性能与测试-第四章的断裂韧性综述.ppt

材料性能与测试 韧性 (韧度) 定义： 是材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。 包括静力韧度、冲击韧度、断裂韧度。 (1)静力韧度 ? (2)冲击韧度或冲击值aKU(aKV): (3)理论断裂强度(理想晶体脆性断裂)： 最典型的是平面应力和平面应变状态，前者在薄板中，后者在厚板中。 1. 裂纹尖端应力场、应力分析(Irwin线弹性理论) ①应力场 设有一无限大板，含有一长为2a的中心穿透裂纹，在无限远处作用有均布的双向拉应力。线弹性断裂力学给出裂纹尖端附近任意点P(r,θ)的各应力分量的解。 若为薄板，裂纹尖端处于平面应力状态; 若为厚板，裂纹尖端处于平面应变状态， σz=0 平面应力 σz=ν(σx+σy) 平面应变 I型裂纹尖端处于三向拉伸应力状态，应力状态软性系数很小，因而是危险的应力状态。 由虎克定律，可求出裂纹尖端的各应变分量；然后积分，求得各方向的位移分量。 2、应力场强度因子KI 由上述裂纹尖端应力场可知，裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定其位置(r,θ)外,还与强度因子KⅠ有关, 对于确定的一点, 其应力分量就由KⅠ决定。 KI可以反映应力场的强弱，称之为应力场强度因子(MPa· m1/2) 。 通式： a—1/2裂纹长度； Y—裂纹形状系数（无量纲量）；一般Y=1~2 1. 定义和区别 对于受载的裂纹体，应力强度因子KⅠ是描写裂纹尖端应力场强弱程度的力学参量，可以推断当应力增大时，KⅠ也逐渐增加，当KⅠ达到某一临界值时，带裂纹的构件就断裂了。这一临界值便称为断裂韧性Kc或KⅠC。应当注意，KⅠ和KⅠC (Kc)是不同的。 (单位都是MPa· m1/2) KⅠ是受外界条件影响的反映裂纹尖端应力场强弱程度的力学度量，它不仅随外加应力和裂纹长度的变化而变化，也和裂纹的形状类型，以及加载方式有关，但它和材料本身的固有性能无关。而断裂韧性Kc和K1c则是反映材料阻止裂纹扩展的能力，因此是材料本身的特性。 2. Kc和KⅠC Kc和K1c不同点在于, Kc是平面应力状态下的断裂韧性，它和板材或试样厚度有关，而当板材厚度增加到达到平面应变状态时断裂韧性就趋于一稳定的最低值，这时便与板材或试样的厚度无关了，我们称为K1c，或平面应变的断裂韧性，它才真正是一材料常数，反映了材料阻止裂纹扩展的能力。 我们通常测定的材料断裂韧性，就是平面应变的断裂韧性K1c。而建立的断裂判据也是以K1c为标准的，因为它反映了最危险的平面应变断裂情况。从平面应力向平面应变过渡的板材厚度取决于材料的强度，材料的屈服强度越高，达到平面应变状态的板材厚度越小。 3、断裂判据 当应力强度因子增大到一临界值，这一临界值在数值上等于材料的平面应变断裂韧性K1c时，裂纹就立即失稳扩展，构件就发生脆断。于是，断裂判据便可表达为 ????????????????????????????? KⅠ=kⅠC 这一表达式和材料力学中的失效判据σ=σs或σ=σb是相似的，公式的左端都是表示外界载荷条件(断裂力学的K1还包含裂纹的形状和尺寸)，而公式的右端则表示材料本身的某项固有性能。 KI KIC 有裂纹，但不会扩展，破损安全KI = KIC 临界状态KI KIC 发生裂纹扩展，直至断裂 实际金属，当裂纹尖端附近的σ≥σs→塑性变形→改变裂纹尖端应力分布→存在裂纹尖端塑性区。塑性区边界方程如下： 考虑到应变松弛，在x轴上，θ＝0， 塑性区宽度为： 1、GⅠ： 定义：驱使裂纹扩展的动力假设为弹性能的释放，令 尽管GI和KI的表达式不同，但它们都是应力和裂纹尺寸的复合力学参量，其间互有联系，如具有穿透裂纹的无限大板，对于具有穿透裂纹的无限大板(平面应变)： 由于GI和KI存在上述关系，所以KI不仅可以度量裂纹尖端应力场强度，而且也可以度量裂纹扩展时系统势能的释放率。 高强度钢的塑性区尺寸很小，一般属于小范围屈服，可以用线弹性断裂力学解决问题。 中、低强度钢塑性区较大，相对屈服范围较大,一般属大范围屈服，甚至整体屈服。此时，线弹性断裂力学已不适用，从而要求发展弹塑性断裂力学来解决其断裂问题。 一般是将线弹性原理进行延伸，并在试验基础上提出新的断裂韧性和断裂判据。 目前常用的方法有J积分法和COD法。 J积分法是由GI延伸出来的一种断裂能量判据; COD法是由KI延伸出来的一种断裂应变判据。 1. 来源 由裂纹扩展能量释放率GI延伸出来。 2. 推导过程 (1) 有一单位厚度(B=1)的I型裂纹体； (2) 逆时针取一回路Γ，Γ上任一点的作用力为