第四章 材料-的断裂韧性.ppt

前 言 经典的强度理论把材料和构件作为连续、均匀和各向同性的受载物体，进行力学分析，确定危险部位的应力和应变，考虑安全系数和环境因素的影响后，对材料提出相应的强度、塑性、韧度缺口敏感度、冷脆转变温度等性能的要求，防止断裂和其他失效形式的发生，这样的设计应该是安全的，不会发生塑性变形和断裂。 但是，用传统的强度理论设计的结构发生了很多断裂事故，如高强度钢、超高强度钢的机件，中、低强度钢的大型机件常常在工作应力并不高，甚至远低于屈服极限的情况下，发生脆性断裂现象，这就是所谓的低应力脆断。 大量断裂事例表明，低应力脆断是由于工件中宏观裂纹（工艺裂纹或使用裂纹）的存在引起的。 材料和构件中裂纹的存在是很难避免的，它可以在材料的生产和机件的加工过程中产生，如冶金缺陷、锻造裂纹、焊接裂纹、淬火裂纹、机加工裂纹等，也可以在使用过程中产生，如疲劳裂纹、腐蚀裂纹等。 正是裂纹的存在破坏了材料和构件的连续性和均匀性，改变了材料内部应力状态和应力分布，使得传统的设计方法无法定量计算裂纹体的应力和应变。 经典的强度理论是在不考虑裂纹的萌生和裂纹的扩展的条件下进行强度计算的，认为断裂是瞬时发生的。 然而实际上无论哪种断裂都有裂纹萌生、扩展直至断裂的过程，因此，断裂在很大程度上决定于裂纹萌生抗力和扩展抗力，而不是总决定于用断面尺寸计算的名义断裂应力和断裂应变。 显然需要发展新的强度理论，解决低应力脆断的问题。 断裂力学正是在这种背景下发展起来的一门新兴断裂强度科学。 1922年Griffith首先在强度与裂纹尺度间建立了定量关系： 裂纹失稳扩展的临界应力为 σc=(2Eγ/πa)1/2 临界裂纹半长为 ac=2Eγ/πσ2 1948年Irwin发表了经典性论文《Fracture Dynamics》，它标志着断裂力学成为了一门独立的工程学科，随后大量的研究集中于线弹性断裂力学。 1968年，Rice提出了J积分，Hutchinson证明J积分可以用来描述弹塑性体中裂纹的扩展，在这之后，逐步发展起来弹塑性断裂力学。 断裂力学研究裂纹尖端的应力、应变和应变能的分布情况，建立了描述裂纹扩展的新的力学参量、断裂判据和对应的材料力学性能指标—断裂韧度，以此对机件进行设计和校核。 本章将以断裂力学的基本原理为基础，简要介绍材料断裂韧度的意义、影响因素及应用。 第一节 线弹性条件下的断裂韧性 线弹性断裂力学认为在脆性断裂过程中，裂纹体各部分的应力和应变处于线弹性阶段，只有裂纹尖端极小区域处于塑性变形阶段。 它处理问题有两种方法： 一种是应力应变分析方法，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K判据； 另一种是能量分析方法，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G判据。 一、裂纹扩展的基本方式 根据外加应力的类型及其与裂纹扩展面的取向关系，裂纹扩展的基本方式有3种 1．张开型(I型)裂纹扩展 2．滑开型(Ⅱ型)裂纹扩展 3．撕开型(Ⅲ型)裂纹扩展 1．张开型(I型)裂纹扩展 拉应力垂直作用于裂纹面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展。 例如，容器纵向裂纹在内应力作用下的扩展。 2．滑开型(Ⅱ型)裂纹扩展 切应力平行作用于裂纹面，并且与裂纹前沿线垂直，裂纹沿裂纹面平行滑开扩展。 例如，花键根部裂纹沿切应力方向的扩展，传动轴周向裂纹的扩展。 3．撕开型(III型)裂纹扩展 切应力平行作用于裂纹面，并且与裂纹前沿线平行，裂纹沿裂纹面撕开扩展。 例如，轴类零件的横裂纹在扭矩作用下的扩展。 实际裂纹的扩展过程并不局限于这3种形式，往往是它们的组合，如I－Ⅱ、 I－Ⅲ、Ⅱ－Ⅲ型的复合形式。 在这些裂纹的不同扩展形式中，以I型裂纹扩展最危险，最容易引起脆性断裂。所以，在研究裂纹体的脆性断裂问题时，总是以这种裂纹为对象。 二、裂纹尖端的应力场及应力场强度因子KI 由于裂纹扩展总是从其尖端开始向前进行的，所以应该分析裂纹尖端的应力应变状态，建立裂纹扩展的力学条件。 Inwin等人运用线弹性理论研究了裂纹体尖端附近的应力应变分布情况。 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 若裂纹尖端沿板厚方向(即z方向)的应变不受约束，因而有σZ=0，此时，裂纹尖端处于平面应力状态。其尖端附近(r，θ)处应力近似地表达如下。 若裂纹尖端沿z方向的应变受到约束，εz=O，则裂纹尖端处于平面应变状态。 此时，裂纹尖端处于三向拉伸应力状态，应力状态软性系数小，因而是危险的应力状态。 平面应变状态应变分量为 平面应变状态x、y轴方向的位移分量为 可以看出，裂纹尖端任意一点的应力、应变和位移分量取决于该点的坐标(r，θ)、材料的弹性模数以及参量