材料力学性能第4章.ppt

①断口分析结果表明：爆破为脆性断裂，断口为 正断断口，两边有撕裂断裂，中段断口上有表面 半椭圆裂纹。裂纹深度a=0.74mm，长度2c=5.4mm ②计算裂纹所受垂直拉应力 ③计算脆断应力σc （考虑修正） a/c=0.74/2.7=0.274，查表Φ^2＝1.165. 容器水压应力σ略高于脆断应力σc因而发生脆性 爆破。 大型转轴断裂分析 某转动机构主轴，在工作时经61次摇炉炼钢后发 生低应力脆断，断口示意图如图。σ0.2＝600MPa，σb=860MPa，AKU＝38J，δ＝8%。试用断口分析和 断裂力学分析其断裂原因。 ①断口宏观分析表明：该轴为疲劳断裂，断裂源 在圆角应力集中处。在一定循环应力作用下，初 始裂纹进行亚稳扩展，形成深度达185mm的疲劳扩 展区，相当于一个ac＝185mm表面环状裂纹。 ②用断裂力学进行定量分析，垂直于裂纹面的最 大轴向外加应力σ外＝25MPa，裂纹前缘残余拉应力 σ内＝120MPa，于是作用在裂纹表面上的实际垂直 拉应力为σ＝σ外+σ内＝25+120＝145MPa 根据σ0.2查表得KIC=120MPa.m1/2，Y≈1.95,代入临 界裂纹尺寸公式 评定钢铁材料的韧脆性 一般，机件中常见的裂纹是表面半椭圆裂纹，从 安全角度考虑取Y≈2,忽略塑性区影响，由 可得 根据机件的工作应力σ和材料的断裂韧度KIC即可 得裂纹的临界尺寸，以其大小评定材料韧脆性。 END * 裂纹扩展能量释放率GI 通常把裂纹扩展单位面积时，系统释放势能的数值称为裂纹扩展能量释放率，简称为能量释放率或能量率，用G表示，对于I型裂纹为GI， 于是： * 如裂纹体厚度为B，裂纹长度为a，则： 此时，GI为裂纹扩展单位长度时的系统势能释放率。因为从物理意义上来讲，GI为使裂纹扩展单位长度的原动力，所以又称GI为裂纹扩展力，表示裂纹扩展单位长度所需的力。在这种情况下，GI的单位为MN·m-1。 * 第四章 格雷菲斯裂纹体的GI 在格雷菲斯裂纹体中（模型：无限宽板，存在长为2a的中心穿透裂纹，B=1） 在平面应力条件下：弹性应变能 在平面应变条件下：弹性应变能 代入恒位移条件下GI表达式： 得到 可见，GI和KI相似，也是应力σ和裂纹尺寸a的复合参量，只是它们的表示方式和单位不同而已。 断裂韧度GIC和断裂G判据 断裂韧度GIC：GI增大到某一临界值时，能克服裂纹扩展阻力（γp+2γs），使裂纹失稳扩展而断裂，将这个临界值记作GIC，称断裂韧度，它表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量。 断裂G判据 GI≥GIC KI、GI—力学参量 KIC、GIC—材料力学性能指标 * GIC与KIC的关系（牢记） 平面应力 平面应变 * 4.2 断裂韧度的测试 （1）试样的形状、尺寸及制备 有严格的测试标准 四种试样：三点弯曲，紧凑拉伸，C型拉伸，圆 形紧凑拉伸试样。  * 试样厚度B、裂纹长度a、韧带宽度(W-a)有严格要求： 预先估计KIC（类比法），再比较。 试样材料、加工和热处理方法也要和实际工件相同； 高频疲劳试验机预制裂纹，疲劳裂纹长度≧0.025W,且不小于1.5mm，a/W在0.45－0.55范围内。 * （2）测试方法 弯曲、拉伸；传感器测量，绘出有关曲线。 （3）结果处理 根据有关的函数（可以查表） （有兴趣者可以自学） * 4.3 影响断裂韧度KIC的因素 （1）KIC与常规力学性能之间的关系 KIC与强度、塑性之间的关系 强度：断裂韧度随强度升高而降低 无论是解理断裂或韧性断裂，KIC都是强度 和塑性的综合性能 对于穿晶解理断裂 高含氮量的低碳钢KIC与σ之间的关系。 对于韧性断裂 * KIC与冲击吸收功之间的关系 AK值～GIC（JIC），均是吸收的能量，但AK值的误差本身就较大； 由于裂纹和缺口形状，加载速率等存在不同，KIC和AK的温度变化曲线不一样，由KIC确定的韧脆转变温度比AK的高。 上式为经验公式，缺乏可靠的理论依据。 * （2）影响断裂韧度的因素 材料因素（内在因素） ①化学成分 ②基体相结构和晶粒大小 ③杂质及第二相 ④显微组织 外界因素（外在环境因素） 温度、应变速度等。 * 4.5 弹塑性条件下的金属断裂韧度 前言 材料不同，裂纹尖端塑性区大小可能