文档介绍：材料力学性能
裴立宅
材料科学与工程学院
Email: lzpei1977@, ******@ahut.
12/23/2017
1
安徽工业大学材料科学与工程学院
第四章金属的断裂韧度
12/23/2017
2
安徽工业大学材料科学与工程学院
为了防止断裂失效,传统的力学强度理论是根据材料的屈服强度,用强度储备方法确定机件的工作应力
然后再考虑机件的一些特点(如存在口)及环境温度的影响,根据材料使用经验,对塑性、韧度及缺口敏感度提出附加要求,
据此设计的机件,原则上来讲是不会发生塑性变形和断裂的,安全可靠,但是实际情况不同,对高强度、超高强度钢的机件,中低强度钢的大型、重型机件,如火箭壳体、大型转子、船舶、桥梁等经常在屈服应力以下发生低应力脆性断裂。
12/23/2017
3
安徽工业大学材料科学与工程学院
由于裂纹破坏了材料的均匀连续性,改变了材料内部应力状态和应力分布,所以机件的结构性能就不再相似于无裂纹的试样性能,传统的力学强度理论就不再适用。
因此,需要研究新的强度理论和材料性能评价指标,以解决低应力脆断问题。
断裂力学就是在这种背景下发展起来的一门新型断裂强度科学,是在承认机件存在宏观裂纹的前提下,建立了裂纹扩展的各种新的力学参量,并提出了含裂纹体的断裂判据和材料断裂韧度。
本章从材料的角度出以,在简要介绍断裂力学基本原理的基础上,着重讨论线弹性条件下金属断裂韧度的意义、测试原理和影响因素。
12/23/2017
4
安徽工业大学材料科学与工程学院
第一节线弹性条件下金属断裂韧度
大量断口分析表明,金属机件的低应力脆断断口没有宏观塑性变形痕迹,所以可以认为裂纹在断裂扩展时,尖端总处于弹性状态,应力-应变应呈线性关系。
因此,研究低应力脆断的裂纹扩展问题时,可以用弹性力学理论,从而构成了线弹性断裂力学。
12/23/2017
5
安徽工业大学材料科学与工程学院
分析裂纹体断裂问题有两种方法
(1) 应力应变分析方法:考虑裂纹尖端附近的应力场强度,得到相应的断裂K判据。
(2) 能量分析方法:考虑裂纹扩展时系统能量的变化,建立能量转化平衡方程,得到相应的断裂G判据。
12/23/2017
6
安徽工业大学材料科学与工程学院
一、裂纹扩展的基本形式
1. 张开型(I型)裂纹扩展拉应力垂直于裂纹扩展面,裂纹沿作用力方向张开,沿裂纹面扩展,如压力容器纵向裂纹在内应力下的扩展。
2. 滑开型(II型)裂纹扩展切应力平行作用于裂纹面,而且与裂纹线垂直,裂纹沿裂纹面平行滑开扩展,如花键根部裂纹沿切向力的扩展。
3. 撕开型(III型)裂纹扩展切应力平行作用于裂纹面,而且与裂纹线平行,裂纹沿裂纹面撕开扩展,如轴的纵、横裂纹在扭矩作用下的扩展。
12/23/2017
7
安徽工业大学材料科学与工程学院
二、应力场强度因子KI及断裂韧度KIC
对于张开型裂纹试样,拉伸或弯曲时,其裂纹尖端处于更复杂的应力状态,最典型的是平面应力和平面应变两种应力状态。
平面应力:指所有的应力都在一个平面内,
平面应力问题主要讨论的弹性体是薄板,薄壁厚度远远小于结构另外两个方向的尺度。薄板的中面为平面,所受外力均平行于中面面内,并沿厚度方向不变,而且薄板的两个表面不受外力作用。
平面应变:指所有的应变都在一个平面内。
平面应变问题比如压力管道、水坝等,这类弹性体是具有很长的纵向轴的柱形物体,横截面大小和形状沿轴线长度不变,作用外力与纵向轴垂直,且沿长度不变,柱体的两端受固定约束。
12/23/2017
8
安徽工业大学材料科学与工程学院
(一)裂纹尖端应力场
由于裂纹扩展是从尖端开始进行的,所以应该分析裂纹尖端的应力、应变状态,建立裂纹扩展的力学条件。
欧文(G. R. Irwin)等人对I型(张开型)裂纹尖端附近的应力应变进行了分析,建立了应力场、位移场的数学解析式。
12/23/2017
9
安徽工业大学材料科学与工程学院
应力分量:
12/23/2017
10
安徽工业大学材料科学与工程学院