应力场强度因子和断裂韧度三.pptVIP

第四章 金属的断裂韧度 一、 必要性二、 J积分（J Integral）及断裂韧度三、 裂纹尖端张开位移及断裂韧度 第四章 金属的断裂韧度 第一节 断裂力学概述 Fracture Mechanics 一、构件强度设计的思路 材料力学设计思路 零部件实际断裂过程 防断裂设计的提出 随着科技的发展，人类为了发展生产，保障人身安全，防止灾难性断裂事故的发生，作了不懈的努力。早在50年代，人们发现一些按古典强度理论和常规设计方法设计、制造并经严格检验合格的产品，却发生了断裂、爆炸等事故，引起震惊。经研究，发现这些事故多数与结构中存在缺陷或裂纹有关。基于这个事实，发展起一门新的学科——断裂力学，它是以变形体力学为基础，研究含缺陷（或裂纹）材料和结构的抗断裂性能，以及在各种工作环境下研究裂纹的扩展、失稳和止裂规律的一门学科。 二、断裂力学概观Overview of Fracture Mechanics 我们分析前面拉伸过程中的断裂、缺口拉伸过程中的断裂可以看到，由于局部应力状态的变化，导致应力状态软性系数下降（材料脆性增加），最终导致断裂的发生（裂纹迅速扩大的过程）。 脆性断裂和韧性断裂 根据断裂前金属材料产生塑性变形量的大小，可分为脆性断裂和韧性断裂 （1）脆性断裂：断裂前没有明显的塑性变形，断口平齐，呈光亮的结晶状。 （2）韧性断裂：断裂前产生较大的塑性变形，断口呈暗灰色的纤维状。 区别：裂纹扩散过程不同 脆性断裂与韧性断裂比较 脆断与韧断裂纹尺寸-应力图 正断和切断 根据断裂面的取向可分为正断和切断 正断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向垂直，一般为脆断，也可能韧断。 切断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向呈45°，为韧断。 穿晶断裂和晶间断裂 裂纹扩散的途径可分为穿晶断裂和晶间断裂 穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部，韧断也可为脆断。 晶间断裂：裂纹穿越晶粒本身，脆断。 根据裂纹扩展前，裂纹的根部（裂纹端部）是否有塑性变形，断裂力学可以划分为下列两种模型： （1）线性（线弹性）断裂力学： Linear Elastic Fracture Mechanics （教材中的第一节内容） （2）非线性断裂力学： Nonlinear Fracture Mechanics（教材中的第五节内容） 1、线性（线弹性）断裂力学 Griffith理论（格里菲斯理论）：1920年以玻璃（glass）为研究对象提出Theory of Brittle Fracture（脆性破坏理论），首次用复变函数理论系统研究了理想脆性材料中裂纹扩展（crack propagation）行为； Irwin和Orowan：1948年在Griffith理论基础上，允许裂纹根部（crack tip）部分微小塑性变形区域存在，提出了修正的Brittle Fracture，可以应用于钢材（高碳钢或高强度合金钢），以上理论统称为线性断裂力学 。 断裂力学特性参数 （应力场强度因子）和 （断裂韧度）：描述裂纹扩展条件 （裂纹扩展能量释放率）和 （断裂韧度）：描述裂纹扩展条件 Griffith-Irwin-Orowan的研究，为线性断裂力学的发展奠定了坚实的基础，现在防止结构断裂的工学手段即是线性断裂力学（相当于弹性力学） 2、非线性断裂力学 J. R. Rice：1968年提出的J积分理论（与线弹性断裂力学中裂纹扩展能量释放率 相当的量） 第二节 线(弹)性断裂力学与断裂韧度 在线弹性断裂力学中讨论问题时，假设在裂纹扩展时（失稳扩展时），裂纹根部（或尖端）总处于弹性状态或只允许少许塑性变形区域存在。 推导裂纹扩展条件（失稳条件）的方法： （1）应力场强度 断裂的判据（应力场强度因子） （2）系统的能量转化 断裂的判据（能量释放率） 一、裂纹扩展的基本形式Crack Propagation Modes 根据裂纹扩展面与外加应力的取向关系，裂纹扩展有三种基本形式 裂纹扩展基本形式 二、应力场强度因子 和断裂韧度 对于Ⅰ型裂纹，在受到拉伸或者弯曲时，裂纹尖端部附近将出现平面应力状态（对应于薄板）或三向应力状态（对应于厚板）；（参考第二章缺口试样的拉伸部分） （一）裂纹尖端应力场分析 （弹性、不存在塑性区） 圆孔或椭圆孔附近的应力分布情况 （1）出发点 材料中已存在裂纹；局部应力集中；裂纹扩展（增加新的表面），应力-应变关系符合线弹性虎克定律。 （2）格雷菲斯模型 无限宽薄板，仅施加一拉应力（平面应力）