材料物理（力学部分）2.pptVIP

3 断裂力学 3.1 断裂的类型（根据力的方向） 三种断裂类型 三种断裂类型 (2)滑开型(或称剪切型)裂纹 ??? 剪切应力平行于裂纹面，裂纹滑开扩展，通常称为Ⅱ型裂纹。 三种断裂类型 断裂的类型（根据断口宏观形貌） 韧性断口 韧断机制——微孔聚合 断裂的类型（根据断口微观形貌） 3.2 断裂强度 理论断裂强度： ?c = (E?/a0)1/2 ?c：理论断裂强度 E：弹性模量 ?：材料比表面能 a0：原子间距离 Inglis理论 在具有孔洞的大而薄的板上，孔洞端部的应力几乎只取决于孔洞的长度和端部的曲率半径而跟孔洞的形状无关。 裂纹扩展的临界应力： ?c = (E?/(4c))1/2 式中，c为裂纹半长。 Griffith微裂纹理论 Griffith从能量的角度来研究裂纹发生扩展的条件。即：物体内储存的弹性应变能的降低大于等于由于开裂形成两个新表面所需的表面能。 式中，c为裂纹半长。 微裂纹理论的实验验证 玻璃棒的弯曲强度为6GPa， 0.4GPa NaCl，表面洗涤，强度由5MPa提高到1.6GPa 石英玻璃纤维，当长度为12cm时，强度为275MPa，长度为0.6cm时，强度可达760MPa Orowan理论：修正后的公式 ?p为扩展单位面积裂纹所需的塑性功 3.3 断裂韧性 裂纹尖端附近应力场 应力场强度因子与几何形状因子 断裂韧性KC和KIC 小知识：平面应力与平面应变 断裂韧性KC和KIC 断裂判据 举例 断裂韧性的测定 断裂韧性的测定 断裂韧性的测定 3.4 裂纹的起源与扩展 裂纹的扩展 * * 低应力脆断的问题 断裂力学：研究带裂纹体的力学，它给出含裂纹体的断裂判据，并提出一个材料固有性能的指标――断裂韧性，用它来比较各种材料的抗断能力。 正断：断裂垂直于最大正应力； 切断：沿着最大切应力方向断开。 (1)张开型(或称拉伸型)裂纹 ??? 外加正应力垂直于裂纹面，在应力 作用下裂纹尖端张开，扩展方向和正应力垂直。这种张开型裂纹通常简称I型裂纹。 (3)撕开型裂纹 ??? 在切应力作用下，一个裂纹面在另一裂纹面上滑动脱开，裂纹前缘平行于滑动方向，如同撕布一样，这称为撕开型裂纹，也简称Ⅲ型裂纹。 断口平齐而光亮，呈放射状或结晶状，有人字形花纹。 无明显塑性变形，5% 脆性断裂 断口纤维状，灰暗色。 有明显塑性变形，5% 韧性断裂 脆性断口 拉伸型的等轴状韧窝 剪切型的伸长韧窝 拉伸撕裂的伸长韧窝 沿晶断裂 穿晶断裂 穿晶断裂可以是韧性断裂（室温下的穿晶断裂），也可以是脆性断裂（低温下的穿晶断裂），而沿晶断裂则多数是脆性断裂：应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹等。 175 用酸腐蚀除去表面缺陷 140 受砂子严重冲刷 455 工厂刚制备 强度 /MPa 表面情况 不同表面情况对玻璃强度的影响 陶瓷：微观裂纹控制，1?m 金属：宏观裂纹控制，1.25mm 无限大平板中心的穿透裂纹 裂纹尖端附近P处的应力分析 KI = Y?（?c）1/2 式中Y是裂纹形状系数，也叫几何形状因子，无量纲。 KI的单位：MPa?m1/2 KI：受外界条件影响的反映裂纹尖端应力场强弱程度的力学度量，它不仅随外加应力和裂纹长度的变化而变化，也与裂纹的形状类型以及加载方式有关。与材料本身的固有性能无关。 断裂韧性KC和KIC：是反映材料阻止裂纹扩展的能力，是材料本身的特性。其中：KC是平面应力状态下的断裂韧性，与板材或试样厚度有关。KIC是平面应变状态下的断裂韧性，是一材料常数。 平面应力：弹性体为薄板（薄壁厚度h远远小于另外两个方向的尺度）。薄板的中面为平面，所有的应力都在一个平面内，如果平面是Oxy平面，那么只有正应力σx，σy，剪应力τxy(它们都在一个平面内)，没有σz，τyz，τzx。 平面应变：弹性体为很长的纵向轴的柱形物体（横截面大小和形状沿轴线长度不变）。柱体的两端受固定约束。所有的应变都在一个平面内，如果平面是Oxy平面，则只有正应变εx，εy和剪应变γxy，而没有εz，γyz，γzx。 断裂韧性与试样厚度的关系 材料：30CrMnSiN12A，900?C加热，230 ?C等温，200-220 ?C回火 当应力场强度因子增大到一临界值，这一临界值在数值上等于材料的平面应变断裂韧性KIC时，裂纹就存在失稳扩展的危险，构件就可能发生脆性断裂。 因此，断裂判据为： KI = KIC 当 KI KIC时，裂纹扩展，脆断； 当 KI KIC时，裂纹存在，不断裂。 举例： 有一构件：实际使用应力为1.3GPa，有两种钢材待选： 甲钢：?ys = 1