断裂韧性.ppt

第四章 金属的断裂韧度 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）。 主要内容 含裂纹体的断裂判据。 固有的性能指标—断裂韧度：用来比较材料拉断能力，KIC ,GIC , JIC，δC 。 用于设计中： 已知 KIC和σ，求 amax。 已知 KIC和a c ，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。 §4-1 线弹性条件下的断裂韧度 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　σx=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r越小）精度越高；最适合于ra情况。 ②应力分析 在裂纹延长线上，（即v 的方向）θ=0 拉应力分量最大；切应力分量为0； ∴裂纹最易沿X轴方向扩展。 2、应力场强度因子KI KI可以反映应力场的强弱。∴称之为应力场强度因子。 通式： a—1/2裂纹长度 Y—裂纹形状系数（无量纲量） 一般Y=1~2 形状系数 Y的计算很复杂 根据不同的裂纹存在位置，→应力场→应力→Y 实际应用中，可根据试样、加载方式，查手册。 如：宽板中心贯穿裂纹 长板中心穿透裂纹 注意：Y是无量纲的系数 而KI有量纲 MPa·m1/2 或 MN·m-3/2 3、断裂韧度KIC和断裂判据 ①断裂韧度 当应力达到断裂强度，裂纹失稳，并开始扩展。 临界或失稳状态的KI值记作：KIC或KC，称为断裂韧度。 KC— 平面应力断裂韧度 KIC—平面应变，I类裂纹时断裂韧度 ②断裂判据 KI KIC 有裂纹，但不会扩展 KI = KIC 临界状态 KI KIC 发生裂纹扩展，直至断裂 4）KI的塑性修正 裂纹扩展前，在尖端附近，材料总要先出现一个或大或小的塑性变形区。∴单纯的线弹性理论必须进行修正。 ①塑性区的形状和尺寸 应用材料力学中学过的知识，结合前述的弹性力场表达式得到： （式4-8）（式4-9） 由Von Mises屈服准则，材料在三向应力状态下的屈服条件为： ?? 将主应力公式代入Von Mises 屈服准则中，便可得到裂纹尖端塑性区的边界方程，即  形状：r=f(θ)尺寸：当θ=0 r0=f(0) （裂纹扩展方向） 平面应力 平面应变 ν一般为0.3∴平面应变的应力场比平面应力的硬。 ≤r0区域的材料产生屈服。 ②应力松驰的塑性区 材料屈服后，多出来的应力将要松驰（即传递给rr0的区域），使r0前方局部地区的应力生高，又导致这些地方发生屈服。σys——屈服应力 不考虑加工硬化σys（R-r0） R——塑性扩大区的半径。 积分后可知 将σys用σs代替，并把 r0(前式)代入  （平面应力） 裂纹尖端区塑性区的宽度计算公式，见表4-2 ③有效裂纹及KI的修正 有效裂纹长度 a+ry根据计算 ry=（1/2）Ro平面应力 平面应变 ∴通式 不同的试样形状、和裂纹形式， KI不同。需要修正的条件：σ/σs≥0.6~0.7时，KI就需要修正。 三、裂纹扩展能量释放率G及断裂韧度GIC