材料力学性能 第四章 金属的断裂韧度 材料力学性能 讲义 课件

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1、材料力学性能6/24/20211安徽工业大学材料科学与工程学院第四章金属的断裂韧度6/24/20212安徽工业大学材料科学与工程学院为了防止断裂失效，传统的力学强度理论是根据材料的屈服强度，用强度储备方法确定机件的工作应力然后再考虑机件的一些特点（如存在口）及环境温度的影响，根据材料使用经验，对塑性、韧度及缺口敏感度提出附加要求，据此设计的机件，原则上来讲是不会发生塑性变形和断裂的，安全可靠，但是实际情况不同，对高强度、超高强度钢的机件，中低强度钢的大型、重型机件，如火箭壳体、大型转子、船舶、桥梁等经常在屈

2、服应力以下发生低应力脆性断裂。6/24/20213安徽工业大学材料科学与工程学院由于裂纹破坏了材料的均匀连续性，改变了材料内部应力状态和应力分布，所以机件的结构性能就不再相似于无裂纹的试样性能，传统的力学强度理论就不再适用。因此，需要研究新的强度理论和材料性能评价指标，以解决低应力脆断问题。断裂力学就是在这种背景下发展起来的一门新型断裂强度科学，是在承认机件存在宏观裂纹的前提下，建立了裂纹扩展的各种新的力学参量，并提出了含裂纹体的断裂判据和材料断裂韧度。本章从材料的角度出以，在简要介绍断裂力学基本原理的基础

3、上，着重讨论线弹性条件下金属断裂韧度的意义、测试原理和影响因素。6/24/20214安徽工业大学材料科学与工程学院第一节线弹性条件下金属断裂韧度大量断口分析表明，金属机件的低应力脆断断口没有宏观塑性变形痕迹，所以可以认为裂纹在断裂扩展时，尖端总处于弹性状态，应力-应变应呈线性关系。因此，研究低应力脆断的裂纹扩展问题时，可以用弹性力学理论，从而构成了线弹性断裂力学。6/24/20215安徽工业大学材料科学与工程学院分析裂纹体断裂问题有两种方法(1)应力应变分析方法：考虑裂纹尖端附近的应力场强度，得到相应的断裂

4、K判据。(2)能量分析方法：考虑裂纹扩展时系统能量的变化，建立能量转化平衡方程，得到相应的断裂G判据。6/24/20216安徽工业大学材料科学与工程学院一、裂纹扩展的基本形式1.张开型（I型）裂纹扩展拉应力垂直于裂纹扩展面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展，如压力容器纵向裂纹在内应力下的扩展。2.滑开型（II型）裂纹扩展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）裂纹扩展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

5、展，如轴的纵、横裂纹在扭矩作用下的扩展。6/24/20217安徽工业大学材料科学与工程学院二、应力场强度因子KI及断裂韧度KIC对于张开型裂纹试样，拉伸或弯曲时，其裂纹尖端处于更复杂的应力状态，最典型的是平面应力和平面应变两种应力状态。平面应力：指所有的应力都在一个平面内，平面应力问题主要讨论的弹性体是薄板，薄壁厚度远远小于结构另外两个方向的尺度。薄板的中面为平面，所受外力均平行于中面面内，并沿厚度方向不变，而且薄板的两个表面不受外力作用。平面应变：指所有的应变都在一个平面内。平面应变问题比如压力管道、水坝

6、等，这类弹性体是具有很长的纵向轴的柱形物体，横截面大小和形状沿轴线长度不变，作用外力与纵向轴垂直，且沿长度不变，柱体的两端受固定约束。6/24/20218安徽工业大学材料科学与工程学院（一）裂纹尖端应力场由于裂纹扩展是从尖端开始进行的，所以应该分析裂纹尖端的应力、应变状态，建立裂纹扩展的力学条件。欧文（G.R.Irwin）等人对I型（张开型）裂纹尖端附近的应力应变进行了分析，建立了应力场、位移场的数学解析式。6/24/20219安徽工业大学材料科学与工程学院应力分量：6/24/202110安徽工业大学材料科

7、学与工程学院位移分量（平面应变状态）：6/24/202111安徽工业大学材料科学与工程学院（二）应力场强度因子KI裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定其位置外，尚与强度因子KI有关。对于某一确定的点，其应力分量由KI决定，所以对于确定的位置，KI直接影响应力场的大小，KI增加，则应力场各应力分量也越大。因此，KI就可以表示应力场的强弱程度，称为应力场强度因子。6/24/202112安徽工业大学材料科学与工程学院6/24/202113安徽工业大学材料科学与工程学院6/24/202114安徽工业大学材料科学与工程

8、学院（三）断裂韧度KIc和断裂K判据KI是决定应力场强弱的一个复合力学参量，就可将它看作是推动裂纹扩展的动力，以建立裂纹失稳扩展的力学判据与断裂韧度。当σ和a单独或共同增大时，KI和裂纹尖端的各应力分量随之增大。当KI增大到临界值时，也就是说裂纹尖端足够大的范围内应力达到了材料的断裂强度，裂纹便失稳扩展而导致断裂。这个临界或失稳状态的KI值就记作KIC或KC，称为断裂韧度。6/24/202115安徽工业大学材料科