材料力学性能课件第4章教程.pptVIP

第四章 金属的断裂韧度 ;主要内容;前言;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）。 断裂韧度—材料阻止裂纹扩展的韧性指标。 ;本章的重点内容 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。;4.1 线弹性条件下的金属断裂韧度 ;*;（2）应力场强度因子KI和断裂韧度KIC 裂纹尖端附近应力场 ;位移分量;*;应力场强度因子KI 裂纹尖端区域各点的应力分量除了取决于位置(r,θ)外,还与强度因子KI有关, 对于确定的一点,其应力分量就由KI决定。即KI可以反映应力场的强弱程度，故称KI为应力场强度因子。 对于Ⅱ、Ⅲ型裂纹，则分别为KⅡ、KⅢ。;由表4-1可知，KI的一般表达式为： Y－裂纹形状系数，它和裂纹几何形状、加载方式有关，是一个无量纲的系数。一般Y=1~2。 由上述可知：KI综合反映了σ、a的作用。 对Ⅱ、Ⅲ型裂纹，其应力场强度因子表达式： ; 断裂韧度KIC和断裂K判据 ; σC—在临界状态下所对应得平均应力称为断裂应力或裂纹体断裂强度； ac —在临界状态下对应的裂纹尺寸称为临界裂纹尺寸。 ? 材料KIC越高，裂纹体的断裂应力或临界裂纹尺寸越大，材料难以断裂。 反应材料抵抗断裂的能力 ; KIC和KI的关系 KI—应力场强度因子，是个力学参量，与裂纹及 物体的大小、形状、载荷等参数有关。 KIC—力学性能指标，反映材料本身的特性，只和材料成分、组织结构、热处理及加工工艺有关。 断裂K判据 ?  同理对于II、III型裂纹的断裂判据为： ;断裂K判据的应用 ;③确定临界裂纹ac尺寸 若已知KIC和构件工作应力，则可确定ac 如实际裂纹a0＜ac 则构件安全，由此可建立相应的质量验收标准。 ;裂纹尖端塑性区及KI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。; 塑性区的形状和尺寸 由材料力学知，通过一点的主应力σ1、σ2、σ3和x、y、z方向的各应力分量的关系为： ; 将应力分量表达式代入上式后得裂纹尖端附近任一点P(r,θ)的主应力;;塑性区宽度;;应力松驰对塑性区尺寸的影响;塑性区宽度总是与 成正比 材料KIC越高，σS越低，其塑性区宽度越大。 ; 有效裂纹及KI的修正;*; 由上述可知: σ/σs→0时，修正项即分母部分趋向1，不存在塑性区的影响; σ/σs→1时，则塑性区影响越来越大，修正值也越大,一般σ/σs≥0.7时，其KI变化较明显，需进行修正。 ;（3）裂纹扩展能量释放率GI及断裂韧度GIC ; 裂纹扩展能量释放率GI ; 如裂纹体厚度为B，裂纹长度为a，则： 此时，GI为裂纹扩展单位长度时的系统势能释放率。因为从物理意义上来讲，GI为使裂纹扩展单位长度的原动力，所以又称GI为裂纹扩展力，表示裂纹扩展单位长度所需的力。在这种情况下，GI的单位为MN·m-1。 ;第四章; 断裂韧度GIC和断裂G判据 ; GIC与KIC的关系（牢记）;4.2 断裂韧度的测试;试样厚度B、裂纹长度a、韧带宽度(W-a)有严格要求： 预先估计KIC（类比法），再比较。 试样材料、加工和热处理方法也要和实际工件相同； 高频疲劳试验机预制裂纹，疲劳裂纹长度≧0.025W,且不小于1.5mm，a/W在0.45－0.55范围内。;（2）测试方法 弯曲、拉伸；传感器测量，绘出有关曲线。 ;4.3 影响断裂韧度KIC的因素; KIC与冲击吸收功之间的关系 AK值～GIC（JIC），均是吸收的能量，但AK值的误差本身就较大； 由于裂纹和缺口形状，加载速率等存在不同，KIC和AK的温度变化曲线不一样，由KIC确定的韧脆转变温度比AK的高。;（2）影响断裂韧度的因素 材料因素（内在因素） ①化学成分 ②基体相结构和晶粒大小 ③杂质及第二相 ④显微组织 外界因素（外在环境因素） 温度、应变速度等。;4.5