断裂力学基础课件.ppt

第10章 材料的断裂力学基础 断裂是工程构件最危险的失效方式之一。其中脆性断裂比韧性断裂更具危险性。因为脆性断裂是突然发生的破坏，断裂前没有明显的征兆，这就常常引起灾难性的破坏事故。 材料的断裂力学基础 研究背景 按照传统力学设计，只要求工作应力σ小于许用应力[σ]，即σ[σ],就被认为是安全的了。 材料的断裂力学基础 研究背景 而[σ]，对塑性材料[σ]=σs/n，对脆性材料[σ]=σb/n，其中n为安全系数。 经典的强度理论无法解释为什么工作应力远低于材料屈服强度时会发生所谓低应力脆断的现象。 材料的断裂力学基础 研究背景 原来，传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，没有裂纹的理想固体，但是实际的工程材料，在制备、加工及使用过程中， 都会产生各种宏观缺陷乃至宏观裂纹。 人们在研究中发现低应力脆断总是和材料内部含有一定尺寸的裂纹相联系的，当裂纹在给定的作用应力下扩展到一临界尺寸时，就会突然破裂。 材料的断裂力学基础 研究背景 因为传统力学或经典的强度理论解决不了带裂纹构件的断裂问题，断裂力学就应运而生。 可以说断裂力学就是研究带裂纹体的力学，它给出了含裂纹体的断裂判据，并提出一个材料固有性能的指标——断裂韧性，用它来比较各种材料的抗断能力。 材料的断裂力学基础 研究背景 材料的断裂力学基础 三个发展阶段 1．无缺陷经验理论阶段（从伽利略到二战前） 不引入任何缺陷尺度 以变形量、塑性屈服等破坏先兆现象作为防范目标。 材料的断裂力学基础 三个发展阶段 2．宏观断裂力学阶段（从二战至今） 引入宏观缺陷，但不考虑细微观缺陷 以断裂等破坏终极现象作为防范目标。 材料的断裂力学基础 三个发展阶段 3．宏微观断裂理论阶段（自80年代兴起） 追溯从变形、损伤至断裂的全过程 引入多层次的缺陷几何结构。 ●断裂过程具有跨学科跨尺度的特点，需各个学科背景的科研人员合作从不同角度、不同层面来进一步理解断裂的产生、发展和失效的整个过程。 材料科学 物理（热、电、磁、力） 纳米技术 …… 材料的断裂力学基础 断裂类型 1、宏观上两种断裂类型和特征： 根据材料断裂前和断裂过程中吸收能量的大小，可将断裂 分为脆性断裂和韧性断裂两类。 脆性断裂的特征：断裂前不发生明显的宏观塑性变形，即断裂发生在弹性变形阶段、吸收的能量很小。 事实上，金属中绝对的脆性断裂是很少见的，因为断裂前总是要伴随那怕是很小的塑性变形。但环境影响因素除外。 材料的断裂力学基础 正断： 垂直于最大正应力或正应变方向发生的断裂叫正断。 切断： 沿着最大切应力方向发生的断裂叫切断。 断口分析定义两种宏观断口类型： 断裂类型 材料的断裂力学基础 裂纹的种类 根据裂纹体的受载和变形情况，裂纹分为三种 。 (1)张开型(或称拉伸型)裂纹 ??? 外加正应力垂直于裂纹面，在应力作用下 裂纹尖端张开，扩展方向和正应力垂直。这种张开型裂纹通常简称I型裂纹。??? I型（张开） 裂纹的种类 ??? (2)滑开型(或称剪切型)裂纹 ??? 剪切应力平行于裂纹面，裂纹滑开扩展，通常称为Ⅱ型裂纹。 ??? II型（滑开） 裂纹的种类 ??? ??? (3)撕开型裂纹 ??? 在切应力作用下，一个裂纹面在另一裂纹面上滑动脱开，裂纹前缘平行于滑动方向，如同撕布一样，这称为撕开型裂纹，也简称Ⅲ型裂纹。 实际工程构件中裂纹形式大多属于I型裂纹，也是最危险一种裂纹形式，最容易引起低应力脆断。 III型（撕开）