第04章 金属的断裂韧度ppt课件.ppt

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1、第4章金属的断裂韧度§4.1线弹性条件下的断裂韧度§4.2弹塑性条件下的断裂韧性§4.3断裂韧度的测试§4.4影响断裂韧度的因素§4.5断裂韧度在工程上的应用1断裂是工程上最危险的失效形式。特点：（a）突然性或不可预见性；（b）低于屈服应力而发生断裂；（c）由宏观裂纹扩展引起。∴工程上，常采用加大安全系数的方法。不足：浪费材料；且过于加大构件材料的体积，对防止断裂不一定奏效。∴发展出断裂力学。断裂力学的研究范畴：把材料看成是裂纹体，利用弹塑性理论，研究裂纹尖端的应力、应变，以及应变能分布；确定裂纹的扩展规律；建立裂纹扩展的新的力学参数（断裂韧度）。2主要内容含裂纹体材料的

2、断裂判据。固有的性能指标—断裂韧度：用来比较材料的抗断裂能力，KIC,GIC,JIC，δC。用于设计：已知KIC和σ，求amax。已知KIC和ac，求构件最大承载能力。已知KIC和a，求σ。讨论：KIC的意义，测试原理，影响因素及应用。3§4.1线弹性条件下的断裂韧度4.1.1裂纹扩展的基本形式a)张开型（I型）正应力引起，裂纹扩展方向与之垂直b)滑开型（II型）切应力引起，裂纹扩展方向与切应力平行c)撕开型（III型）切应力引起，裂纹扩展方向与切应力垂直裂纹的扩展常常是组合式的。I型的危险性最大！44.1.2应力场强度因子KI和断裂韧度KIC（1）裂纹尖端应力场、应力分

3、析模型条件：无限大板，有2a长的I型穿透裂纹，无限远处作用有均匀的拉应力σ。5①应力场（应力分量，极座标）平面应力　σz=0平板很薄，Z向视为无应力约束平面应变σz=ν（σx+σy）厚板（εz＝0）Z向变形受到很大约束(4-1)6对于某点的位移则有（平面应变）ω=0u、v、ω分别为在x、y、z方向上的位移。以上为近似表达式，越接近裂纹尖端（即r越小）精度越高；最适合于r<

4、），其应力分量就由KI决定；KI越大，则应力场各应力的分量越大，∴KI值大小可以反映应力场的强弱程度，称之为应力场强度因子。由应力分量表达式可见，当r→0时，各应力分量都以r-（1/2）的速率→∞，表明裂纹尖端处应力是奇点，应力场具有r-（1/2）阶奇异性，使K1具有场参量的特性。I型裂纹K1的通式：a-1/2的裂纹长度Y-裂纹形状系数（无量纲量），一般Y=1～2由通式可见，KI是一个决定于外加应力σ和裂纹半长a的复合力学参量。不同的σ与a的组合，可获得相同的KI值。a不变时，↑σ，可使KI↑；σ不变时，↑a，可使KI↑；σ和a同时↑，也可使KI↑。9形状系数Y的计算很复

5、杂根据不同的裂纹存在位置，→应力场→应力→Y实际应用中，可根据试样、加载方式，查手册，找出KI的表达式和Y值。（参见表4-1）如：宽板中心贯穿裂纹注意：Y是无量纲的系数而KI的量纲：【应力】*【长度】1/2MPa·m1/2或MN·m-3/210（3）断裂韧度KIC和断裂K判据当σ和a单独或共同增大时，KI和裂纹尖端各应力分量也随之增大；①断裂韧度当KI达到临界值，→即在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，材料断裂。这个临界或失稳状态的KI记为KIC或KC，称为断裂韧度。KC—平面应力断裂韧度KIC—平面应变，I类裂纹时断裂韧度意义：KIC表示

6、在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。关于KIVSKIC（概念）：KI和σ对应，都是力学参量，只和载荷及试样尺寸有关，而与材料无关。KIc和σs对应，都是力学性能指标，只与材料成分、组织结构有关，而与载荷及试样尺寸无关。11Note：KC与试样厚度有关，当试样厚度增加时，KC趋于最低的KC值，i.e.,KIC。KIC是真正的材料常数。量纲与KI相同，MPa*m1/2临界状态下对应的平均应力，即为断裂应力σc、对应的裂纹尺寸为临界裂纹尺寸ac。三者的关系：KIC值越大，σc、ac就越大，表明越难断裂。所以KIC表示了材料抵抗断裂的能力。②断裂判据KI

7、但不会扩展(称为破损安全)KI≥KIC（或≥KIC）裂纹扩展，直至断裂。以上断裂判据式将材料断裂韧度KIC同机件（或构件）工作应力σ及裂纹尺寸a的关系定量的联系起来，可用于设计计算，如估算裂纹体的最大承载能力σ，允许的裂纹尺寸a，以及用于优化选材、优化工艺。12（4）KI的塑性修正前面讨论的KI断裂判据，只适用于线弹性体（弹性状态下的断裂分析）。实际上，裂纹扩展前，在尖端附近，材料总要先出现一个或大或小的塑性变形区。这与缺口前方存在塑性区很相似。（IF塑性区的尺寸r<裂纹尺寸a，小范围屈服）∴单纯的线弹性理论须进行修正。①塑