第三章-无机材料的断裂及裂纹扩展课件.pptxVIP

第三章 结果。而裂纹扩展过程的细节相对于裂 纹扩展的结果，更为重要。 ——针对材料进行 有效的组成与结构设计。 n 研究裂纹扩展过程的理论工具是断裂力 n 强度反映的是材料内部裂纹扩展的宏观 学。 事实表明：结构件中不可避免地存在宏 观裂纹，在低应力下脆性破坏正是这些 1940-1945，近千艘全焊接“自由轮”1000多次脆性破坏 事故， 238艘完全破坏； 1950，北极星导弹固体燃料发动 机壳体爆炸； 1952，ESSO公司原油罐脆性倒塌等 所以，发展出新 学科： 断裂力 上世纪40年代起，发生了一系列重大脆性断裂事故 裂纹扩展的结果。 学 n 断裂力学是研究含裂纹物体的强度与裂纹 扩展规律的科学。 n 意义-阐明了宏观裂纹降低断裂强度的作用， 突出了缺陷对材料性能的重要影响。 断裂力学简介 n 3.1.1、裂纹系统的机械能释放率： P50,图3.1 试样伸长量u ，外加载荷P,则： ， 入为试样 的柔度 系统的弹性变形能为： 3.1断裂力学基本知识 当裂纹在外力作用下发生6c的扩展时： (1)常力加载时： 则总机械能变化量为： (2)常位移加载，又称固定边界加载，指在裂纹 扩展时，系统6u=0，则 于是： 可见：不同加载条件时，裂纹扩展6c时系统所释放 或将G定义为系统释放的机械能对开裂面积V ( V=2c × 厚度，厚度设为T)的导数， 以： 定义裂纹扩展单位长度时系统的机械能释放率为： 的机械能 与加载系统具体情况无关。所 G单位为： Nm-1 于是： 采用恒位移加载，简化为： n 1、裂纹的扩展方式： n (1)掰开型(Ⅰ型)：低应力断裂 的主要原因，主要研究对象 n (2)错开型(Ⅱ型) n (3)撕开型(Ⅲ型) 3.1.2裂纹尖端应力场强度 Irwin应用弹性力学的应力场理论，对掰开性 (I型)裂纹尖端的应力场进行了分析。 r-半径向量 θ-角坐标 KI-应力场强度 因子。与应力、 裂纹长度、裂 纹类型、受力 2、裂纹尖端应力场分析 状态有关。 下标I表示为Ⅰ型 扩展类型。 当rC ，θ→0时，即为裂纹尖端处 的一点，则掰开性(I型)裂纹尖端 的应力： 使裂纹扩展的主要动力是- n Y-几何形状因子。与裂纹形式、试件几 何形状有关。求KI 的关键在于求Y n 断裂力学的内容：求不同条件下的Y n Y也可由实验测定 n 各种条件下的Y已汇编成册，可供查阅。 3、应力场强度因子 与几何形状因子 4、临界应力场强度因 n 经典强度理论断裂准则： 构件设计时的断裂准则：使用应力小于或等于允 许应力。 σ=[σ] [σ]= σf/n或σys/n， σf-断裂强度， σys – 屈服强度， n-安全系数。 σ f 、 σys均为材料常数。 n 缺点： 仅追求高强度，没有抓住断裂的本 质 –裂纹扩展。不能防止低应力下的脆性 断裂。 提出：断 子与断裂韧性 裂判据 引入一个考虑裂纹尺寸并表征材料特性的 临界值常数KIC,称为平面应变断裂韧性。 新判据： n 即：当应力场强度因子小于或等于材料的平 面应变断裂韧性时，所设计的构件才安全， 不致发生低应力下的脆性断裂。 按照断裂力学观点，提出新的判据 (新设计思想和选材准则) n 有一实际使用应力σ=1.30×109Pa的构件，可 选用两种钢材，参数为： n 甲钢： σys =1 95×10.9Pa,KIC =4 5×10.7Pa m· 1/2 n 乙钢： σys =1 56×10.9Pa,KIC =7 5×10.7Pa · m1/2 设计实例 n 使用应力σ×安全系数n ≦屈服强度σys 甲钢： 乙钢： n 认为选用甲钢比乙钢安全 传统设计观点 n 可见：甲钢的σfσ,而乙钢的σf σ,选用 甲钢不安全，会发生低应力下的脆性断 裂，而选用乙钢却更安全可靠。 n 参数KIC非常重要。 断裂力学观点 甲钢： 乙钢： n 的物理意义 n 裂纹扩展的动力-即裂纹扩展2dc，单位 5、平面应变断裂韧性 表面所释放的能量(弹性应变能降低)： n 则：临界状态 对有内部裂纹的薄板： (平面应变状态) (平面应力状态) 则： (平面应变状态) (平面应力状态) 脆性材料： 则： 可见： n K1c与材料的本征参数E、γ 、μ等 物理量有直接关系。 n K1c是材料的本征参数 n K1c反映了具有裂纹的材料对外 界作用的一种抵抗能力-阻止裂 纹扩展的能力。 n 根据裂纹长度和断裂应力求平面应变 断裂韧性KIC 的关键是求几何因子Y. n 求Y方法：应力场分析;实验 6、柔度标定法求几何形状因子Y 值 n 用已知弹性及形变常数E、 的典型脆性材料做 成试样，试样按规定的尺寸比例、