材料的断裂韧性课件.ppt

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1、第四章材料的断裂韧性1本章内容本章将以断裂力学的基本原理为基础，介绍材料断裂韧度的意义、影响因素及应用。主要内容:1)线弹性条件下的断裂韧性；2)弹塑性条件下的断裂韧性；3)影响材料断裂韧度的因素；4)断裂韧度在工程中的应用.2重点：了解概念Griffith断裂理论、断裂韧度、低应力脆断、应力场强因子、J积分、断裂韧度的几个判据（K、G、J和COD判据）、断裂韧度影响因素。难点：裂纹尖端的应力场及应力场强因子KI3前言2009年8月28日一艘巴拿马油轮在埃及苏伊士港断裂为两段传统的强度理论：材料

2、为连续、均匀的、各向同性的受载体，断裂是瞬时发生的。断裂的准则是σmax≤σs/n，n>14低应力脆断低应力脆断：工程材料和构件，特别是高强度钢、超高强度钢的机件，中、低强度钢的大型机件在工作应力远低于屈服极限的情况下发生脆性断裂的现象。为什么？如何防止？断裂力学5断裂力学的研究内容包括:裂纹尖端的应力、应变和应变能的分析；提出描述裂纹体应力场强的力学参量及计算方法；建立新的断裂判据；研究断裂机制和提高材料断裂韧性的途径等。6韧度韧度：衡量材料韧性大小的力学性能指标，可分为静力韧度、冲击韧度、断裂韧

3、度韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力(1)静力韧度()(2)冲击韧度或冲击值αKU(αKV):7金属材料理论断裂强度实际强度仅为σm的1/10~1/10008高分子材料理论断裂强度实际上高分子材料的强度仅为几个到几十个MPa91921年Griffith为了解释玻璃的理论强度与实际强度的巨大差异，提出了微裂纹理论，后来逐渐成为脆性断裂的主要理论基础。1．理论的提出Griffith认为实际材料中总是存在许多细小的微裂纹或缺陷，在外力作用下产生应力集中现象，当应力达到一定程度时，裂纹开始扩展,

4、导致断裂。Griffith断裂理论10Griffith断裂理论11Griffith公式Griffith裂纹12奥罗万（E.Orowan)修正裂纹尖端由于应力集中，局部区域发生塑性变形，消耗塑性功γp13陶瓷：E=3×1011Pa，γ=1J/m2，裂纹长度a=1μm则σ=4×108Pa高强度钢：陶瓷材料在微观尺度裂纹时便会发生低应力断裂；金属材料在宏观尺度裂纹时才发生低应力断裂144.1线弹性条件下的断裂韧性线弹性断裂力学认为在脆性断裂过程中，裂纹体各部分的应力和应变处于线弹性阶段，只有裂纹尖端极小区

5、域处于塑性变形阶段.两种方法：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K判据能量分析方法，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G判据15一、裂纹扩展的基本方式1.张开型（I型）裂纹扩展正应力垂直于裂纹面扩展方向与正应力垂直162.滑开型（II型）裂纹扩展剪切应力平行于裂纹面，裂纹滑开扩展173.撕开型（III型）裂纹扩展切应力平行于裂纹面，裂纹沿裂纹面撕开扩展18设有一承受均匀拉应力σ的无限大板，中心含有长为2a的I型穿透裂纹。二

6、、裂纹尖端的应力场及应力场强度因子KⅠ19应力分量：20平面应力与平面应变状态平面应力21平面应变22平面应力与平面应变状态区别Z轴方向上的应力σz或应变εz是否为零区分标准平面应力平面应变应力σz=0应变εz=023平面应变状态应变分量为：24平面应变状态位移分量为：25裂纹尖端任意一点的应力、应变和位移分量取决于该点的坐标(r，θ)、材料的弹性模数以及参量KI应力强度因子KI应力强度因子KⅠ反映了裂纹尖端区域应力场的强度。26若裂纹体的材料一定，且裂纹尖端附近某一点的位置(r，θ)给定，则该点的

7、各应力、应变和位移分量唯一决定于KI值KI值愈大，则该点各应力、应变和位移分量之值愈高KI综合反映了外加应力和裂纹位置、长度对裂纹尖端应力场强度的影响，其一般表达式为27a一定时，存在临界的应力值σc，只有σ>σc．裂纹才能扩展，造成破断σ一定时，存在临界的裂纹深度ac，当a

8、在裂纹尖端足够大的范围内，应力达到材料的断裂强度，裂纹便失稳扩展而导致材料的断裂，这时KI也达到了一个临界值，记为KIC或KC,称为断裂韧度，表示材料抵抗断裂的能力。断裂韧度KIC：平面应变断裂韧度Kc：平面应力断裂韧度29KI是一个力学参量，表示裂纹中裂纹尖端的应力应变场强度的大小，它决定于外加应力、试样尺寸和裂纹类型，而和材料无关。KIC是一个是材料的力学性能指标，它决定于材料的成分、组织结构等内在因素，而与外加应力以及试样尺寸等外在因素无关，为平面应变断裂韧度。