Chapter 4 金属的断裂韧度

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1、1、低应力脆性断裂的特点(1)突然性或不可预见性；(2)低于屈服力，发生断裂；(3)由宏观裂纹扩展引起。传统：加大体积→增大安全系数→不一定防止断裂。第四章断裂韧度断裂力学12、研究断裂的两种思路传统的材料力学：材料是均匀、无缺陷的连续体。研究思路：采用力学强度理论进行设计。断裂力学：材料含有裂纹→裂纹扩展→引起低应力脆断。研究思路：运用弹性、塑性力学理论，对裂纹尖端区域进行受力分析→提出表征材料抵抗裂纹体扩展能力的指标：断裂韧度。23、线弹性断裂力学的假定(1)材料内部存在裂纹；(2)材料在脆断前基本上是弹性变形的；

2、(3)裂纹尖端极小区域内有塑性变形。4、线弹性断裂力学的目的(1)建立描述裂纹扩展的新的力学参量；(2)建立断裂判据；(3)建立材料力学性能指标—断裂韧度。35、线弹性力学处理方法(1)应力应变分析方法研究裂纹尖端附近的应力应变场，提出应力场强度因子及对应的断裂韧度和断裂判据—K判据；(2)能量分析方法研究裂纹扩展时系统能量的变化，提出能量释放率及对应的断裂韧度和断裂判据—G判据。4一、裂纹扩展的基本形式1、张开型(I型)2、滑开型(II型)3、撕开型(III型)裂纹的扩展常常是组合形式，I型裂纹最危险。§4.1线弹性

3、条件下的金属断裂韧度应力场分析法56图4-1无限大平板中有穿透型I型裂纹时裂纹尖端附近的应力场二、应力场强度因子KI及断裂韧度KIc(一)裂纹尖端应力场71、裂纹尖端应力场(应力分量、极坐标)8(1)P点的位置(r，θ)：可见：裂纹尖端附近的应力分布由两大因素决定。(2)包括了试样的形状和尺寸；裂纹的形状、尺寸及位置；加载方式及大小。92、应力分析在裂纹的延长线上，θ=0。在x轴上裂纹尖端的切应力分量为0，拉应力分量最大，裂纹最容易沿该方向扩展。10(二)应力场强度因子KI对于给定材料，裂纹尖端附近确定点P(r，θ)，

4、KI决定了裂纹尖端应力场的大小或强弱程度，称为应力场强度因子。Y：裂纹形状系数，与裂纹类型有关。KI：MPa·m1/2或KN·m-3/2。a：裂纹半长或全长。应力场强度因子通式11注：(1)KⅠ为与外加应力大小、裂纹性质等有关的复合力学参量，但并非力性指标；(2)裂纹尖端附近各固定点P(r，θ)的应力分量取决于KI，所以可把KI看成引起裂纹扩展的动力。12(三)断裂韧度KIc和断裂K判据1、断裂韧度KIc当应力达到断裂强度，裂纹失稳扩展而导致材料的断裂，此时KI达到临界值Kc或KIc—断裂韧度，是力学性能指标。Kc：平

5、面应力条件下断裂韧度；KIc：平面应变条件下的断裂韧度。13断裂韧度：临界或失稳状态下的应力场强度因子的大小。表示在平面应力或平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。断裂应力或裂纹体的断裂强度临界裂纹尺寸142、KIc与KI之间的区别(1)KIc是材料的力学性能指标之一，反映材料抵抗裂纹失稳扩展即抵抗脆性断裂的能力。决定于成分、组织结构等内在因素，而与外加应力及试样尺寸等外在因素无关。(2)KIc是KI的临界值，与KI有相同的量纲，但KIc与KI的意义截然不同。KI描述裂纹前端内应力场强弱的力学参量，决定于外加应力、

6、试样尺寸和裂纹类型，而与材料无关。153、脆性断裂K判据设：裂纹长2a(或a)，外加σ引起裂纹前端应力场，而抵抗失稳扩展的能力为KIc。脆性断裂判据：应力场强度因子KI≥KIc。如果KI

7、

8、近塑性区的形状和尺寸沿x轴方向最容易扩展。21(2)塑性区宽度一般将沿x轴方向的塑性区尺寸定义为塑性区宽度，此时θ=0，则有：平面应力平面应变22图4-3应力松弛对塑性区尺寸的影响23(3)应力松弛对塑性区的影响由于“缺口强化”，使最大应力大于有效屈服强度σys。但由于屈服时应力应等于有效屈服应力σys，则凡超出σys部分的应力将