第四章金属的断裂韧度解析VIP免费

第四章金属的断裂韧度4.1线性弹性下的金属断裂韧度4.2断裂韧度的测试4.3影响断裂韧度的因素IcKIcK断裂是工程构件危险的一种失效方式；脆性断裂是最危险的一种失效方式；但用σ0.2，n，δ，Ψ，Ak，tk，NSR来设计选材，并不能可靠地防止脆断。尤其：二战期间及以后，大量高强度和超高强度材料在工程中广泛应用并相继发生低应力脆断。中低强度钢的大型、重型机件，常在屈服应力以下发生低应力脆性断裂。传统力学强度理论考虑结构特点环境温度实际情况由于裂纹破坏了材料的均匀连续性，改变了材料内部应力状态和应力分布，所以机件的结构性能就不再相似于无裂纹的试样性能，传统的力学强度理论就不再适用。因此，需要研究新的强度理论和材料性能评价指标，以解决低应力脆断问题。Titanic号和美国北极星导弹固体燃料发动机客体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。低应力脆性断裂是最危险的一种失效方式。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。线弹性断裂力学：假定：（1）材料内部存在裂纹；（2）材料在脆断前基本上是弹性变形的，其应力－应变关系是线性关系；（3）裂纹尖端极小区域内有塑性变形。目的：(1)建立描述裂纹扩展的新的力学参量;(2)建立断裂判据;(3)建立对应的材料力学性能指标—断裂韧度线弹性力学处理方法：(1)应力应变分析方法：研究裂纹尖端附近的应力应变场，提出应力场强度因子及对应的断裂韧度和断裂判据——K判据；(2)能量分析方法：研究裂纹扩展时系统能量的变化，提出能量释放率及对应的断裂韧度和断裂判据——G判据。第一节线弹性条件下金属的断裂韧度张开型(I型):拉应力垂直于裂纹扩展面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展。滑开型(II型):切应力平行于裂纹面，且与裂纹线垂直，裂纹沿裂纹面平行滑开扩展。撕开型(III型)切应力平行于裂纹面，且与裂纹线平行，裂纹沿裂纹面撕开扩展。一、裂纹扩展的基本形式二、裂纹尖端附近的应力应变场如图4-2所示假设有无限大板，其中有2a长的Ⅰ型裂纹，在无限远处作用有均匀拉应力σ，应用弹性力学可以分析裂纹尖端附近的应力场、应变场。如用极坐标表示，则各点(r,θ)的应力分量、应变分量可以近似表达如下:应力分量：14coscossin0sinsin1cossinsin1cos232222322223222rKxyzyxzrKyrKxⅠⅠⅠ平面应力平面应变由式（4－1）可知，在裂纹延长线上，θ＝0，则：02xyxyrKⅠ可见，在x轴上裂纹尖端的切应力分量为零，拉应力分量最大，裂纹最易沿x轴方向扩展。（4－3）三、应力场强度因子KIY——裂纹形状系数，与裂纹类型及加载方式有关，一般Y=1~2。KⅠ单位为：Mpa·m1/2或KN·m-3/2。IKYa式(4-1)表明，裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于其位置(r，θ)外，尚与强度因子KI有关。KI越大，则应力场各应力分量也越大。这样，KI就可以表示应力场的强弱程度，故称为应力场强度因子。对于Ⅱ、Ⅲ型裂纹，其应力场强度因子的表达式为：aYKⅡaYKⅢ裂纹形状系数量纲注：①KⅠ为与外加应力大小、裂纹性质(位置、长度)等有关的复合力学参量，外应力σ越大，裂纹宽度a越大，KⅠ越大——但并非力性指标②裂纹尖端附近各固定点P(r，θ)的应力分量取决于KI，所以可把KI看成引起裂纹扩展的动力.四、断裂韧度KIc和断裂K判据1、断裂韧度KIc含裂纹的试样应力场强度因子：断裂力学研究表明：当应力或裂纹尺寸增大到某临界值时，裂纹尖端一定区域内应力超出材料断裂强度→裂纹失稳扩展→材料断裂此时KI也达到某临界值KIC（或KC），称为断裂韧度。IKYa①KIc是材料的力学性能指标之一，反映了材料抵抗裂纹失稳扩展即抵抗脆性断裂的能力。它决定于材料的成分、组织结构等内在因素，而与外加应力及试样尺寸等外在因素无关。②KIc是KI的临界值，与KI有相同的量纲，但KIc与KI的意义截然不同。KI描述裂纹前端内应力场强弱的力学参量，决定于外加应力、试样尺寸和裂纹类型，而与材料无关。断裂韧度指标KIC和KI的意...