材料韧性及破裂力学

《材料韧性及破裂力学》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、实用标准文案材料韧性及破裂力学新竹清华大学张士钦教授2004秋季于北京清华大学一、材料之韧性韧性是一材料由受力变形到断裂所能吸收的能量。一材料之韧性会随着材料中的缺陷、试片的大小、试片受力状况、时间、温度及环境而变。最常用的韧性测量试验是冲击试验(图一)，为了模拟实际状况，又有爆突试验、落重试验、动态撕裂试验、裂口停止温度试验等试验方式(图二)，以测试较大试片、较大之应变速率、较尖之裂口在不同温度下材料韧性之变化。前述的各种测量韧性试验，有一项共同的缺点：由这些试验所测出之参数，并非一材料常数。这些参数的值会随着试片的形状、大小以及刻痕的状况而变。通常发现

2、裂口愈尖、试片愈厚、温度愈低、荷重加的愈快时，材料显示出的韧性便愈小(图三及图四)。二、裂口位移的三型及裂面方向裂口前进其位移可分为如图五所示的三型(mode)。第1型为张开型，第2型为剪床型，第3型为撕剪(tear)型，若符合裂口前端平面应变条件(试片够厚)，则第1及2型可用罗马字I及II表示,罗马字III表示试片为符合反平面应变(anti-planestrain)条件的第3型裂口位移。三、裂缝存在对材料韧性的影响如图六所示，材料中的裂缝会：1.造成高局部应力及应变;2.造成三轴向张应力状态;3.造成高局部应变硬化及开裂4.造成局部应变速率增加。这些都会

3、降低材料的韧性。一般而言厚材料中裂缝的危害比在薄材料上大，因为在厚材料中裂口之材料受到三轴向应力，塑变受到限制，因而破裂韧性值较小(图七及图八)。四、材料的方向性与裂口裂面方向表示法材料的许多特性均与材料的方向有关，称之为方向性(Anisotropy)精彩文档实用标准文案。材料的方向性可分为两大类型，一为结晶学的方向性，是由于材料中各晶粒方向趋于一致而造成的。变形加工、再结晶甚或铸造的晶粒，都可能因成长方向相同，而使材料有了晶粒方向趋于一优选方向(Preferredorietation)的结构，称之为织构(Texture)。另一类型的方向性则是由于晶粒形状

4、沿成长或变形方向拉长，使材料中的晶界、第二相、空孔、夹渣等沿变形方向排列而造成的，称之为机械纤维(mechanicalfibering)。对于材料的机械性质而言，织构主要影响的是材料弹性变形及塑性变形的特性，而机械纤维则主要影响的是其断裂的特性。方向性材料中，裂口裂面方向通常用以短线相连的二组字母表示，前组字母表示裂面的正方向，后组字母表示预期中的其裂口前进方向，如ASTME399图1-3所示。在材料中常因结构有方向性之变化，因而对破裂有不同的反应，如图四所示，通常锻或轧材料中S-T方向试片裂口较易成长(图九及图十)。五、破裂力学的基本观念破裂力学是假设材

5、料中有裂缝存在，探讨裂缝在何种条件下会快速生长造成破裂的科学。材料中裂缝可能在熔铸、制造、焊接、切削、加工中产生，也可能由于腐蚀、疲劳、磨损、应力蚀裂、塑性变形等原因造成。若材料中有裂缝存在，此裂缝快速生长的条件称之为破裂判据(farcturecriteria)，乃是破裂力学研究的主要课题。材料破裂的典型过程是在一材料上施力，力逐渐增加，材料随之变形，终至材料产生了破裂。由此事实，可以合理假设裂缝快速成长(破裂)可能是必需(1)裂口尖端材料所受应力够大，(2)裂口尖端材料所生应变够大，或(3)外力所作之功与材料破裂释出之弹性能足供裂口成长所需之能量。由此发

6、展出现行的一些破裂判据。五、破裂判据1.裂口尖端应力一完美材料之理论破裂强度，即拉开原子间键结所需之应力为：精彩文档实用标准文案…………………………………(1)式中为杨氏系数，为表面能(表面张力)，为原子间平衡距离。若材料中有一长2c之裂口，设其裂缝尖端之曲率半径为R，则其产生的应力集中因子为1+2，在c>>R的情况下其值约为，因此在外力应力……………………………………(2)时，裂缝尖端应力已达而可能破裂。材料中极尖的裂口其，此时……………………………………(3)2.Griffith理论Griffith提出，"材料中因裂缝成长所减少之弹性能，至少要等于产生

7、其所新增之裂面的能量时，裂缝才可能成长"。如图十一所示，厚度为单位厚度t的无限大之平板上受σ之应力，由于中央一长2c之裂缝，使板中之弹性能降低了……………………………………(4)(注:在以下推导中，均假设裂缝长2c>>t，即符合薄板平面应力的条件。若为厚板平面应变条件，则要用取代。)而裂口表面能则为……………………………………(5)(4)与(5)之和即为裂口存在之总能量。依Griffith理论，若总能量会因裂口生长而下降，裂口才可能成长。即在临界条件下精彩文档实用标准文案………(6)由(6)可得=……………………………………(7)表示长度c之裂口，要在外加

8、应力为σc以上时才可能成长。及………………………………(8)表示外