裂纹试样的断裂及其抗力.pptx

1金属力学性能 第8章 裂纹试样的断裂及其抗力试样的断裂及其抗力2本章内容第1节 Griffith强度理论第2节 裂纹顶端的应力应变特征第3节 金属的断裂韧性3第1节 格雷菲斯裂纹理论1、理论断裂强度“原子间结合力”完整晶体，原子间作用力与原子间位移关系式 (1)当位移很小时，所以，虎克定律形成单位裂纹表面的功 两个表面 所以，a0原子间平衡距离4 由（3）和（4）：表面能为 mE/5.5 实际m=E/(101000)原因：断裂是由裂纹引起的。52、格雷菲斯裂纹理论 （1）出发点能量观点：材料中已存在裂纹；局部应力集中；裂纹扩展（增加新的表面），降低系统弹性 （2）格雷菲斯模型a）单位厚度、无限宽薄板，仅施加一拉应力（平面应力）。6在没有裂纹时，板内任何一点都受到拉应力作用，储存弹性能，单位面积材料储存的弹性能为：b）在板内引入一长度为2a，垂直于应力方向的裂纹。此时引入裂纹的区域，将释放弹性能（释放的能量，前面加负号）7c）裂纹形成产生新表面所需要的能量 W=4a （有两个表面）总能量aacWUeacaU8第2节 裂纹顶端的应力与应变断裂是工程上最危险的失效形式。特点：（a）突然性或不可预见性；（b）低于屈服力，发生断裂；（c）由宏观裂纹扩展引起。工程上，常采用加大安全系数；浪费材料。但过于加大材料的体积，不一定能防止断裂。发展出断裂力学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）。9一、裂纹扩展的基本形式 张开型（I型）滑开型（II型）撕开型（III型）裂纹的扩展常常是组合式，I型的危险性最大型的危险性最大。10二、应力场强度因子KI 1、裂纹尖端应力场、应力分析11应力场（应力分量，极座标）平面应力z=0 平面应变 z=（x+y）12应力分析 在裂纹延长线上，（即x的方向）=0 拉应力分量最大；切应力分量为0；拉应力为主应力！裂纹最易沿X轴方向扩展，裂纹面最危险平面应力z=0 平面应变 z=（x+y）132、应力场强度因子KI 裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定其位置(,)外,还与强度因子K有关,对于确定的一点,其应力分量就由K决定.KI可以反映应力场的强弱。称之为应力场强度因子。通式：a1/2裂纹长度；Y裂纹形状系数（无量纲量）；一般Y=1214形状系数 Y的计算 根据不同的裂纹存在位置应力场应力Y 实际应用中，可根据试样、加载方式，查手册。如：宽板中心贯穿裂纹 长板中心穿透裂纹注意：Y是无量纲的系数 而KI有量纲 MPam1/2 或 MNm-3/2 153、断裂韧度KIC和断裂判据 位置位置因子因子强度强度因子因子16断裂韧度 当应力达到断裂强度，裂纹失稳，并开始扩展此时裂纹尖端达到临界断裂韧度。(应力指标 复合指标)临界或失稳状态的KI值记作：KIC或KC，称为断裂韧度。KC 平面应力断裂韧度 KIC平面应变，I类裂纹时断裂韧度断裂判据 KI KIC 发生裂纹扩展，直至断裂17断裂韧性的测量平面应力和平面应变下测量的断裂韧性值不同厚板试样测量得到的应力场强度因子最小，称为平面应变断裂韧性KIC采用平面应变断裂韧性作为指标薄板试样薄板试样 厚板试样厚板试样厚度断裂KKIC薄板平面应力厚板平面应变18断裂韧性四种试样：三点弯曲，紧凑拉伸，C型拉伸，圆形紧凑拉伸试样。大小及厚度有严格要求 预先估计KIC（类比法），再逼近预制裂纹长度有一定要求，2.5%W断裂韧性的测量y为等效屈服强度为等效屈服强度三点弯曲紧凑拉伸P19方法 弯曲、拉伸；传感器测量，绘出曲线。三点弯曲试验装置三点弯曲试验装置20KIC测量的关键：试样处于平面应变状态USWBa21a:强度低，韧性好b：韧性较好c：强度高，韧性差确定PQ确定a（a1+a2+a3）/3计算KQ校验：载荷位移abcPQPQPQ斜率小于5a1a2a3韧性好韧性较好韧性差Pmax22应力松驰后的塑性区 材料屈服后，多出来的应力将要松驰（即传递给rr0的区域）使r0前方局部地区的应力生高，又导致这些地方发生屈服。ysys屈服应力 不考虑加工硬化 r0-R R塑性扩大区的半径。积分后可知 将ys用s代替，并把 r0(前式)代入 （平面应力）平面应变状态考虑应力松弛后，R2r023 平面应力 平面应变 一般为0.3平面应变裂纹尖端塑性区尺寸比平面应力的小。r0区域的材料产生屈服。裂纹顶端应变场（塑性区尺寸）24影响断裂韧性的因素 1、材料因素（内在因素）晶体特征（晶体结构、位错）化学成分 显微组织（晶粒大小，各相，第二相，夹杂）处理工艺（热处理、强化处理）2、（外因）环境因素 温度、应变速度等。25本章要点了解完整晶体和裂纹体的断裂强度，裂纹顶端的应力应变特征和应力场强度因子，裂纹体的断裂过程和裂纹敏感性，金属的断裂韧性概念、影响因素及其测量，断裂韧性的工程应用26本章思考题本章思考题1）叙述KIc与强度、塑性之间的关系。2）说明KIc的基本原理及对试样尺寸的要求3）有一大型板状构件，具有20mm长的I型穿透型裂纹，构件材料的屈服强度1200MPa，承受900 MPa的平均拉应力，计算其应力场强度因子KI及屈服区宽度R0。4）有一车轴平均工作拉应力150MPa，在40下材料的屈服强度为300MPa，KIc62MPam1/2。问在这种情况下允许表面存在增多深的半椭圆裂纹？5）解释下列名词：平面应变断裂韧性；张开型裂纹；应力场强度因子；6）叙述低应力脆断的原因及在强度设计方面防止低应力脆断的方法7）应力场强度因子与应力有什么区别？278）说明 各符号的物理意义9）叙述影响裂纹尖端塑性区尺寸的因素10）分析断裂韧性与冲击韧性的异同点及其相互关系概念差别；测试方法差别；物理意义差别。都描述了材料的韧性28补充：1)什么是微孔聚集型断裂断口三要素？影响宏观拉伸断口形态的因素有哪些？2)叙述Griffith强度理论分析断裂问题的思路3)通常纯铁的s2J/m2，E2105MPa，a02.51010m，试求其理论断裂强度m。（4104MPa）4)含有裂纹物体的断裂强度和抗拉强度有何区别？5)有一材料E21011N/m2,s8J/m2,计算在7107N/m2的应力作用下，该材料中能扩展的裂纹最小长度。（0.4mm）6)说明下列因素对金属韧性、脆性断裂的影响规律及机理：（1）成分；（2）温度；（3）晶粒尺寸；（4）应力状态；（5）加载速率