第四章 金属的断裂韧度.ppt

第四章 金属的断裂韧度 引言 §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 §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 3、断裂韧度JIC及断裂J判据 JIC的单位与GIC的单位相同，MPa·m或 MJ·m-2。 JI≥JIC 裂纹会开裂。 实际生产中很少用J积分来计算裂纹体的承载 能力。 一般是用小试样测JIC，再用KIC去解决实际断 裂问题。 4、JIC和KIC、GIC的关系 （平面应变） 上述关系式，在弹塑性条件下，还不能完全用理论证明它的成立。 但在一定条件下，大致可延伸到弹塑性范围。 二、裂纹尖端张开位移（COD）及断裂韧度δc 裂纹尖端附近应力集中，必定产生应变； 材料发生断裂，即： 应变量大到一定程度； 但是这些应变量很难测量。 ∴有人提出用裂纹向前扩展时，同时向垂直方向的位移（张开位移），来间接表示应变量的 大小；用临界张开位移来表示材料的断裂韧度。 1、COD概念 在平均应力σ作用下，裂纹尖端发生塑性变形，出现塑性区ρ。在不增加裂纹长度（2a）的情况下，裂纹将沿σ方向产生张开位移δ，称为COD（Crack Opening Displacement)。 2、断裂韧度δc及断裂δ判据 δ≥δc δc越大，说明裂纹尖端区域的塑性储 备越大。 δ、δc是长度 量纲为mm，可用精密 仪器测量。 一般钢材的δc大约为0.几到几mm  δc是裂纹开始扩展的判据;不是裂纹失 稳扩展的断裂判据。 3、线弹性条件下的COD表达式 平面应力时  令：δ=2υ 当θ=π时 对于I型穿透裂纹：   （σ≤0.6σs） 该式可用于小范围屈服条件，进行断裂分析和破损安全设计。 4、弹塑性条件下的COD表达式 达格代尔 建立了带状屈服模型，D-M模型（基本思路：将塑性区看成等效裂纹） 裂纹长度2a→2c；割面上、下方的 阻力为σs。 ∴裂纹张开位移 级数展开 ∵ σ/σs＜1 ∴ 高次方项可忽略 ∴临界条件下 5、δc与其他断裂韧度间的关系 断裂应力≤0.5σs时 平面应力 平面应变（三向应力，尖端材料的硬化作用） n为关系因子，1≤n≤1.5~2.0 （平面应力，n=1；平面应变n=2） 返回 （有严格的测试标准） （1）四种试样：三点弯曲，紧凑拉伸，C型拉伸，圆 形紧凑拉伸试样。 大小及厚度有严格要求 预先估计KIC（类比法），再逼近。预制裂纹长度有一定要求，2.5%W * 引言 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）低于屈服力，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；浪费材料。 但过于加大材料的体积，不一定能防止断裂。 ∴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）。 本章主要内容 含裂纹体的断裂判据。 固有的性能指标—断裂韧度（KIC ,GIC , JIC，δC ），以便用来比较材料抗断裂的能力。 用于设计中： 已知 KIC和σ，求 amax。 已知 KIC和ac ，求构件承受最大承载能力。 已知 KIC和a，求σ。 讨论： KIC 的意义，测试原理，影响因素及应用。 一、裂纹扩展的基本形式 1、张开型（I型） 2、滑开型（II型） 3、撕开型（III型） 裂纹的扩展常常是组合式，I型的危险性最大。 二、应力场强度因子KI和断裂韧度KIC 1、裂纹尖端应力场、应力分析 ①应力场 （应力分量，极座标） 平面应力　σz=0 平面应变 σz=υ（σx+σy） 对于某点的位移则有 平面应力 ??? 位移 平面应变 k=3-4υ，ω=0 越接近裂纹尖端（即