材料性能与测试课件-第四章材料的断裂韧性.上课讲义.ppt

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1、材料性能与测试课件-第四章材料的断裂韧性.§4.1线弹性条件下的断裂韧性§4.2弹塑性条件下的断裂韧性断裂是工程上最危险的失效形式。特点：（a）突然性或不可预见性；（b）低于屈服力，发生断裂；（c）由宏观裂纹扩展引起。因此发展出断裂力学。断裂力学的研究范畴：把材料看成是裂纹体，利用弹塑性理论，研究裂纹尖端的应力、应变，以及应变能分布；确定裂纹的扩展规律；建立裂纹扩展的新的力学参数（断裂韧度）。§目录§4.3影响材料断裂韧度的因素§4.4影断裂韧度在工程中的应用举例2韧性(韧度)定义：是材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。包括静力韧度、冲击韧度、断裂韧度

2、。(1)静力韧度(2)冲击韧度或冲击值aKU(aKV):(3)理论断裂强度(理想晶体脆性断裂)：3事实上，韧性的材料在服役过程中有时也会在应力小于屈服极限的情况下发生脆性断裂。因此，材料的冲击韧性还不足以充分地衡量材料断裂的倾向。为了更好地了解断裂的机理，断裂力学应运而生。断裂力学用断裂韧性（Fracturetoughness）来衡量材料已存在内在缺陷（如夹杂和微裂纹）或结构缺陷（如厚薄过渡）时，缺陷（裂纹）扩展导致材料断裂所需的临界应力σm。Griffith设材料内的缺口呈椭圆形缺口长度为2a，在外力作用下缺口尖端存在应力集中效应。在这种情况下，应力σt

3、ip达到σm时裂纹便会扩展，理论分析得出，断裂临界应力为右式：4§4.1线弹性条件下的断裂韧性1、线弹性断裂力学：脆性断裂过程中，裂纹体各部分的应力和应变处于线弹性阶段，只有裂纹尖端极小区域处于塑性变形阶段。2、研究方法：(1)应力应变分析法：研究裂纹尖端附近的应力应变场；提出应力场强度因子及对应的断裂韧度和K判据；(2)能量分析法：研究裂纹扩展时系统能量的变化；提出能量释放率及对应的断裂韧度和G判据。5一、裂纹扩展的基本方式图4-1裂纹扩展的基本方式(a)张开型(Ⅰ)拉应力垂直于裂纹面；裂纹沿作用力方向张开,沿裂纹面张开扩展。(b)滑开型(Ⅱ)切应力平行于

4、裂纹面,与裂纹前沿线垂直；裂纹沿裂纹面平行滑开扩展。(c)撕开型(Ⅲ)切应力平行于裂纹面,与裂纹线平行;裂纹沿裂纹面撕开扩展。6二、裂纹尖端的应力场和应力场强度因子KⅠ最典型的是平面应力和平面应变状态，前者在薄板中，后者在厚板中。1.裂纹尖端应力场、应力分析(Irwin线弹性理论)①应力场设有一无限大板，含有一长为2a的中心穿透裂纹，在无限远处作用有均布的双向拉应力。线弹性断裂力学给出裂纹尖端附近任意点P(r,θ)的各应力分量的解。图4-2裂纹尖端的应力分析7应力分量若为薄板，裂纹尖端处于平面应力状态;若为厚板，裂纹尖端处于平面应变状态，σz=0平面应力σz

5、=ν(σx+σy)平面应变I型裂纹尖端处于三向拉伸应力状态，应力状态软性系数很小，因而是危险的应力状态。由虎克定律，可求出裂纹尖端的各应变分量；然后积分，求得各方向的位移分量。位移分量应变分量8②应力分析在裂纹延长线上，（即v的方向）θ=0，拉应力分量最大；切应力分量为0；裂纹最易沿X轴方向扩展。2、应力场强度因子KI由上述裂纹尖端应力场可知，裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定其位置(r,θ)外,还与强度因子KⅠ有关,对于确定的一点,其应力分量就由KⅠ决定。KI可以反映应力场的强弱，称之为应力场强度因子(MPa·m1/2)。通式：a—1/2裂纹长度；Y—裂纹

6、形状系数（无量纲量）；一般Y=1~29101.定义和区别对于受载的裂纹体，应力强度因子KⅠ是描写裂纹尖端应力场强弱程度的力学参量，可以推断当应力增大时，KⅠ也逐渐增加，当KⅠ达到某一临界值时，带裂纹的构件就断裂了。这一临界值便称为断裂韧性Kc或KⅠC。应当注意，KⅠ和KⅠC(Kc)是不同的。(单位都是MPa·m1/2)KⅠ是受外界条件影响的反映裂纹尖端应力场强弱程度的力学度量，它不仅随外加应力和裂纹长度的变化而变化，也和裂纹的形状类型，以及加载方式有关，但它和材料本身的固有性能无关。而断裂韧性Kc和K1c则是反映材料阻止裂纹扩展的能力，因此是材料本身的特性。

7、三、断裂韧度KⅠC和断裂K判据112.Kc和KⅠCKc和K1c不同点在于,Kc是平面应力状态下的断裂韧性，它和板材或试样厚度有关，而当板材厚度增加到达到平面应变状态时断裂韧性就趋于一稳定的最低值，这时便与板材或试样的厚度无关了，我们称为K1c，或平面应变的断裂韧性，它才真正是一材料常数，反映了材料阻止裂纹扩展的能力。我们通常测定的材料断裂韧性，就是平面应变的断裂韧性K1c。而建立的断裂判据也是以K1c为标准的，因为它反映了最危险的平面应变断裂情况。从平面应力向平面应变过渡的板材厚度取决于材料的强度，材料的屈服强度越高，达到平面应变状态的板材厚度越小。123、

8、断裂判据当应力强度因子增大到一临界值，这一临界值在数