(材料性能学)FH3.2-材料的断裂韧性.ppt

材料性能学 付华 石家庄铁道大学 第3章 材料的断裂与断裂韧性 3.1 材料的断裂 3.1.1 断裂的类型及断裂机理 3.1.2 断口分析 3.1.3 裂纹的形核与扩展 3.1.4 断裂强度 3.2 断裂韧性 3.2.1缺口效应 3.2.2 线弹性条件下的断裂韧性 3.2.3 弹塑性条件下的断裂韧性 3.2.4 影响材料断裂韧度的因素 3.3 断裂韧性在工程中的应用 3.2 断裂韧性 3.2.1 缺口效应 3.2.2 线弹性条件下的断裂韧性 断裂韧度KⅠC及GⅠC （重点） 3.2.3 弹塑形条件下的断裂韧性 J积分与COD的概念（简述） 3.2.4 影响断裂韧度的因素 3.2.1 缺口效应 缺口效应→缺口截面上的应力状态发生变化。 缺口效应：（3个） （一）缺口试样在弹性状态下的应力分布 1.轴向应力σy： 缺口根部最大， 远离根部，σy下降。 2. 横向应力σx： 横向收缩程度不同。 → →横向拉应力σx 。 (二)缺口在塑性状态下的应力分布 塑性好的材料，缺口根部产生塑变 →→应力重新分布（塑性区）。 3.2.2 线弹性条件下的断裂韧性 假设： 裂纹体材料脆性断裂，应力应变处于线弹性状态，只有裂纹尖端极小区域处于塑变阶段。 一、裂纹尖端的应力场及应力场强度因子 均匀拉应力，无限大板，长2a的I型穿透裂纹； 二、断裂韧度KＩＣ及Ｋ判据 1. 断裂韧度KＩＣ和Kc的意义 KＩc 、Kc： 裂纹材料抵抗断裂的能力。 KI的修正： r=0时, σx/σy /τXY等趋于无穷大→不可能。 裂纹尖端应力≥σs时，出现塑性区（屈服区） →应力分布改变 。 3.2.3 弹塑性条件下的断裂韧性 脆性材料：塑性区小，小范围屈服 →线弹性断裂力学（高强度钢）。 一、J积分及断裂韧度 JIC 二、裂纹尖端张开位移COD( crack opening displacement) 船体、压力容器、管道、焊接结构→低应力脆断，结晶状断口。 小结 3.2.1 缺口效应（3个） 3.2.2 线弹性条件下的断裂韧性 断裂韧度KⅠC（平面应变）（重点） 材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。 GⅠC：裂纹失稳扩展时消耗的能量。 3.2.3 弹塑形条件下的断裂韧性 J积分与COD： 材料抵抗裂纹开始扩展的能力。 3.2.4 影响断裂韧性的因素 KIc是材料强度和塑性的综合表现。 一、成分及组织结构的影响 （一）化学成分 二、特殊热处理 （一）亚温淬火：亚共析钢 F+M →σb ↑， KIc ↑ 三、外界因素 （一）温度： T↓→→韧脆转变 T＞Tk：韧性断裂 T＜Tk：脆性断裂 我国GB4161—84（金属材料平面应变断裂韧度 试验方法）； 国际上，如美国宇航局、美国材料试验学会颁发的ASTM—E399—78。 Vicker 压痕法：陶瓷（脆性材料）KⅠc Vicker硬度试验机，压痕+裂纹 3.3 断裂韧度在工程中的应用 设计、校核、材料开发 例2. 某材料的γs=2.5J/m2，E=210GPa，a0=0.32nm，用该材料制成的无限大薄板内有一条长1mm的裂纹。求：（1）该材料完美晶体的理论断裂强度；（2）含裂纹的薄板的脆性断裂应力。 10.有一大型板件，材料的σ0.2=1200MPa， KIc =115 MPa·m1/2，探伤发现有20mm长的横向穿透裂纹。若在平均轴向应力900MPa下工作，计算KI，该构件是否安全? SiC纤维增强Ti3Al金属间化合物拉伸试样断口 纤维拔出 谢 谢! Rice于1968年提出了J积分理论， （1）J积分反映了裂纹尖端区的应变能， 即应力应变集中程度。 能量线积分J1 应力T 做功 应变能。 Ω：弹塑性 应变能密度 （2）塑变不可逆→裂纹扩展不连续→ J不是裂纹扩展的弹性能释放率。J是裂纹扩展时形变功差率。 同GI的不同？ *（4）断裂韧度JIC ： 表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力。 J判据：JI≥ JIC （保守设计） （5）J积分判据实际使用很少 裂纹开裂→亚稳扩展→失稳扩展，断裂。 （3）J积分的临界值是裂纹开裂点， 不一定是失稳断裂点。 原因：多向应力状态下，裂纹尖端塑性区被约束， 当应变量达到临界值 →断裂。 用裂纹张开位移表示应变量。 δ≥δc，与JIC 一样， 是裂纹开始扩展的判据。 一般情况下，随强度指标的降低而升高，