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Mechanical Properties Zheng Yong 第四章　材料的断裂韧性 一、如何防止或减少断裂事故的发生，工程师从设计和使用的角度提出 1、多小的裂纹或缺陷是允许存在的？ 2、多大的裂纹就可能发生断裂，用什么判据来判断断裂发生的时机？ 3、从允许存在的小裂纹扩展到断裂时的大裂纹需要的时间，机械结构寿命如何估算？ 4、在既保证安全，又能避免不必要的停产损失，探伤检查周期应如何？ 5、万一检查到了裂纹，该如何处理？ 二、从选材方面考虑，对材料与裂纹的关系提出的问题 　 1、什么材料比较不容易萌生裂纹？ 　2、什么材料可以允许比较长的裂纹存在而不发生断裂？ 　3、什么材料抵抗裂纹扩展的性能比较好？ 　4、怎样冶炼、加工和热处理可以达到最佳的效果？ 一、裂纹扩展的基本方式 第一节 线弹性条件下的金属断裂韧度 二、裂纹尖端的应力场   （平面应力）  （平面应变） 应力场强度因子 应力场强度因子： a是裂纹长度的1/2；Y是一个和裂纹的形状、加载方式有关的量，是一个无量纲的系数。 应力场强度因子的单位：MPa·m1/2 三、断裂韧度 和断裂判据 当应力场强度因子 达到某一临界值时，材料中的裂纹将产生突然的失稳扩展而导致材料断裂，这一临界值称为断裂韧度 或 。前者为平面应力状态下的断裂韧度，后者为平面应变状态下的断裂韧度。 按KI建立的脆性断裂判据KI ≥KIC ，只适用于线弹性体，实际上，金属材料在裂纹扩展前，裂纹尖端总要出现塑性变形区。 如果塑性区尺寸比裂纹尺寸小一个数量级以上时，只要对KI适当修正，裂纹尖端应力场强度因子仍可以用修正的KI来描述。 四、裂纹尖端塑性区及KI的修正 裂纹区宽度（在不考虑塑性变形使裂纹尖端部分区域应力松弛的情况下） 平面应力： 平面应变： 裂纹区宽度（在考虑裂纹尖端部分区域应力松弛的情况下，当σ/ σ s ≥ 0.7时，必须进行修正） 平面应力： 平面应变： 有效裂纹及KI的修正 注意：式中ry为应力松弛后塑性区的半宽。 五、裂纹扩展能量释放率GI和断裂韧度GIC 裂纹扩展时的能量转化关系 系统的势能等于系统的应变能减外力功 U=Ue－W 裂纹扩展能量释放率 如果裂纹体的厚度为1个单位，则对于长度为2a的裂纹，裂纹扩展单位面积又系统所提供的弹性能量，称为裂纹扩展时的能量释放率为（对于平面应力）： 对于平面应变： 断裂韧度GIC 将上述临界值也称为断裂韧度（平面应变断裂韧度）。 GIC与KIC的关系 对于具有穿透裂纹的无限大板： 故 第二节 影响材料断裂韧度的因素 一、 断裂韧度与常规力学性能间的关系 与强度和塑性之间的关系 对于解理断裂： 对于韧性断裂： 显然，KIC是强度和塑性的综合指标。 与冲击功之间的关系 一般，冲击功增加，KIC增加。反之亦然。 二、影响断裂韧性KIC的因素 化学成分； 细化晶粒的元素提高KIC，强烈固溶强化的元素和形成金属间化合物并呈第二相析出的合金元素，使KIC降低。 基体相结构和晶粒大小； 面心立方结构的固溶体的KIC较体心立方结构的高。基体晶粒越小， KIC越高。 杂质及第二相的影响 显微组织的影响 由各种组织的强度和塑性综合性能决定。 温度 一般KIC随温度的降低而降低。 应变速率 一般， KIC随应变速率的增加而降低。但当应变速率很大时例外。 Mechanical Properties Zheng Yong