第三章__断裂力材料基础.pdf

第三章 材料断裂强度 本章主要内容及要求： 1. 了解材料的理论断裂强度 2. 理解脆性材料断裂强度的Griffith 理论 3. 金属断裂的Orowan 理论 4. 了解材料构件中的应力集中 5. 了解应力强度因子KI 6. 断裂韧性KIC 、意义及其应用 7. 裂纹扩展力GI 与其临界值GIC 8. 断裂韧性的影响因素及韧化措施 另：平面应变断裂韧性试验 断裂问题的工程意义 (1) 危害大：机器、结构设计生产者责任重大 — 断裂设计 (2) 断裂基本类型－韧性断裂与脆性断裂 ：后者危险性大 (3) 材料分成韧性材料和脆性材料 韧性的金属材料： 脆性的陶瓷材料： 依据屈服强度设计可避免断裂事 断裂应力不稳定， 断裂强度 故(抗拉强度明显高于屈服强度) 波动很大。如何预测和避免 其构件的断裂，成为难题 二战后，采用各种手段强化使金 属的屈服强度大幅度提高。随之 陶瓷适用于高温，关键要解 暴露出了类似陶瓷材料那样的脆 决好其韧化问题 性问题。高强、超高强金属材料 的问题是强韧化 断裂事故例 断裂的理论分析与试验检测工作 (1) 最早用冲击吸收功来确认材料的韧脆性 • 许多情况下很有效—— 简单、高效检测 • 金属材料的高强度化带来了问题：如北极星导弹爆炸事件 所反映出的问题 • 没有从微观机理方面去认识断裂过程，停留在经验层次上 (2) 材料断裂理论的发展简史 • 材料领域关于断裂理论最早是1920s，针对玻璃和陶瓷的断 裂建立起的Griffith 断裂理论； • 二战后，将该理论修正应用于金属材料中的Orowan理论 ； • 再后，断裂理论继续发展，从线弹性断裂力学，发展到弹 塑性断裂力学 3.1 理论断裂强度与Griffith理论 、Orowan 理论 一、理论断裂强度分析 由原子结合键模型知：将相邻原 子之间的结合键拉断，需要使材 料的弹性应变量达10%以上。用 胡克定律近似，得理论断裂强度 th E σ ε ≈ ⋅ ≥ E b C 10 例：书图1 －8 中显示：Fe 晶须的 弹性应变量达到5% ，强度达到 了13.4 GPa 实际强度与理论强度的对比 金属材料中实际强度与理论强度对比分为两种情况： (1) 不符者：传统工艺制备的普通金属材料 •理论断裂强度约为20GPa (E=210GPa 的1/10)； • 多晶纯铁抗拉强度仅为400MPa ，相差两个数量级；经过强 化，以铁为基的金属材料的抗拉强度最高为2000MPa ，仍比 理论断裂强度低一个数量级 • 传统金属材料的断裂强度明显低于其理论值 (2) 两者相符：特殊的金属晶须、非晶材料 1.6微米的Fe 晶须抗拉强度达到13.4GPa，达到相同的量级！ 通常材料中两者不符的原因？个别相符何故？ 二、Griffith理论 断裂是裂纹扩展的结果。材料构件中预 基本 预 存裂纹时，在外应力作用下该裂纹是否 存裂纹 思路 会扩展而导致断裂？ 具体情况：无限宽板，厚度t ，中心有一个穿透裂 纹，长度为2a 。垂直该裂纹面方向上承受拉应力 从能量角度出发，分析裂纹扩展的情况 随着裂纹扩展(2a 增大) ： • 表面积增加，表面能增大－－阻力 • 弹性应变能释放使总弹性能降低－驱动力 总能量ut 随着裂纹长度2a 的变化 能量变化表明：裂纹在小尺寸下稳定(不扩 展) ；超过某个临界值后要扩展( 自发扩展) 裂纹尺寸相关的能量 阻力－表面能