版權(quán)說(shuō)明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請(qǐng)進(jìn)行舉報(bào)或認(rèn)領(lǐng)
文檔簡(jiǎn)介
1、第4章 斷裂力學(xué)與斷裂韌性4.1 斷裂強(qiáng)度理論4.2 裂紋頂端的應(yīng)力應(yīng)變特征4.3 金屬的斷裂韌性指標(biāo)斷裂韌度4.4 影響斷裂韌度KIc的因素4.5 斷裂K判據(jù)應(yīng)用案例4.1 斷裂強(qiáng)度理論 斷裂強(qiáng)度:指將晶體拉斷(或破壞)所需要的應(yīng)力。4.1.1 理論斷裂強(qiáng)度理論斷裂強(qiáng)度4.1.2 格雷菲斯格雷菲斯(Griffith)裂紋理論裂紋理論4.1.1 理論斷裂強(qiáng)度理論斷裂強(qiáng)度 假設(shè):理想的、完整的晶體 理論斷裂強(qiáng)度m:在外加正應(yīng)力作用下,將晶體的兩個(gè)原子面沿垂直于外力方向拉斷所需的應(yīng)力。4.1 斷裂強(qiáng)度理論210smaEm經(jīng)計(jì)算比實(shí)驗(yàn)測(cè)量的斷裂強(qiáng)經(jīng)計(jì)算比實(shí)驗(yàn)測(cè)量的斷裂強(qiáng)度高幾個(gè)數(shù)量級(jí)!度高幾個(gè)數(shù)量級(jí)
2、!0a4.1 斷裂強(qiáng)度理論4.1.2 格雷菲斯格雷菲斯(Griffith)裂紋理論裂紋理論:適用于脆性固體 實(shí)際材料中存在裂紋,當(dāng)外應(yīng)力很低時(shí),裂紋頂端因應(yīng)力集中而使其局部應(yīng)力增高,當(dāng)該應(yīng)力達(dá)到理論斷裂強(qiáng)度m時(shí),裂紋擴(kuò)展,材料發(fā)生脆斷。21sca2)(E21psca2)(E格雷菲斯公式:格雷菲斯公式:格雷菲斯格雷菲斯-奧羅萬(wàn)奧羅萬(wàn)-歐文公式:歐文公式: 小結(jié): 理想晶體解理和Griffith理論適用于脆性斷裂,而位錯(cuò)理論適用于塑性變形過(guò)程中的斷裂; Griffith理論適用于已經(jīng)存在裂紋的試樣,而位錯(cuò)理論適用于不存在裂紋的完整試樣。4.1 斷裂強(qiáng)度理論4.2 裂紋頂端的應(yīng)力應(yīng)變特征三種裂紋擴(kuò)展
3、方式:三種裂紋擴(kuò)展方式:(a)張開(kāi)型()張開(kāi)型(I型);型);(b)滑開(kāi)型()滑開(kāi)型(II型);型);(c)撕開(kāi)型()撕開(kāi)型(III型)型)張開(kāi)型(張開(kāi)型(I型)裂紋擴(kuò)展:型)裂紋擴(kuò)展:與擴(kuò)展面垂直,最易引起與擴(kuò)展面垂直,最易引起脆斷。脆斷?;_(kāi)型(滑開(kāi)型(II型)裂紋擴(kuò)展:型)裂紋擴(kuò)展:與擴(kuò)展面平行,且垂直于與擴(kuò)展面平行,且垂直于裂紋線。裂紋線。撕開(kāi)型(撕開(kāi)型(III型)裂紋擴(kuò)展:型)裂紋擴(kuò)展:與擴(kuò)展面平行,且平行于與擴(kuò)展面平行,且平行于裂紋線。裂紋線。4.2 裂紋頂端的應(yīng)力應(yīng)變特征I I型型裂紋頂端應(yīng)力特征裂紋頂端應(yīng)力特征aYK KI為為I型擴(kuò)展裂紋體型擴(kuò)展裂紋體的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子:的應(yīng)力場(chǎng)
4、強(qiáng)度因子:4.2 裂紋頂端的應(yīng)力應(yīng)變特征 I I型型裂紋頂端應(yīng)力特征裂紋頂端應(yīng)力特征應(yīng)力集中,離頂端越近應(yīng)力越大,在x軸上裂紋尖端切應(yīng)力分量為0,拉應(yīng)力分量最大,裂紋最易沿x方向發(fā)展;三向/兩向應(yīng)力狀態(tài)。 裂紋頂端的應(yīng)變特征4.2 裂紋頂端的應(yīng)力應(yīng)變特征201()2ysKr 002Rr圖圖4 應(yīng)力松弛前后的塑性區(qū)應(yīng)力松弛前后的塑性區(qū)平面應(yīng)力狀態(tài)下平面應(yīng)力狀態(tài)下4.2 裂紋頂端的應(yīng)力應(yīng)變特征 裂紋頂端塑性區(qū)寬度表達(dá)式為 (平面應(yīng)力) (平面應(yīng)變) 應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI4.2 裂紋頂端的應(yīng)力應(yīng)變特征定義:決定裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)弱程度定義:決定裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)弱程度的的和和a a的復(fù)合參量。的復(fù)
5、合參量。aYK 有效裂紋及KI的修正方法:裂紋頂點(diǎn)由o點(diǎn)延長(zhǎng)到o點(diǎn),裂紋半長(zhǎng)由a0 a0+ry,稱a0+ry為有效裂紋長(zhǎng)度,在此裂紋長(zhǎng)度下,線彈性理論有效。修正后:4.2 裂紋頂端的應(yīng)力應(yīng)變特征時(shí)當(dāng)7.016.01arass20YYYK4.3 斷裂韌性指標(biāo)斷裂韌度 斷裂韌度:材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。4.3.1 線彈性條件下的斷裂韌性:應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子(KIC)裂紋擴(kuò)展釋放率(GIC)4.3.2 彈塑性條件下的斷裂韌性:J積分(JIC)裂紋尖端張開(kāi)位移(c)4.3.1 線彈性條件下的斷裂韌性一斷裂韌度KIC和斷裂K判據(jù)1、斷裂韌度KIC 當(dāng) 增大到臨界值時(shí),裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展而斷裂,這個(gè)臨界或失穩(wěn)狀
6、態(tài)的KI值記作KIc或Kc,稱為斷裂韌度。KC 平面應(yīng)力下的斷裂韌度 KIC平面應(yīng)變下的斷裂韌度aYKI KCKICcccaYK4.3.1 線彈性條件下的斷裂韌性2、斷裂K判據(jù)KI KIC 發(fā)生裂紋擴(kuò)展,直至斷裂斷裂斷裂K判據(jù)將材料判據(jù)將材料斷裂韌性斷裂韌性同機(jī)件同機(jī)件工作應(yīng)工作應(yīng)力力和和裂紋尺寸裂紋尺寸聯(lián)系起來(lái)了,可以做定量計(jì)算。聯(lián)系起來(lái)了,可以做定量計(jì)算。cccaYK4.3.1 線彈性條件下的斷裂韌性二斷裂韌度GIC和斷裂G判據(jù)1、裂擴(kuò)展時(shí)的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系A(chǔ)WUAAAUWAUWspespespe )2()(2)2( 。形成裂紋后的表面能形成裂紋后的表面能消耗的塑性功;消耗的塑性功;裂紋擴(kuò)展面
7、積;裂紋擴(kuò)展面積;彈性應(yīng)變能的變化;彈性應(yīng)變能的變化;外力做功;外力做功;動(dòng)力,動(dòng)力,勢(shì)能勢(shì)能阻力阻力4.3.1 線彈性條件下的斷裂韌性2、裂紋擴(kuò)展能量釋放率GI U=Ue-W 系統(tǒng)勢(shì)能 定義:裂紋擴(kuò)展單位面積時(shí)系統(tǒng)釋放的勢(shì)能的數(shù)值,稱為裂紋擴(kuò)展能量釋放率,簡(jiǎn)稱能量釋放率或能量率。AUGI常用單位為MJm-2。4.3.1 線彈性條件下的斷裂韌性 當(dāng)裂紋長(zhǎng)度為a,裂紋體的厚度為B時(shí)aUBGI1 令 B=1aUGI物理意義:物理意義:GI為裂紋擴(kuò)展為裂紋擴(kuò)展單位長(zhǎng)度單位長(zhǎng)度時(shí)系統(tǒng)勢(shì)時(shí)系統(tǒng)勢(shì)能的變化率。又稱能的變化率。又稱GI為為裂紋擴(kuò)展力裂紋擴(kuò)展力。MN m-1。 在恒位移條件下,W=0,U=Ue
8、 根據(jù)格雷菲斯裂紋體強(qiáng)度理論, 平面應(yīng)力 平面應(yīng)變EaUe224.3.1 線彈性條件下的斷裂韌性EaUe)(1 (22EaG22)1 (EaEaaaUGe222224.3.1 線彈性條件下的斷裂韌性3、斷裂韌度GIC和斷裂G判據(jù)EaGccc22)1 ( 斷裂G判據(jù):GIGIC 裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展條件4.3.1 線彈性條件下的斷裂韌性4、GIC與KIC的關(guān)系EaGaKcccccc2EKGEKGcccc222)1 (平面應(yīng)變下平面應(yīng)變下平面應(yīng)力下平面應(yīng)力下4.3.2 彈塑性條件下的斷裂韌性 彈塑性斷裂力學(xué):將線彈性理論延伸;在試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出新的斷裂韌度和斷裂判據(jù);常用的為 J積分法、COD法。一、J積分
9、原理及斷裂韌度JIC1、J積分的概念 來(lái)源:由裂紋擴(kuò)展能量釋放率GI延伸出來(lái)。推導(dǎo)過(guò)程(1)有一單位厚度(B=1)的I型裂紋體;(2)逆時(shí)針取一回路,上任一點(diǎn)的作用力為T(mén);(3)包圍體積內(nèi)的應(yīng)變能密度為。4.3.2 彈塑性條件下的斷裂韌性4.3.2 彈塑性條件下的斷裂韌性(4)線彈性狀態(tài)下,所包圍體積的系統(tǒng)勢(shì)能, U=Ue-W(彈性應(yīng)變能Ue 和外力功W之差)(ds.xudyTaUG (5)彈塑性狀態(tài)下,定義)彈塑性狀態(tài)下,定義 J型裂紋的能量線積分。)(ds.xudyTJ4.3.2 彈塑性條件下的斷裂韌性 “J”積分的特性守恒性:能量線積分,與路徑無(wú)關(guān);通用性和奇異性:積分路線可以在裂紋附近
10、的整個(gè)彈性區(qū)域內(nèi),也可以在接近裂紋的頂端附近。J積分值反映了裂紋尖端區(qū)的應(yīng)變能,即應(yīng)力應(yīng)變的集中程度。4.3.2 彈塑性條件下的斷裂韌性2、斷裂韌度JIC及斷裂J判據(jù) 在平面應(yīng)變條件下,當(dāng)外力達(dá)到破壞載荷時(shí),即應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)達(dá)到使裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的臨界狀態(tài)時(shí),則J積分也達(dá)到相應(yīng)的臨界值JIC,稱之為斷裂韌度。 JIC的單位與GIC的單位相同,MPam或MJm-2。 斷裂J判據(jù):JIJIC 裂紋會(huì)開(kāi)裂。4.3.2 彈塑性條件下的斷裂韌性p注意事項(xiàng):測(cè)JI時(shí),只能單調(diào)加載。其臨界值對(duì)應(yīng)點(diǎn)只是開(kāi)裂點(diǎn),而不一定是最后失穩(wěn)斷裂點(diǎn)。4.3.2 彈塑性條件下的斷裂韌性3、JIC和KIC、GIC的關(guān)系22)1 (CC
11、CKEGJ平面應(yīng)變下平面應(yīng)變下CCJEK214.3.2 彈塑性條件下的斷裂韌性二裂紋尖端張開(kāi)位移(COD)及斷裂韌度c1、COD概念 在平均應(yīng)力作用下,裂紋尖端發(fā)生塑性變形,出現(xiàn)塑性區(qū)。在不增加裂紋長(zhǎng)度(2a)的情況下,裂紋將沿方向產(chǎn)生張開(kāi)位移,稱為COD(Crack Opening Displacement)。4.3.2 彈塑性條件下的斷裂韌性2、斷裂韌度c及斷裂判據(jù) 在平面應(yīng)變條件下,當(dāng)外力達(dá)到破壞載荷時(shí),即應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)達(dá)到使裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的臨界狀態(tài)時(shí),則裂紋張開(kāi)位移也達(dá)到相應(yīng)的臨界值c,稱之為斷裂韌度。 斷裂判據(jù):c c越大,說(shuō)明裂紋尖端區(qū)域的塑性儲(chǔ)備越大。3、線彈性條件下的COD表達(dá)式 基
12、本思路:將塑性區(qū)看成等效裂紋。4.3.2 彈塑性條件下的斷裂韌性scccsIEaEaaK2244ssaE2secln8對(duì)于小范圍屈服對(duì)于小范圍屈服4.3.2 彈塑性條件下的斷裂韌性4、c與其他斷裂韌度間的關(guān)系 平面應(yīng)力 sICsICsICscccJGEKEa22l 平面應(yīng)變平面應(yīng)變sICsICICscnJnGKnE22)1 (n為關(guān)系因子,為關(guān)系因子,1n1.52.0 (平面應(yīng)力,(平面應(yīng)力,n=1;平面應(yīng)變;平面應(yīng)變n=2) 4.4 影響斷裂韌度KIc的因素內(nèi)部因素內(nèi)部因素外部因素外部因素化學(xué)成分尺寸基體相結(jié)構(gòu)溫度晶粒大小應(yīng)變速率雜質(zhì)及第二相顯微組織凡是提高斷裂強(qiáng)度(對(duì)于脆性材料)或增大塑性
13、(對(duì)凡是提高斷裂強(qiáng)度(對(duì)于脆性材料)或增大塑性(對(duì)于韌性材料)的因素都將導(dǎo)致于韌性材料)的因素都將導(dǎo)致K KIc Ic增大。增大。4.4 影響斷裂韌度KIc的因素1.化學(xué)成分化學(xué)成分 細(xì)化晶粒的成分,增大塑性,提高KIc;固溶強(qiáng)化的成分,降低塑性,降低KIc;形成金屬化合物并呈第二相析出,降低塑性,降低KIc。2.基體相結(jié)構(gòu)基體相結(jié)構(gòu) 面心立方結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu)塑性高,所以塑性高,所以KIc較高,比如奧氏體較高,比如奧氏體鋼;鋼;體心立方結(jié)構(gòu)體心立方結(jié)構(gòu)塑性差,所以塑性差,所以KIc較低,比如鐵較低,比如鐵素體剛和馬氏體鋼。素體剛和馬氏體鋼。4.4 影響斷裂韌度KIc的因素3.晶粒大小晶粒大小
14、晶粒越小,塑性愈大,KIc較高。但是也不一定,在某些情況下,粗晶粒的KIc反而較高。4.雜質(zhì)及第二相雜質(zhì)及第二相 隨雜質(zhì)或第二相隨雜質(zhì)或第二相間距間距增大,孔洞之間不容易連接,增大,孔洞之間不容易連接,KIc增大;增大; 雜質(zhì)或第二相的雜質(zhì)或第二相的形狀及分布形狀及分布對(duì)對(duì)KIc有影響;有影響; 某些某些微量雜質(zhì)元素微量雜質(zhì)元素容易偏聚于奧氏體晶界,降低容易偏聚于奧氏體晶界,降低晶間結(jié)合力,使晶間結(jié)合力,使KIc降低。降低。4.4 影響斷裂韌度KIc的因素5.顯微組織顯微組織 凡是凡是強(qiáng)度和塑性較高的組織強(qiáng)度和塑性較高的組織,裂紋擴(kuò)展阻力較大,裂紋擴(kuò)展阻力較大,KIc較高,反之較高,反之KIc
15、較?。惠^小; 凡是凡是第二相分布間距較大的組織第二相分布間距較大的組織,孔洞之間越不,孔洞之間越不容易連接,容易連接,KIc較高,反之較高,反之KIc較小。較小。5. 尺寸尺寸 材料的斷裂韌性隨著材料的斷裂韌性隨著板材或構(gòu)件截面尺寸板材或構(gòu)件截面尺寸的增加的增加而逐漸減小,最后趨于一穩(wěn)定的最低值,即平面而逐漸減小,最后趨于一穩(wěn)定的最低值,即平面應(yīng)變斷裂韌性應(yīng)變斷裂韌性KIc。4.4 影響斷裂韌度KIc的因素7. 溫度溫度 隨著隨著溫度的降低溫度的降低,塑性變形能力降低,即越易脆,塑性變形能力降低,即越易脆斷,斷,KIc降低,并且有一急劇降低的溫度范圍,低降低,并且有一急劇降低的溫度范圍,低于此
16、溫度范圍,斷裂韌性趨于一數(shù)值很低的下平于此溫度范圍,斷裂韌性趨于一數(shù)值很低的下平臺(tái)。臺(tái)。7. 應(yīng)變速率應(yīng)變速率 應(yīng)變速率增大,應(yīng)變速率增大,脆斷傾向增大,則脆斷傾向增大,則KIc減小,但應(yīng)減小,但應(yīng)變速率過(guò)大時(shí),變速率過(guò)大時(shí),KIc增大,這是因?yàn)樾巫儫崃縼?lái)不增大,這是因?yàn)樾巫儫崃縼?lái)不及傳導(dǎo),造成絕熱狀態(tài),導(dǎo)致局部升溫,及傳導(dǎo),造成絕熱狀態(tài),導(dǎo)致局部升溫,KIc升高。升高。4.4 影響斷裂韌度KIc的因素 斷裂韌性與強(qiáng)度、塑性之間的關(guān)系212n1y2n1ccCXK21fycCXEK對(duì)脆性斷裂:對(duì)韌性斷裂:11220.20.20.79(0.01)()ckvKAMPa mcccaYK2cccaYKcccaYKcKkK0cakack具體應(yīng)用請(qǐng)參考教材第四章第四節(jié)!具體應(yīng)用請(qǐng)參考教材第四
溫馨提示
- 1. 本站所有資源如無(wú)特殊說(shuō)明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請(qǐng)下載最新的WinRAR軟件解壓。
- 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請(qǐng)聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
- 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容里面會(huì)有圖紙預(yù)覽,若沒(méi)有圖紙預(yù)覽就沒(méi)有圖紙。
- 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
- 5. 人人文庫(kù)網(wǎng)僅提供信息存儲(chǔ)空間,僅對(duì)用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對(duì)用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對(duì)任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
- 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請(qǐng)與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
- 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時(shí)也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對(duì)自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
最新文檔
- 雞肉炒肉課程設(shè)計(jì)
- 年度固定照明設(shè)備市場(chǎng)分析及競(jìng)爭(zhēng)策略分析報(bào)告
- 鐵路軌道工程課程設(shè)計(jì)
- 2025年度個(gè)人車輛購(gòu)置擔(dān)保合同4篇
- 2025年度個(gè)人藝術(shù)品買(mǎi)賣合同示范文本4篇
- 二零二五年度高端別墅租賃合同樣本匯編4篇
- 2025年度環(huán)保材料采購(gòu)與資源循環(huán)利用合同3篇
- 2025年度珠寶首飾代銷合同范本8篇
- 防水保溫施工方案
- 2025年度原創(chuàng)劇本征集與獎(jiǎng)金激勵(lì)合同3篇
- MT/T 199-1996煤礦用液壓鉆車通用技術(shù)條件
- GB/T 6144-1985合成切削液
- GB/T 10357.1-2013家具力學(xué)性能試驗(yàn)第1部分:桌類強(qiáng)度和耐久性
- 第三方在線糾紛解決機(jī)制(ODR)述評(píng),國(guó)際商法論文
- 第5章-群體-團(tuán)隊(duì)溝通-管理溝通
- 腎臟病飲食依從行為量表(RABQ)附有答案
- 深基坑-安全教育課件
- 園林施工管理大型園林集團(tuán)南部區(qū)域養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)圖例
- 排水許可申請(qǐng)表
- 低血糖的觀察和護(hù)理課件
- 計(jì)量檢定校準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)合同協(xié)議書(shū)
評(píng)論
0/150
提交評(píng)論