4第四章 材料的韧性和断裂力学.ppt

第四章 材料的韧性和断裂 力学简介 一、低应力脆断及材料的韧性 重大断裂事故的共同特点 1. 通常发生脆断时的宏观应力很低，按强度设计是安全的； 2. 脆断事故通常发生在比较低的工作温度环境下； 3. 脆断从应力集中处开始，裂纹源通常在结构或材料的缺陷处，如缺口、裂纹、夹杂等； 4. 厚截面、高应变速率促进脆断。 经过对众多脆断事故的分析和研究，人们提出了一个便于反映材料抗脆断能力的新的性能指标-韧性，从使脆性材料和韧性材料断裂所消耗的能量不同，归纳出韧性的定义为：所谓韧性是材料从变形到 断裂过程中吸收能量的大小，它是材料强度和塑性的综合反映。 可以用拉伸曲线下的面积来表示材料的韧性， 材料的韧性可用实验的方法测试和判定。应用较早和较广泛的是缺口冲击试验，这种方法已经规范化（图4-2）。 具体方法是将试样用专用冲击试验机施加冲击载荷，使试样断裂。用冲击过程中吸收的功除以断口面积，所得即为材料的冲击韧性，以αK表示，单位为J／cm2。 环境温度对材料的韧性有很明显的影响，随着温度的降低，材料的韧性将减小，当温度降到某一值TT后，冲击韧性值将大大降低，材料变脆。 用材料的脆性转变温度TT作为防止脆断的安全判据，设计时根据结构的工作温度来选择具有合适脆化温度TT的材料，以保证工作温度高于脆化温度来防止脆断。 测定材料脆性转化温度TT的标准方法为落锤试验（图4-3）。 在系列不同温度条件下进行试验，即可测得材料的脆性转化温度TT。 以冲击韧性αk或脆性转变温度TT作韧性指标，在研究钢材的热加工工艺对材料韧性的影响上是很方便的，但是在设计中这些指标不能用于计算发生脆断时的载荷，而只能作为一种定性的参考依据。 二、断裂力学简介 断裂力学是一个以带裂纹体为研究对象的新的力学分支。 主要研究裂纹萌生和扩展的条件与机理，确定裂纹体材料实际强度的力学参量和测定方法，探讨防止构件脆断的途径。 (一)裂纹尺寸与断裂强度的关系 在研究断裂行为时，一个重要的经验结果就是：构件断裂时名义应力的大小与结构内部的裂纹尺寸和形状有关。 Y 形状系数 ； KIC 材料的断裂韧性。 由式（4-2）可知： 1.对应于一定的裂纹尺寸 ， 存在一个临界的应力值σc 。 换言之，对应于一定的应力值，存在一个临界的裂纹深度αc，即 以上结论说明，带裂纹的构件只要裂纹达不到临界尺寸，或裂纹尺寸一定时，只要应力不大于临界应力，都是安全的。这样，考虑了裂纹的存在，根据裂纹失稳条件所得的断裂应力，与传统强度条件得出的结果就不一定相同了。 (二)应力场强度分析与断裂韧性 为了对裂纹尖端应力进行分析，定义了三种基本应力场，每一种应力场都与裂纹变形的特殊方式有关。如（图4-5）所示。 I型是裂纹张开型，这时裂纹的两个表面直接分离。常见于疲劳及脆性断裂，其断口平齐，是工程上最常见、最危险的断裂类型。 Ⅱ型是边缘滑开型或正向滑开型。它表现为裂纹的两个表面沿垂直于裂纹前缘方向相互滑移。 Ⅲ型是侧向滑开型或撕开型，亦称平行剪切型。它们的特征是两个裂纹表面在平行于裂纹前缘的方向上相互滑移。裂 纹表面几乎在同一个平面内扩展。 若将这三种基本型式叠加，就可以完整地描述局部裂纹尖端的变形和应力场的最一般的三维情况。 假若板试样很薄，则裂纹前端A附近区域，沿z方向的变形基本不受约束，可以自由变形，在该方向上的应力σz=0，但应变w ≠0。此时，裂纹前端区域仅在板宽和板长度方向上受σx 和 σy作用，应力状态是二维平面型的。此种应力状态，称为平面应力状态（图4-6）。 假若是厚板，则裂纹前端区域除了靠近板表面的部位之外，在板的内部，由于z方向受到严重的形变约束， σz≠0，而w=0。所以，应力是三维的，处于三向拉伸状态，但应变是二维的，u≠0，v≠0，即是平面型的。这种状态称为平面应变状态。 裂纹前端处的应力状态不同，将显著影响裂纹的扩展过程和构件的抗断裂能力。如若为平面应力状态，则裂纹扩展的抗力较高；若为平面应变状态，则裂纹抗力较低，易脆断。 （1）裂纹尖端的应力和位移分析及应力强度因子的概念： 设一无限大板，具有长度为2α的中心穿透裂纹，受双轴拉应力作用，如图1-7示。按弹性力学的平面问题求解，得出裂纹尖端附近的应力场为 w = 0 平面应变 式中r、θ为裂纹尖端附近点的极座标; σx，σy，σz，τxy，τxz，τyz为应力分量； u，v， w为位移分量； G为剪切弹性模量；E为扬氏模; υ为波松比。 由(4-3)，(