文档介绍：第五章断裂失效与断裂控制设计
结构中的裂纹
裂纹尖端的应力强度因子
控制断裂的基本因素
材料的断裂韧性 K1c
断裂控制设计
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1
K
f
a
W
a
=
(
,
)
L
s
p
£
K
c
1
断裂判据:
抗力
作用
作用 K=f (s, a, ...) 由力学分析得到;
弹性力学方法,有限元法,手册等。
抗力 K1C 由材料断裂实验获得;
按标准试验方法( 如GB4161-84 ) 。
2
材料的断裂韧性 K1c
L=4W
W
a
P
三点弯曲(B=W/2)
1)标准试件( GB4161-84 )
应力强度因子:
]
)
(
7
.
38
)
(
6
.
37
)
(
8
.
21
)
(
6
.
4
)
(
9
.
2
[
2
/
9
2
/
7
2
/
5
2
/
3
2
/
1
2
/
3
W
a
W
a
W
a
W
a
W
a
BW
PL
K
+
-
+
-
=
2孔f
P
P
a
W
紧凑拉伸(B=W/2)
裂纹预制:电火花切割一切口,。用疲劳载荷预制裂纹,应使Da 。
疲劳载荷越小,裂纹越尖锐,所需时间越长。为保证裂纹足够尖锐,要求循环载荷中Kmax<(2/3)K1c。
3
X-Y记录仪
P
V
2)试验装置
监测载荷P、裂纹张开位移V,得到试验 P-V曲线,确定裂纹开始扩展时的载荷PQ和裂纹尺寸a,代入应力强度因子表达式,即可确定Kc。
P
P
试件
试验机
放大器
力传感器输出P
引伸计输出V
4
3) PQ的确定:
若在P5前无载荷大于P5, 则取 PQ=P5;
若在P5前有载荷大于P5, 则取该载荷为 PQ。
作比P-V线性部分斜率小5%的直线,交P-V于P5。
Pmax
P
0
V
P5
0
0
P5
Pmax
PQ=Pmax
Pmax
PQ
PQ=P5
P5
试验有效条件
Pmax / PQ<
5
预制裂纹的前缘一般呈弧形,故实际裂纹尺寸应打开试件断口后测量值确定。
四等分厚度,用工具显微镜量取五个处裂纹尺寸,取
a=(a2+a3+a4)/3 ;
4) 裂纹尺寸a的确定:
B
W
a1
a2
a3
a4
a5
为保证裂纹的平直度,还要求满足:
[a-(a1+a5)/2]
6
讨论:厚度的影响
实验表明,材料断裂时应力强度因子Kc与试件的厚度B有关。
K
K
1c
B
K
c
平面
应变区
平面应变:厚度足够大时,沿厚度方向的变形被约束在垂直于厚度方向的平面内,可以不计。
厚度B , Kc ;
B> (K1c/sys)2后,
Kc最小,
平面应变断裂韧性K1c。
K1c是材料的平面应变断裂韧性,是材料参数;
Kc是材料在某给定厚度下的临界断裂值。
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平面应变厚度要求: B> (K1c/sys)2
预制裂纹尺寸: Da>;
<a0+Da<
预制裂纹时的疲劳载荷: Kmax< (2/3)K1c。
汇总: 试验有效性条件与尺寸要求
(国标GB4161-84)
断裂载荷有效性: Pmax / PQ< ;
裂纹平直度有效性: [a-(a1+a5)/2)]/a<10%
K1c与温度有关。温度越低,K1c越小,材料越易发生断裂。应特别注意低温脆断的发生。
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GB/T 4161-1984
金属材料平面应变断裂韧度 K1c试验方法
ASTM E740-88(1995)e1
Standard Practice for Fracture Testing with
Surface-Crack Tension Specimens
用表面裂纹拉伸试样进行断裂试验
GB/T 7732-1987
金属板材表面裂纹断裂韧度 K1c试验方法
相关试验标准:
ASTM E399-90e1
Standard Test Method for Plane-Strain
Fracture Toughness of Metallic Materials
金属材料平面应变断裂韧性KIC标准试验方法
ASTM E1304-97
Standard Test Method for Plane-Strain (Chevron-
Notch) Fr