FH4材料的断裂韧性

1、材料性能学材料性能学第一部分第一部分 材料的力学性能材料的力学性能 第一章 材料单向静拉伸力学性能 第二章 材料在其它静载下的力学性能 第三章 材料的冲击韧性与低温脆性第四章第四章 材料的断裂韧性材料的断裂韧性 第五章 材料的疲劳性能 第六章 材料的磨损 第七章 材料的高温力学性能 第八章 材料的耐腐蚀性能 一、线弹性条件下的断裂韧性 缺口效应、断裂韧度缺口效应、断裂韧度K KCC及及G GCC （重（重点）点） 二、弹塑形条件下的断裂韧性 J积分与COD的概念（简述） 三、影响断裂韧度的因素 四、断裂韧度在工程中的应用第第4 4章章 断裂韧性断裂韧性 1.传统材料设计：传统材料设计：材料是均

2、匀连续、各向同性的物体。 力学分析应力应变安全系数强度、塑韧性经典强度理论： 断裂瞬时发生，不考虑裂纹的萌生与扩展。设计时只考虑设计时只考虑b(抗拉强度), 较少考虑较少考虑s、韧性、焊接性、韧性、焊接性断裂力学的发展历史断裂力学的发展历史2. 连接方式: 铆接焊接C%b保证强度Mn%大型大型结构结构桥、船舶压力容器航空航天器火箭壳体大型转子极限条件极限条件下工作下工作超高温、超高压、超高速条件 低应力脆断（断裂应力b、s）焊接构件焊接构件脆性断裂脆性断裂二战期间，美国千艘全焊接自由轮-舱板断裂自由轮是美国二战时期应急大量建造的两型货船预制构件和送到船厂焊接起来。 50年代，美国北极星导弹点火

3、试验时，发动机壳体爆炸。 s =1400Mpa， 0.1-1mm裂纹1952年，Esso石油公司原油罐脆性断裂3.冲击韧性和断裂韧性的重要性l 原因原因宏观裂纹（加工与使用过程中出现）（冶金、锻造、焊接、淬火、机加工、疲劳、腐蚀）u 材料不是均匀连续的。l 刚刚拉制的玻璃棒弯曲强度6Gpa，在空气中放置后下降到0.4 Gpa；l 石英玻璃纤维分段： 12cm长-275 Mpa， 0.6 cm长-760 Mpa。 l 尺寸效应：危险裂纹机会多（大、长试件）。4. 断裂力学的发展断裂力学的发展：l研究裂纹萌生、扩展至断裂过程。l研究裂纹尖端应力、应变、应变能的分布。发展过程发展过程：u1922年G

4、riffith 研究断裂强度与裂纹尺寸间的关系。u线弹性断裂力学的基础。uGriffith 裂纹理论及Orowan塑性区修正：无限宽薄板（平面应力），裂纹自发扩展的临界应力。u1948年Irwin Fracture Dynamics -断裂力学独立学科。缺口效应：第一效应-造成应力应变集中。 第二效应-（23向）多向拉伸应力状态：平面应力状态、平面应变状态 第三效应-缺口强化（缺口脆化）内容内容 线弹性断裂力学+弹塑性断裂力学裂纹尖端应力应变分布.u断裂力学：裂纹扩展新的力学参量新的断裂判据 -断裂韧度Kc 。4.1 线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性 假设假设： 裂纹体各部分在脆性

5、断裂过程中，应力应变处于线弹性状态，只有裂纹尖端极小区域处于塑变阶段。n研究方法研究方法：(1) 应力应变分析方法-应力场强度因子K， 断裂韧性 KC, K判据。(2) 能量分析方法-能量释放率，G判据。一、裂纹尖端的应力场及应力场强度因一、裂纹尖端的应力场及应力场强度因子子 Irwin等，线弹性理论，裂纹体尖端附近的应力应变分布。 设有一承受均匀拉应力的无限大板，含有长为2a的I型穿透裂纹，其尖端附近(r，)处应力、应变和位移分量可近似表示：沿板厚Z方向上： 薄板：应变不受约束（自由变形）；Z=0，平面应力状态。（2）厚板：应变受到约束Z=0平面应变状态；三向拉应力状态（硬状态，危险的应力状

6、态）。讨论讨论：（1）以上表达式是近似的，最适用于ra情况，越接近裂纹尖端，精度越高。（2）在裂纹延长线X轴上，=0，此处拉应力分量最大，切应力分量为0，裂纹最易扩展。（3）影响因素：位置（r,),材料弹性模量E，参量KI。对确定材料和位置点，应力分量由K决定。K越大，应力分量越大。lKI应力场强度因子（表示应力场的强弱程度）l 无限大板穿透裂纹，表示I型裂纹；lK，K分别表示，型裂纹的应力场强度因子。lKI一般表达式：l裂纹形状系数,取决于裂纹的类型。 无限大板穿透裂纹:裂纹尖端塑性区及裂纹尖端塑性区及KI的修正的修正: r=0时, x，y ，XY等各应力分量均趋于无穷大不可能. 当材料中裂

7、纹尖端的应力达到s时,发生塑性变形，裂纹尖端出现塑性区（屈服区），与缺口前方存在塑性区很相似应力分布改变 。修正条件：/s 0.6-0.7。塑性区的形状：修正条件：/s 0.6-0.7。二、断裂韧度二、断裂韧度K及及判据判据lK取决于与a的组合，单位为Mpam 1/2。l,a（单独，同时）K,各应力分量;c：裂纹失稳扩展的临界应力， 断裂应力或裂纹体的断裂强度； ac：临界裂纹尺寸。 1. 断裂韧度断裂韧度K和Kc的意义的意义lKc 、Kc表示材料抵抗断裂的能力。lKc为平面应变平面应变断裂韧度，表示平面应变状态下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。lKc为平面应力平面应力断裂韧度，表示平面应力状态下

8、材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。l 同一材料Kc Kc2. Kc与与K的关系的关系lK：力学参量力学参量，表示裂纹尖端应力应变场强度大小。l K 与外加应力、试样尺寸 a、裂纹类型Y有关， 与材料无关。lKc：材料的力学性能指标力学性能指标；l 与材料成分、组织结构有关， 与外加应力、试样尺寸等外因素无关。l和s的关系： l 力学参量l s力学性能指标3.断裂断裂K判据判据KI Kc ： 裂纹失稳扩展 脆性断裂。KI Kc2. Kc与与K的关系的关系lK：力学参量力学参量，表示裂纹尖端应力应变场强度大小。l K 与外加应力、试样尺寸 a、裂纹类型Y有关， 与材料无关。lKc：材料的力学性能指标力学

9、性能指标；l 与材料成分、组织结构有关， 与外加应力、试样尺寸等外因素无关。l和s的关系： l 力学参量l s力学性能指标4.2 弹塑性条件下的断裂韧性弹塑性条件下的断裂韧性 l 高强度钢：塑性区小，小范围屈服线弹性断裂力学。l中低强度钢：塑性区大，大范围屈服弹塑性力学。l将线弹性原理进行延伸： J积分，断裂能量判据GI，JI COD，断裂应变判据 KI，4.3 影响断裂韧性的因素影响断裂韧性的因素 KIc是材料强度和塑性的综合表现。n 一般情况下，随强度指标的降低而升高，随塑性指标的降低而降低。 s ，b KIc ,KIc n 通常人们认为KIc是塑性、韧性一类指标，与强度类指标的变化规律相

10、反。（有例外）n 内在：成分、组织 、结构。n 外在：温度T、应变速率。一、成分及组织结构的影响一、成分及组织结构的影响 （一）化学成分（一）化学成分：（与冲击韧度相似）l强烈固溶强化的合金元素塑性，KIc l细化晶粒的合金元素强度塑性，KIc l金属间化合物塑性，KIc l陶瓷： 提高强度的组元 KIc l高分子： 结合键键合强度KIc 例2. 某材料的s=2.5J/m2，E=210GPa，a0=0.32nm，用该材料制成的无限大薄板内有一条长1mm的裂纹。求：（1）该材料完美晶体的理论断裂强度；（2）含裂纹的薄板的脆性断裂应力。0aErsm2ac=1mm, ac=0.5mm, （2101092.5/3.210-10）1/2 = 4.051010 (Pa)=