第三章断裂力学与断裂韧度VIP免费

断裂力学与断裂韧度第3章引言美国在二战期间有5000艘全焊接的“自由轮”，其中238艘完全破坏，有的甚至断成两截。20世纪50年代，美国发射北极星导弹，其固体燃料发动机壳体采用了高强度钢D6AC，屈服强度为1400MPa，按照传统的强度设计与验收时，其各项性能指标包括强度和韧性都符合要求，设计时的工作应力远低于材料的屈服强度，但发射不久，就发生了爆炸。引言研究表明，很多脆断事故与构件中存在裂纹或缺陷有关，而且断裂应力低于屈服强度，即低应力脆断。解决裂纹体的低应力脆断，形成了断裂力学这样一个新学科。断裂力学的研究内容包括：裂纹尖端的应力和应变分析；建立新的断裂判据；断裂力学参量的计算与实验测定，如断裂韧性，提高材料断裂韧性的途径等。引言引言一、如何防止或减少断裂事故的发生，工程师从设计和使用的角度提出：多小的裂纹或缺陷是允许存在的？多大的裂纹可能发生断裂，用什么判据来判断断裂发生的时机？从允许存在的小裂纹扩展到断裂时的大裂纹需要的时间，机械结构寿命如何估算？在即保证安全，又能避免不必要的停产损失，探伤检查周期应如何？万一检查到了裂纹，该如何处理？引言二、从选材方面考虑，对材料与裂纹的关系提出的问题什么材料比较不容易萌生裂纹？什么材料可以允许比较长的裂纹存在而不发生断裂？什么材料抵抗裂纹扩展的性能比较好？怎样冶炼、加工和热处理可以达到最佳的效果？第一节材料的断裂理论一、理论断裂强度假设：理想的、完整的晶体理论断裂强度σc：在外加正应力作用下，将晶体的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力。经计算比实验测量的断裂强度高几个数量级！2/10)(aEsc二、Griffith裂纹理论（适用于脆性固体）二、Griffith裂纹理论（适用于脆性固体）实际材料中存在裂纹，当外力很低时，裂纹顶端因应力集中而使局部应力增高，当该应力达到理论断裂强度时,裂纹扩展，材料发生脆性断裂。二、Griffith裂纹理论（适用于脆性固体）格里菲斯公式的成功之处：解释了材料的实际断裂强度远低于其理论强度的原因，定量地说明了裂纹尺寸对断裂强度的影响但研究的对象主要是玻璃这类很脆的材料其研究结果在当时并未引起重视三、奥罗万(Orowan)的修正三、奥罗万(Orowan)的修正•对于大多数材料，虽然裂纹尖端由于应力集中作用，局部应力很高，但是一旦超过材料的屈服强度，就会发生塑性变形。在裂纹尖端有一塑性区，材料的塑性越好强度越低，产生的塑性区尺寸就越大。裂纹扩展必须首先通过塑性区，裂纹扩展功主要耗费在塑性变形上，金属材料和陶瓷的断裂过程不同，主要区别也在这里。•由此，奥罗万修正了格里菲斯的断裂公式，得出：三、奥罗万(Orowan)的修正•对于椭圆形裂纹，可以得出裂纹扩展需要的应力：•当作用于板上的平均应力达到Orowan断裂应力的修正值，含裂纹的平板断裂：2182acEs比较格里菲斯公式与奥罗万公式：/8a/8a/8a格里菲斯公式等同于奥罗万公式适用格里菲斯公式适用奥罗万公式三、奥罗万(Orowan)的修正三、裂纹扩展的能量判据•裂纹扩展的动力：•裂纹扩展的阻力：或按照Griffith断裂条件G≥R，•按照Orowan修正公式G≥R，•因为表面能和塑性变形功都是材料常数，它们是材料固有的性能，令GIC=R则有•GI≥GIC•这就是断裂的能量判据。•原则上讲，对不同形状的裂纹，其G1是可以计算的，而材料的性能G1c是可以测定的。因此可以从能量平衡的角度研究材料的断裂是否发生。sR2sR2psR22psR22第二节材料的断裂韧度一、线弹性条件下的断裂韧度1、裂纹断裂的基本形式应力场强度因子K1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。平面应力：指所有的应力都在一个平面内，平面应力问题主要讨论的弹性体是薄板，薄壁厚度远远小于结构另外两个方向的尺度。薄板的中面为平面，所受外力均平行于中面面内，并沿厚度方向不变，而且薄板的两个表面不受外力作用。平面应变：指所有的应变都在一个平面内。平面应...