第四章1-2第四章 材料的断裂韧性.ppt

材料力学性能 材料化工学院 前 言 前 言 前 言 1、传统的强度理论(1920s前)： 材料连续、均匀和各向同性的； 断裂是瞬时发生的。 断裂:σσs 脆性、韧性断裂 2、现代的强度理论(1920s后)： 材料存在裂纹(裂纹体)； σσs时就断裂 ； 断裂包括裂纹萌生、扩展直至断裂。 裂纹扩展包括开始（亚稳）扩展、失稳扩展。 裂纹萌生抗力、扩展抗力，均小于σs。 低应力脆断： σσs 脆性断裂 前 言 3、断裂力学发展历史： 线弹性断裂力学 (高强度钢——小范围屈服)； 弹塑性断裂力学 (中低强度钢——大范围屈服) 。 4、断裂力学研究对象： 研究裂纹尖端的应力、应变和应变能 →建立断裂韧度 →对机件进行设计和校核。 5、本章讲述： 断裂力学的基本原理； 断裂韧度的意义、影响因素及应用。 前 言 6、裂纹类型（摘自P84附表） 第四章 材料的断裂韧性 §4.1 线弹性条件下的断裂韧性 §4.2 弹塑性条件下的断裂韧性 §4.3 影响材料断裂韧度的因素（了解、自学） §4.4 断裂韧度在工程中的应用 §4.1 线弹性条件下的断裂韧性 1、线弹性断裂力学： 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。 2、研究方法： (1)应力应变分析法： 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； (2)能量分析法： 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。 §4.1 线弹性条件下的断裂韧性 一、裂纹扩展的基本方式 二、裂纹尖端的应力场及应力场强度因子KⅠ 三、断裂韧度KⅠc和断裂K判据 四、裂纹尖端塑性区及KⅠ的修正 五、裂纹扩展能量释放率GⅠ 六、断裂韧度GⅠc和断裂G判据 一、裂纹扩展的基本方式 (根据外加应力的类型和裂纹扩展面的取向关系) 二、裂纹尖端的应力场及应力场强度因子KⅠ 1、应力场(线弹性理论)： (1)设有一承受均匀拉应力σ的无限大板(厚薄均可)， 含有长为2?的I型穿透裂纹。 其尖端附近(r，θ)处应力、应变和位移分量： 二、裂纹尖端的应力场及应力场强度因子KⅠ (2)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E 以及参量KⅠ。 二、裂纹尖端的应力场及应力场强度因子KⅠ 2、KⅠ一般表达式： 三、断裂韧度KⅠc和断裂K判据 1、平面应变断裂韧度KⅠc (MPa·m1/2) 三、断裂韧度KⅠc和断裂K判据 断裂应力(裂纹体的断裂强度)σc： 裂纹失稳扩展的临界状态所对应的平均应力。 临界裂纹尺寸?c：， 裂纹失稳扩展的临界状态所对应的裂纹尺寸?? 四、裂纹尖端塑性区及KⅠ的修正 线弹性断裂力学： 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。 四、裂纹尖端塑性区及KⅠ的修正 1、裂纹尖端塑性区： 裂纹尖端附近的σ≥σs→塑性变形→存在裂纹尖端塑性区。 四、裂纹尖端塑性区及KⅠ的修正 6、KⅠ的修正 (σ/σs≥0.6～0.7)： 　线弹性断裂力学计算得到σy的分布曲线为ADB； 　屈服并应力松弛后σy的分布曲线为CDEF； 若将裂纹顶点由O虚移至O′点， 　则在虚拟的裂纹顶点O′以外的弹性应力分布曲线为GEH。 采用等效裂纹长度(a+ry)代替实际裂纹长度a，即 §4.1 线弹性条件下的断裂韧性 §4.1 线弹性条件下的断裂韧性 五、裂纹扩展能量释放率GⅠ 六、断裂韧度GⅠc和断裂G判据 拉伸的弹性应变能（补充） 补充 驱使裂纹扩展的动力是弹性能的释放率。 把裂纹扩展单位面积时，系统释放的势能的数值，称为裂纹扩展能量释放率，简称为能量释放率或能量率，并用G表示。 §4.1 线弹性条件下的断裂韧性 五、裂纹扩展能量释放率GⅠ： 1、平面应力GⅠ： GⅠ= σ2π?/E 2、平面应变GⅠ： GⅠ=(1-ν2)σ2π?/E 六、断裂韧度GⅠc和断裂G判据： 1、断裂韧