第四章 金属断裂韧度

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1、第四章金属的断裂韧度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）可能低于屈服力，发生断裂，是一种低应力脆断，其断口没有宏观塑性变形痕迹；（c）由宏观裂纹扩展引起。因此，工程上常采用加大安全系数；浪费材料。但过于加大材料的体积，不一定能防止断裂。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，利用弹塑性力学理论，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）。第一节线弹性条件下的断裂韧度断裂分析方法应力应

2、变法考虑裂纹尖端的应力场强度（从防止裂纹扩展的角度考虑），得到相应的断裂Ｋ判据能量分析法考虑裂纹扩展时的能量变化（吸收能量的角度考虑），建立能量转化平衡方程，得到相应的断裂Ｇ判据断裂韧性:材料阻止裂纹扩展的能力或材料在断裂过程中吸收能量的能力。一、裂纹扩展的基本形式（根据外应力与裂纹扩展的取向关系）1、张开型（I型）：拉应力垂直作用于裂纹扩展面2、滑开型（II型）：切应力平等作用于裂纹面，与裂纹线垂直3、撕开型（III型）：切应力平等作用于裂纹面，与裂纹线平行二、应力场强度因子KI和断裂韧度KIC1、裂

3、纹尖端应力场、应力分析尖端无限大板材Z=0(平面应力)薄板z=·(σx+σy)(平面应变)厚板①应力场（应力分量，极座标）在裂纹延长线上，（即x的方向），θ=0拉应力分量最大；切应力分量为0。因此，裂纹最易沿X轴方向扩展。②应力分析通式：a—1/2裂纹长度Y—裂纹形状系数（无量纲量）一般Y=1~22、应力场强度因子KIKI可以反映裂纹尖端应力场的强弱。称之为应力场强度因子。KI=lim(2r)1/2·y/=0=0，r0时，可求得KⅠ量纲：MPa·m1/2外加平均应力形状系数Y与裂纹尺寸、

4、位置、样品尺寸等有关根据不同的裂纹存在位置，→应力场→应力→Y实际应用中，可根据试样、加载方式，查手册。注意：Y是无量纲的系数而KI有量纲MPa·m1/2或MN·m-3/2由材料的断裂韧度及构件的工作应力，则可估算出构件所允许的最大裂纹尺寸；由材料的断裂韧度及裂纹的最大尺寸，可估算出构件的最大承载能力；由构件的工作应力及裂纹尺寸，可估算出构件所选材料所要求的最小断裂韧度值。注：断裂韧度是一个对材料成分与组织敏感的力学性能指标，可以通过合金化及热处理等方法改变。3、断裂韧度KIC和断裂判据①断裂韧度当K

5、I达到临界值时，裂纹尖端足够大的范围内，应力达到断裂强度，裂纹失稳快速扩展而断裂。临界或失稳状态的KI值记作：KIC或KC，称为断裂韧度。KC—平面应力断裂韧度KIC—平面应变，I类裂纹时断裂韧度②断裂判据KIKIC发生裂纹扩展，直至断裂KIC=Y·c·(ac)1/2其中c：为临界状态时对应的平均应力（也即断裂应力或裂纹断裂强度）ac：临界裂纹尺寸KICc或ac难以断裂KIC表征材料抵抗断裂的能力裂纹扩展的脆断判据：KI≥KIC（KC）

6、（只适用于线弹性体——弹性状态下的断裂分析）（有严格的测试标准）（1）四种试样：三点弯曲，紧凑拉伸，C型拉伸，圆形紧凑拉伸试样。大小及厚度有严格要求预先估计KIC（类比法），再逼近。预制裂纹长度有一定要求，2.5%W（2）方法弯曲、拉伸；传感器测量，绘出有关曲线。（3）结果处理根据有关的函数（可以查表）第二节断裂韧度的测试一、三点弯曲测试法1、样品必须保证裂纹尖端处于平面应变和小范围屈服状态厚度规定、长度规定、预制裂纹长度规定预制裂纹在疲劳试验机上进行2、方法及过程（1）加载载荷P（2）记录

7、裂纹嘴张开位移V（3）绘制P-V曲线从原点O作一相对直线OA部分斜率减少5%的割线。如果交点PQ：①前无比P5大的高峰载荷，则PQ=P5②交点前有比P5大的峰值载荷，则PQ为该峰值（4）确定裂纹失稳扩展时的临界载荷PQ韧性好脆性大（5）断裂后裂纹长度a=(a2+a3+a4)/3断裂区线切割裂纹疲劳预制裂纹式中按相应公式计算KⅠ值，记为条件断裂韧性KQ3、结果处理有效性校核：计算得到的KQ是否为平面应变断裂韧性K1C，需要校核（1）裂纹厚度B的要求（2）裂纹长度a的要求（3）韧带尺寸（W－a）的要求（4）

8、载荷比判据（5）裂纹外观检查：a2、a3、a4中的最大值与最小值之差不得超过2.5％W(≈5%a)；表面裂纹a1、a5的长度不得小于裂纹平均值的90％；裂纹面与试样横截面偏离不超过10°。以上条件全部满足时，才能认为试验是有效的，即KQ=K1C。第三节影响断裂韧度的因素1）材料因素（内在因素）①化学成分②晶粒大小③第二相，夹杂④处理工艺（热处理、强化处理）2）外因（环境因素）①温度②应变速度