文档介绍：第四章:金属的断裂韧性材料力学性能金属的断裂韧性第四章:金属的断裂韧性§4-1线弹性条件的下断裂韧性KIC材料力学性能金属的断裂韧性§4-1线弹性条件的下断裂韧性KIC一、传统设计思路与断裂力学::一般传统设计要求:σ工≤[σ]=,该条件只能保证:材料不发生塑性变形及塑性断裂,不能防止脆性断裂尤其是低应力脆断;对材料的脆性断裂及脆断倾向的评估,依传统的设计思路较难解决。为此,传统设计另对材料的塑性指标δ、ψK、冲击韧性αK、冷脆转变温度TK指标等作了一定的要求(根据经验及积累的大量数据资料)。实验证明,该法行之有效。材料力学性能金属的断裂韧性§4-1线弹性条件的下断裂韧性KIC 一、传统设计思路与断裂力学:然而经验也表明:由于对各种服役条件不能完全地定性确认,对于一些构件(尤其是中、小截面的构件)的设计,常提出过高要求,形成浪费(原材料、机械加工均以吨来计算产量,以及能耗、人力运输等);而对一些高强度材料(σb>1000kgf/mm²)及重型、大型截面的构件,该法又不完全安全可靠。一般地,,叫低应力脆断,常导致重大安全事故。:构件或材料内部存在有一定尺寸的宏观裂纹,而该裂纹发生失稳扩展的力学条件则成为该构件或材料的强度设计基础。断裂力学————断裂强度设计理论:分析和讨论材料对裂纹扩展的抗力与裂纹尺寸、工作应力之间的关系以及裂纹失稳扩展的条件,并在该基础上建立的表征材料抵抗裂纹扩展的能力的力学性能指标,称之为材料的断裂韧性或断裂韧度,这是一个综合的力学性能指标:反应了塑性与强度的综合。§4-1线弹性条件的下断裂韧性KIC 一、传统设计思路与断裂力学:材料力学性能金属的断裂韧性§4-1线弹性条件的下断裂韧性KIC 一、传统设计思路与断裂力学::张开型(Ⅰ型)滑(移)推开型(Ⅱ型)撕开型(Ⅲ型)拉应力切应力剪切应力其中以Ⅰ型扩展方式最为危险,最易引起低应力脆断,材料对该型裂纹扩展的抗力最低,故其它型式或混合型式的裂纹扩展也可按Ⅰ型裂纹处理,会更安全。材料力学性能金属的断裂韧性§4-1线弹性条件的下断裂韧性KIC 二、裂纹尖端应力场强度因子KI在一无限宽板中心有长为2α的I型扩展裂纹,当板承受大小为σ的拉应力时,该裂纹尖端(缺口)受到三向拉应力。在裂纹尖端前任意点,均有与之一一对应的坐标(r,θ),并可据弹性力学建立其应力场,该应力场的各应力分量分别为:σx、σy、σz和τxy各应力分量大小分别取决于强度因子KI及各自相应的位置因子fx(θ)、fy(θ)、fz(θ)、fxy(θ)和r,其中KI=σ√πα为该应力场所有应力分量都共有的因子,表示了裂纹前端的应力场的强弱,称为裂纹尖端应力场强度因子,其量纲为:kgf/mm3/-3/2材料力学性能金属的断裂韧性§4-1线弹性条件的下断裂韧性KIC 二、裂纹尖端应力场强度因子KIKI综合了应力σ及裂纹尺寸α两方面的因素,即外加应力的增加与裂纹尺寸的扩展均可导致裂纹尖端应力场的增加,导致裂纹扩展动力的增加。对于一般情况:KI=Yσ√αα为裂纹半长Y为常数,与裂纹的形状、加载方式、工程构件的几何形状尺寸等因素有关,无量纲;对于中心有穿透裂纹的无限宽板:Ⅱ、Ⅲ型扩展裂纹的裂纹尖端应力场强度因子则分别记为KⅡ、KⅢ材料力学性能金属的断裂韧性§4-1线弹性条件的下断裂韧性KIC 二、裂纹尖端应力场强度因子KI在裂纹延长线上,有:此时的σx=σy为最大值,该裂纹的延长线平面成为裂纹的易扩展平面——弱面材料力学性能金属的断裂韧性§4-1线弹性条件的下断裂韧性KIC 三、平面应力与平面应变::在z方向可自由变形而不受约束,σz=0但εz≠0,为两向拉应力状态,一般为薄板的受力状态;:在z方向上受约束固定而不可自由变形,εz=0而其σz=μ(σX+σY)≠0,为三向拉应力状态,为厚板的受力状态。平面应变应力状态的塑变困难,裂纹易于扩展,其断裂时的脆性表现明显,是一种较危险的应力状态材料力学性能金属的断裂韧性