第四章材料力学性能要点解析.ppt

§4 提高陶瓷材料断裂韧性的常用方法 弱的界面结合可以通过界面滑动、解离甚至第二相拔出来形成裂纹表面桥联作用而增韧 6）韧性相增韧 陶瓷材料中分布着韧性相，韧性相会在裂纹扩展中起附加吸收能量的作用。 裂纹尖端附近韧性相出现较大范围的塑性变形，消耗变形功； 裂纹尖端塑变可以松弛应力。 7）纤维、晶须增韧 弥散于陶瓷基体构成复合材料时，纤维或晶须能为 基体分担大部分外加应力而产生强化 弥散于陶瓷基体构成复合材料，纤维或晶须能为基体分担大部分外加应力而产生强化。 当有裂纹时， 裂纹为避开纤维或晶须，沿着基体与纤维或晶须界面传播，使裂纹扩展途径出现弯曲从而使断裂能增加而增韧。 纤维或晶须也可能从基体中拔出，消耗部分能量；同时在接近尖端后部，部分未拔出或末断裂的纤 维或晶须桥接上下裂纹面，降低应力集中，提高韧性。 8）表面残余压应力增韧 第四章 金属的断裂韧度 §5弹塑性条件下金属断裂韧度概述 广泛使用的中、低强度钢σs低，KIC高， 其中对于小型机件而言，裂纹尖端塑性区尺寸较大，接近甚至超过裂纹尺寸，已属于大范围屈服条件，裂纹扩展前已整体屈服。 大尺寸构件，尺寸大，平面应变，屈服区小， KIC 适用。测试时，试样尺寸大，困难。 一、J积分的意义和特性 设有一单位厚度的I型裂纹体，逆时针取一回路Γ 其所包围的体积内应变能密度为ω，Γ回路上任一点作用应力为T. 在弹性状态下，Γ所包围体积的系统势能，等于弹性应变能和外力功之差U=Ue -W 第四章 金属的断裂韧度 因厚度为1，故裂纹尖端的G为 Γ内总应变能为: 外力在该点所做的功为: 这就是在线弹性条件下G的能量线积分的表达式。 在弹塑性条件下，如将应变能密度ω定义为弹塑性应变能密度，也存在该式等号右端的能量线积分，Rice将其定义为J 积分。 JI 为I型裂纹的能量线积分 在线弹性条件下，JI=GI=KI2/E 在弹塑性小应变条件下，上式也成立。同时，在小应变条件下，J积分和路径Γ无关，即J的守恒性。 第四章 金属的断裂韧度 J积分的断裂判据就是G判据的延伸，或将线弹性条件下G延伸到弹塑性断裂，J 表达形式G相似。 ★在弹塑性条件下，表达式相同，但物理概念有所不同 G：在线弹性条件下G的概念是一个含有裂纹尺寸为a的试样，当裂纹尺寸扩展为a+da 时系统能量的释放率。 J：在弹塑性条件下，则是两个试样： 一个尺寸为a的裂纹，而另一个试样的裂纹尺寸为a+da ，两者在加载过程中形变功之差。 J不能描述裂纹的扩展过程，不允许卸载情况发生。 §5 弹塑性条件下金属断裂韧度概述 J积分也可用能量率的形式来表达，即在弹塑性小应变条件下，JI =GI成立，这是用试验方法测定JIC的理论根据。 只要测出阴影面积OABO和Δa，便可计算JI 值。 塑性变形是不可逆的，因此求J值必须单调加载，不能有卸载现象。但裂纹扩展意味着有部分区域卸载。 所以，在弹塑性条件下， JI不能象GI那样理解为裂纹扩展时系统势能的释放率。 应理解为：裂纹相差单位长度的两个等同试样，加载到等同位移时 ，势能差值与裂纹面积差值的比率，即所谓形变功差 率。 通常J积分不能处理裂纹的连续扩张问题，其临界值只是开裂点，不一定是失稳断裂点。 §5 弹塑性条件下金属断裂韧度概述 JIC判据 1）在弹塑性小应变条件下 JI≥JIC 此时，裂纹就会开始扩展，但不能判断其是否失稳断裂。 平面应变条件下，J积分的临界值JIC也称断 裂韧度，表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力。 2) 在线弹性条件下 平面应力 平面应变 为线弹性条件下的断裂判据 亦为断裂判据 目前，JI判据及JIC测试目的，主要期望用小试样测出JIC，换算成大试样的KIC，然后再按KI判据去解决中、低强度钢大型件的断裂问题。 §5 弹塑性条件下金属断裂韧度概述 二、裂纹尖端张开位移 (COD)和断裂韧度δC 由于裂纹尖端的应变量较小，难于精确测定。而裂纹尖端的张开位移COD( Crack Opening Displacement)可以间接表示应变量的大小 1.线弹性条件下 裂纹尖端由O点虚移到O’点，裂纹长度由a变为a*＝a+ry。 原裂纹尖端O处要张开，张开位移量为2V。这个张开位移就是COD，即δ。在线弹性和平面应力条件下，I型裂纹顶端的张开位移为： 可见，δ与KI，GI可以定量换算。在小幅范围内，KI≥KIC，GI≥GIC既然可以作为断裂判据，则δ≥δC亦可作为断裂判据 裂纹尖端张开位移 (COD)和断裂韧度δC 2. 弹塑性条件 假设一个中、低强度钢无限大的板 中有I型穿透裂纹，在平均应力作用下裂纹两端出现塑性区，裂纹尖端因塑性变形而钝化，在2a不增加时, 裂纹沿σ方向张开的位移δ　 只适用与裂纹前端产生大范围屈服,而不适合用于全屈服。 理想塑性材料无限大薄板中有一 长2a的Ⅰ型