材料力学性能 第四章1

断裂力学的基本原理；
线弹性下断裂韧度的意义、测试原理和影响因素。
前
言
6、裂纹类型（摘自P80附表）
工 艺 裂 纹 及 使 用 裂 纹
第四章
金属的断裂韧度
§4.1 线弹性条件下的金属断裂韧度
§4.2 断裂韧度KⅠc的测试
§4.3 影响断裂韧度KⅠc的因素
§4.4 断裂K判据应用案例 §4.5 弹塑性条件下金属断裂韧度的基本概念
等的方法。 二、外力功（Work of the External Force) 固体在外力作用下变形，引起力作用点沿力作用方向位移， 外力因此而做功，则成为外力功。
三、变形能（Strain Energy)
在弹性范围内，弹性体在外力作用下发生变形而在体内积蓄 的能量，称为弹性变形能，简称变形能。
拉伸的弹性应变能（补充）
三、裂纹扩展能量释放率GⅠ及断裂韧度GⅠc
对于具有穿透裂纹的无限大板(平面应变)：
§4.2
断裂韧度KIC的测试
一、试样的形状、尺寸及制备
§4.2
断裂韧度KIC的测试
一、试样的形状、尺寸及制备
• 由于这些尺寸比塑性区宽度R0大一个数量级，所以可以 保证裂纹尖端是平面应变和小范围屈服状态。 • 试样材料、加工和热处理方法也要和实际工件尽量相同， 试样加工后需要开缺口和预制裂纹。
二、应力场强度因子KⅠ及断裂韧度KⅠc
(一)裂纹尖端应力场(线弹性理论)： (1)设有一承受均匀拉应力σ的无限大板(厚薄均可)，
含有长为2的I型穿透裂纹。
其尖端附近(r，θ)处应力、应变和位移分量(r«)：
二、应力场强度因子KⅠ及断裂韧度KⅠcຫໍສະໝຸດ 在裂纹延长线上， θ=0，则：
在x轴上裂纹尖端的切应力分量为零，拉应力分量最大， 裂纹最易沿x轴方向扩展。 r→0时，应力分量趋近于无穷大，表明裂纹尖端处是奇异点。
§4.1
线弹性条件下的金属断裂韧度
1、线弹性断裂力学： 脆性断裂过程中，
裂纹体各部分的应力和应变处于线弹性阶段，
只有裂纹尖端极小区域处于塑性变形阶段。
2、研究方法：
(1)应力应变分析法： 研究裂纹尖端附近的应力应变场；
提出应力场强度因子及对应的断裂韧度和K判据；
(2)能量分析法： 研究裂纹扩展时系统能量的变化； 提出能量释放率及对应的断裂韧度和G判据。
二、应力场强度因子KⅠ及断裂韧度KⅠc
(二)应力场强度因子KⅠ：
裂纹尖端任意一点的应力、应变和位移分量： 取决于该点的坐标(r,θ)、材料的弹性模数E
以及参量KⅠ。
K
(无限大板I型穿透裂纹)
应力场强度因子KⅠ间接反映了裂纹尖端区域应力场的强度。
二、应力场强度因子KⅠ及断裂韧度KⅠc
二、应力场强度因子KⅠ及断裂韧度KⅠc
1、裂纹尖端塑性区： 裂纹尖端附近的σ≥σs→塑性变形→存在裂纹尖端塑性区。
2、塑性区的边界方程
3、在x轴上，θ＝0，塑性区的宽度r0为：
4、修正后塑性区的宽度R0为：
二、应力场强度因子KⅠ及断裂韧度KⅠc
5、等效裂纹的塑性区修正值ry：
6、KⅠ的修正 (σ/σs≥0.6～0.7)： 线弹性断裂力学计算得到σy的分布曲线为ADB； 屈服并应力松弛后σy的分布曲线为CDEF； 若将裂纹顶点由O虚移至O´点， 则在虚拟的裂纹顶点O´以外的弹性应力分布曲线为GEH。 采用等效裂纹长度(+ry)代替实际裂纹长度，即
二、安全校核
三、失效分析
断口分析： 该轴为疲劳断裂，裂纹源在圆角处，形成深度达185mm的疲劳扩展区， 相当于一个αc＝185mm的表面环状裂纹． 金相分析： 疲劳裂纹源处的硫化物夹杂级别较高，该处最先形成疲劳裂纹源． 受力分析： 作用到裂纹面上的垂直拉应力为σ=145MPa。 表面环状裂纹为浅长表面半椭圆裂纹， αc＝185mm； 拉应力为σ=145MPa
从F-V曲线确定FQ的方法：
§4.2
断裂韧度KIC的测试
§4.2
断裂韧度KIC的测试
三、试样结果的处理
§4.2
断裂韧度KIC的测试
§4.3 影响断裂韧度KIC的因素
一、KIC与常规力学性能指标之间的关系 （一） KIC与强度、塑性间的关系
无论是解理断裂还是韧性断裂， KIC都是强度和塑性的综合性能。
×
四、评价材料脆性
五、材料开发
在材料中设置裂纹扩展过程中的附加能量耗损机制， 或设置裂纹扩展的势垒等，提高断裂韧度。
§4.4
断裂K判据应用案例
§4.5
弹塑性条件下金属断裂韧度的基本概念
高强度钢的塑性区尺寸很小，相对屈服范围也很小， 一般属于小范围屈服，可以用线弹性断裂力学解决问题。 中、低强度钢塑性区较大，相对屈服范围较大, 一般属大范围屈服，甚至整体屈服。
根据弹性理论,修正后释放弹性能:
P2L U E1 2 EA
u
2
补充
驱使裂纹扩展的动力是弹性能的释放率。 把裂纹扩展单位面积时，系统释放的势能的数值， 称为裂纹扩展能量释放率，简称能量释放率或能量率，用G表示。
三、裂纹扩展能量释放率GⅠ及断裂韧度GⅠc
（一）裂纹扩展能量释放率GⅠ： 1、平面应力GⅠ： GⅠ= σ2π/E 2、平面应变GⅠ： GⅠ=(1-ν2)σ2π/E （二）断裂韧度GⅠc和断裂G判据： 1、断裂韧度GⅠc： GⅠ→GⅠc →裂纹失稳扩展而断裂。 表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量。 2、裂纹失稳扩展断裂G判据 GⅠ≥ GⅠc
材料力学性能
材料与化工学院
前 言
韧度(韧性)定义： 是材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。 包括静力韧度、冲击韧度、断裂韧度。 (1)静力韧度( ) = (Sk2-σ0.22)/2D (2)冲击韧度或冲击值αKU(αKV): αKU(αKV)＝AKU(AKV)/FN 冲击功: GH1-GH2=AK (3)理论断裂强度(理想晶体脆性断裂)： σm=(Eγs/a0)1/2 (4)断裂强度的裂纹理论(格里菲斯裂纹理论)： (实际断裂强度) σc≈(Eγs/a)1/2
§4.1
线弹性条件下的断裂韧性
一、裂纹扩展的基本形式 二、应力场强度因子KⅠ及断裂韧度KⅠc 三、裂纹扩展能量释放率GⅠ及断裂韧度GⅠc
一、裂纹扩展的基本形式
(根据外加应力的类型和裂纹扩展面的取向关系)
1．张开型(Ⅰ型)： 2．滑开型(Ⅱ型)： 3．撕开型(Ⅲ型)：
拉应力垂直于裂纹面； 切应力平行于裂纹面, 切应力平行于裂纹面, 裂纹沿作用力方向张开, 与裂纹前沿线垂直； 与裂纹线平行; 沿裂纹面张开扩展。 裂纹沿裂纹面平行滑开扩展。 裂纹沿裂纹面撕开扩展。
补充
假定一很宽的单位厚度薄板，板受单向拉伸， 在载荷从零增加至P后将薄板两端固定， 这时外力就不做功了， 两端固定的薄板受载可视为一隔离系统。
2E 如在此板的中心割开一个垂直于应力σ， 长度为2α的贯穿裂纹。 则原来弹性拉紧的平板, 就产生直径为2α的弹性松弛区， 并释放弹性能，被松弛区的体积为πα2。
§4.3 影响断裂韧度KIC的因素
（二） KIC与冲击吸收功AKV之间的关系
由于裂纹和缺口不同，以及加载速率不同，所以KIC和AKV的温度变 化曲线不一样，由KIC确定的韧脆转变温度比AKV的高。
§4.3 影响断裂韧度KIC的因素
二、影响KIC的因素 （一）材料成分、组织对KIC的影响 1. 化学成分的影响 2. 基体相结构和晶粒大小的影响
对拉杆进行逐步加载（认为无动能变化） 利用能量守恒原理： U（弹性应变能）=W（外力所做的功）
1 W P L U E 2
UE
P
L
PL EA
P2L 2 EA
单位体积内的应变能----比能u(单位：J/m3)
P
P
1 P L U 1 2 u V AL 2
ΔL
2 E 2 u 2E 2
前 言
缺口的第一个效应： 缺口造成应力应变集中。 缺口的第二个效应： 应力改为两向或三向拉伸。
缺口的第三个效应： 缺口使塑性材料得到“强化”。
前 言
1、传统的力学强度理论(1920s前)： 材料连续、均匀和各向同性的； 断裂是瞬时发生的。 断裂:σ>σs 脆性、韧性断裂
2、现代的力学强度理论(1920s后)： 材料存在裂纹(裂纹体)； σ<σs时就断裂 ；
§4.2
断裂韧度KIC的测试
二、测试方法
§4.2
断裂韧度KIC的测试
由于材料性能及试样尺寸不同，
F-V曲线有三种类型：
1. 材料较脆、试样尺寸足够大
时，F-V曲线为III型
2. 材料韧性较好或试样尺寸较 小时，F-V曲线为I型 3. 材料韧性或试样尺寸居中时， F-V曲线为II型
§4.2
断裂韧度KIC的测试
3. 杂质和第二相的影响
4. 显微组织的影响 （二）影响KIC的外界因素 1. 温度 2. 应变速率
§4.4
第一是设计：
断裂K判据应用案例
零、断裂韧度在工程中的应用： 包括结构设计和材料选择． 根据材料的断裂韧度，计算结构的许用应力， 针对要求的承载量，设计结构的形状和尺寸； 根据结构的承载要求、可能出现的裂纹类型，
计算最大应力强度因子，依据材料的断裂韧度进行选材。
第二是校核： 根据结构要求的承载能力、材料的断裂韧度， 计算材料的临界裂纹尺寸，
与实测的裂纹尺寸相比较，
校核结构的安全性，判断材料的脆断倾向。 第三是材料开发： 可以根据对断裂韧度的影响因素， 有针对性地设计材料的组织结构，开发新材料。
一、材料选择
2、平面应力断裂韧度Kc
σ↑(或，和) ↑→KⅠ↑ σ↑→σc (或) ↑→ c 裂纹失稳扩展→断裂 →KⅠ=Kc ***Kc>KⅠc
二、应力场强度因子KⅠ及断裂韧度KⅠc