材料及材料性能(第四章).ppt

概述 传统力学设计准则： 理论断裂强度 格里菲斯(Griffith)断裂理论 奥罗万(Orowan)的修正 裂纹扩展的基本形式 1. 张开型（I型）裂纹扩展 拉应力垂直于裂纹扩展面，裂纹沿作用力方向张开。 2. 滑开型（II型）裂纹扩展切应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹线垂直，裂纹沿裂纹面平行滑开扩展。 3. 撕开型（III型）裂纹扩展切应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹线平行，裂纹沿裂纹面撕开扩展。 对于张开型裂纹试样，拉伸或弯曲时，其裂纹尖端处于更复杂的应力状态，最典型的是平面应力和平面应变两种应力状态。 裂纹尖端应力场 由于裂纹扩展是从尖端开始进行的，所以应该分析裂纹尖端的应力、应变状态，建立裂纹扩展的力学条件。 欧文（G. R. Irwin）等人对I型（张开型）裂纹尖端附近的应力应变进行了分析，建立了应力场、位移场的数学解析式。 应力分量： 位移分量（平面应变状态）： 应力场强度因子KI 因为应力分量： 显然，裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定其位置外，尚与强度因子KI有关。 对于某一确定的点，其应力分量由KI决定，所以对于确定的位置，KI直接影响应力场的大小，KI增加，则应力场各应力分量也越大。 因此，KI就可以表示应力场的强弱程度，称为应力场强度因子。 断裂韧性 对于无限大平板中心含有尺寸为2a穿透裂纹时： 应力场强度因子KI增大到临界值KIC时，材料发生断裂，这个临界值KIC称为断裂韧度。 KI是力学参量，与载荷、试样尺寸有关，而和材料本身无关。 KIC是力学性能指标，只与材料组织结构、成分有关，与试样尺寸和载荷无关。 根据KI和KIC的相对大小，可以建立裂纹失稳扩展脆断的断裂K判据，由于平面应变断裂最危险，通常以KIC为标准建立： 裂纹尖端塑性区及KI的修正 从理论上来讲，按KI建立的脆性断裂判据KI≥KIC，只适用于弹性状态下的断裂分析。 实际上，金属材料在裂纹扩展前，其尖端附近总要先出现一个或大或小的塑性变形区，这与缺口前方存在塑性区间相似，在塑性区内应力应变关系不是线性关系，上述KI判据不再适用。 试验表明：如果塑性区尺寸较裂纹尺寸a和静截面尺寸很小时，小一个数量级以上，在小范围屈服下，只要对KI进行适当修正，裂纹尖端附近的应力应变场的强弱程度仍可用修正的KI来描述。 塑性区的形状和尺寸 为确定裂纹尖端塑性区的形状与尺寸，就要建立符合塑性变形临界条件的函数表达式r=f(θ)，该式对应的图形就代表塑性区边界形状，其边界值就是塑性区的尺寸。 由于 带入上式，经计算，塑性区边界曲线方程的表达式为： 应力强度因子的塑性区修正 按照线弹性理论， 其应力分布应为图4-4中的曲线JF. 当弹性应力超过材料的有效屈服强 度σys时，便产生塑性变形，使应 力重新分布。也就是说高出σys的 那部分弹性应力 (图中阴影区)要发 生应力松弛，应力松弛的结果使原 屈服区外的弹性应力升高，即相当 于BF线外移，塑性区由r0扩大到R0 为求R0，从能量考虑，影线面积+矩形面积ABDO=面积ACEO，即有 金属材料断裂韧性K1c的测定 K1c测试方法 由于材料性能及试样尺寸不同，F-V曲线有三种类型： 1. 材料较脆、试样尺寸足够大时，F-V曲线为III型 2. 材料韧性较好或试样尺寸较小时，F-V曲线为I型 3. 材料韧性或试样尺寸居中时，F-V曲线为II型 试验结果的处理 影响断裂韧性的因素 外因 内因 陶瓷材料断裂韧性测试 * 《材料力学性能》 第六章 断裂韧性基础 断裂是工程构件最危险的一种失效方式，尤其是脆性断裂，它是突然发生的破坏，断裂前没有明显的征兆，这就常常引起灾难性的破坏事故。随着工程构件尺寸越来越大、应用材料的强度越来越高、焊接工艺普遍使用，脆性断裂事故明显增加了。 事故1：美二战期间5000艘全焊接的“自由轮”中238艘完全破坏。 事故2：美发射北极星导弹，固体燃料发动机壳体发射点火后不久发生了爆炸。 传统的力学设计无法解释 第四章 金属的断裂韧度 《材料力学性能》 第六章 断裂韧性基础 σ[σ], 而[σ]，对塑性材料[σ]=σs/n， 对脆性材料[σ]=σb/n，其中n为安全系数。 传统力学设计的缺陷： 把材料看成均匀的，没有缺陷的，没有裂纹的理想固体，但是实际的工程材料，在制备、加工及使用过程中， 都会产生各种宏观缺陷乃至宏观裂纹。 断裂力学的提出： 断裂力学就是研究带裂纹体的力学，它给出了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。 研究中发现低应力脆断总是和材料内部含有一定尺寸的裂纹相联系的，当裂纹