断裂力学与断裂韧度(第3节).ppt

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断裂力学与断裂韧度(第3节).ppt

由于这些尺寸比塑性区宽度R0大一个数量级,所以可以保证裂纹尖端是平面应变和小范围屈服状态。 试样材料、加工和热处理方法也要和实际工件尽量相同,试样加工后需要开缺口和预制裂纹。 二、测试方法 由于材料性能及试样尺寸不同,F-V曲线有三种类型: 1. 材料较脆、试样尺寸足够大时,F-V曲线为III型 2. 材料韧性较好或试样尺寸较小时,F-V曲线为I型 3. 材料韧性或试样尺寸居中时,F-V曲线为II型 从F-V曲线确定FQ的方法: 三、试样结果的处理 3.4 影响断裂韧度KIC的因素 一、KIC与常规力学性能指标之间的关系 (一) KIC与强度、塑性间的关系 对于穿晶解理断裂,裂纹形成并能扩展要满足一定的力学条件,即拉应力要达到σc,而且拉应力必须作用有一定范围或特征距离,才可能使裂纹过界扩展,从而实现解理断裂。 无论是解理断裂还是韧性断裂, KIC都是强度和塑性的综合性能,而特征距离是结构参量。 (二) KIC与冲击吸收功AKV之间的关系 由于裂纹和缺口不同,以及加载速率不同,所以KIC和AKV的温度变化曲线不一样,由KIC确定的韧脆转变温度比AKV的高。 二、影响KIC的因素 (一)材料成分、组织对KIC的影响 1. 化学成分的影响 2. 基体相结构和晶粒大小的影响 3. 杂质和第二相的影响 4. 显微组织的影响 (二)影响KIC的外界因素 1. 温度 通常钢的KIC都随着温度的降低而下降,然而KIC的变化趋势不同。 中低强度钢都有明显的韧脆转变现象,在tk以上,材料主要是微孔聚集型的韧性断裂, KIC较高,而在tk以下,材料主要为解理型脆性断裂, KIC很低。 2. 应变速率 应变速率提高,可使KIC下降,通常应变速率每增加一个数量级,KIC约下降10%。但是当应变速率很大时,形变热量来不及传导,造成绝热状态,导致局部升温,KIC又有所增加。 弹塑性条件下金属断裂韧度的基本概念 弹塑性断裂力学主要解决两方面的问题: 1. 广泛使用的中、低强度钢σs低,KIC高,其中对于小型机件而言,裂纹尖端塑性区尺寸较大,接近甚至超过裂纹尺寸,已属于大范围屈服条件,有时塑性区尺寸甚至布满整个韧带,裂纹扩展前已整体屈服,如焊接件拐角处,这些由于应力集中和残余应力较高而屈服的高应变区,就属这种情况。 对于这类弹塑性裂纹的断裂,用应力强度因子修正已经无效,而要借助弹塑性断裂力学来解决。 2. 如何实测中、低强度钢的平面应变断裂韧度KIC 一、J积分及断裂韧度JIC 赖斯(J. R. Rice, 1968)对受载裂纹体的裂纹周围的系统势能U进行了线积分,线弹性条件下GI的线积分表达式如下: 在弹塑性条件下,如果将应变能密度改成弹塑性应变能密度,也存在上述关系,Rice称其为J积分: 在小应变条件下,J积分和积分路线无关,所以J积分反映了裂纹尖端区的应变能,也就是应力集中程度。 对于弹塑性材料,由于塑性变形是不可逆的,只有在单调加载,不发生卸载时,才存在积分与路径无关。 在线弹性条件下,JI=GI,JI为I型裂纹线积分。 线弹性条件下, 表示含有裂纹尺寸a的试样,扩展为a+△a后系统势能的释放率。 弹塑性条件下,因为不允许加载,裂纹扩展就意味着加载,所以 表示裂纹尺寸分别为a 和( a+△a )的两个等同试样,在加载过程中的势能差值△U与裂纹长度差值△a的比率,就是形变功差率,所以J积分不能处理裂纹的连续扩展问题,其临界值对应点只是开裂点,而不一定是最后失稳断裂点。 平面应变条件下,J积分的临界值JIC也称断裂韧度,表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力。 二、裂纹尖端张开位移和断裂韧度 由于裂纹尖端的应变量较小,难于精确测定,于是提出了用裂纹尖端张开位移来间接表示应变量的大小。 假设一个中、低强度钢无限大的板中有I型穿透裂纹,在平均应力作用下裂纹两端出现塑性区,裂纹尖端沿平均应力方向张开,张开位移就称为COD(Crack Opening Displacement)。 在大范围屈服条件下,达格代尔(Dugdale)建立了带状屈服模型(D-M模型)导出了COD表达式: 在裂纹开始扩展的临界条件下: 在小范围屈服临界条件下: 平面应力条件下: 平面应变条件下: 还可以与其它断裂韧度指标联系起来: 第3节 断裂力学与断裂韧度 美国在二战期间有5000艘全焊接的“自由轮”,其中有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与韧性都符合要求,设计时的工作应力远低于材料的屈服强度,但发射点火

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