=)(2321WafaBWPLKp=(W=2B，L=4W)對于本題，a/W=53/100=0.53,代入后算得修正函數值為：

f(a/W)=1.5124大連理工大學船舶工程學院27發生斷裂時應有：K1=K1C，即：CKWafaBWPLK121)(23==p

=53200(N)=53.2(KN))(3212WafaLKBWPCp=5124.1)053.0(4.03104.391.005.022/162p=

大連理工大學船舶工程學院28解：應用線性疊加原理，圖示載荷的作用等于拉伸與純彎曲二種情況的疊加，故裂紋尖端的應力強度因子K可表達為：KKK￠￠+￠=PPPPMM=Pe

、分別是拉伸、彎曲載荷下的應力強度因子。KK￠￠￠

WaePP大連理工大學船舶工程學院29即有：)05.1(6Pe2/Wap=K￠￠對于邊裂紋有限寬板，拉伸、彎曲載荷作用下的應力強度因子查表可知分別為：拉伸：t=P/W；=0.2；

=1.37Wa/=x43239.3072.2155.10231.012.1)(xxxxx+-+-=F);(xpsFa=K￠t即有：WaP/37.1p=K￠彎曲：b=6Pe/W2；=0.2；

=1.05);(xpsFa=K￠b￠Wa/=x4320.1408.1333.740.1122.1)(xxxxx+-+-=FKKK=￠￠+￠=WeWaP)/3.637.1)(/(+p得到：大連理工大學船舶工程學院30發生斷裂時的臨界狀態下應有：ccKWeWaP1)/3.637.1)(/(=+pK=

代入已知數據并注意統一單位，得到：

=3.07MN)0.025/01.03.637.1(005.014.3025.060)/3.637.1(1+=+=WeaWKPccp注意:上述結果是在線彈性假設下得到的。本題臨界狀態時:t=P/W=123MPa，b=6Pe/W2=t(6/25)，二者疊加后也不過ys的30%，故結果是可信的。大連理工大學船舶工程學院31例6.用B=30mm的標準三點彎曲試件測斷裂韌性，線切割尺寸為a’=30mm。試驗測得PQ=56kN,Pmax=60.5kN；裂紋尺寸測量結果為31.8mm,