《材料的断裂》PPT课件.ppt

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1、第四章材料的断裂断裂是工程构件的重要失效形式之一，且比磨损、腐蚀等失效形式更具危险性。材料发生的任何断裂过程都包括裂纹形成、扩展二阶段，且裂纹形成是材料塑性变形的结果。研究材料的断裂特征、断裂机理、断裂力学条件及其影响因素的对构件的安全设计与选材及失效分析具有重要意义。4.1理论断裂强度从宏观力学分析的角度，关于材料的强度面临着以下两个重要问题：一是完整晶体沿原子面正断的理论断裂强度和实际材料的断裂强度为什么会有很大的差异？二是对有初始缺陷的实际晶体（主要是裂纹体），断裂时将取决于什么参量，其断裂强度又具有何种含义？理论断裂强度（P45）基于弹性变形的双原子模型给出

2、的原子内结合力随原子间距的变化关系可得晶体沿某晶面被拉开产生纯弹性正断的理论断裂强度：可见，金属晶体纯弹性正断的理论断裂强度是由三个材料常数决定的。例：纯铁的理论断裂强度为40000MPa，经过一系列强化，实际断裂强度也大致在2000MPa左右。问题？钢的实际断裂强度比理论断裂强度小一个数量级以上。对一般的工程材料，实际断裂强度也只有理论断裂强度的1/100~1/1000。只有很细、几乎不存在缺陷的金属晶须和碳纤维的实际断裂强度才能接近于其理论断裂强度。对实际材料而言，必有晶体缺陷存在，其断裂问题从本质上讲应该是含有缺陷的物体的断裂问题，可认为是裂纹体的断裂问题。G

3、riffith理论的出发点：假定在实际材料中已经存在裂纹(可视为裂纹体)，当名义应力很低时，在裂纹尖端的局部应力已经达到很高数值（达到理论断裂强度），从而使裂纹快速扩展并导致材料脆性断裂。4.2裂纹体的断裂强度-Griffith准则Griffith准则如图，设有一单位厚度的无限宽平板，先使其受均匀拉应力作用而弹性伸长后，将两端固定形成一个隔离系统。然后在此平板上开一垂直于拉应力的、长度为2a的裂纹，则平板内总能量为：释放的弹性应变能：裂纹新表面形成消耗的能量：则系统总能量：由弹性理论计算，据裂纹处于临界失稳状态下的能量平衡条件可得该裂纹体的断裂强度（即著名的Grif

4、fith判据）为：Griffith平板及其中裂纹的能量变化Griffith公式解释了的问题(如：a=0.1mm)。Griffith准则的重要意义还在于它对脆性断裂提出了一个新的判据：该式表明：在理想脆性材料中的裂纹失稳扩展（即断裂）是受远处外加应力与裂纹长度的平方根的乘积和材料常数所控制的。由于对给定的理想脆性材料，E和是定值，Griffith从能量平衡的意义上给出了理想脆性断裂的必要条件。即：Griffith断裂准则：裂纹失稳扩展（断裂）是在达到一恒定的临界值时产生的。据以上讨论可知，Griffith理论分析仅限于完全脆性的情况，而实际上绝大多数的金属材料断裂前和

5、断裂过程中裂尖区都会产生塑性变形，从而使裂尖钝化。因此，在实际金属材料中，应对Griffith断裂准则进行修正。在Griffith理论提出30年后，Orowan通过对金属材料裂纹扩展的研究，指出裂纹扩展前其尖端附近要产生一个塑性区。因此，提供裂纹扩展的能量不仅用于形成新表面所需的表面能，而且还要用于引起塑性区塑性变形所需的塑性功。据此，塑性功P和表面能一起成为了裂纹扩展的阻力。经Orowan修正后，材料的断裂强度为：或材料的宏观断裂类型根据不同的分类方法而异。断裂按断前有无产生明显的塑性变形可分为韧性断裂和脆性断裂。可以光滑拉伸试样断面收缩率等于5%为界。断裂按断裂

6、面的取向或按作用力方式不同可分为正断和切断。4.3材料的宏观断裂类型和力学状态图典型断裂的宏观断口(不同断裂形式下的意义)1.宏观正判：断面在宏观上表现为与试样轴向（加载方向）垂直。但在微观上不一定是垂直于晶面的正断（解理）。有可能是剪切型断裂，形成韧窝。2.宏观切断：断面在宏观上表现为与试样轴向（加载方向）约呈。韧性断裂的宏观断口形态通常，具有一定塑性的材料，拉伸实验时都会产生不同程度的颈缩，从而在宏观上产生宏观切断或与宏观正断相混合的断裂。可以认为产生的断裂是韧性断裂。断口(形态)一般可由以下三部分组成：韧性断裂的宏观断口1．纤维区：因颈缩后试样心部的应力最大，

7、所以裂纹开始于试样心部。实际上试样中心部分最先出现一些已明显可见的显微空洞（微孔或微裂纹），随后长大、聚集而形成锯齿状纤维断口。通常立体上呈环状。2．放射区：环状纤维区发展到一定尺寸（临界裂纹尺寸）后，裂纹开始快速扩展（失稳扩展）而形成放射区。表现为宏观正断，但微观上并非正断（解理）。与纤维区不同，放射区是在裂纹到达临界尺寸后进行快速低能撕裂的结果。3．剪切唇：放射区形成后，试样承载面积只剩下最外侧的环状面积，最后由拉伸应力的分切应力所切断，形成剪切唇。韧性断裂（杯锥状）断口的形成光滑圆柱试样受拉伸力作用，产生缩颈时试样的应力状态也由单向变为三向，且中心区轴向应