材料力學性能教學課件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、大型轉子、船舶、橋梁

2、等經(jīng)常在屈服應力以下發(fā)生低應力脆性斷裂。,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)部應力狀態(tài)和應力分布，所以機件的結構性能就不再相似于無裂紋的試樣性能，傳統(tǒng)的力學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，以解決低應力脆斷問題。 斷裂力學就是在這種背景下發(fā)展起來的一門新型斷裂強度科學，是在承認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基本原理的基礎上，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，金屬機件的低應力脆斷斷口沒有宏觀塑性變形痕跡，所以可以認為裂紋在斷裂擴展時，尖端總處于彈性狀態(tài)，應力-應變應呈線性關系。 因此，研究低應力脆斷的裂紋擴展問題時，可以用彈性力學理論，從而構成了線彈性斷裂力學。,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) 應力應變分析方法：考慮裂紋尖端附近的應力場強度，得到相應的斷裂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，建立能量轉化平衡方程，得到相應的斷裂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)應力下的擴展。 2. 滑開型（II型）裂紋擴展 切應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雜的應力狀態(tài)，最典型的是平面應力和平面應變兩種應力狀態(tài)。,平面應力：指所有的應力都在一個平面內(nèi)， 平面應力問題主要討論的彈性體是薄板，薄壁厚

5、度遠遠小于結構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。 平面應變：指所有的應變都在一個平面內(nèi)。 平面應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）裂紋尖端應力場,由于裂紋擴展是從尖端開始進行的，所以應該分析裂紋尖端的應力、應變狀態(tài)，建立裂紋擴展的力學條件。 歐文（G. R. Irwin）等人對I型（張開型）裂紋尖端附近的應力應變進行了分析，建立了應力場、位移場的

6、數(shù)學解析式。,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,10,應力分量：,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,11,位移分量（平面應變狀態(tài)）：,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,12,（二）應力場強度因子KI,裂紋尖端區(qū)域各點的應力分量除了決定其位置外，尚與強度因子KI有關。 對于某一確定的點，其應力分量由KI決定，所以對于確定的位置，KI直接影響應力場的大小，KI增加，則應力場各應力分量也越大。 因此，KI就可以表示應力場的強弱程度，稱為應力場強度因子。,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是決定應力場強弱的一個復合力學參量，就可將它看作是推動裂紋擴展的動力，以建立裂紋失穩(wěn)擴展的力學判據(jù)與斷裂韌度。 當和a單獨或共同增大時，KI和裂紋尖端的各應力分量隨之增大。 當KI增大到臨界值時，也就是說裂紋尖端足夠大的范圍內(nèi)應力達到了材料的斷裂強度，裂紋便失穩(wěn)擴展而導致斷裂。 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：平面應變下的斷裂韌度，表示在平面應變條件下材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。 KC：平面應力斷裂韌度，表示平面應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，當試樣厚度增加，使裂紋尖端達到平面

8、應變狀態(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。 在臨界狀態(tài)下所對應的平均應力，稱為斷裂應力或裂紋體斷裂強度，記為c，對應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是力學參量，與載荷、試樣尺寸有關，而和材料本身無關。 KIC是力學性能指標，只與材料組織結構、成分有關，與試樣尺寸和載荷無關。 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)，由于平面應變斷裂最危險，通常以KIC為標準建立：,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)應力應變關系不是線性關系，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進行適當修正，裂紋尖端附近的應力應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，通過一點的主應力1、2、3和 x 、y 、z方向的各應力分量的關系為：,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)應力松弛的影響。 這種應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)生屈服時的應力，稱為y向有效屈服應力，在平面應力狀態(tài)下，ys=s，在平面應變狀態(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：,將平面應力的r0值代入，且ys=s，得：,可見，在平面應力條件下，考慮了應力松弛之后，平面應力塑性區(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。中心是平面應變狀態(tài)，兩個表面

12、都處于平面應力狀態(tài)，所以y向有效屈服應力ys小于2.5s，取：,第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度,27,此時，平面應變的實際塑性區(qū)的寬度為：,在應力松弛影響下，平面應變塑性區(qū)的寬度為：,所以在平面應變條件下，考慮了應力松弛的影響，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，相當于增加了裂紋長度，因而影響了應力場及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外的彈性應力s分布為GEH，基本上與因塑性區(qū)存在的實際應力曲線CDEF中的彈性應力部分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)力學性能指標之間的關系 （一） KIC與強度、塑性間的關系 對于穿晶解理斷裂，裂紋形成并能擴展要滿足一定的力學條件，即拉應力要達到c，而且

15、拉應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，而特征距離是結構參量。,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. 化學成分的影響 2. 基體相結構和晶粒大小的影響 3. 雜質和第二相的影響 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. 應變速率 應變速率提高，可使KIC下降，通常應變速率每增加一個數(shù)量級，KIC約下降10%。但是當應變速率很大時，形變熱量來不及傳導，造成絕熱狀態(tài)，導致局部升溫，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用舉例,40,第四節(jié) 斷裂韌度在金屬材料中的應用舉例,

17、41,第四節(jié) 斷裂韌度在金屬材料中的應用舉例,42,第四節(jié) 斷裂韌度在金屬材料中的應用舉例,43,四、大型轉軸斷裂分析,第四節(jié) 斷裂韌度在金屬材料中的應用舉例,44,第四節(jié) 斷裂韌度在金屬材料中的應用舉例,45,第四節(jié) 斷裂韌度在金屬材料中的應用舉例,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、重型機件在屈服應力以下發(fā)生的斷裂。,思考題與習題,（2）張開型（I 型）裂紋,拉應力垂直作用于裂紋

18、擴展面，裂紋沿作用力方向張開，沿裂紋面擴展的裂紋。,（3）應力場強度因子,,在裂紋尖端區(qū)域各點的應力分量除了決定于位置外，尚與強度因子 有關，對于某一確定的點，其應力分量由 確定， 越大，則應力場各點應力分量也越大，這樣 就可以表示應力場的強弱程度，稱 為應力場強度因子。 “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。,思考題與習題,（5）有效屈服應力,裂紋在發(fā)生屈服時的應力。,（6）有效裂紋長度,,因裂紋尖端應力的分布特性，裂尖前沿產(chǎn)生有塑性屈服區(qū)，屈服區(qū)內(nèi)松弛的應力將疊加至屈服區(qū)之外，從而使屈服區(qū)之外的應力增

19、加，其效果相當于因裂紋長度增加ry后對裂紋尖端應力場的影響，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、試述低應力脆斷的原因及防止方法。,低應力脆斷的原因：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力的情況發(fā)生斷裂。 預防措施：將斷裂判據(jù)用于機件的設計上，在給定裂紋尺寸的情況下，確定機件允許的最大工作應力，或

20、者當機件的工作應力確定后，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。,思考題與習題,,51,4、為什么研究裂紋擴展的力學條件時不用應力判據(jù)而用其它判據(jù)？,由4-1可知，裂紋前端的應力是一個變化復雜的多向應力，如用它直接建立裂紋擴展的應力判據(jù)，顯得十分復雜和困難；而且當r0時，不論外加平均應力如何小，裂紋尖端各應力分量均趨于無限大，構件就失去了承載能力，也就是說，只要構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)生低應力脆斷的原因。K判據(jù)將材料斷裂韌度同機件的工作應力及裂紋尺寸的關系定量地聯(lián)系起來，可直接用于設計計算，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)生應力集中，當y趨于材料的屈服應力時，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，板中心處于平面應變狀態(tài)，塑性區(qū)較?。话灞砻嫣幱谄矫鎽顟B(tài)，塑性區(qū)較大。但是無論平面應力或平面應變，塑性區(qū)寬度總是與（KIC/s)2成正比。,思考題與習題,,