材料的力學(xué)性能 材料的斷裂韌性

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1、5 5 材料的斷裂韌性材料的斷裂韌性 RALRAL5.1 5.1 斷裂韌性的基本概念斷裂韌性的基本概念 傳統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計方法：傳統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計方法：強(qiáng)度儲備法，或安全系數(shù)法 工作許用s/n，高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)度鋼常常發(fā)生低應(yīng)力脆斷：高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)度鋼常常發(fā)生低應(yīng)力脆斷： 工作應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度時產(chǎn)生的脆性斷裂稱為低應(yīng)力脆性斷裂，簡稱低應(yīng)力脆斷。低應(yīng)力脆斷的發(fā)生沖擊了傳統(tǒng)的設(shè)計思想，人們不得不開始研究工程構(gòu)件為什么會突然斷裂?又應(yīng)該如何防止。 低應(yīng)力脆斷是由宏觀裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展引起的：低應(yīng)力脆斷是由宏觀裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展引起的： 實(shí)際金屬構(gòu)件中，宏觀裂紋往往難以避免（加工過程、服役過程）。必須針對金屬構(gòu)件中存在裂紋的實(shí)

2、際情況，研究裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的力學(xué)條件。斷裂力學(xué)：斷裂力學(xué)：一種新的強(qiáng)度設(shè)計理論 承認(rèn)存在宏觀裂紋，利用力學(xué)分析，定量研究裂紋擴(kuò)展規(guī)律，裂紋體斷裂強(qiáng)度。建立了材料性質(zhì)、裂紋尺寸和工作應(yīng)力之間的關(guān)系。斷裂韌性：斷裂韌性：在斷裂力學(xué)基礎(chǔ)上建立起來的材料抵抗裂紋擴(kuò)展斷裂的韌性性能稱為斷裂韌性。它綜合反映了材料的強(qiáng)度和塑性，在防止低應(yīng)力脆斷選用材料時，根據(jù)材料的斷裂韌性指標(biāo)，可以對構(gòu)件允許的工作應(yīng)力和裂紋尺寸進(jìn)行定量計算。 RALRAL5.1 5.1 斷裂韌性的基本概念斷裂韌性的基本概念 5.1.1 斷裂強(qiáng)度與裂紋長度斷裂強(qiáng)度與裂紋長度 RALRAL 由于工程上的低應(yīng)力脆斷事故一般都與材料內(nèi)部的裂紋存在有

3、關(guān)，而由于工程上的低應(yīng)力脆斷事故一般都與材料內(nèi)部的裂紋存在有關(guān)，而且材料內(nèi)部的裂紋往往又是不可避免的，這樣，研究裂紋對斷裂強(qiáng)度的影且材料內(nèi)部的裂紋往往又是不可避免的，這樣，研究裂紋對斷裂強(qiáng)度的影響很有必要。將高強(qiáng)度材料的試樣預(yù)制成不同深度的表面裂紋，進(jìn)行拉伸響很有必要。將高強(qiáng)度材料的試樣預(yù)制成不同深度的表面裂紋，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，求出裂紋深度與實(shí)驗(yàn)斷裂強(qiáng)度間的關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)，得出斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)，求出裂紋深度與實(shí)驗(yàn)斷裂強(qiáng)度間的關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)，得出斷裂強(qiáng)度c c與裂紋深度與裂紋深度a a的平方根成反比。的平方根成反比。 1cacKacKa5.1 5.1 斷裂韌性的基本概念斷裂韌性的基本概念 RALRAL

4、 對應(yīng)于一定的應(yīng)力值時，存在著一個臨界的裂紋深度對應(yīng)于一定的應(yīng)力值時，存在著一個臨界的裂紋深度a ac c，當(dāng)裂紋深度小于，當(dāng)裂紋深度小于此值時，裂紋是穩(wěn)定的；裂紋深度大于此值時，就不穩(wěn)定了，要發(fā)生裂紋失此值時，裂紋是穩(wěn)定的；裂紋深度大于此值時，就不穩(wěn)定了，要發(fā)生裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，導(dǎo)致構(gòu)件的斷裂。穩(wěn)擴(kuò)展，導(dǎo)致構(gòu)件的斷裂。 裂紋愈深，材料的臨界斷裂應(yīng)力愈低；或者作用于試樣上的應(yīng)力愈大，裂紋愈深，材料的臨界斷裂應(yīng)力愈低；或者作用于試樣上的應(yīng)力愈大，裂紋的臨界尺寸愈小。裂紋的臨界尺寸愈小。 若若a a一定時，一定時，K K值越大，值越大，c c越大，表示使裂紋擴(kuò)展的斷裂應(yīng)力越大。不同越大，表示使裂紋擴(kuò)展

5、的斷裂應(yīng)力越大。不同的材料，的材料，K K值不同。值不同。因此，常數(shù)因此，常數(shù)K K不是一般的比例常數(shù)，它表達(dá)了裂紋前端的力學(xué)因素，是反映不是一般的比例常數(shù)，它表達(dá)了裂紋前端的力學(xué)因素，是反映材料抵抗脆性破斷能力的一個斷裂力學(xué)指標(biāo)。材料抵抗脆性破斷能力的一個斷裂力學(xué)指標(biāo)。 對應(yīng)于一定的裂紋深度對應(yīng)于一定的裂紋深度a，存在一個臨界的應(yīng)力值，存在一個臨界的應(yīng)力值c，只有當(dāng)外界作用應(yīng)，只有當(dāng)外界作用應(yīng)力大于此臨界應(yīng)力時，裂紋才能擴(kuò)展，造成破斷；小于此應(yīng)力值，裂紋將是力大于此臨界應(yīng)力時，裂紋才能擴(kuò)展，造成破斷；小于此應(yīng)力值，裂紋將是穩(wěn)定的，不會擴(kuò)展，構(gòu)件也不會產(chǎn)生斷裂。穩(wěn)定的，不會擴(kuò)展，構(gòu)件也不會產(chǎn)生

6、斷裂。5.1 5.1 斷裂韌性的基本概念斷裂韌性的基本概念 5.1.2 裂紋體的三種位移方式裂紋體的三種位移方式 RALRAL張開型裂紋張開型裂紋 外加正應(yīng)力外加正應(yīng)力和裂紋面垂直，在和裂紋面垂直，在作用下，裂紋尖端張開，并作用下，裂紋尖端張開，并且擴(kuò)展方向和且擴(kuò)展方向和垂直，這種裂紋稱為張開型裂紋，也稱為垂直，這種裂紋稱為張開型裂紋，也稱為型裂紋。如旋轉(zhuǎn)型裂紋。如旋轉(zhuǎn)的葉輪，當(dāng)存在一個徑向裂紋時，在旋轉(zhuǎn)體力產(chǎn)生的徑向力的葉輪，當(dāng)存在一個徑向裂紋時，在旋轉(zhuǎn)體力產(chǎn)生的徑向力作用下，裂作用下，裂紋張開，并沿徑向擴(kuò)展，所以稱為張開型裂紋，這種形式的斷裂常見于疲勞紋張開，并沿徑向擴(kuò)展，所以稱為張開型裂

7、紋，這種形式的斷裂常見于疲勞及脆性斷裂，是工程上常見的也是最危險的斷裂類型。及脆性斷裂，是工程上常見的也是最危險的斷裂類型。5.1 5.1 斷裂韌性的基本概念斷裂韌性的基本概念 5.1.2 裂紋體的三種位移方式裂紋體的三種位移方式 RALRAL滑開型裂紋滑開型裂紋在平行于裂紋面的剪應(yīng)力作用下，裂紋滑開擴(kuò)展，稱為滑開型裂在平行于裂紋面的剪應(yīng)力作用下，裂紋滑開擴(kuò)展，稱為滑開型裂紋。如兩塊厚板用大螺栓連接起來，當(dāng)板受拉力紋。如兩塊厚板用大螺栓連接起來，當(dāng)板受拉力P時，在接觸面上作用一對時，在接觸面上作用一對剪應(yīng)力剪應(yīng)力，如螺栓內(nèi)部，如螺栓內(nèi)部AB面上有裂紋，在剪應(yīng)力的作用下形成的裂紋屬于面上有裂紋，

8、在剪應(yīng)力的作用下形成的裂紋屬于型裂紋。型裂紋。 5.1 5.1 斷裂韌性的基本概念斷裂韌性的基本概念 5.1.2 裂紋體的三種位移方式裂紋體的三種位移方式 RALRAL 撕開型裂紋撕開型裂紋 在剪應(yīng)力在剪應(yīng)力的作用下，裂紋面上下錯開，裂紋沿的作用下，裂紋面上下錯開，裂紋沿原來的方向向前擴(kuò)展，像用剪子剪開一個口，然后撕開，就是一原來的方向向前擴(kuò)展，像用剪子剪開一個口，然后撕開，就是一個個型裂紋。如一傳動軸工作時受扭轉(zhuǎn)力矩的作用，即存在一個型裂紋。如一傳動軸工作時受扭轉(zhuǎn)力矩的作用，即存在一個剪應(yīng)力，若軸上有一環(huán)向裂紋，它就屬于剪應(yīng)力，若軸上有一環(huán)向裂紋，它就屬于型。型。 如果物體內(nèi)裂紋同時受正應(yīng)力

9、和剪應(yīng)力的作用，或裂紋面和如果物體內(nèi)裂紋同時受正應(yīng)力和剪應(yīng)力的作用，或裂紋面和正應(yīng)力成一角度，這時就同時存在正應(yīng)力成一角度，這時就同時存在型和型和型型(或或型和型和型型)裂紋，裂紋，這樣的裂紋稱為復(fù)合裂紋。在工程構(gòu)件內(nèi)部，張開型這樣的裂紋稱為復(fù)合裂紋。在工程構(gòu)件內(nèi)部，張開型(型型)裂紋是裂紋是最危險的，容易引起低應(yīng)力脆斷。所以，在實(shí)際構(gòu)件內(nèi)部，即使最危險的，容易引起低應(yīng)力脆斷。所以，在實(shí)際構(gòu)件內(nèi)部，即使存在的是復(fù)合型裂紋，也往往把它作為張開型來處理，這樣考慮存在的是復(fù)合型裂紋，也往往把它作為張開型來處理，這樣考慮問題更安全。問題更安全。5.1 5.1 斷裂韌性的基本概念斷裂韌性的基本概念 5.

10、1.3 平面應(yīng)力和平面應(yīng)變平面應(yīng)力和平面應(yīng)變 RALRAL5.1 5.1 斷裂韌性的基本概念斷裂韌性的基本概念 5.1.3 平面應(yīng)力和平面應(yīng)變平面應(yīng)力和平面應(yīng)變 RALRAL水壩垂直壩長方向的單元平面的變形方式5.1 5.1 斷裂韌性的基本概念斷裂韌性的基本概念 平面應(yīng)力平面應(yīng)力 RALRAL平面應(yīng)變平面應(yīng)變0 x0y0zyzzx0 xy()zxyE0 x0y0zxzyx0 xy()zxy 5.1 5.1 斷裂韌性的基本概念斷裂韌性的基本概念 5.1.4 斷裂韌性和應(yīng)力場強(qiáng)度因子斷裂韌性和應(yīng)力場強(qiáng)度因子 RALRALIccKa y1ca y斷裂應(yīng)力與試樣內(nèi)部裂紋尺寸、裂紋形狀、加載方式有關(guān)。y

11、是一個和裂紋形狀及加載方式有關(guān)的量，對每一種特定工藝狀態(tài)下的材料， =常數(shù)，它與裂紋大小、幾何形狀及加載方式無關(guān)，此常數(shù)是材料的一種性能，將其稱為斷裂韌性 。ca y 當(dāng)材料的當(dāng)材料的Kc愈高時，在相同的工作應(yīng)力愈高時，在相同的工作應(yīng)力作用下，導(dǎo)致構(gòu)件脆斷的臨作用下，導(dǎo)致構(gòu)件脆斷的臨界值界值ac就愈大，即可允許構(gòu)件中存在更長的裂紋?？傊瑯?gòu)件材料的就愈大，即可允許構(gòu)件中存在更長的裂紋?？傊?，構(gòu)件材料的Kc愈愈高，則此構(gòu)件阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力就愈大，即高，則此構(gòu)件阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力就愈大，即Kc是材料抵抗裂紋失穩(wěn)是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的度量，是材料抵抗低應(yīng)力脆性破壞的韌性參數(shù)，故稱之為

12、斷裂韌擴(kuò)展能力的度量，是材料抵抗低應(yīng)力脆性破壞的韌性參數(shù)，故稱之為斷裂韌性。性。5.2 5.2 裂紋尖端附近的應(yīng)力場裂紋尖端附近的應(yīng)力場 RALRAL應(yīng)用彈性力學(xué)理論，研究含有裂紋材料的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和裂紋擴(kuò)展規(guī)律，應(yīng)用彈性力學(xué)理論，研究含有裂紋材料的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和裂紋擴(kuò)展規(guī)律，就構(gòu)成就構(gòu)成“線彈性斷裂力學(xué)線彈性斷裂力學(xué)”。線彈性斷裂力學(xué)認(rèn)為，材料在脆性斷裂前，。線彈性斷裂力學(xué)認(rèn)為，材料在脆性斷裂前，基本上是彈性變形，其應(yīng)力應(yīng)變符合線性關(guān)系。基本上是彈性變形，其應(yīng)力應(yīng)變符合線性關(guān)系。3cos(1 sinsin)2222IxKr3cos(1 sinsin)2222IyKr()zxy 3sincos

13、sin2222IxyKr13cos(1)(1)sinsin2(1)2222IxKGr13cos(1)(1)sinsin2(1)2222IyKGr13coscossin22222IxyKGr2a裂紋尖端附近應(yīng)力場IKa5.2 5.2 裂紋尖端附近的應(yīng)力場裂紋尖端附近的應(yīng)力場 RALRAL在裂紋延長線上在裂紋延長線上(即即x軸上軸上)，=0，sin=0 ，所以，所以2IyxKr即在該平面上，切應(yīng)力為零，拉伸正應(yīng)力最大，故裂紋容易沿該平面擴(kuò)展。即在該平面上，切應(yīng)力為零，拉伸正應(yīng)力最大，故裂紋容易沿該平面擴(kuò)展。 對于裂紋尖端任意一點(diǎn)對于裂紋尖端任意一點(diǎn)D D，其坐標(biāo)，其坐標(biāo)r r是已知的，該點(diǎn)的內(nèi)應(yīng)力

14、場是已知的，該點(diǎn)的內(nèi)應(yīng)力場yy的大小完全由的大小完全由K K來決定，來決定，K K大時，裂紋前端各點(diǎn)的應(yīng)力場就大；大時，裂紋前端各點(diǎn)的應(yīng)力場就大；K K小時，裂紋前端各點(diǎn)的應(yīng)力場小，小時，裂紋前端各點(diǎn)的應(yīng)力場小，K K控制了裂紋尖端附近的應(yīng)力場，是決定應(yīng)力場強(qiáng)度的主要因素，故控制了裂紋尖端附近的應(yīng)力場，是決定應(yīng)力場強(qiáng)度的主要因素，故K K稱為稱為應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)力強(qiáng)度因子因子。當(dāng)。當(dāng)K K一定時一定時( (外應(yīng)力外應(yīng)力和裂紋長度和裂紋長度a a一定一定) )，愈接近裂紋尖端，愈接近裂紋尖端(r(r愈小愈小) )，則，則yy愈大。愈大。隨著外應(yīng)力隨著外應(yīng)力增大，裂紋前端應(yīng)力場強(qiáng)度因子增大，裂紋前端應(yīng)力

15、場強(qiáng)度因子K K不斷增大，而裂紋前端各點(diǎn)的內(nèi)應(yīng)力場不斷增大，而裂紋前端各點(diǎn)的內(nèi)應(yīng)力場yy則隨則隨K K增大而增大。當(dāng)增大而增大。當(dāng)K K增大到某一臨界值時，就能使裂紋前端某一區(qū)域內(nèi)的內(nèi)應(yīng)增大到某一臨界值時，就能使裂紋前端某一區(qū)域內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力力yy大到足以使材料分離，從而導(dǎo)致裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，直至試樣斷裂。大到足以使材料分離，從而導(dǎo)致裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，直至試樣斷裂。裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界狀態(tài)所對應(yīng)的應(yīng)力場強(qiáng)度因子稱為臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子，用臨界狀態(tài)所對應(yīng)的應(yīng)力場強(qiáng)度因子稱為臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子，用KcKc或或K Kcc表示，稱為表示，稱為斷裂韌性。斷裂韌性。KcKc為平面應(yīng)力條件下斷裂韌性，為平面應(yīng)

16、力條件下斷裂韌性，K Kcc為平面應(yīng)變條件下的斷裂韌性。因?yàn)閿酁槠矫鎽?yīng)變條件下的斷裂韌性。因?yàn)閿嗔秧g性裂韌性K Kcc是應(yīng)力場強(qiáng)度因子是應(yīng)力場強(qiáng)度因子K K的臨界值，故兩者存在密切聯(lián)系，但其物理意義卻完全的臨界值，故兩者存在密切聯(lián)系，但其物理意義卻完全不同。不同。 K K是裂紋前端內(nèi)應(yīng)力場強(qiáng)度的度量，它和裂紋大小、形狀以及外加應(yīng)力有關(guān)；而斷是裂紋前端內(nèi)應(yīng)力場強(qiáng)度的度量，它和裂紋大小、形狀以及外加應(yīng)力有關(guān)；而斷裂韌性裂韌性K Kcc是材料阻止宏觀裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的度量，它和裂紋本身的大小、形狀無關(guān)，是材料阻止宏觀裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的度量，它和裂紋本身的大小、形狀無關(guān)，也與外加應(yīng)力大小無關(guān)。也與外加

17、應(yīng)力大小無關(guān)。K Kcc是材料的特性，只與材料的成分、熱處理及加工工藝有關(guān)。是材料的特性，只與材料的成分、熱處理及加工工藝有關(guān)。 5.3 5.3 裂紋尖端塑性區(qū)的大小及其修正裂紋尖端塑性區(qū)的大小及其修正 RALRAL 在接近裂紋尖端時，應(yīng)力增大。對于延性材料，當(dāng)應(yīng)力超過材料的屈服極限在接近裂紋尖端時，應(yīng)力增大。對于延性材料，當(dāng)應(yīng)力超過材料的屈服極限時，材料將屈服而發(fā)生塑性變形，從而使裂紋尖端處的應(yīng)力松弛。發(fā)生塑性變形時，材料將屈服而發(fā)生塑性變形，從而使裂紋尖端處的應(yīng)力松弛。發(fā)生塑性變形以后，在塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系已不遵循線彈性力學(xué)規(guī)律。但如果塑性區(qū)很以后，在塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系已不遵循線彈

18、性力學(xué)規(guī)律。但如果塑性區(qū)很小，經(jīng)過必要的修正，線彈性力學(xué)仍可有效，要解決這一問題，首先要計算出塑小，經(jīng)過必要的修正，線彈性力學(xué)仍可有效，要解決這一問題，首先要計算出塑性區(qū)的尺寸，然后尋求修正的辦法。性區(qū)的尺寸，然后尋求修正的辦法。把裂紋尖端附近的應(yīng)力分量代入，可得到主應(yīng)力為：2211()()22xyxyxy2221()()22xyxyxy0312() （平面應(yīng)力）（平面應(yīng)變）1cos(1 sin)222IKr2cos(1 sin)222IKr0312（平面應(yīng)力）（平面應(yīng)變）5.3.1 裂紋前端屈服區(qū)的大小裂紋前端屈服區(qū)的大小裂紋延長線上5.3 5.3 裂紋尖端塑性區(qū)的大小及其修正裂紋尖端塑性區(qū)

19、的大小及其修正 RALRAL規(guī)定塑性屈服區(qū)中的最大主應(yīng)力1為有效屈服應(yīng)力，用ys來表示。并且在平面應(yīng)力條件下有：ys=s；在平面應(yīng)變條件，有 1 2sysy趨于一定值(屈服應(yīng)力)時，材料就會發(fā)生屈服，產(chǎn)生塑性變形，這樣，裂紋尖端就會出現(xiàn)一個塑性區(qū)。將得到的1，2值代入Von Mises判據(jù) ：2222122331()()()2s2222cos(1 sin)cos(1 sin)222222cos(1 sin)00cos(1 sin)2222222IIIIsKKrrKKrr則有：整理得：2222cos(1 3sin)222IsKr5.3 5.3 裂紋尖端塑性區(qū)的大小及其修正裂紋尖端塑性區(qū)的大小及其

20、修正 RALRAL由此得到塑性區(qū)邊界各點(diǎn)的向量r為 設(shè)該塑性區(qū)邊界在Ox軸上的截距為r0 2012IsKr2221cos1 3sin222IsKr（平面應(yīng)力）（平面應(yīng)力）裂紋尖端塑性區(qū)的形狀5.3 5.3 裂紋尖端塑性區(qū)的大小及其修正裂紋尖端塑性區(qū)的大小及其修正 RALRAL平面應(yīng)變狀態(tài)時： 在Ox軸上的截距為r0 22011 22IsKr22221cos(1 2 )3sin222IsKr 由此可知，平面應(yīng)變條件下的塑性區(qū)小于平面應(yīng)力條件下的塑性區(qū)，這由此可知，平面應(yīng)變條件下的塑性區(qū)小于平面應(yīng)力條件下的塑性區(qū)，這也間接地證實(shí)了含有裂紋的厚板，其裂紋尖端沿也間接地證實(shí)了含有裂紋的厚板，其裂紋尖端

21、沿z方向塑性變形的大小是不同方向塑性變形的大小是不同的，板中心塑性區(qū)較小，處于平面應(yīng)變狀態(tài)，板的表面塑性區(qū)較大，屬于平的，板中心塑性區(qū)較小，處于平面應(yīng)變狀態(tài)，板的表面塑性區(qū)較大，屬于平面應(yīng)力狀態(tài)。這是因?yàn)楹癜宓闹行牟课谎孛鎽?yīng)力狀態(tài)。這是因?yàn)楹癜宓闹行牟课谎貁方向的彈性約束作用，而產(chǎn)生的第方向的彈性約束作用，而產(chǎn)生的第三主應(yīng)力三主應(yīng)力3為拉應(yīng)力，在三向應(yīng)力作用下，材料難以產(chǎn)生屈服。為拉應(yīng)力，在三向應(yīng)力作用下，材料難以產(chǎn)生屈服。5.3 5.3 裂紋尖端塑性區(qū)的大小及其修正裂紋尖端塑性區(qū)的大小及其修正 RALRAL曲線DBC為裂紋尖端y的分布曲線，曲線DB部分即是大于ys的高應(yīng)力部分，這部分應(yīng)力當(dāng)y

22、達(dá)到y(tǒng)s時，將發(fā)生應(yīng)力松弛效應(yīng)，把高出的應(yīng)力傳遞給rr0的區(qū)域，它使r0前方局部區(qū)域應(yīng)力升高，達(dá)到y(tǒng)s，所以，這部分區(qū)域也發(fā)生屈服，其結(jié)果使屈服區(qū)域從r0擴(kuò)展到R，這時的y應(yīng)力分布曲線由DBC變?yōu)锳EF。這相應(yīng)于裂紋尖端由于塑性變形的結(jié)果，所以，應(yīng)力集中部分地消除了，AER，即是塑性變形或高應(yīng)力松弛以后的塑性區(qū)邊界。 5.3.2 應(yīng)力松弛對塑性區(qū)的影響應(yīng)力松弛對塑性區(qū)的影響5.3 5.3 裂紋尖端塑性區(qū)的大小及其修正裂紋尖端塑性區(qū)的大小及其修正 RALRAL從能量角度來分析問題，面積ABD應(yīng)當(dāng)?shù)扔贐EHG，或者面積DBGO等于面積 AEHO，由此可以推導(dǎo)出平面應(yīng)力條件下應(yīng)力松弛后的塑性區(qū)邊界：

23、 22(1 2 )IsKR22IsKR同理，平面應(yīng)變條件下有：比較R，r0可知R2r0。由此可見，由于應(yīng)力松弛的影響，使塑性區(qū)的邊界擴(kuò)大了1倍。5.3 5.3 裂紋尖端塑性區(qū)的大小及其修正裂紋尖端塑性區(qū)的大小及其修正 RALRAL在裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界狀態(tài)K=Kc，裂紋尖端最大塑性區(qū)尺寸為 ：22(1 2 )IcsKR21IcsKR（平面應(yīng)力）（平面應(yīng)變）5.3 5.3 裂紋尖端塑性區(qū)的大小及其修正裂紋尖端塑性區(qū)的大小及其修正 RALRAL 如果材料的強(qiáng)度級別很高，即如果材料的強(qiáng)度級別很高，即s s較大，較大，K Kcc又較低時，塑性又較低時，塑性區(qū)尺寸區(qū)尺寸R R很小，或者說，很小，或者說，R

24、 R與構(gòu)件本身的相對尺寸很小時，就稱為與構(gòu)件本身的相對尺寸很小時，就稱為小范圍屈服，裂紋前端廣大區(qū)域仍可視為彈性區(qū)，故線彈性斷裂小范圍屈服，裂紋前端廣大區(qū)域仍可視為彈性區(qū)，故線彈性斷裂力學(xué)分析仍然適用。但在塑性區(qū)較大的情況下，需要對塑性區(qū)尺力學(xué)分析仍然適用。但在塑性區(qū)較大的情況下，需要對塑性區(qū)尺寸加以修正，線彈性斷裂力學(xué)仍然適用。最簡單的辦法是采用寸加以修正，線彈性斷裂力學(xué)仍然適用。最簡單的辦法是采用 “有效裂紋尺寸有效裂紋尺寸”，然后用線彈性理論所得的公式來計算。，然后用線彈性理論所得的公式來計算。 基本思路是：基本思路是：塑性區(qū)松弛彈性應(yīng)力塑性區(qū)松弛彈性應(yīng)力的作用與的作用與裂紋長度增加松裂

25、紋長度增加松弛彈性應(yīng)力弛彈性應(yīng)力的作用是等同的，從而引入的作用是等同的，從而引入“有效長度有效長度”的概念，它的概念，它包括實(shí)際裂紋長度和塑性區(qū)松弛應(yīng)力的作用。包括實(shí)際裂紋長度和塑性區(qū)松弛應(yīng)力的作用。5.3 5.3 裂紋尖端塑性區(qū)的大小及其修正裂紋尖端塑性區(qū)的大小及其修正 RALRAL 對一個彈性體一端固定，另一端加外力對一個彈性體一端固定，另一端加外力P，使其伸長，使其伸長0； 當(dāng)彈性體內(nèi)存在一長為當(dāng)彈性體內(nèi)存在一長為a的裂紋時，彈性體的承載能力明顯下降，這的裂紋時，彈性體的承載能力明顯下降，這時，在同樣的外力時，在同樣的外力P作用下，其伸長量由作用下，其伸長量由0增加到增加到； 當(dāng)裂紋長度

26、為當(dāng)裂紋長度為a+a時，伸長量變?yōu)闀r，伸長量變?yōu)?； 如果在長為如果在長為a的裂紋前端存在一個塑性區(qū)，在此區(qū)域中，材料發(fā)生了的裂紋前端存在一個塑性區(qū)，在此區(qū)域中，材料發(fā)生了塑性變形，由于塑性變形比彈性變形要大得多，說明塑性區(qū)塑性變形，由于塑性變形比彈性變形要大得多，說明塑性區(qū)R由塑性狀態(tài)由塑性狀態(tài)變?yōu)榍顟B(tài)時，試樣要有一個附加的伸長變?yōu)榍顟B(tài)時，試樣要有一個附加的伸長，總伸長量也為，總伸長量也為+；比；比較的較的(c)、(d)，不難看出，塑性區(qū)，不難看出，塑性區(qū)R的存在相當(dāng)于裂紋長度伸長了的存在相當(dāng)于裂紋長度伸長了。所。所以，裂紋長度以，裂紋長度a+a就稱為有效裂紋長度。就稱為有效裂紋長度

27、。 5.3 5.3 裂紋尖端塑性區(qū)的大小及其修正裂紋尖端塑性區(qū)的大小及其修正 RALRAL222IysKr2242IysKr（平面應(yīng)力）（平面應(yīng)力）（平面應(yīng)變）（平面應(yīng)變）（塑性區(qū)較小時適用）假設(shè)假設(shè)a=ry，則有效裂紋尺寸，則有效裂紋尺寸a*=a+ry，如用有效裂紋，如用有效裂紋a*=a+ry代替代替a，就，就相當(dāng)于把裂紋尖端由相當(dāng)于把裂紋尖端由O移到了移到了O的位置。此時，可以不考慮塑性區(qū)的影響，的位置。此時，可以不考慮塑性區(qū)的影響，而用線彈性斷裂力學(xué)來處理而用線彈性斷裂力學(xué)來處理 5.4 5.4 裂紋擴(kuò)展的能量釋放率裂紋擴(kuò)展的能量釋放率G GI I RALRAL 任何物體在不受外力作用的

28、時候，它的內(nèi)部組織不會發(fā)生變化，其裂紋也不會任何物體在不受外力作用的時候，它的內(nèi)部組織不會發(fā)生變化，其裂紋也不會擴(kuò)展。要使其裂紋擴(kuò)展，必須要由外界供給能量，也就是說，裂紋擴(kuò)展過程中要消擴(kuò)展。要使其裂紋擴(kuò)展，必須要由外界供給能量，也就是說，裂紋擴(kuò)展過程中要消耗能量。對于塑性狀態(tài)的金屬，裂紋擴(kuò)展前，在裂紋尖端局部地區(qū)要發(fā)生塑性變形，耗能量。對于塑性狀態(tài)的金屬，裂紋擴(kuò)展前，在裂紋尖端局部地區(qū)要發(fā)生塑性變形，因此要消耗能量。裂紋擴(kuò)展以后，形成新的裂紋表面，也消耗能量，這些能量都要因此要消耗能量。裂紋擴(kuò)展以后，形成新的裂紋表面，也消耗能量，這些能量都要由外加載荷通過試樣中包圍裂紋尖端塑性區(qū)的彈性集中應(yīng)力

29、做功來提供。由外加載荷通過試樣中包圍裂紋尖端塑性區(qū)的彈性集中應(yīng)力做功來提供。 將將裂紋擴(kuò)展單位面積時，彈性系統(tǒng)所能提供的能量，稱為裂紋擴(kuò)展力或裂紋擴(kuò)裂紋擴(kuò)展單位面積時，彈性系統(tǒng)所能提供的能量，稱為裂紋擴(kuò)展力或裂紋擴(kuò)展的能量率展的能量率，用，用G G表示。表示。 2IIKGE2(1 2 )IIKGE平面應(yīng)力狀態(tài)下平面應(yīng)力狀態(tài)下平面應(yīng)變狀態(tài)下平面應(yīng)變狀態(tài)下2IcIcKGE2(1 2 )IcIcKGE臨界條件下臨界條件下（平面應(yīng)力）（平面應(yīng)變）5.4 5.4 裂紋擴(kuò)展的能量釋放率裂紋擴(kuò)展的能量釋放率G GI I RALRAL G Gcc是斷裂韌性的另一種表達(dá)方式，即能量表示法，它與是斷裂韌性的另一種

30、表達(dá)方式，即能量表示法，它與K Kcc一樣，也是材料所一樣，也是材料所固有的性質(zhì)，是斷裂韌性的能量指標(biāo)。固有的性質(zhì)，是斷裂韌性的能量指標(biāo)。G Gcc愈大，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展需要更大的能量，愈大，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展需要更大的能量，即材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力也愈大，故即材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力也愈大，故G Gcc是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的度量，是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的度量，也稱為材料的斷裂韌性。也稱為材料的斷裂韌性。 由此可見，斷裂韌性由此可見，斷裂韌性K Kcc和斷裂韌性的能量釋放率和斷裂韌性的能量釋放率G Gcc都是斷裂韌性指標(biāo)。都是斷裂韌性指標(biāo)。G Gcc是是斷裂韌性的能量判據(jù)，表示裂紋擴(kuò)展單

31、位面積時所需要的能量，單位是斷裂韌性的能量判據(jù)，表示裂紋擴(kuò)展單位面積時所需要的能量，單位是MPaMPam m。K Kcc是斷裂韌性應(yīng)力場強(qiáng)度的判據(jù)，單位是是斷裂韌性應(yīng)力場強(qiáng)度的判據(jù)，單位是MPaMPam m1/21/2。 這兩個斷裂力學(xué)參量都以線彈性力學(xué)為理論基礎(chǔ)，而線彈性力學(xué)是把材料當(dāng)作這兩個斷裂力學(xué)參量都以線彈性力學(xué)為理論基礎(chǔ)，而線彈性力學(xué)是把材料當(dāng)作完全的線彈性體，運(yùn)用線彈性理論來處理裂紋的擴(kuò)展規(guī)律，從而提出裂紋的擴(kuò)展判完全的線彈性體，運(yùn)用線彈性理論來處理裂紋的擴(kuò)展規(guī)律，從而提出裂紋的擴(kuò)展判據(jù)。事實(shí)上，延性材料裂紋尖端總存在一個或大或小的塑性區(qū)。塑性區(qū)的尺寸同凈據(jù)。事實(shí)上，延性材料裂紋尖

32、端總存在一個或大或小的塑性區(qū)。塑性區(qū)的尺寸同凈斷面的尺寸比較，若在同一個數(shù)量級時，則屬于大范圍屈服，線彈性斷裂力學(xué)判據(jù)斷面的尺寸比較，若在同一個數(shù)量級時，則屬于大范圍屈服，線彈性斷裂力學(xué)判據(jù)失效，只有在塑性區(qū)尺寸很小時，通過修正，才能應(yīng)用線彈性力學(xué)的判據(jù)。所以，失效，只有在塑性區(qū)尺寸很小時，通過修正，才能應(yīng)用線彈性力學(xué)的判據(jù)。所以，線彈性力學(xué)只適用于高強(qiáng)度材料，而對于強(qiáng)度較低、韌性較好的材料來說，需要用線彈性力學(xué)只適用于高強(qiáng)度材料，而對于強(qiáng)度較低、韌性較好的材料來說，需要用彈塑性斷裂力學(xué)來進(jìn)行斷裂行為的評價彈塑性斷裂力學(xué)來進(jìn)行斷裂行為的評價。 5.5 5.5 彈塑性條件下的斷裂韌性彈塑性條件下

33、的斷裂韌性 RALRAL5.5.1 J積分原理及其斷裂韌性積分原理及其斷裂韌性JIc裂紋尖端塑性區(qū)尺寸較小時，線彈性力學(xué)適用；裂紋尖端塑性區(qū)尺寸較小時，線彈性力學(xué)適用；（超高強(qiáng)度鋼；或中低強(qiáng)度鋼的大型結(jié)構(gòu)件）（超高強(qiáng)度鋼；或中低強(qiáng)度鋼的大型結(jié)構(gòu)件）裂紋尖端塑性區(qū)尺寸較大時，線彈性力學(xué)不適用；裂紋尖端塑性區(qū)尺寸較大時，線彈性力學(xué)不適用；（中低強(qiáng)度鋼的中、小型零件中低強(qiáng)度鋼的中、小型零件）中中低強(qiáng)度鋼低強(qiáng)度鋼KIc的測試很困難的測試很困難J. R. Rice將GI的原理進(jìn)行延伸，對受載裂紋體的裂紋周圍進(jìn)行能量線積分，提出J積分的概念。IuJdyTdsx型裂紋的能量線積分5.5 5.5 彈塑性條件下

34、的斷裂韌性彈塑性條件下的斷裂韌性 RALRALJ積分的兩個重要性質(zhì)：積分的兩個重要性質(zhì)：1） 守恒性：J積分的數(shù)值與積分所取的路徑無關(guān)，積分路線可以是任意的；2）J積分可以描述在彈塑性狀態(tài)下裂紋前端應(yīng)力應(yīng)變場的奇異性斷裂韌性斷裂韌性JIc：在平面應(yīng)變條件下，當(dāng)外力達(dá)到破壞載荷時，即應(yīng)力應(yīng)變場達(dá)到使裂紋開始擴(kuò)展的臨界狀態(tài)時，則J積分也達(dá)到相應(yīng)的臨界值JIc，也稱為斷裂韌性，表示材料抵抗裂紋開始擴(kuò)展的能力。問題：問題：1）各種實(shí)用的J積分?jǐn)?shù)學(xué)表達(dá)式不清楚，無法用來計算；2）中、低強(qiáng)度鋼的斷裂機(jī)件大多是韌性斷裂，裂紋往往有較長的亞臨界擴(kuò)展階段，對應(yīng)的點(diǎn)只是開裂點(diǎn)。5.5 5.5 彈塑性條件下的斷裂韌

35、性彈塑性條件下的斷裂韌性 RALRALJIc，KIc，GIc之間的關(guān)系之間的關(guān)系平面應(yīng)變線彈性條件下：彈塑性條件下：221IcIcIcJGKE21IcIcEKJ5.5 5.5 彈塑性條件下的斷裂韌性彈塑性條件下的斷裂韌性 RALRAL 人們在研究船舶事故時發(fā)現(xiàn)，厚船板的斷裂有人們在研究船舶事故時發(fā)現(xiàn)，厚船板的斷裂有90%90%以上是結(jié)晶狀斷以上是結(jié)晶狀斷口，然而，由同樣船板上截取的小試樣的斷口觀察，卻呈現(xiàn)完全的纖口，然而，由同樣船板上截取的小試樣的斷口觀察，卻呈現(xiàn)完全的纖維狀韌性斷口。由這樣的厚板與小試樣的不同斷口現(xiàn)象，使得人們推維狀韌性斷口。由這樣的厚板與小試樣的不同斷口現(xiàn)象，使得人們推想，

36、裂紋尖端部分，由于試樣的薄厚不同，而塑性變形受到的約束程想，裂紋尖端部分，由于試樣的薄厚不同，而塑性變形受到的約束程度不同，因而應(yīng)力狀態(tài)不同。度不同，因而應(yīng)力狀態(tài)不同。 大型船板承受多向應(yīng)力，使裂紋尖端的塑性變形受到約束，當(dāng)應(yīng)大型船板承受多向應(yīng)力，使裂紋尖端的塑性變形受到約束，當(dāng)應(yīng)變量達(dá)到某一臨界值時，材料便發(fā)生斷裂。臨界應(yīng)變值也可以作為材變量達(dá)到某一臨界值時，材料便發(fā)生斷裂。臨界應(yīng)變值也可以作為材料斷裂的一個參量。料斷裂的一個參量。 由于應(yīng)變量很小，難以測量，所以有人提出用裂紋尖端的張開位由于應(yīng)變量很小，難以測量，所以有人提出用裂紋尖端的張開位移（移（CODCOD）來間接表示應(yīng)變量的大小，用

37、臨界張開位移）來間接表示應(yīng)變量的大小，用臨界張開位移d dc c表示材料的斷表示材料的斷裂韌性。裂韌性。5.5.2 裂紋尖端的張開位移及其斷裂韌性裂紋尖端的張開位移及其斷裂韌性d dc5.5 5.5 彈塑性條件下的斷裂韌性彈塑性條件下的斷裂韌性 RALRAL 常見的中、低強(qiáng)度鋼，由常見的中、低強(qiáng)度鋼，由于其塑性較好，裂紋體受載后，于其塑性較好，裂紋體受載后，在裂紋尖端會產(chǎn)生較大的塑性在裂紋尖端會產(chǎn)生較大的塑性區(qū)。設(shè)一無限大板中有區(qū)。設(shè)一無限大板中有I I型穿透型穿透裂紋，在平均應(yīng)力的作用下，裂紋，在平均應(yīng)力的作用下，裂紋尖端出現(xiàn)塑性區(qū)，裂紋尖裂紋尖端出現(xiàn)塑性區(qū)，裂紋尖端因塑性鈍化在不增加裂紋長

38、端因塑性鈍化在不增加裂紋長度的情況下，裂紋沿外加應(yīng)力度的情況下，裂紋沿外加應(yīng)力方向張開的位移，稱為方向張開的位移，稱為CODCOD（Crack Opening Crack Opening DisplacementDisplacement）d2a5.5 5.5 彈塑性條件下的斷裂韌性彈塑性條件下的斷裂韌性 RALRAL斷裂韌性斷裂韌性d dc：對于一定材料和厚度的鋼板，不論其裂紋尺寸如何，當(dāng)裂紋張開對于一定材料和厚度的鋼板，不論其裂紋尺寸如何，當(dāng)裂紋張開位移達(dá)到臨界值時位移達(dá)到臨界值時d dc ，裂紋就開始擴(kuò)展。，裂紋就開始擴(kuò)展。臨界值時臨界值時d dc也稱為材料的斷裂韌性，表示材料阻止裂紋開始

39、擴(kuò)展也稱為材料的斷裂韌性，表示材料阻止裂紋開始擴(kuò)展的能力。它是以裂紋張開位移的極限量來表示的一個參量，實(shí)際的能力。它是以裂紋張開位移的極限量來表示的一個參量，實(shí)際是裂紋塑性區(qū)的極限縱向尺寸。是裂紋塑性區(qū)的極限縱向尺寸。d d判據(jù)和判據(jù)和J判據(jù)一樣，都是裂紋開裂的斷裂判據(jù)，而不是裂紋失穩(wěn)判據(jù)一樣，都是裂紋開裂的斷裂判據(jù)，而不是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的斷裂判據(jù)。擴(kuò)展的斷裂判據(jù)。5.5 5.5 彈塑性條件下的斷裂韌性彈塑性條件下的斷裂韌性 RALRAL線彈性條件下的線彈性條件下的COD：244ccIcssaGEd 2cccsaEd彈塑性條件下的彈塑性條件下的COD（D-M模型）：模型）：5.6 5.6 斷裂韌

40、性的影響因素斷裂韌性的影響因素 RALRAL 鋼中的夾雜物，如硫化物、氧化物、某些第二相鋼中的夾雜物，如硫化物、氧化物、某些第二相(如如Fe3C)等，其韌性比基等，其韌性比基體差，稱為脆性相。它們的存在，一般都使材料體差，稱為脆性相。它們的存在，一般都使材料Kc下降。下降。 不僅夾雜物的數(shù)量對不僅夾雜物的數(shù)量對Kc有影響，其形狀對有影響，其形狀對Kc也有很大的影響。如球狀也有很大的影響。如球狀滲碳體就比片狀滲碳體的韌性高，因此，采用球化工藝可以大大改善鋼的塑性滲碳體就比片狀滲碳體的韌性高，因此，采用球化工藝可以大大改善鋼的塑性和韌性。又如硫化錳，一般呈長條分布，橫向韌性很差，若加了稀土、鋯等，

41、和韌性。又如硫化錳，一般呈長條分布，橫向韌性很差，若加了稀土、鋯等，使它變成球狀硫化物，即可大大提高韌性。使它變成球狀硫化物，即可大大提高韌性。 雖然一般認(rèn)為夾雜物對雖然一般認(rèn)為夾雜物對Kc有害，但具體有害程度的大小與材料和工藝有有害，但具體有害程度的大小與材料和工藝有很大的關(guān)系，在某些情況下，夾雜物的多少對很大的關(guān)系，在某些情況下，夾雜物的多少對Kc影響不大，甚至也有隨夾雜影響不大，甚至也有隨夾雜含量增加，含量增加，Kc反而提高的情況。除了夾雜物降低反而提高的情況。除了夾雜物降低Kc外，微量雜質(zhì)元素外，微量雜質(zhì)元素(如銻、如銻、錫、砷、磷等錫、砷、磷等)多富集在奧氏體晶界，降低晶界結(jié)合能，使

42、斷裂易于沿原始奧多富集在奧氏體晶界，降低晶界結(jié)合能，使斷裂易于沿原始奧氏體晶界發(fā)生，亦會引起氏體晶界發(fā)生，亦會引起Kc大幅度降低。大幅度降低。5.6.1 雜質(zhì)對雜質(zhì)對KIc的影響的影響5.6 5.6 斷裂韌性的影響因素斷裂韌性的影響因素 RALRAL 在多晶體材料中，由于晶界兩邊晶粒取向不同，晶界成為原子排列紊亂的在多晶體材料中，由于晶界兩邊晶粒取向不同，晶界成為原子排列紊亂的區(qū)域，當(dāng)塑性變形由一個晶粒橫過晶界進(jìn)入另一個晶粒時，由于晶界阻力大，區(qū)域，當(dāng)塑性變形由一個晶粒橫過晶界進(jìn)入另一個晶粒時，由于晶界阻力大，穿過晶界困難。另外，穿過晶界后滑移方向又需改變，因此，與晶內(nèi)相比，這穿過晶界困難。另

43、外，穿過晶界后滑移方向又需改變，因此，與晶內(nèi)相比，這種穿過晶界而又改變方向的變形需要消耗更多的能量，即穿過晶界所需的塑性種穿過晶界而又改變方向的變形需要消耗更多的能量，即穿過晶界所需的塑性變形能增加，裂紋擴(kuò)展阻力增大，變形能增加，裂紋擴(kuò)展阻力增大，Kc也增大。也增大。材料的晶粒愈細(xì)，則晶界面積材料的晶粒愈細(xì)，則晶界面積就愈大，產(chǎn)生一定塑性變形所需要消耗的能量就更大，就愈大，產(chǎn)生一定塑性變形所需要消耗的能量就更大，Kc更高更高。 同時，同時，細(xì)化晶粒也有強(qiáng)化作用，所以，細(xì)化晶粒是使強(qiáng)度和韌性同時提細(xì)化晶粒也有強(qiáng)化作用，所以，細(xì)化晶粒是使強(qiáng)度和韌性同時提高的有效手段。高的有效手段。對于鋼鐵材料，細(xì)

44、化奧氏體晶粒也有助于減輕回火脆性。這是對于鋼鐵材料，細(xì)化奧氏體晶粒也有助于減輕回火脆性。這是因?yàn)榫Я＜?xì)，單位體積內(nèi)的晶界面積增加，故在雜質(zhì)含量一定的條件下，單位因?yàn)榫Я＜?xì)，單位體積內(nèi)的晶界面積增加，故在雜質(zhì)含量一定的條件下，單位晶界面積富集的有害雜質(zhì)含量也會降低，這樣，就使回火脆性傾向降低，晶界面積富集的有害雜質(zhì)含量也會降低，這樣，就使回火脆性傾向降低，Kc增高。應(yīng)當(dāng)指出，細(xì)化晶粒對常規(guī)力學(xué)性能的影響和對增高。應(yīng)當(dāng)指出，細(xì)化晶粒對常規(guī)力學(xué)性能的影響和對Kc的影響并不一定的影響并不一定相相同。同。 5.6.2 晶粒尺寸對晶粒尺寸對KIc的影響的影響5.7 5.7 平面應(yīng)變斷裂韌性平面應(yīng)變斷裂韌性

45、KIc的測試方法的測試方法 RALRAL5.7.1 試樣的制備試樣的制備定平面應(yīng)變斷裂韌性定平面應(yīng)變斷裂韌性Kc的試樣有兩個要求：的試樣有兩個要求： 試樣需要預(yù)制疲勞裂紋；試樣需要預(yù)制疲勞裂紋； 要求試樣有足夠的厚度。要求試樣有足夠的厚度。 試樣厚度效應(yīng)試樣厚度效應(yīng)5.6 5.6 平面應(yīng)變斷裂韌性平面應(yīng)變斷裂韌性KIc的測試方法的測試方法 RALRAL三點(diǎn)彎曲試樣三點(diǎn)彎曲試樣緊湊拉伸試樣緊湊拉伸試樣22.5IcsKB22.5IcsKa22.5IcsKWa對試樣的要求對試樣的要求裂紋尖端塑性區(qū)遠(yuǎn)小于韌帶寬度（Wa）和裂紋長度a平面應(yīng)變狀態(tài)5.6 5.6 平面應(yīng)變斷裂韌性平面應(yīng)變斷裂韌性KIc的測

46、試方法的測試方法 RALRAL5.6.2 測試方法測試方法 首先要求精確測定首先要求精確測定載荷裂紋口張開位移關(guān)系曲線載荷裂紋口張開位移關(guān)系曲線(PV曲線曲線)，測試時，測試時，把帶有預(yù)制疲勞裂紋的試樣用專門制作的夾持裝置在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行斷把帶有預(yù)制疲勞裂紋的試樣用專門制作的夾持裝置在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行斷裂試驗(yàn)。試樣的上夾頭連接載荷傳感器，測量載荷的大小。在試樣裂紋的兩邊裂試驗(yàn)。試樣的上夾頭連接載荷傳感器，測量載荷的大小。在試樣裂紋的兩邊跨接引申計，測量裂紋口張開位移。傳感器輸出的載荷信號及引申計輸出的裂跨接引申計，測量裂紋口張開位移。傳感器輸出的載荷信號及引申計輸出的裂紋張開位移信號

47、經(jīng)過放大器，分別接到紋張開位移信號經(jīng)過放大器，分別接到xy記錄儀的記錄儀的y軸和軸和x軸上軸上(亦可通過亦可通過ID轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換，將載荷及裂紋張開位移信號直接采集到計算機(jī)內(nèi)換，將載荷及裂紋張開位移信號直接采集到計算機(jī)內(nèi))，記錄下連續(xù)，記錄下連續(xù)PV曲線。曲線。根據(jù)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用上述設(shè)備獲得稱為條件斷裂韌性值的根據(jù)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用上述設(shè)備獲得稱為條件斷裂韌性值的KQ 3 2()QQP SKf a WBW3 2()QQPKF a WBW三點(diǎn)彎曲試樣緊湊拉伸試樣5.6 5.6 平面應(yīng)變斷裂韌性平面應(yīng)變斷裂韌性KIc的測試方法的測試方法 RALRAL5.6.2 測試方法測試方法 由于試樣的厚度和材料韌性不同，

48、測出的由于試樣的厚度和材料韌性不同，測出的P PV V曲線有三種類型。設(shè)曲線有三種類型。設(shè)P PQ Q為裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展點(diǎn)。為裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展點(diǎn)。過過O O點(diǎn)做點(diǎn)做P PV V曲線直線部分的延長線曲線直線部分的延長線OAOA，再做一，再做一條過條過O O點(diǎn)，其斜率比點(diǎn)，其斜率比OAOA小小5%5%的直線的直線OBOB，交曲線上，交曲線上某一點(diǎn)某一點(diǎn)P P5 5。 當(dāng)曲線在當(dāng)曲線在P P5 5之前的載荷之前的載荷P P都小于都小于P P5 5，則，則P P5 5=P=PQ Q。當(dāng)曲線當(dāng)曲線P P5 5在之前有某點(diǎn)的載荷大于在之前有某點(diǎn)的載荷大于P P5 5，則，則P P5 5在此在此前面的最大載荷為前面

49、的最大載荷為P PQ Q。曲線在。曲線在P P5 5之前有最大載荷之前有最大載荷P Pmaxmax，則，則P Pmaxmax為為P PQ Q。得出。得出P PQ Q以后，公式以后，公式K KQ Q。 求出的求出的K KQ Q值，再經(jīng)試算，只有在滿足值，再經(jīng)試算，只有在滿足P Pmaxmax/P/PQ Q1.11.1，且，且B B、a a及及W-aW-a均滿足要求，才算有效的平均滿足要求，才算有效的平面應(yīng)變斷裂韌性面應(yīng)變斷裂韌性K Kcc值。若求出的值。若求出的K KQ Q值不能滿足值不能滿足上述條件，則試驗(yàn)無效。為了獲得有效的上述條件，則試驗(yàn)無效。為了獲得有效的K Kcc，必須增大試樣尺寸必須增大試樣尺寸( (首要的是增加試樣的厚度首要的是增加試樣的厚度) )，重新試驗(yàn)。重新試驗(yàn)。