《《材料性能学》FH3.2-材料的断裂韧性》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《材料性能学》FH3.2-材料的断裂韧性（77页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,01:02,第3章 材料的断裂与断裂韧性 Fracture Mechanics and Fracture Toughness,3.1 材料的断裂机理Fracture mechanism 3.1.1 断裂的类型及断裂机理 type and mechanism of fracture 3.1.2 断口特征三要素 fracture morphology 3.1.3 裂纹的萌生机理与扩展方式 mechanism of crack initiation and propagation 3.2 断裂的力学性能指标 Fracture mechanical property (index) 3.2.1 断
2、裂强度 fracture strength，breaking strength 3.2.2 断裂韧性 fracture toughness 3.2.2.1缺口效应 notch effect 3.2.2.2 线弹性条件下的断裂韧性 linear elastic 3.2.2.3 弹塑性条件下的断裂韧性 elasticoplasticity 3.2.2.4 影响材料断裂韧度的因素 influence factor 3.2.2.5 断裂韧性在工程中的应用 application,2,01:02,3.2.1 缺口效应 notch effect 3.2.2 线弹性条件下的断裂韧性 fracture tou
3、ghness under linear elastic condition Fracture Toughness 断裂韧度KC及GC （重点） 3.2.3 弹塑性条件下的断裂韧性 fracture toughness under elasticoplasticity condition J积分与COD（自学） 3.2.4 影响断裂韧度的因素 Influencing factors of fracture toughness,3.2 断裂韧性 Fracture Toughness,3,01:02,3.2.1 缺口效应 notch effect,缺口效应缺口截面上的应力状态发生变化。,汽车曲轴,均
4、匀光滑试样：截面均匀变化，方形、圆柱,4,01:02,缺口效应notch effect ：,！3个重要效应,5,01:02,（一）缺口试样在弹性状态下的应力分布 stress distribution in elastic state of notched specimen,无限大薄板：Infinite thin plate,6,01:02,7,01:02,1.轴向应力y：,缺口根部最大， 远离根部，y下降。,缺口第一效应： 缺口引起应力应变集中。 （与缺口几何参数有关） Stress-Strain Concentration,8,01:02,2. 横向应力x：,产生内应力的条件？,9,01:
5、02,2. 横向应力x：,横向收缩程度不同。 横向拉应力x 。,缺口根部无约束 x = 0,10,01:02,3. z（板厚方向）,变形自由吗？,无限薄板 z ？ z ？,11,01:02,3. z（板厚方向）,平面应力状态： plane stress state (x, y) ( x, y, z) (内侧2向拉应力状态)。 bi-axial tensile stress state,无限薄板： 无约束，自由变形 z 0 ，z=0 。,12,01:02,无限大厚板：,轴向应力y：（同薄板） 横向应力x：（同薄板）,3. Z方向？,z =0， z =（x +y）,(内侧3向拉应力状态),变形被无
6、限约束，产生内应力：,13,01:02,plane strain state,平面应变状态： 3向拉应力状态 (x, y，z) ( x, y) tri-axial tensile stress state,14,01:02,缺口第二效应： 缺口前方由单向拉伸应力状态 2向、3向拉伸应力状态。,平面应变状态： 3向拉应力状态 (x, y，z) ( x, y),平面应力状态。 2向拉应力状态 (x, y) ( x, y, z),哪个更危险?,更危险：平面应变状态。 3向拉应力状态,15,01:02,(二) 缺口在塑性状态下的应力分布 Stress distribution in plastic s
7、tate of notched specimen,塑性好的材料， 缺口根部塑变 应力重新分布 （塑性区）。,塑变（位错滑移的条件？,16,01:02,(二)缺口在塑性状态下的应力分布 Stress distribution in plastic state of notched specimen,厚板：屈雷斯加判据：Trasca criterion 屈服时max=y -x = s。,缺口根部： x=0 , max=y =s , 缺口根部最先屈服。,17,01:02,内侧： y不断增大， 满足y=s+x 才能屈服。,缺口前方：屈服应力单向拉伸时s 。,缺口-是否提高了材料的屈服强度？,18,01
8、:02,三向拉应力抑制了塑变； 使材料塑性降低变脆 （缺口脆化） britleness functions of notch,缺口前方-三向拉应力状态！,19,01:02,缺口第三效应：（缺口脆化） 缺口前方塑变困难，使材料脆化。 缺口“强化”,材料Property无变化，Performance变化！ 不是强化材料的手段。,材料Property?,20,01:02,第一效应-造成应力应变集中。 第二效应-（23向）多向拉伸应力状态： 平面应力状态、平面应变状态 第三效应-缺口强化（缺口脆化）,小结：缺口效应notch effect,缺口使材料变脆， 降低了安全使用性。 缺口敏感性。,21,01
9、:02,21,01:02,复习小结：,22,01:02,缺口效应notch effect ：,！3个重要缺口效应,复习小结：,23,01:02,缺口第一效应： 缺口引起应力应变集中。 （与缺口几何参数有关） Stress-Strain Concentration,24,01:02,缺口第二效应： 缺口前方由单向拉伸应力状态 2向、3向拉伸应力状态。,25,01:02,平面应变状态： 3向拉应力状态 (x, y，z) ( x, y),平面应力状态。 2向拉应力状态 (x, y) ( x, y, z),哪个更危险?,26,01:02,缺口第三效应：（缺口脆化） 缺口前方塑变困难，使材料脆化。 缺口
10、“强化”,材料Property无变化，Performance变化！ 不是强化材料的手段。,材料Property?,复习,27,01:02,3.2.2 线弹性条件下的断裂韧性 Fracture toughness under linear elastic condition,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。,28,01:02,研究方法：,(1) 应力应变分析方法-应力场强度因子K， 断裂韧性 KC, K判据。 (2) 能量分析方法-能量释放率，G判据。,29,01:02,一、裂纹尖端的应力场及应力场强度因子 Stress field ne
11、ar crack tip and Stress intensity factor,均匀拉应力，无限大板，长2a的I型穿透裂纹；,Irwin等， 线弹性理论， 裂纹尖端附近(r，) 应力/应变分量近似表示：,30,01:02,裂纹尖端应力/应变分量可近似表示：,31,01:02,沿板厚Z方向上：, 薄板：自由变形Z0 Z=0，平面应力状态。,（2）厚板：应变约束 Z=0 ，Z 0 平面应变状态； （危险的应力状态）。,无限薄？ 无限厚?,32,01:02,讨论：,（1）近似表达，适用于ra情况，越接近裂纹尖端，精度越高。,（2）在裂纹延长线X轴上，=0，,此处拉应力分量最大，切应力分量为0，裂纹
12、最易扩展。,33,01:02,讨论：,（3）影响因素 ?,外加应力 ？ 裂纹因素：形状Y、尺寸a ？,位置（r,)，材料弹性模量E，参量KI。,34,01:02,讨论：,（3）影响因素 ?,KI应力场强度因子 Stress intensity factor （表示应力场的强弱程度）,表示I型裂纹；,位置（r,)，材料弹性模量E，参量KI。,35,01:02,KI应力场强度因子 Stress intensity factor,KI一般表达式：,裂纹形状系数,取决于裂纹的类型。,无限大板穿透裂纹：,KI单位为Mpam 1/2。,36,01:02,KI的变化？ 和材料的关系？,37,01:02,二、
13、断裂韧度K及判据,临界应力场强度因子 Kc ： critical stress intensity factor,断裂韧度Kc ：Fracture toughness,38,01:02,c：裂纹失稳扩展的临界应力， 裂纹体材料的断裂应力或断裂强度； ac：临界裂纹尺寸(半长）。,Kc：平面应变断裂韧度 Plane strain fracture toughness ；,Kc ：平面应力断裂韧度 plane stress fracture toughness ；,39,01:02,Kc：平面应变状态下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。 Kc：平面应力状态下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。,1. 断裂韧度K
14、和Kc的意义,40,01:02,1. 断裂韧度K和Kc的意义,Kc 、Kc： 裂纹材料抵抗裂纹失稳扩展 和断裂的能力。,同一材料 Kc Kc,哪个大？哪个小？ 按哪个设计选材？,41,01:02,2. Kc与 K的关系,和s的关系： 力学参量 s力学性能指标,哲学含义？,42,01:02,2. Kc与 K的关系,K：力学参量 mechanical parameter ， 裂纹尖端应力应变场强度。,Kc：材料的力学性能指标； mechanical property,材料成分、组织结构：, 、 a 、 Y ：,材料成分、组织结构： , 、 a 、 Y ： ,43,01:02,3. 断裂K判据 fr
15、acture criterion,KI Kc ： 裂纹失稳扩展 脆性断裂。 unstable crack propagation brittle fracture,KI Kc ： 存在的裂纹不会引起断裂。,裂纹稳态扩展 stable crack propagation,44,01:02,KI的修正：,r=0时, x/y /XY等趋于无穷大不可能。 裂纹尖端应力s时，出现塑性区plastic zone （屈服区yield zone ） 应力分布改变 。,修正条件：/s 0.6-0.7。,45,01:02,三、裂纹扩展的能量判据（释放率GI）,（一）裂纹扩展的能量释放率GI,Griffith：裂纹扩展的动力是弹性能的释放率。 GI：与KI相似，是裂纹长度a和应力的复合参量， 称为裂纹扩展的能量释放率。,平面应力:,平面应变:,46,01:02,（二）断裂韧度GIC和断裂G判据,，aGI, 当GI2（或2+P）（裂纹失稳扩展阻力）.,裂纹失稳扩展GIC，断裂韧度。,GIC ：阻止裂纹失稳扩展时单位面积消耗的能量。,G判据：GI GIC,47,01:02,GI和KI的关系：,K: 裂纹尖端的应力场强度， 也可度量裂纹扩展时系统势能的释放率。,48,01:02,3.2.3 弹塑性条件下的断裂韧性 fra
