金屬材料的斷裂韌性課件

1、第六章金屬材料的斷裂韌性主要內(nèi)容1.應(yīng)力場強度因子2.斷裂韌性的影響因素3.裂紋尖端塑性區(qū)及其修正4.裂紋擴展的能量釋放率5.平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測定張開型I型正應(yīng)力垂直于裂紋面擴展方向與正應(yīng)力垂直壓力容器一、應(yīng)力場強度因子1、裂紋體的三種斷裂模式 （1）張開型 I型（2）滑開型II型（3）撕開型III型滑開型II型切應(yīng)力平行于裂紋面擴展方向與切應(yīng)力平行撕開型III型切應(yīng)力平行于裂紋前緣擴展方向與切應(yīng)力垂直I型裂紋最危險：缺口根部為三向應(yīng)力狀態(tài)2、裂紋尖端應(yīng)力場應(yīng)力場強度因子Y 裂紋形狀因子用線彈性斷裂力學(xué)分析3、應(yīng)力場強度因子KI的物理意義 KI是衡量裂紋頂端應(yīng)力場強烈程度的參量，決定于

2、應(yīng)力水平、裂紋尺寸和形狀，是各因素在裂紋頂端產(chǎn)生效果的綜合體現(xiàn)臨界應(yīng)力場強度因子KC或KIC斷裂韌性： 裂紋失穩(wěn)擴展的臨界狀態(tài)所對應(yīng)的應(yīng)力場強度因子，表示對裂紋擴展的阻力，是材料本身固有的性能 KC：平面應(yīng)力狀態(tài)斷裂韌性 KIC：平面應(yīng)變狀態(tài)斷裂韌性 斷裂判據(jù)：KI KICKI和KIC的區(qū)別： KI：裂紋前端應(yīng)力場強度的度量 與裂紋大小、形狀和外加應(yīng)力有關(guān) （1）含中心穿透裂紋的有限寬板 （2）緊湊拉伸試樣 （3）單邊裂紋彎曲試樣 （4）體內(nèi)橢圓裂紋 （5）表面半橢圓裂紋 KIC：材料阻止宏觀裂紋失穩(wěn)擴展能力的度量 與裂紋大小、形狀和外加應(yīng)力無關(guān) 與材料成分、熱處理工藝等有關(guān)，是材料特性參數(shù)二

3、、斷裂韌性的影響因素 KIC一定，則ac，允許存在更長裂紋 KIC a一定，則c，可提高使用應(yīng)力 1、雜質(zhì) 夾雜物： n應(yīng)變硬化指數(shù)；d夾雜物間距 d（夾雜物數(shù)量）KIC 雜質(zhì)晶界偏聚：晶界結(jié)合力KIC 2、晶粒尺寸 晶粒尺寸：1）晶界面積裂紋擴展阻力KIC 2）晶界面積單位面積雜質(zhì)含量KIC3、組織結(jié)構(gòu) 回火馬氏體：回火溫度塑性與韌性 殘余奧氏體： KIC 應(yīng)力誘發(fā)相變： KIC4、熱處理制度三、裂紋尖端塑性區(qū)及其修正彈性應(yīng)力場計算存在的問題：r0時，x、y、xy 線彈性力學(xué)不適用實際情況： 應(yīng)力超過屈服強度后，材料產(chǎn)生塑性變形公式修正： 塑性區(qū)很小時，修正后線彈性力學(xué)仍有效1、裂紋尖端塑性

4、區(qū)大小平面應(yīng)變狀態(tài)= 0時平面應(yīng)力狀態(tài)= 0時表面塑性區(qū)大，平面應(yīng)力狀態(tài)中心塑性區(qū)小，平面應(yīng)變狀態(tài)米賽斯屈服判據(jù)2、應(yīng)力松弛對塑性區(qū)的影響應(yīng)力松弛效應(yīng)： y達到y(tǒng)s以后，把高出的應(yīng)力部分傳遞給r r0的區(qū)域，使r0前方區(qū)域發(fā)生屈服應(yīng)力松弛結(jié)果： 屈服區(qū)域從r0擴大到R能量分析：ABD等于BEHG平面應(yīng)力狀態(tài)平面應(yīng)變狀態(tài)應(yīng)力松弛使得塑性區(qū)擴大1倍3、線彈性理論公式的修正修正方法：有效裂紋長度修正思路：塑性區(qū)松弛彈性應(yīng)力的作用等同于裂紋長度增加后松弛彈性應(yīng)力的作用有效裂紋長度平面應(yīng)力狀態(tài)平面應(yīng)變狀態(tài)應(yīng)力場強度因子有效裂紋與真實裂紋塑性區(qū)之外（rR）的應(yīng)力場分布相同四、裂紋擴展的能量釋放率裂紋的擴展

5、過程裂紋前端塑性變形裂紋新表面的形成消耗能量包圍尖端塑性區(qū)的彈性集中應(yīng)力做功提供從能量角度考察斷裂韌性裂紋擴展的能量釋放率GI（裂紋擴展力）： 裂紋擴展單位面積時，彈性系統(tǒng)所能提供的能量平面應(yīng)力平面應(yīng)變臨界條件下斷裂判據(jù)：GI GICGIC裂紋擴展需要的能量 材料抵抗裂紋擴展的能力GIC的物理意義：材料抵抗裂紋擴展能力的度量GIC的單位：MPamK與G的關(guān)系：討論：GI GICKI KIC都可做斷裂判據(jù)KIC易測GIC難測1）K、G都有明確物理意義，G的意義更明確2）五、平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測定1、試樣制備制備要求：1）預(yù)制疲勞裂紋 2）試樣有足夠厚度試樣類型試樣厚度裂紋長度韌帶寬度KIC

6、為材料斷裂韌性的估算值或類似材料的斷裂韌性值2、測試方法試驗裝置載荷裂紋口張開位移曲線條件斷裂韌性KQ的計算公式三點彎曲試樣緊湊拉伸試樣PQ試樣斷裂或裂紋失穩(wěn)擴展時的載荷臨界載荷PQ的確定裂紋長度a的確定有效性檢驗：（1）（2）KQ = KICa = (a2 + a3 + a4) / 3注：a與(a1 + a5) / 2的差小于10金屬材料的斷裂韌性 小 結(jié)一、應(yīng)力場強度因子 1. 裂紋體的三種斷裂模式 2. 裂紋尖端應(yīng)力場 3. 應(yīng)力場強度因子KI的物理意義二、斷裂韌性的影響因素 1. 雜質(zhì) 2. 晶粒尺寸 3. 組織結(jié)構(gòu) 4. 熱處理三、裂紋尖端塑性區(qū)及其修正 1. 裂紋尖端塑性區(qū)大小 2. 應(yīng)力松弛對塑性區(qū)的影響 3. 線彈性理論公