2019第四章 金属的断裂韧度ppt课件.ppt

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1、第四章金属的断裂韧度第一节线性弹性下的金属断裂韧度第二节断裂韧度的测试第三节影响断裂韧度的因素第四节断裂K判据应用案例第五节弹塑性条件下金属断裂韧度的基本概念4.1线性弹性下的金属断裂韧度裂纹在断裂扩展时，其尖端总是处于弹性状态，应力和应变应该呈线性关系。因此，在研究低应力脆断的裂纹扩展问题时，可以应用弹性力学理论，从而构成了线弹性断裂力学。线弹性断裂力学分析裂纹体断裂问题有两种方法:一种是应力应变分析方法，得到相应的断裂K判据；另一种是能量分析方法，得到相应的断裂G判据。一、裂纹扩展的基本形式二、应力场强度因

2、子及断裂韧度三、裂纹扩展能量释放率及断裂韧度一、裂纹扩展的基本形式含裂纹的金属机件(或构件），根据外加应力与裂纹扩展面的取向关系，裂纹扩展有三种基本形式，如图4-1所示。1.张开型(Ⅰ型)裂纹扩展如图4-1a所示，拉应力垂直作用于裂纹扩展面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展。如轴的横向裂纹在轴向拉力或弯曲力作用下的扩展，容器纵向裂纹在内压力下的扩展。2.滑开型(Ⅱ型)裂纹扩展如图4-1b所示，切应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹线垂直，裂纹沿裂纹面平行滑开扩展。如花键根部裂纹沿切向力的扩展。3.撕开型(Ⅲ型)裂

3、纹扩展如图4-1c所示，切应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹线平行，裂纹沿裂纹面撕开扩展。如轴的纵、横裂纹在扭矩作用下的扩展。实际裂纹的扩展并不局限于这三种形式，往往是它们的组合，如Ⅰ-Ⅱ、Ⅰ-Ⅲ、Ⅱ-Ⅲ型复合形式。在这些不同的裂纹扩展形式中，以I型裂纹扩展最危险，容易引起脆性断裂。二、应力场强度因子及断裂韧度对于Ⅰ型裂纹试样，在拉伸或弯曲时，其裂纹尖端更是处于复杂的应力状态，最典型的是平面应力和平面应变两种应力状态。（一）裂纹尖端附近应力场（二）应力场强度因子（三）断裂韧度和断裂K判据（四）裂纹尖端塑性区及的修

4、正（一）裂纹尖端附近应力场如图4-2所示假设有无限大板，其中有2a长的Ⅰ型裂纹，在无限远处作用有均匀拉应力σ，应用弹性力学可以分析裂纹尖端附近的应力场、应变场。如用极坐标表示，则各点(r,θ)的应力分量、应变分量可以近似表达如下:应力分量：结论：在x轴上裂纹尖端的切应力分量为零，拉应力分量最大，裂纹最易沿x轴方向扩展。（二）应力场强度因子式(4-1)表明，裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于其位置(r，θ)外，尚与强度因子有关。越大，则应力场各应力分量也越大。这样，就可以表示应力场的强弱程度，故称为应力场强度因

5、子。Ⅰ型裂纹应力场强度因子的一般表达式为:式中Y＝裂纹形状系数，是一个无量纲系数，一般，Y=l～2。对于Ⅱ、Ⅲ型裂纹，其应力场强度因子的表达式为：（4-4）（三）断裂韧度和断裂K判据当σ和a单独或共同增大时，和裂纹尖端各应力分量也随之增大。当增大达到临界值时，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂。这个临界或失稳状态的值记作或,称为断裂韧度。为平面应变下的断裂韧度，表示在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。为平面应力断裂韧度，表示在平面应力条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。在临界状态下所对应的平均应力，称为断裂应力

6、或裂纹体断裂强度，记作；对应的裂纹尺寸称为临界裂纹尺寸，记作；三者的关系为：可见，表示材料抵抗断裂的能力。根据应力场强度因子和断裂韧度的相对大小，可以建立裂纹失稳扩展脆断的断裂K判据，即或同理，Ⅱ、Ⅲ型裂纹的断裂韧度为、，断裂判据为:（4－5）（4－6）,（四）裂纹尖端塑性区及的修正从理论上讲，按建立的脆性断裂判据，只适用于弹性状态下的断裂分析。但试验表明，在所谓小范围屈服下，只要对进行适当的修正，裂纹尖端附近的应力应变场的强弱程度仍可用修正的来描述。1、塑性区的形状和尺寸2、有效裂纹及的修正如图4-6所示，计

7、算应力场强度因子时应为：三、裂纹扩展能量释放率及断裂韧度（一）裂纹扩展时的能量转化关系（二）裂纹扩展能量释放率通常，我们把裂纹扩展单位面积时，系统释放势能的数值称为裂纹扩展能量释放率，简称为能量释放率或能量率，并用G表示。（三）断裂韧度和断裂G判据当增大到某一临界值时，则裂纹便失稳扩展而断裂，将这个的临界值记作，也称断裂韧度。它表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量。（四）和的关系（一）裂纹扩展时的能量转化关系（二）裂纹扩展能量释放率（三）断裂韧度和断裂G判据≧≧4.2断裂韧度的测试一、试样的形状、尺寸

8、及制备二、测试方法三、试验结果的处理一、试样的形状、尺寸及制备国家标准中规定了四种试样：标准三点弯曲试样紧凑拉伸试样C型拉伸试样圆形紧凑拉伸试样二、测试方法三点弯曲试样的试验装置如图4－8所示。三、试验结果的处理计算公式注意事项4.3影响断裂韧度的因素一、断裂韧度与常规力学性能指标之间的关系1.断裂韧度与强度、塑性之间的关系无论是解理断裂或韧性断裂，都是强度和塑性的综合性能。2.断裂韧