材料力学性能第5章

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1、材料的力学性能第五章材料的断裂韧性肖良红制作第五章材料的断裂韧性5.1断裂类型分类5.2理论断裂强度和含裂纹构件的断裂应力5.3各种断裂类型及相应断裂机理5.4平面应变断裂韧性KIC测试5.5表面裂纹断裂韧性KIE测试5.6平面应力断裂韧性KC的测试5.7J积分临界值JIC的测试5.8裂纹张开位移COD临界值dC的测试5.9材料的切口强度和冲击韧性5.10材料的低温脆性5.1断裂类型分类（1）过载断裂（2）疲劳断裂（3）蠕变断裂（4）环境断裂（1）韧性断裂（2）脆性断裂（1）正断（2）切断（1)沿晶断裂（2)解理断裂（3)微孔聚集型断裂（4)准解理断裂（5)纯剪切断裂

2、1.按服役条件分类2.按断裂应变分类3.按断裂面取向分类4.按口形貌分类5.按断裂路径分类（1）沿晶断裂（2）穿晶断裂5.2理论断裂强度和含裂纹构件的断裂应力5.2.1理论断裂强度5.2.2含裂纹构件的断裂应力1．原子键结合力sth2．理论剪切断裂强度tmax1．Orowan断裂理论2．Griffith理论求导HOOK定律Gilman假定势能U(r)余弦函数原子间互作用势和互作用力1.原子键结合力sth1.原子键结合力sth设应力函数为最简单的三角形函数按量子力学第一原理的计算2.理论剪切断裂强度tmaxtmax就是理论剪切强度tmax是滑移面上原子从一个平衡位置(x

3、＝0)到另一个平衡位置(x＝a)时所遇到的最大阻力(对应x＝a/4)外加切应力大于或等于tmaxHook定律1．Orowan断裂理论长为2a的中心贯穿裂纹平面应变条件下金属材料，即使是脆性的金属间化合物,故必须应用Orowan公式2．Griffith理论释放的弹性能增加的表面能求导得临界状态金属材料塑性修正5.3各种断裂类型及相应断裂机理5.3.1脆性断裂5.3.2韧性断裂1．脆性断口2．脆断的应力判据3．双参数脆断判据4．脆性断裂的位错理论1．变温引起的韧-脆转变2．环境引起的韧-脆转变3．影响韧脆转变的因素5.3.3脆性-韧性转变1．韧性断口2．微孔成核、长大和聚

4、合3．影响韧性断裂扩展的因素4．韧断的应力判据5．韧断的应变判据6．空洞形核的能量判据1.脆性断口（1）宏观脆性断口（2）解理断口（3）准解理断口（4）沿晶断口（1）宏观脆性断口断口较平坦看不到纤维区和剪切唇，只存在放射区。只有在扫描电镜等高倍放大仪器下，才能区分分解理、准解理或沿晶断口。放射线发源于断裂源。放射区呈人字形花样，人字的尖端指向断裂源。材料越脆(即塑性越差)，放射线就显得越细。若材料处于极脆状态，则放射线消失。若晶粒较粗，则可以看到许多强烈反光的小平面(或称刻面)，这些小平面就是解理面或晶界面，可叫做晶状断口。特点（2）解理断口断口呈河流，扇形或羽毛状花

5、样，如图示舌状花样，如图示原子间结合键遭到破坏，沿表面能最小、低指数的晶面（解理面）劈开而成。成因螺型位错穿过解理面，遇到第二个螺位错，产生台阶。解理裂纹与孪晶相遇时，便沿孪晶面发生局部二次解理，二次解理面与主解理面之间的连接部分断裂，形成舌状花样特点舌状花样形成原理河流花样形成原理③准解理断口上局部区域出现韧窝，是解理与微孔聚合的混合型断裂。但准解理断裂仍是解理、其宏观表现是脆性的。（3）准解理断口成因获得解理断口时，如脆性裂纹沿不能确定的晶面扩展，断口上看不到明显的河流花样或扇形花样断口上存在一些河流或扇形花样，又存在通过剪切撕裂而形成的撕裂棱。①准解理裂纹常起源

6、于晶内硬质点，向四周放射状地扩展，而解理裂纹则自晶界一侧向另一侧延伸②准解理断口有许多撕裂棱与解理断裂不同点（4）沿晶断口成因断口特点①晶界存在连续分布的脆性第二相晶粒边界的结合强度远比晶内要低，脆性裂纹就会择优在晶界形核，并沿晶界扩展，在断面上可看到晶粒轮廓线或多边体晶粒的截面图，如图示。有时仍可看到河流或扇形花样③由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力腐蚀、应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。②微量有害杂质元素在晶界上偏聚2.脆断的应力判据无裂纹低温解理断裂时抗拉强度为(或断裂强度)sb特征距离应力判据Q值或syy随外加应力s的增大而增大3.双参数脆断判据如图

7、示，当外应力s较小，满足裂纹形核条件的OA区域和裂纹能扩展的BC区域不重合，这时并不发生脆断。如外应力s升高，ep和syy均上升，虚线所示。这时裂纹形核区OA1与扩展区B1C1，在B1A1区域内重叠，即在B1A1区域内裂纹形核条件和扩展条件均能满足，能发生脆断解释满足条件4.脆性断裂的位错理论（1）Zener-stroh位错塞积理论（2）Cottrell位错反应理论（3）Smith碳化物开裂理论（1）Zener-stroh位错塞积理论在剪应力作用下，滑移面上的刃型位错运动遇到障碍(晶界或第二相粒子)时，即产生塞积。如果寒积处的应力集中不能被塑性变形松