材料力學(xué)性能教學(xué)課件PPT材料的斷裂韌性.ppt

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1、1,主講人: 張寧,2,一、線彈性條件下的金屬斷裂韌度 二、斷裂韌度KIC的測試 三、影響斷裂韌度KIC的因素 四、斷裂韌度在金屬材料中的應(yīng)用舉例 五、彈塑性條件下金屬斷裂韌度的基本概 念,第四章 金屬的斷裂韌度,3,為了防止斷裂失效，傳統(tǒng)的力學(xué)強度理論是根據(jù)材料的屈服強度，用強度儲備方法確定機件的工作應(yīng)力。 然后再考慮機件的一些特點（如存在口）及環(huán)境溫度的影響，根據(jù)材料使用經(jīng)驗，對塑性、韌度及缺口敏感度提出附加要求， 據(jù)此設(shè)計的機件，原則上來講是不會發(fā)生塑性變形和斷裂的，安全可靠，但是實際情況不同，對高強度、超高強度鋼的機件，中低強度鋼的大型、重型機件，如火箭殼體、大型轉(zhuǎn)子、船舶、橋梁

2、等經(jīng)常在屈服應(yīng)力以下發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂。,第四章 金屬的斷裂韌度,4,由于裂紋破壞了材料的均勻連續(xù)性，改變了材料內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力分布，所以機件的結(jié)構(gòu)性能就不再相似于無裂紋的試樣性能，傳統(tǒng)的力學(xué)強度理論就不再適用。 因此，需要研究新的強度理論和材料性能評價指標(biāo)，以解決低應(yīng)力脆斷問題。 斷裂力學(xué)就是在這種背景下發(fā)展起來的一門新型斷裂強度科學(xué)，是在承認(rèn)機件存在宏觀裂紋的前提下，建立了裂紋擴展的各種新的力學(xué)參量，并提出了含裂紋體的斷裂判據(jù)和材料斷裂韌度。 本章從材料的角度出以，在簡要介紹斷裂力學(xué)基本原理的基礎(chǔ)上，著重討論線彈性條件下金屬斷裂韌度的意義、測試原理和影響因素。,第四章 金屬的斷裂韌度,5

3、,大量斷口分析表明，金屬機件的低應(yīng)力脆斷斷口沒有宏觀塑性變形痕跡，所以可以認(rèn)為裂紋在斷裂擴展時，尖端總處于彈性狀態(tài)，應(yīng)力-應(yīng)變應(yīng)呈線性關(guān)系。 因此，研究低應(yīng)力脆斷的裂紋擴展問題時，可以用彈性力學(xué)理論，從而構(gòu)成了線彈性斷裂力學(xué)。,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,6,分析裂紋體斷裂問題有兩種方法,(1) 應(yīng)力應(yīng)變分析方法：考慮裂紋尖端附近的應(yīng)力場強度，得到相應(yīng)的斷裂K判據(jù)。 (2) 能量分析方法：考慮裂紋擴展時系統(tǒng)能量的變化，建立能量轉(zhuǎn)化平衡方程，得到相應(yīng)的斷裂G判據(jù)。,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,7,一、裂紋擴展的基本形式,1. 張開型（I型）裂紋擴展 拉應(yīng)力垂直于裂紋擴展面，裂紋沿作用

4、力方向張開，沿裂紋面擴展，如壓力容器縱向裂紋在內(nèi)應(yīng)力下的擴展。 2. 滑開型（II型）裂紋擴展 切應(yīng)力平行作用于裂紋面，而且與裂紋線垂直，裂紋沿裂紋面平行滑開擴展，如花鍵根部裂紋沿切向力的擴展。 3. 撕開型（III型）裂紋擴展切應(yīng)力平行作用于裂紋面，而且與裂紋線平行，裂紋沿裂紋面撕開擴展，如軸的縱、橫裂紋在扭矩作用下的擴展。,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,8,二、應(yīng)力場強度因子KI及斷裂韌度KIC,對于張開型裂紋試樣，拉伸或彎曲時，其裂紋尖端處于更復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，最典型的是平面應(yīng)力和平面應(yīng)變兩種應(yīng)力狀態(tài)。,平面應(yīng)力：指所有的應(yīng)力都在一個平面內(nèi)， 平面應(yīng)力問題主要討論的彈性體是薄板，薄壁厚

5、度遠遠小于結(jié)構(gòu)另外兩個方向的尺度。薄板的中面為平面，所受外力均平行于中面面內(nèi)，并沿厚度方向不變，而且薄板的兩個表面不受外力作用。 平面應(yīng)變：指所有的應(yīng)變都在一個平面內(nèi)。 平面應(yīng)變問題比如壓力管道、水壩等，這類彈性體是具有很長的縱向軸的柱形物體，橫截面大小和形狀沿軸線長度不變，作用外力與縱向軸垂直，且沿長度不變，柱體的兩端受固定約束。,,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,9,（一）裂紋尖端應(yīng)力場,由于裂紋擴展是從尖端開始進行的，所以應(yīng)該分析裂紋尖端的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，建立裂紋擴展的力學(xué)條件。 歐文（G. R. Irwin）等人對I型（張開型）裂紋尖端附近的應(yīng)力應(yīng)變進行了分析，建立了應(yīng)力場、位移場的

6、數(shù)學(xué)解析式。,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,10,應(yīng)力分量：,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,11,位移分量（平面應(yīng)變狀態(tài)）：,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,12,（二）應(yīng)力場強度因子KI,裂紋尖端區(qū)域各點的應(yīng)力分量除了決定其位置外，尚與強度因子KI有關(guān)。 對于某一確定的點，其應(yīng)力分量由KI決定，所以對于確定的位置，KI直接影響應(yīng)力場的大小，KI增加，則應(yīng)力場各應(yīng)力分量也越大。 因此，KI就可以表示應(yīng)力場的強弱程度，稱為應(yīng)力場強度因子。,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,13,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,14,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,15,（三）斷裂韌度KIc和斷裂K

7、判據(jù),KI是決定應(yīng)力場強弱的一個復(fù)合力學(xué)參量，就可將它看作是推動裂紋擴展的動力，以建立裂紋失穩(wěn)擴展的力學(xué)判據(jù)與斷裂韌度。 當(dāng)和a單獨或共同增大時，KI和裂紋尖端的各應(yīng)力分量隨之增大。 當(dāng)KI增大到臨界值時，也就是說裂紋尖端足夠大的范圍內(nèi)應(yīng)力達到了材料的斷裂強度，裂紋便失穩(wěn)擴展而導(dǎo)致斷裂。 這個臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的KI值就記作KIC或KC，稱為斷裂韌度。,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,16,KIC：平面應(yīng)變下的斷裂韌度，表示在平面應(yīng)變條件下材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。 KC：平面應(yīng)力斷裂韌度，表示平面應(yīng)力條件材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。 但KC值與試樣厚度有關(guān)，當(dāng)試樣厚度增加，使裂紋尖端達到平面

8、應(yīng)變狀態(tài)時，斷裂韌度趨于一個穩(wěn)定的最低值，就是KIC，與試樣厚度無關(guān)。 在臨界狀態(tài)下所對應(yīng)的平均應(yīng)力，稱為斷裂應(yīng)力或裂紋體斷裂強度，記為c，對應(yīng)的裂紋尺寸稱為臨界裂紋尺寸，記作ac。,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,17,KI和KIC的區(qū)別：,應(yīng)力場強度因子KI增大到臨界值KIC時，材料發(fā)生斷裂，這個臨界值KIC稱為斷裂韌度。 KI是力學(xué)參量，與載荷、試樣尺寸有關(guān)，而和材料本身無關(guān)。 KIC是力學(xué)性能指標(biāo)，只與材料組織結(jié)構(gòu)、成分有關(guān)，與試樣尺寸和載荷無關(guān)。 根據(jù)KI和KIC的相對大小，可以建立裂紋失穩(wěn)擴展脆斷的斷裂K判據(jù)，由于平面應(yīng)變斷裂最危險，通常以KIC為標(biāo)準(zhǔn)建立：,第一節(jié) 線彈性條件下

9、金屬斷裂韌度,18,（四）裂紋尖端塑性區(qū)及KI的修正,從理論上來講，按KI建立的脆性斷裂判據(jù)KIKIC，只適用于彈性狀態(tài)下的斷裂分析。 實際上，金屬材料在裂紋擴展前，其尖端附近總要先出現(xiàn)一個或大或小的塑性變形區(qū)，這與缺口前方存在塑性區(qū)間相似，在塑性區(qū)內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不是線性關(guān)系，上述KI判據(jù)不再適用。 試驗表明：如果塑性區(qū)尺寸較裂紋尺寸a和靜截面尺寸很小時，小一個數(shù)量級以上，在小范圍屈服下，只要對KI進行適當(dāng)修正，裂紋尖端附近的應(yīng)力應(yīng)變場的強弱程度仍可用修正的KI來描述。,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,19,1. 塑性區(qū)的形狀和尺寸,為確定裂紋尖端塑性區(qū)的形狀與尺寸，就要建立符合塑性變形臨界

10、條件的函數(shù)表達式r=f()，該式對應(yīng)的圖形就代表塑性區(qū)邊界形狀，其邊界值就是塑性區(qū)的尺寸。 根據(jù)材料力學(xué)，通過一點的主應(yīng)力1、2、3和 x 、y 、z方向的各應(yīng)力分量的關(guān)系為：,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,20,裂紋尖端附近任一點P(r,)的主應(yīng)力：,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,21,塑性區(qū)邊界曲線方程：,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,22,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,23,為了說明塑性區(qū)對裂紋在x方向擴展的影響，就將沿x方向的塑性區(qū)尺寸定義為塑性區(qū)寬度，取=0，就可以得到塑性區(qū)寬度：,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,24,上述估算指的是在x軸上裂紋尖端的應(yīng)力分量yys

11、的一段距離AB，而沒有考慮圖中影線部分面積內(nèi)應(yīng)力松弛的影響。 這種應(yīng)力松弛可以增大塑性區(qū)，由r0擴大至R0。 圖中ys是在y方向發(fā)生屈服時的應(yīng)力，稱為y向有效屈服應(yīng)力，在平面應(yīng)力狀態(tài)下，ys=s，在平面應(yīng)變狀態(tài)下， ys=2.5s。,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,25,為求R0，從能量考慮，影線面積+矩形面積ABDO=面積ACEO，即有,積分，得：,將平面應(yīng)力的r0值代入，且ys=s，得：,可見，在平面應(yīng)力條件下，考慮了應(yīng)力松弛之后，平面應(yīng)力塑性區(qū)寬度正好是r0的兩倍。,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,26,厚板在平面應(yīng)變條件下，塑性區(qū)是一個啞鈴形的立體形狀。中心是平面應(yīng)變狀態(tài)，兩個表面

12、都處于平面應(yīng)力狀態(tài)，所以y向有效屈服應(yīng)力ys小于2.5s，?。?第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,27,此時，平面應(yīng)變的實際塑性區(qū)的寬度為：,在應(yīng)力松弛影響下，平面應(yīng)變塑性區(qū)的寬度為：,所以在平面應(yīng)變條件下，考慮了應(yīng)力松弛的影響，其塑性區(qū)寬度R0也是原r0的兩倍。,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,28,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,29,2. 有效裂紋及KI的修正,由于裂紋塑性區(qū)的存在，將會降低裂紋體的剛度，相當(dāng)于增加了裂紋長度，因而影響了應(yīng)力場及KI的計算，所以要對KI進行修正。 最簡單的方法是采用虛擬有效裂紋代替實際裂紋。 如果將裂紋延長為a+ry，即裂紋頂點由O點虛移至O，則稱a+

13、ry為有效裂紋長度，則在尖端O外的彈性應(yīng)力s分布為GEH，基本上與因塑性區(qū)存在的實際應(yīng)力曲線CDEF中的彈性應(yīng)力部分EF相重合。 這就是用有效裂紋代替原有裂紋和塑性區(qū)松弛聯(lián)合作用的原理。,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,30,2. 對于大件表面半橢圓裂紋， ，所以KI的修正公式為：,修正的KI值為：,例如，1. 對于無限板的中心穿透裂紋，考慮塑性區(qū)影響時，Y=1/2，所以KI的修正公式為：,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,31,一、試樣的形狀、尺寸及制備,第二節(jié) 斷裂韌度KIC的測試,32,由于這些尺寸比塑性區(qū)寬度R0大一個數(shù)量級，所以可以保證裂紋尖端是平面應(yīng)變和小范圍屈服狀態(tài)。 試樣

14、材料、加工和熱處理方法也要和實際工件盡量相同，試樣加工后需要開缺口和預(yù)制裂紋。,第二節(jié) 斷裂韌度KIC的測試,33,二、測試方法,第二節(jié) 斷裂韌度KIC的測試,34,由于材料性能及試樣尺寸不同，F(xiàn)-V曲線有三種類型： 1. 材料較脆、試樣尺寸足夠大時，F(xiàn)-V曲線為III型 2. 材料韌性較好或試樣尺寸較小時，F(xiàn)-V曲線為I型 3. 材料韌性或試樣尺寸居中時，F(xiàn)-V曲線為II型,從F-V曲線確定FQ的方法：,第二節(jié) 斷裂韌度KIC的測試,35,一、KIC與常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)之間的關(guān)系 （一） KIC與強度、塑性間的關(guān)系 對于穿晶解理斷裂，裂紋形成并能擴展要滿足一定的力學(xué)條件，即拉應(yīng)力要達到c，而且

15、拉應(yīng)力必須作用有一定范圍或特征距離，才可能使裂紋過界擴展，從而實現(xiàn)解理斷裂。 無論是解理斷裂還是韌性斷裂， KIC都是強度和塑性的綜合性能，而特征距離是結(jié)構(gòu)參量。,第三節(jié) 影響斷裂韌度KIC的因素,36,（二） KIC與沖擊吸收功AKV之間的關(guān)系 由于裂紋和缺口不同，以及加載速率不同，所以KIC和AKV的溫度變化曲線不一樣，由KIC確定的韌脆轉(zhuǎn)變溫度比AKV的高。,第三節(jié) 影響斷裂韌度KIC的因素,37,二、影響KIC的因素,（一）材料成分、組織對KIC的影響 1. 化學(xué)成分的影響 2. 基體相結(jié)構(gòu)和晶粒大小的影響 3. 雜質(zhì)和第二相的影響 4. 顯微組織的影響,第三節(jié)

16、 影響斷裂韌度KIC的因素,38,（二）影響KIC的外界因素,1. 溫度 通常鋼的KIC都隨著溫度的降低而下降，然而KIC的變化趨勢不同。 中低強度鋼都有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，在tk以上，材料主要是微孔聚集型的韌性斷裂， KIC較高，而在tk以下，材料主要為解理型脆性斷裂， KIC很低。 2. 應(yīng)變速率 應(yīng)變速率提高，可使KIC下降，通常應(yīng)變速率每增加一個數(shù)量級，KIC約下降10%。但是當(dāng)應(yīng)變速率很大時，形變熱量來不及傳導(dǎo)，造成絕熱狀態(tài)，導(dǎo)致局部升溫，KIC又有所增加。,第三節(jié) 影響斷裂韌度KIC的因素,39,第四節(jié) 斷裂韌度在金屬材料中的應(yīng)用舉例,40,第四節(jié) 斷裂韌度在金屬材料中的應(yīng)用舉例,

17、41,第四節(jié) 斷裂韌度在金屬材料中的應(yīng)用舉例,42,第四節(jié) 斷裂韌度在金屬材料中的應(yīng)用舉例,43,四、大型轉(zhuǎn)軸斷裂分析,第四節(jié) 斷裂韌度在金屬材料中的應(yīng)用舉例,44,第四節(jié) 斷裂韌度在金屬材料中的應(yīng)用舉例,45,第四節(jié) 斷裂韌度在金屬材料中的應(yīng)用舉例,46,五、評定鋼鐵材料的韌脆性,第四節(jié) 斷裂韌度在金屬材料中的應(yīng)用舉例,1、超高強度鋼的脆斷傾向2、中、低強度鋼的脆斷傾向3、高強度鋼的脆斷傾向4、球墨鑄鐵的脆斷傾向,47,1、名詞解釋（1）低應(yīng)力脆斷,高強度、超高強度鋼的機件 ，中低強度鋼的大型、重型機件在屈服應(yīng)力以下發(fā)生的斷裂。,思考題與習(xí)題,（2）張開型（I 型）裂紋,拉應(yīng)力垂直作用于裂紋

18、擴展面，裂紋沿作用力方向張開，沿裂紋面擴展的裂紋。,（3）應(yīng)力場強度因子,,在裂紋尖端區(qū)域各點的應(yīng)力分量除了決定于位置外，尚與強度因子 有關(guān)，對于某一確定的點，其應(yīng)力分量由 確定， 越大，則應(yīng)力場各點應(yīng)力分量也越大，這樣 就可以表示應(yīng)力場的強弱程度，稱 為應(yīng)力場強度因子。 “I”表示I型裂紋。,48,（4）小范圍屈服,塑性區(qū)的尺寸較裂紋尺寸及凈截面尺寸為小時（小一個數(shù)量級以上），這就稱為小范圍屈服。,思考題與習(xí)題,（5）有效屈服應(yīng)力,裂紋在發(fā)生屈服時的應(yīng)力。,（6）有效裂紋長度,,因裂紋尖端應(yīng)力的分布特性，裂尖前沿產(chǎn)生有塑性屈服區(qū)，屈服區(qū)內(nèi)松弛的應(yīng)力將疊加至屈服區(qū)之外，從而使屈服區(qū)之外的應(yīng)力增

19、加，其效果相當(dāng)于因裂紋長度增加ry后對裂紋尖端應(yīng)力場的影響，經(jīng)修正后的裂紋長度即為有效裂紋長度: a+ry。,49,（7）裂紋擴展K判據(jù),裂紋在受力時只要滿足 ， 就會發(fā)生脆性斷裂。反之，即使存在裂紋，若 也不會斷裂。,思考題與習(xí)題,（8）裂紋擴展能量釋放率GI,I型裂紋擴展單位面積時系統(tǒng)釋放勢能的數(shù)值。,（9）,,裂紋張開位移。,50,3、試述低應(yīng)力脆斷的原因及防止方法。,低應(yīng)力脆斷的原因：在材料的生產(chǎn)、機件的加工和使用過程中產(chǎn)生不可避免的宏觀裂紋，從而使機件在低于屈服應(yīng)力的情況發(fā)生斷裂。 預(yù)防措施：將斷裂判據(jù)用于機件的設(shè)計上，在給定裂紋尺寸的情況下，確定機件允許的最大工作應(yīng)力，或

20、者當(dāng)機件的工作應(yīng)力確定后，根據(jù)斷裂判據(jù)確定機件不發(fā)生脆性斷裂時所允許的最大裂紋尺寸。,思考題與習(xí)題,,51,4、為什么研究裂紋擴展的力學(xué)條件時不用應(yīng)力判據(jù)而用其它判據(jù)？,由4-1可知，裂紋前端的應(yīng)力是一個變化復(fù)雜的多向應(yīng)力，如用它直接建立裂紋擴展的應(yīng)力判據(jù)，顯得十分復(fù)雜和困難；而且當(dāng)r0時，不論外加平均應(yīng)力如何小，裂紋尖端各應(yīng)力分量均趨于無限大，構(gòu)件就失去了承載能力，也就是說，只要構(gòu)件一有裂紋就會破壞，這顯然與實際情況不符。這說明經(jīng)典的強度理論單純用應(yīng)力大小來判斷受載的裂紋體是否破壞是不正確的。因此無法用應(yīng)力判據(jù)處理這一問題。因此只能用其它判據(jù)來解決這一問題。,思考題與習(xí)題,,52,6、試述K

21、判據(jù)的意義及用途。,K判據(jù)解決了經(jīng)典的強度理論不能解決存在宏觀裂紋為什么會產(chǎn)生低應(yīng)力脆斷的原因。K判據(jù)將材料斷裂韌度同機件的工作應(yīng)力及裂紋尺寸的關(guān)系定量地聯(lián)系起來，可直接用于設(shè)計計算，估算裂紋體的最大承載能力、允許的裂紋最大尺寸，以及用于正確選擇機件材料、優(yōu)化工藝等。,思考題與習(xí)題,,53,7、試述裂紋尖端塑性區(qū)產(chǎn)生的原因及其影響因素。,機件上由于存在裂紋，在裂紋尖端處產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)y趨于材料的屈服應(yīng)力時，在裂紋尖端處便開始屈服產(chǎn)生塑性變形，從而形成塑性區(qū)。 影響塑性區(qū)大小的因素有：裂紋在厚板中所處的位置，板中心處于平面應(yīng)變狀態(tài)，塑性區(qū)較小；板表面處于平面應(yīng)力狀態(tài)，塑性區(qū)較大。但是無論平面應(yīng)力或平面應(yīng)變，塑性區(qū)寬度總是與（KIC/s)2成正比。,思考題與習(xí)題,,