材料力学性能教学课件ppt材料的断裂韧性

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1、1主讲人:张宁2一、线弹性条件下的金属断裂韧度二、断裂韧度KIC的测试三、影响断裂韧度KIC的因素四、断裂韧度在金属材料中的应用举例五、弹塑性条件下金属断裂韧度的基本概念第四章金属的断裂韧度3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

2、转子、船舶、桥梁等经常在屈服应力以下发生低应力脆性断裂。第四章金属的断裂韧度4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上，着重讨论线弹性条件下金属断裂韧度的

3、意义、测试原理和影响因素。第四章金属的断裂韧度5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。第一节线弹性条件下金属断裂韧度6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。第一节线弹性条件下金属断裂韧度7一、裂纹扩展的基

4、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展，如轴的纵、横裂纹在扭矩作用下的扩展。第一节线弹性条件下金属断裂韧度8二、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

5、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。第一节线弹性条件下金属断裂韧度9（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

6、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。第一节线弹性条件下金属断裂韧度10应力分量：第一节线弹性条件下金属断裂韧度11位移分量（平面应变状态）：第一节线弹性条件下金属断裂韧度12（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。第一

7、节线弹性条件下金属断裂韧度13第一节线弹性条件下金属断裂韧度14第一节线弹性条件下金属断裂韧度15（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。第一节线弹性条件下金属断裂韧度16KIC：平面应变下的断裂韧度，表示在平面应变

8、条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。KC：平面应力断裂韧度，表示平面应力条件材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。但KC值与试样厚度有关，当试样厚度增加，使裂纹尖端达到平面应变