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文檔簡介

1、2022-3-281材料性能學材料性能學付華付華石家莊鐵道大學石家莊鐵道大學2 22022-3-28第第3章章 材料的斷裂與斷裂韌性材料的斷裂與斷裂韌性n3.1 材料的斷裂材料的斷裂3.1.1 斷裂的類型及斷裂機理斷裂的類型及斷裂機理3.1.2 斷口分析斷口分析3.1.3 裂紋的形核與擴展裂紋的形核與擴展3.1.4 斷裂強度斷裂強度n3.2 斷裂韌性斷裂韌性3.2.1缺口效應(yīng)缺口效應(yīng)3.2.2 線彈性條件下的斷裂韌性線彈性條件下的斷裂韌性3.2.3 彈塑性條件下的斷裂韌性彈塑性條件下的斷裂韌性3.2.4 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素n3.3 斷裂韌性在工程中的應(yīng)用斷裂韌性在工程

2、中的應(yīng)用3 32022-3-28n3.2.1 缺口效應(yīng)缺口效應(yīng)n3.2.2 線彈性條件下的斷裂韌性 斷裂韌度斷裂韌度K KCC及及G GCC (重點)(重點)n3.2.3 彈塑形條件下的斷裂韌性 J積分與COD的概念(簡述)n3.2.4 影響斷裂韌度的因素3.2 斷裂韌性 4 42022-3-283.2.1 缺口效應(yīng)n缺口效應(yīng)缺口效應(yīng)缺口截面上的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化。汽車曲軸汽車曲軸n均勻光滑試樣:截面均勻變化,方形、圓柱n“缺口”工件 截面急劇截面急劇變化 鍵槽、油孔、軸肩、螺紋、退刀槽、焊縫等。5 52022-3-28 缺口效應(yīng):(3個)(一)缺口試樣在彈性狀態(tài)彈性狀態(tài)下的應(yīng)力分布無限大薄板無

3、限大薄板:6 62022-3-287 72022-3-281.軸向應(yīng)力y:n缺口根部最大,n遠離根部,y下降。n缺口第一效應(yīng):缺口第一效應(yīng):n缺口引起應(yīng)力應(yīng)變集中。缺口引起應(yīng)力應(yīng)變集中。(與缺口幾何參數(shù)有關(guān))8 82022-3-282. 橫向應(yīng)力x:n橫向收縮程度不同。 橫向拉應(yīng)力x 。l 缺口根部無約束 x = 09 92022-3-283. z(板厚方向)(板厚方向)l平面應(yīng)力狀態(tài):平面應(yīng)力狀態(tài): (x, y)( x, y, z) (內(nèi)側(cè)2向拉應(yīng)力狀態(tài)向拉應(yīng)力狀態(tài))。l無限薄板無限薄板( z / z ?):):lZ方向:無約束,自由變形,z=0 。10102022-3-28無限大厚板無限大

4、厚板: 軸向應(yīng)力y:(同薄板) 橫向應(yīng)力x:(同薄板)3. Z方向?方向? z =0, z =(x +y) (內(nèi)側(cè)3向拉應(yīng)力狀態(tài)向拉應(yīng)力狀態(tài))變形被無限約束,產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力:11112022-3-28l缺口第二效應(yīng):缺口第二效應(yīng):l缺口前方由單向拉伸應(yīng)力狀態(tài)缺口前方由單向拉伸應(yīng)力狀態(tài) 2 2向、向、3 3向拉伸應(yīng)力狀態(tài)。向拉伸應(yīng)力狀態(tài)。l平面應(yīng)變狀態(tài):平面應(yīng)變狀態(tài):l 3向拉應(yīng)力狀態(tài)向拉應(yīng)力狀態(tài) (x, y,z)( x, y) l平面應(yīng)力狀態(tài)。平面應(yīng)力狀態(tài)。l2向拉應(yīng)力狀態(tài)向拉應(yīng)力狀態(tài)(x, y)( x, y, z) 哪個更危險哪個更危險? ?l更危險更危險:平面應(yīng)變狀態(tài)。平面應(yīng)變狀態(tài)。 l3 3

5、向拉應(yīng)力狀態(tài)向拉應(yīng)力狀態(tài)12122022-3-28(二)缺口在塑性狀態(tài)下的應(yīng)力分布 n塑性好塑性好的材料,缺口根部產(chǎn)生塑變的材料,缺口根部產(chǎn)生塑變 應(yīng)力重新分布(塑性區(qū))。應(yīng)力重新分布(塑性區(qū))。厚板厚板:屈雷斯加判據(jù): 屈服時max=y -x = s。l缺口根部根部:lx=0 , max=y =s ,l缺口根部最先屈服最先屈服。13132022-3-28l內(nèi)側(cè):內(nèi)側(cè): ly不斷增大,滿足y=s+x 才能屈服。l缺口前方缺口前方三向拉應(yīng)力狀態(tài)三向拉應(yīng)力狀態(tài)使屈服應(yīng)力單向拉伸時使屈服應(yīng)力單向拉伸時s 。14142022-3-28l“缺口強化缺口強化”是三向拉應(yīng)力抑制了塑變;是三向拉應(yīng)力抑制了塑變

6、;l塑變被約束,缺口使材料塑性降低塑變被約束,缺口使材料塑性降低變脆變脆 (缺口脆化)(缺口脆化) 。l材料材料Property無變化,不是強化材料的手段。無變化,不是強化材料的手段。l缺口第三效應(yīng):缺口第三效應(yīng):l缺口前方塑變困難。缺口前方塑變困難。 缺口缺口“強化強化” (缺口脆化)(缺口脆化) 15152022-3-28第一效應(yīng)第一效應(yīng)-造成應(yīng)力應(yīng)變集中。造成應(yīng)力應(yīng)變集中。第二效應(yīng)第二效應(yīng)-(2323向)多向拉伸應(yīng)力狀態(tài):向)多向拉伸應(yīng)力狀態(tài): 平面應(yīng)力平面應(yīng)力狀態(tài)、狀態(tài)、平面應(yīng)變平面應(yīng)變狀態(tài)狀態(tài)第三效應(yīng)第三效應(yīng)-缺口強化(缺口脆化)缺口強化(缺口脆化)小結(jié):缺口效應(yīng)小結(jié):缺口效應(yīng)缺口使

7、材料變脆,缺口使材料變脆,降低了安全使用性。降低了安全使用性。缺口敏感性。缺口敏感性。16162022-3-283.2.2 線彈性條件下的斷裂韌性 n假設(shè)假設(shè): 裂紋體材料脆性斷裂裂紋體材料脆性斷裂,應(yīng)力應(yīng)變處于線彈性線彈性狀態(tài),只有裂紋尖端極小區(qū)域裂紋尖端極小區(qū)域處于塑變塑變階段。n研究方法研究方法:(1) 應(yīng)力應(yīng)變分析方法-應(yīng)力場強度因子K, 斷裂韌性 KC, K判據(jù)。(2) 能量分析方法-能量釋放率,G判據(jù)。17172022-3-28一、裂紋尖端的應(yīng)力場及應(yīng)力場強度因子 n均勻拉應(yīng)力,無限大板,長2a的I型穿透裂紋;nIrwin等,線彈性理論,裂紋尖端附近(r,)處 應(yīng)力/應(yīng)變分量可近似

8、表示:18182022-3-28沿板厚Z方向上: 薄板薄板:自由變形Z=0,平面應(yīng)力狀態(tài)平面應(yīng)力狀態(tài)。(2)厚板厚板:應(yīng)變約束Z=0平面應(yīng)變狀態(tài)平面應(yīng)變狀態(tài); (危險危險的應(yīng)力狀態(tài))。19192022-3-28討論討論:(1)近似表達,適用于ra情況,越接近裂紋尖端,精度越高。(2)在裂紋延長線X軸上,=0,此處拉應(yīng)力分量最大,切應(yīng)力分量為0,裂紋最易擴展。20202022-3-28討論討論:(3 3)影響因素:)影響因素:位置(位置(r,)r,),材料彈性模量,材料彈性模量E E,參量,參量K KI I。lKI應(yīng)力場強度因子(表示應(yīng)力場的強弱程度)l表示I型裂紋;lK,K分別表示,型裂紋的應(yīng)

9、力場強度因子。21212022-3-28lKI應(yīng)力場強度因子(表示應(yīng)力場的強弱程度)lKI一般表達式:一般表達式:l裂紋形狀系數(shù)裂紋形狀系數(shù),取決于裂紋的類型。取決于裂紋的類型。 無限大板穿透裂紋:lKI單位為單位為Mpam 1/2。22222022-3-2823232022-3-28二、斷裂韌度K及判據(jù)c:裂紋失穩(wěn)擴展的臨界應(yīng)力,:裂紋失穩(wěn)擴展的臨界應(yīng)力, 裂紋體材料的斷裂應(yīng)力或斷裂強度;裂紋體材料的斷裂應(yīng)力或斷裂強度; ac:臨界裂紋尺寸:臨界裂紋尺寸(半長)。半長)。 JKc:平面應(yīng)變平面應(yīng)變斷裂韌度;斷裂韌度;JKc :平面應(yīng)力平面應(yīng)力斷裂韌度;斷裂韌度;J 同一材料同一材料JKc K

10、c24242022-3-281. 斷裂韌度K和和Kc的意義lKc 、Kc:l裂紋材料抵抗斷裂的能力。JKc:平面應(yīng)變平面應(yīng)變斷裂韌度,斷裂韌度,表示平面應(yīng)變狀態(tài)下材料表示平面應(yīng)變狀態(tài)下材料抵抗抵抗裂紋失穩(wěn)擴展裂紋失穩(wěn)擴展的能力。的能力。JKc:平面應(yīng)力平面應(yīng)力斷裂韌度,斷裂韌度,表示平面應(yīng)力狀態(tài)下材料表示平面應(yīng)力狀態(tài)下材料抵抗抵抗裂紋失穩(wěn)擴展裂紋失穩(wěn)擴展的能力。的能力。25252022-3-282. Kc與與K的關(guān)系的關(guān)系lK:力學參量力學參量,裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場強度。lKc:材料的力學性能指標力學性能指標;l和s的關(guān)系: l 力學參量l s力學性能指標l材料成分、組織結(jié)構(gòu):材料成分、組織結(jié)構(gòu)

11、:l 、 a 、 Y :l材料成分、組織結(jié)構(gòu):材料成分、組織結(jié)構(gòu): l 、 a 、 Y : 26262022-3-283.斷裂斷裂K判據(jù)判據(jù)KI Kc : 裂紋失穩(wěn)擴展裂紋失穩(wěn)擴展 脆性斷裂。脆性斷裂。KI Kc : 存在的斷裂不會引起斷裂。存在的斷裂不會引起斷裂。27272022-3-28KI的修正:nr=0r=0時時, , x/y /XY等趨于無窮大等趨于無窮大不可能。不可能。n裂紋尖端裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)力s s時,出現(xiàn)時,出現(xiàn)塑性區(qū)塑性區(qū)(屈服區(qū))(屈服區(qū))n 應(yīng)力分布改變應(yīng)力分布改變 。修正條件:/s 0.6-0.7。28282022-3-28三、裂紋擴展的能量判據(jù)(三、裂紋擴展的能量判據(jù)

12、(釋放率釋放率GI)(一)裂紋擴展的能量釋放率一)裂紋擴展的能量釋放率GIGriffith:裂紋擴展的動力是:裂紋擴展的動力是彈性能的釋放率彈性能的釋放率。GI:與:與KI相似,是裂紋長度相似,是裂紋長度a和應(yīng)力和應(yīng)力的復合參量,的復合參量, 稱為裂紋擴展的能量釋放率。稱為裂紋擴展的能量釋放率。EaaUG2平面應(yīng)力: 平面應(yīng)變: EaG22129292022-3-28(二)斷裂韌度(二)斷裂韌度GIC和斷裂和斷裂G判據(jù)判據(jù) l,aGI,l當當GI2(或(或2+P)(裂紋失穩(wěn)擴展阻力)(裂紋失穩(wěn)擴展阻力).l裂紋失穩(wěn)擴展GIC,斷裂韌度。lGIC :阻止裂紋失穩(wěn)擴展時單位面積消耗的能量。lG判據(jù)

13、:GI GIC221KEGK: 裂紋尖端的應(yīng)力場強度, 也可度量裂紋擴展時系統(tǒng)勢能的釋放率。 30302022-3-283.2.3 彈塑性條件下的斷裂韌性 l 脆性材料:脆性材料:塑性區(qū)小塑性區(qū)小,小范圍屈服,小范圍屈服 線彈性斷裂力學(高強度鋼)。線彈性斷裂力學(高強度鋼)。l 塑性材料:塑性材料:塑性區(qū)大塑性區(qū)大,大范圍屈服,大范圍屈服 彈塑性力學(中彈塑性力學(中/低強度鋼)。低強度鋼)。l將線彈性原理進行延伸: J積分,斷裂能量能量判據(jù)GI,JI COD,斷裂應(yīng)變應(yīng)變判據(jù) KI,31312022-3-28一、J積分及斷裂韌度 JICRice于1968年提出了J積分理論, sTxuyJd

14、d(1 1)J J積分反映了裂紋尖端區(qū)的積分反映了裂紋尖端區(qū)的應(yīng)變能應(yīng)變能, 即應(yīng)力應(yīng)變集中程度。即應(yīng)力應(yīng)變集中程度。 能量線積分J1 應(yīng)力T做功 應(yīng)變能。:彈塑性應(yīng)變能密度 (2)塑變不可逆塑變不可逆裂紋擴展不連續(xù)裂紋擴展不連續(xù) J不是裂紋擴展不是裂紋擴展的彈性能釋放率。的彈性能釋放率。J是裂紋擴展時是裂紋擴展時形變功差率形變功差率。 同同G GI I的不同?的不同?32322022-3-28*(4)斷裂韌度JIC :l 表示材料抵抗裂紋開始擴展的能力抵抗裂紋開始擴展的能力。l J判據(jù):JI JIC (保守設(shè)計)(5)J積分判據(jù)實際使用很少裂紋開裂亞穩(wěn)擴展失穩(wěn)擴展,斷裂。(3)J積分的臨界值

15、是積分的臨界值是裂紋開裂點裂紋開裂點, 不一定是不一定是失穩(wěn)斷裂點失穩(wěn)斷裂點。33332022-3-28二、裂紋尖端張開位移COD( crack opening displacement) n 船體、壓力容器、管道、焊接結(jié)構(gòu)低應(yīng)力脆斷,結(jié)晶狀斷口。n 原因:多向應(yīng)力狀態(tài)下,裂紋尖端塑性區(qū)被約束塑性區(qū)被約束, 當應(yīng)變量應(yīng)變量達到臨界值臨界值 斷裂。n 用裂紋張開位移表示應(yīng)變量。 c,與JIC 一樣, 是裂紋開始擴展裂紋開始擴展的判據(jù)。34342022-3-28n3.2.1 缺口效應(yīng)(3個)個)n3.2.2 線彈性條件下的斷裂韌性 斷裂韌度斷裂韌度K KCC(平面應(yīng)變)平面應(yīng)變)(重點)(重點)

16、材料抵抗材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展裂紋失穩(wěn)擴展的能力。的能力。G GCC:裂紋失穩(wěn)擴展裂紋失穩(wěn)擴展時消耗的能量時消耗的能量。n3.2.3 彈塑形條件下的斷裂韌性 J J積分與積分與CODCOD: 材料抵抗材料抵抗裂紋開始擴展裂紋開始擴展的能力。的能力。小結(jié)35352022-3-283.2.4 影響斷裂韌性的因素 nKIc是材料是材料強度強度和和塑性塑性的綜合表現(xiàn)。的綜合表現(xiàn)。n 一般情況下,隨強度指標的降低而升高, 隨塑性指標的降低而降低。 s ,b KIc ,KIc n 通常人們認為KIc是塑性、韌性一類指標, 與強度類指標的變化規(guī)律相反。(有例外)n 內(nèi)在:成分、組織 、結(jié)構(gòu)。n 外在:溫度T、

17、應(yīng)變速率。36362022-3-28一、成分及組織結(jié)構(gòu)的影響 (一)化學成分(一)化學成分l細化晶粒的合金元素 強度塑性,KIc l陶瓷: 提高強度提高強度的組元 KIc l高分子: 結(jié)合鍵鍵合強度強度KIc 37372022-3-28(二)基體相二)基體相:lfcc易塑變,KIc 。 A鋼鋼的KIc F、M鋼。l一般情況下,細化晶粒:b 、KIc l某些情況下,粗晶粒的某些情況下,粗晶粒的KIc 高。高。l40CrNiMo:1200 淬火,01級,KIc =56 ; 870 淬火,淬火, 78級,級,KIc =36 。l大的位錯型大的位錯型M板條間有板條間有A殘殘 膜,膜,碳化物充分溶入碳化

18、物充分溶入A殘殘。38382022-3-28(三)夾雜、第二相(三)夾雜、第二相 l 韌性第二相,細小、彌散、適當量韌性第二相,細小、彌散、適當量 KIc (四)組織四)組織lKIc(B下下) KIc( M回回 ) KIc(B上上)l KIc(板條板條M)KIc(針狀M )l S回回KIc lA殘殘KIc39392022-3-28 二、特殊熱處理 (一)亞溫淬火:亞共析鋼 F+M b , KIc (二)超高溫淬火:A粗化,KIc (三) 形變熱處理(控軋控冷技術(shù)) 高溫形變:動態(tài)再結(jié)晶,細化晶粒動態(tài)再結(jié)晶,細化晶粒(A,M)b , KIc 20%。 低溫形變:細化晶粒細化晶粒,碳化物彌散沉淀彌

19、散沉淀b , KIc 18%。40402022-3-28 三、外界因素 n (一)溫度: T韌脆轉(zhuǎn)變 TTk:韌性斷裂 TTk:脆性斷裂n (二)應(yīng)變速率: KIc 41412022-3-28n我國GB416184(金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度 試驗方法);n國際上,如美國宇航局、美國材料試驗學會頒發(fā)的ASTME39978。 nKIc:試驗方法:試驗方法。n 預制裂紋。n 試樣必須滿足平面應(yīng)變條件。 在靜載下受力。42422022-3-282)(5 . 2yICKB43432022-3-28Vicker 壓痕法:陶瓷(脆性材料)KcnVicker硬度試驗機,壓痕+裂紋H:維氏硬度;維氏硬度; E:

20、彈性模量;:彈性模量;:約束因子(:約束因子(3)44442022-3-283.3 斷裂韌度在工程中的應(yīng)用 設(shè)計設(shè)計、校核、材料開發(fā)校核、材料開發(fā)n結(jié)構(gòu)設(shè)計:KIc , 形狀、尺寸。n材料選擇:,裂紋KIc ,KI 比較、選材。45452022-3-28斷裂力學:例1:有一構(gòu)件,實際使用應(yīng)力=1300 Mpa,設(shè)最大設(shè)最大裂紋尺寸裂紋尺寸a=1mm, Y=1.5。有2種鋼待選: 甲:s=1950 Mpa,KIc =45 MPam1/2。 乙:s=1560 Mpa,KIc =75 MPam1/2。傳統(tǒng)設(shè)計:安全系數(shù)屈服強度s 。甲:n=s/=1.5, 乙:n=1560/1300=1.2 甲鋼安全。甲:c=1000 Mpa 1300 Mpa 不安全乙:c=1670 Mpa 1300 Mpa 安全46462022-3-28n例2. 某材料的s=2.5J/m2,E=210GPa,a0=0.32nm,用該材料制成的無限大薄板內(nèi)有一條長1mm的裂紋。求:(1)該材料完美晶體的理論斷裂強度;(2)含裂紋的薄板的脆性斷裂應(yīng)力。0aErsm2ac=1mm, ac=0.5mm, (2101092.5/3.210-10)1/2 = 4.051010 (Pa)= 4.05104 (MPa)(2101092.5/0.510-3)1/2 =32.5106

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