影响断裂韧的因素
温度对断裂韧度的影响
温度对断裂韧度的影响
温度对断裂韧度的影响
断裂韧度是指材料在断裂过程中吸收的能量，也称为“断裂能”。
在材料设计和工程应用中，断裂韧度是一个非常重要的指标。
而温度是影响材料性质的重要因素之一。
因此，温度会对断裂韧度产生影响。
从理论上讲，当温度升高时，材料内部分子动能增加，而且热膨胀产生的内部应力也会增大。
这些因素都会对断裂韧度产生不良作用。
实验证明，当温度升高时，断裂韧度通常会降低。
高温条件下，材料会发生塑性变形，因此材料的断裂韧度会降低。
在高温条件下，材料内部的原子和分子之间的键结构会被破坏，导致材料的断裂韧度降低。
高温还会导致材料内部出现空腔和裂纹，从而增加材料的脆性。
相反，低温条件下材料的断裂韧度会相对提高。
这是因为低温下，材料的分子动能降低，同时材料的内部应力也会降低。
此外，低温也有助于减少材料内部的塑性变形和缺陷，从而提高断裂韧度。
需要注意的是，虽然温度对断裂韧度的影响是普遍存在的，但不同材
料在温度变化时表现也各不相同。
因此，在实际应用中，需要对特定
的材料进行详细的研究和测试，以确定最佳的使用温度范围并保证其
性能。
总的来说，温度对材料的性质有着深远的影响，包括断裂韧度。
因此，在工程和设计中，应考虑到材料在不同温度下的性能，以保证工程和
产品的安全性和稳定性。
研究材料的力学强度与断裂韧性
研究材料的力学强度与断裂韧性材料的力学强度与断裂韧性是材料科学中的两个重要方面。
力学强度指材料在受力情况下承受应力的能力，即材料在外力作用下能够抵抗应力产生的变形和破坏的能力。
而断裂韧性则是指材料的抗断裂能力，即在受到外部力作用下不易发生断裂。
这两个性质对于材料的可靠性和使用寿命具有重要影响。
一般来说，材料的力学强度与断裂韧性之间存在一定的关系。
通常情况下，材料的强度越高，其断裂韧性也会相应提高。
这是因为材料的强度和断裂韧性都与材料的内部结构和成分有密切关系。
例如，金属材料中晶粒的尺寸和排列方式会对材料的力学性能产生影响。
当晶粒尺寸较小、排列有序时，晶界强化效应会增强材料的强度和韧性。
此外，其他微观结构特征如晶粒形状、晶界形态、孪晶等也会对材料的力学性能产生影响。
另一个影响力学强度和断裂韧性的因素是材料的成分。
不同元素和化合物的组合方式会决定材料的力学性能。
例如，合金中添加适量的合金元素可以改善材料的强度和韧性。
这是因为添加合金元素可以改变材料的晶体结构和电子结构，从而改变材料的力学性能。
此外，材料的制备工艺和热处理过程也会对其力学性能产生影响。
不同的加工工艺和热处理条件可以改变材料的晶粒尺寸和晶界特征，从而影响材料的力学性能。
例如，通过冷变形、退火等工艺可以显著改变材料的晶粒尺寸和晶界特征，从而提高其强度和韧性。
研究材料的力学强度与断裂韧性对于理解材料的性能和指导材料设计具有重要意义。
通过深入研究材料的微观结构特征和成分对其力学性能的影响，可以为材料科学的相关领域提供理论支持和实验依据。
同时，研究材料的力学强度与断裂韧性也可以为新材料的开发和应用提供指导，从而提高材料的性能和可靠性。
然而，需要强调的是，材料的力学强度和断裂韧性不是可以简单地通过单一的指标来衡量的。
对于不同的应用和使用环境，对材料性能的要求也不同。
因此，在研究和评估材料的力学性能时，需要综合考虑多个指标。
此外，材料的力学性能还受到动态加载、温度、湿度等外界条件的影响，因此需要进行实验测试和模拟分析来揭示材料的力学行为。
不锈钢的断裂韧度
不锈钢的断裂韧度一、引言不锈钢是一种耐腐蚀、具有高强度和良好机械性能的金属材料，广泛应用于建筑、航空航天、汽车制造等领域。
在使用过程中，不锈钢的断裂韧度是其重要的力学性能之一。
本文将从不锈钢的断裂韧度的定义、影响因素、测试方法和提高断裂韧度的途径等方面进行探讨。
二、断裂韧度的定义断裂韧度是指材料在受力下发生断裂时所吸收的能量。
在不锈钢材料中，断裂韧度是其抵抗断裂的能力，也是衡量其耐用性和可靠性的重要指标。
三、影响因素1. 化学成分：不锈钢的化学成分对其断裂韧度有着重要影响。
通常情况下，合理的化学成分能够提高不锈钢的断裂韧度。
2. 微观组织：不锈钢的微观组织结构对其断裂韧度起着决定性作用。
均匀细小的晶粒和适当的析出相有助于提高不锈钢的断裂韧度。
3. 加工工艺：加工工艺对不锈钢的断裂韧度有着重要的影响。
适当的热处理和冷变形能够改善不锈钢的断裂韧度。
4. 环境因素：环境因素也是影响不锈钢断裂韧度的重要因素。
例如在高温、高湿度等恶劣环境下，不锈钢的断裂韧度可能会降低。
四、测试方法常用的测试方法包括冲击试验和拉伸试验。
1. 冲击试验：冲击试验是通过在标准温度下对不锈钢材料进行冲击加载，测量材料在断裂前所吸收的冲击能量来评估其断裂韧度。
2. 拉伸试验：拉伸试验是在标准条件下对不锈钢材料进行拉伸加载，测量材料的应力-应变曲线来评估其断裂韧度。
五、提高断裂韧度的途径1. 优化化学成分：合理选择合金元素的含量和比例，可以提高不锈钢的断裂韧度。
2. 控制热处理参数：通过合理的热处理工艺，可以使不锈钢材料的组织结构得到优化，从而提高其断裂韧度。
3. 采用细晶材料：细晶材料具有更好的断裂韧度，因此可以通过控制晶粒尺寸来提高不锈钢的断裂韧度。
4. 表面处理：适当的表面处理可以提高不锈钢材料的抗腐蚀性能和断裂韧度。
5. 选择适当的加工工艺：合理选择冷变形和热处理工艺，可以提高不锈钢的断裂韧度。
六、结论不锈钢的断裂韧度是其重要的力学性能之一，影响因素包括化学成分、微观组织、加工工艺和环境因素等。
材料力学中的断裂与韧性
材料力学中的断裂与韧性材料力学作为一门关于物质内部结构和力学行为的科学，对于材料的性能与可靠性有着重要的影响。
其中，断裂与韧性是材料力学中一个十分关键的概念。
断裂指的是材料在外界施加力的作用下出现破裂的现象，而韧性则是指材料的抵抗断裂破坏的能力。
本文将从材料的断裂机制、断裂韧性的影响因素以及提高材料韧性的方法等方面加以论述。
一、材料的断裂机制材料断裂机制是指材料在承受外力作用下，因内部结构破坏而发生断裂的过程。
一般来说，材料的断裂机制可以分为韧性断裂和脆性断裂两种情况。
韧性断裂多见于金属等延展性材料，其断裂过程具有典型的韧性特征。
在外力的作用下，材料会先发生塑性变形，从而使得应力集中区域得到缓和。
随着外力的不断增加，应力集中区域逐渐扩大，并伴随着微裂纹的形成和扩展。
当微裂纹沿着材料内部继续扩展，最终导致材料的完全破裂。
需要注意的是，韧性断裂一般伴随着较大的能量吸收过程，因此对于抗震等要求韧性的工程结构，选择具有良好韧性的材料是十分重要的。
脆性断裂则多见于陶瓷、混凝土等脆性材料。
该类材料的断裂过程没有明显的塑性变形区域，而是在外力作用下直接发生破裂。
通常来说，脆性断裂的特点是断裂韧性较低，能量吸收较小。
二、影响材料韧性的因素材料的韧性不仅与材料本身的性质有关，同时也受到外界条件和应力状态的影响。
以下是一些影响材料韧性的常见因素：1.结构层次：材料的内部结构和组织对其韧性有着很大的影响。
晶粒的尺寸、形状以及晶界的性质等都会对材料的韧性产生影响。
一般来说，晶粒尺寸越小、晶界越多越强，材料的韧性也会相对提高。
2.材料纯度：杂质和夹杂物是影响材料韧性的重要因素。
杂质和夹杂物会引起应力集中，从而导致微裂纹的形成和扩展。
因此，材料的纯度对韧性有着直接的影响。
3.应力状态：不同的应力状态对材料的韧性有着直接影响。
例如，拉伸和压缩状态下的材料韧性表现可能不同。
此外，不同应力速率下材料的断裂行为也可能有所不同。
三、提高材料韧性的方法提高材料的韧性是工程实践中的一项重要任务。
动态断裂韧度
动态断裂韧度动态断裂韧度是材料科学和工程领域中的一个重要概念，它反映了材料抵抗裂纹扩展的能力。
在动态载荷作用下，材料的断裂韧度会受到加载速率、温度、应力状态等因素的影响。
本文将详细介绍动态断裂韧度的概念、测试方法、影响因素以及提高动态断裂韧度的途径。
一、动态断裂韧度的概念动态断裂韧度是指材料在动态载荷作用下，抵抗裂纹扩展的临界应力强度因子或能量释放率。
与静态断裂韧度相比，动态断裂韧度更加符合实际工程中材料所承受的动态载荷条件。
在高速冲击、爆炸等极端环境下，材料的动态断裂韧度对于保证结构安全具有重要意义。
二、动态断裂韧度的测试方法动态断裂韧度的测试方法主要包括冲击试验和疲劳裂纹扩展试验。
冲击试验是通过在材料表面制造预制裂纹，然后对试样进行冲击加载，观察裂纹扩展情况，从而测定材料的动态断裂韧度。
疲劳裂纹扩展试验则是通过在材料表面制造预制裂纹，然后在交变载荷作用下，观察裂纹扩展情况，测定材料的疲劳裂纹扩展速率和临界应力强度因子。
三、动态断裂韧度的影响因素1．加载速率：加载速率是影响动态断裂韧度的主要因素之一。
一般来说，加载速率越高，材料的动态断裂韧度越低。
这主要是因为高加载速率会导致材料内部的应力状态发生变化，使裂纹扩展更加容易。
2．温度：温度对材料的动态断裂韧度也有重要影响。
一般来说，温度升高会使材料的动态断裂韧度降低。
这是因为在高温下，材料的晶体结构、位错运动等发生变化，使裂纹扩展更加容易。
3．应力状态：应力状态包括拉应力、压应力、剪切应力等，都会对材料的动态断裂韧度产生影响。
一般来说，拉应力会使材料的动态断裂韧度降低，而压应力和剪切应力则会使材料的动态断裂韧度提高。
4．材料类型和成分：不同类型和成分的材料具有不同的动态断裂韧度。
例如，金属材料、非金属材料、复合材料等都有各自的动态断裂韧度特征。
5．微观结构和缺陷：材料的微观结构和缺陷也会对动态断裂韧度产生影响。
例如，晶界、相界、位错等缺陷都可能成为裂纹扩展的起点，降低材料的动态断裂韧度。
材料强度对断裂韧性的影响因素探究
材料强度对断裂韧性的影响因素探究在材料力学领域中，强度是一个重要的性能指标，它描述了材料在受力下的抵抗破坏能力。
然而，强度并不能完全反映材料的全面性能，特别是在需要考虑材料在受力下的断裂行为时。
因此，断裂韧性这一参数的研究变得至关重要，它描述了材料在受力下发生断裂时的能量吸收能力。
影响材料断裂韧性的因素有很多，其中之一就是材料的强度。
材料的强度对断裂韧性有着明显的影响，可以通过以下几个方面来探究其影响机制。
首先，材料的强度与化学成分密切相关。
不同元素的添加和含量变化可以改变材料的晶格结构和缺陷类型，从而影响材料的强度和断裂韧性。
例如，碳钢中添加适量的合金元素可以形成强硬的晶体界面，增加材料的抗拉强度和断裂韧性。
此外，化学成分还可以影响材料的硬度、韧性和塑性等力学性能，进而对断裂韧性产生影响。
其次，材料的晶体结构和晶界对断裂韧性也有重要影响。
晶体结构的缺陷如晶粒尺寸、晶粒形状和晶体排列方式等，都会对材料的力学性能产生影响。
具体而言，晶界是导致断裂韧性降低的主要因素之一。
晶界处的原子排列比晶内更加无序，其中的晶界错配等缺陷会成为断裂的起始点，减弱材料的建构韧性。
因此，在强度较高的材料中，晶界缺陷会对断裂韧性产生更大的负面影响。
此外，材料的微观结构也会影响材料的断裂韧性。
晶粒尺寸和形状的变化，如晶粒细化和均匀化处理，可以增强材料的抗拉强度和韧性。
细小且均匀分布的晶粒能够遏制裂纹的扩展并分散能量，从而减缓材料的断裂速度。
此外，晶粒的取向和排列也会影响材料的力学性能，从而进一步影响材料的断裂韧性。
最后，材料的应力状态也会对断裂韧性产生影响。
材料的断裂行为通常通过裂纹扩展来完成，裂纹的扩展速率与应力状态有关。
通常情况下，在拉伸应力的作用下，裂纹扩展速度较快，因此材料的断裂韧性会降低。
相反，在压缩应力下，裂纹扩展速度较慢，材料的断裂韧性可能会相对较高。
因此，在实际应用中，可通过改变材料的应力状态来调节断裂韧性。
第四章 材料的断裂韧性
3. KI的修正 裂纹尖端的弹性应力超过 材料屈服强度之后, 便产生应 力松驰，使塑性区增长 ，改变 了裂纹前的应力分布，不适用 于线弹性条件。 裂纹虚拟向前扩展ry,此时 虚拟裂纹尖端0’前端弹性区的 应力分布GEF,基本上与线弹性 条件下的σ y相重合,对应的裂纹长度为a+ry,称为等效裂 纹 长度.根据线弹性理论: KⅠ=Yσ √(a+ry) KⅠ’= Yζ √a/[1-0.16(KⅠ/ζ s)2]1/2(平面应力)
ac= 40-1000mm
五、材料开发
KIC=(2Eγf)1/2 γf: 断裂能，可见，增大断裂能，即增大裂 纹扩展的阻力，手提高KIC。常在基体中 添加韧性相，如碳纤维增韧非晶玻璃材 料等。
第四章 材料的断裂韧性
传统机件强度设计: 塑性材料 σ ≤[σ ]= σ s/n 脆性材料: σ ≤[σ ]= σ b/n 实际上有时σ <<[σ ]时,机件仍断裂—低应力脆断,其原 因是传统设计把机件看成均匀、无缺陷、没有裂纹的理 想体.但实际工程材料在制造加工中会产生宏观缺陷乃 至裂纹,成为材料脆断的裂纹源, 从而引起低应力断裂. §4.1线弹性条件下的断裂韧性 线弹性体：裂纹体各部分的应力和应变符合虎克定律。 但裂纹尖端极小区存在塑性变形，也适用于线弹性条件。
将裂纹前端P (r,θ )的点应力表达式σ x、σ y、τ xy代 入上式,得P点的主应力表达式: σ 1= KⅠ/(2π r)1/2×cosθ /2(1＋sinθ /2) σ 2= KⅠ/(2π r)1/2×cosθ /2(1－sinθ /2) σ 3=0 (平面应力,薄板) σ 3=2γ ×KⅠ/(2π r)1/2 cosθ /2 (厚板：平面应变) 由第四强度理论(Mises)屈服临界条件: 将上式代入 （σ 1-σ 2)2+(σ 2-σ 3)2+(σ 3-σ 1)2=2σ s2 ( σ 1>σ 2>σ 3 主应力)得屈服区大小: r=1/2π ×(KⅠ/ζ s)2[cos2θ /2(1＋3sin2θ /2)] (平面应力) r=1/2π ×(KⅠ/ζ s)2[cos2θ /2(1-2γ )2＋3sin2θ /2] (平面应变)
材料力学中的断裂韧性研究
材料力学中的断裂韧性研究材料力学是研究材料在外部作用下的变形和破坏行为的学科。
在材料力学中，断裂韧性是一个非常重要的指标，它描述了材料在应力作用下逐渐破坏的能力。
断裂韧性是材料设计和制造的重要依据之一，因此研究断裂韧性具有重要的科学意义和应用价值。
一、断裂韧性的概念和测量方法断裂韧性是指材料在应力作用下逐渐破坏的能力。
通常情况下，材料受到外部应力作用时会发生塑性变形，逐渐形成裂纹，最终导致断裂。
断裂韧性与材料的断裂强度不同，它反映了材料的抗拉断性能，而断裂强度只是材料拉伸断裂时的强度极限。
断裂韧性的测量方法比较复杂，通常有以下几种常见方法：1. K_IC(裂纹扩展应力强度因子)法：是一种直接测量断裂韧性的方法，通过对裂纹扩展的速率和裂纹尖端周围应力场的分析，可以确定材料的断裂韧性。
2. TCT(脆性破坏温度)法：该方法可以得到材料在低温下的断裂韧性，通常用于评估金属材料或复合材料的热应力断裂韧性。
3. CTOD(裂纹口开度位移)法：CTOD法是一种非常有效的测量断裂韧性的方法，通过测量裂纹口的开度位移来确定材料的断裂韧性。
二、断裂韧性的影响因素材料的断裂韧性是由多种因素综合作用所决定的，包括材料本身的组织结构、晶粒度、温度、应力状态等。
其中，比较重要的因素有以下几个：1.材料微观结构：材料的微观结构决定了材料的强度和塑性性能，因此也会影响断裂韧性。
晶粒尺寸、晶格位错、晶界等因素都会对材料的断裂韧性产生影响。
2.温度：温度对材料的断裂韧性影响很大，一般来说低温下材料的断裂韧性更高。
这是因为低温下材料的塑性变形能力较差，裂纹扩展速率较慢，因此材料的断裂韧性更高。
3.应力状态：不同的应力状态对材料的断裂韧性也有影响。
在拉伸应力状态下，裂纹的扩展方向往往与应力作用方向垂直，这种情况下材料的断裂韧性最高。
三、断裂韧性的研究现状和发展趋势作为材料力学的一个重要分支，断裂力学已经成为一个非常成熟的学科。
对于断裂韧性的研究也已经进行了很多年。
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（三）断裂韧度J ⅠC及断裂J判据
J wdy
JⅠ 积分值反映了裂纹尖端区的应变能,即应力应变集中程度 平面应变条件下,外力达到破坏载荷时,JⅠ 积分值 也达到相应的临界值JⅠC JⅠC:断裂韧度 表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力
断裂J判据
晶粒大小 细化晶粒↑ KIC 第二相和夹杂物的影响 ↑纯净度 ↑ KIC
第二相:少、圆、小、均 碳化物粒状↑ KIC
回火组织的影响
回火T↑ ↑ KIC
（二）、特殊热处理的影响
T
高温形变
1、形变热处理
A3 A1
高温形变热处理
33CrNiSiMnMo,↑ 20%KIC,↑16%σ0.2
低温形变
低温形变热处理
JⅠ ≥ JⅠC 裂纹就会开裂
（四）断裂韧度J ⅠC和KⅠC、G ⅠC的关系
在平面应变线弹性条件下
J C
GIC
(1
2
)
K
2 IC
E
在弹塑性条件下
J C
(1
2
)
K
2 IC
E
计算的KⅠC与实测的KⅠC基本一致
取υ=0.25,E=200000MPa
KIC 460 J IC
二、裂纹尖端张开位移(COD)及断裂韧度δ C
/(
) ]X (1n)/ 2 1/ 2
ys
c
n-应变硬化指数
Xc-特征距离,2~3个晶粒尺寸
（二）断裂韧度与冲击韧度之间的关系 静力韧度、冲击韧度、断裂韧度 度量材料韧性的指标 应力集中程度、应力状态、加载速率
茹尔夫对中、高强度钢试验得到：
K IC 0.79[ 0.2 ( AKV 0.01 0.2 )1/ 2 ]
第三节 影响断裂韧度的因素 一、断裂韧度与常规力学性能指标之间的关系
（一）断裂韧度与强度、塑性之间的关系
1、韧性断裂模型 克拉夫特提出韧断模型：认为具有第二相质点而又均匀分布 的两相合金，裂纹在基体相中扩展时，将要受到第二相质点 间距( dT)的影响。
塑性区应变为ey
σy
σS
y
KI 2r
dT
塑性区应变为ey
MS
30CrNi4Mo,↑ 18%KIC,↑26%σ0.2
t
2、亚温淬火
淬火加热温度在A1-A3之间 A+F
晶界↑，
晶界杂质浓度↓
3、超高温淬火
淬火加热温度远高于正常的加热温度
(三)温度和应变速率的影响 1、温度的影响 T↑ ↑ KIC 2、应变速率的影响
应变速率↑ ↓ KIC
F溶解杂质↑
第四节 断裂韧度在工程中的应用
* f
-临界断裂应变
2、解理或沿晶脆性断裂
特尔曼等人提出:当裂纹尖端某一特征距离内的应力达到
材料解理断裂强度σC,裂纹就失稳扩展,产生脆性断裂.
取特征距离为晶粒直径的两倍(2d)
K IC
2.9
S
[exp(
C S
1) 1]1/ 2
•
1/ 0
2
ρ0 裂纹尖端曲率半径
KIC
[( c )(1n)/2
ey
y
E
KI
E 2r
σy
σS
y
KI 2r
r=dT时
dT
ey E
KI
2dT
ey=eb=n时
KⅠ = KⅠC
KIC En 2dT
钢中夹杂物对KⅠC影响.夹杂物越多,间距越小, KⅠC越小.
1
KIC
(E
ys
* f
XC
)2
KIC
(E
*
ys f
Xc )1/ 2
n-应变硬化指数
Xc-特征距离,第二相质点间的平均距离 σys-屈服强度
KⅠ ≥ KⅠC
一、承载能力的计算
K I Y a
已知材料的KIC和裂纹长度，计算允许的应力
二、材料的脆性评定和选材 KIC的高低 临界裂纹的长度ac 裂纹体的断裂强度σc
三、材料的失效分析
第五节 弹塑性条件下金属的断裂韧度
1、大范围屈服构件的断裂问题 中、低强度钢，中小截面尺寸的构件
R0 ( k1c )2 s
2、中低强度钢的断裂韧度K1c的测试
B 2.5( K1C )2
y
取E=200GPa，
σs=1000MPa 则B=75mm
σy /E
0.0050-0.0057 0.0057-0.0062 0.0062-0.0065 0.0065-0.0068
B(mm)
75 63 50 44
一、J积分原理及断裂韧度JⅠC
（一）J积分的概念
裂纹扩展时的能量释放率
U G
A
裂纹扩展时的能量释放率的积分表达式为 G
[wdy uTds]
在单位厚度（B=1）的Ⅰ型裂纹体
x
应变能密度w， Г上任一点的作用力为T
y
′
在弹性状态下 U=Ue-W
G (Ue W ) a
Г Г′′
dUe=wdV=wdA =wdA= =wdxdy Ue dUe wdxdy
裂纹尖端的应变量达到某一临界值时,材料便会发生 断裂,因此应变量也可作为材料反应应变量的大小,
张开位移的临界值(δ C) 作为材料的断裂韧度.
断裂韧度δ C:表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力
2a E s
平面应力时
2a(1 2 ) nE s
平面应变,考虑加工硬化等时
MPa.m1/2
AKV KIC
KIC AKV
tK2 tK1 t0 t
二、影响断裂韧度的因素
内因：成分、组织 外因：温度、应变速率
（一）、成分、组织的影响
1、化学成分的影响
细化晶粒元素 ↑ KIC 固溶强化元素 ↓ KIC
形成第二相元素 ↓ KIC
杂质元素
↓ KIC
2、组织的影响
钢基体组织的影响 M、F、 A好
小应变条件下, JⅠ 积分与路径无关
J wdy
JⅠ 积分值反映了裂纹尖端区的应变能,即应力应变集中程度
（二）J积分的能量率表达式
在线弹性条件下,GⅠ =JⅠ 在弹塑性小应变条件下
J
G
1 B
(U ) a
J
1 B
( U a
)
GⅠ：裂纹尺寸为a的试样，扩展为 a+da 时系统能量的释放率。
JⅠ：两个试样，一个a,另一 个为 a+da
O
T u
ds B
x
dW=u.TBds W dw u.Tds
Ue W wdxdy u.Tds
G [wdy uTds]
x
u
G [wdy Tds]
x
y
在弹塑性条件下,W表示弹塑性应变能密度
J [wdy uTds]
x
在线弹性条件下,GⅠ =JⅠ
Г Г′′
O
T u
ds B
x