材料的斷裂韌性ppt課件.ppt

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1、材料的斷裂韌性本章將以斷裂力學(xué)的基本原理為基礎(chǔ)，簡(jiǎn)要介紹材料斷裂韌度的意義、影響因素及應(yīng)用。主要內(nèi)容:1)線彈性條件下的斷裂韌性；2)彈塑性條件下的斷裂韌性；3)影響材料斷裂韌度的因素；4)斷裂韌度在工程中的應(yīng)用.重點(diǎn)：概念（低應(yīng)力脆斷、應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)因子、斷裂韌度、J積分；K、G、J和COD判據(jù)；斷裂韌度與強(qiáng)度、塑性和沖擊韌度的關(guān)系難點(diǎn)：裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)力強(qiáng)度因子KI十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)前言研究表明，很多脆斷事故與構(gòu)件中存在裂紋或缺陷有關(guān)，而且斷裂應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，即低應(yīng)力脆斷解決裂紋體的低應(yīng)力脆斷，形成了斷裂力學(xué)這樣一個(gè)新學(xué)科。斷裂力學(xué)的研究?jī)?nèi)容包括裂紋尖端的應(yīng)力和應(yīng)變分析；建立新

2、的斷裂判據(jù)；斷裂力學(xué)參量的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)定，斷裂機(jī)制和提高材料斷裂韌性的途徑等。十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)第一節(jié)線彈性條件下的斷裂韌性線彈性斷裂力學(xué)認(rèn)為在脆性斷裂過程中，裂紋體各部分的應(yīng)力和應(yīng)變處于線彈性階段，只有裂紋尖端極小區(qū)域處于塑性變形階段.處理問題有兩種方法：另一種是能量分析方法，研究裂紋擴(kuò)展時(shí)系統(tǒng)能量的變化，提出能量釋放率及對(duì)應(yīng)的斷裂韌度和G判據(jù)。一種是應(yīng)力應(yīng)變分析方法，研究裂紋尖端附近的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，提出應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子及對(duì)應(yīng)的斷裂韌度和K判據(jù)；十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)一、裂紋擴(kuò)展的基本方式(a)張開型(Ⅰ型);(b)滑開型(Ⅱ型);(c)撕開型(Ⅲ)型根據(jù)外加應(yīng)力的類型及其與裂紋擴(kuò)

3、展面的取向關(guān)系，裂紋擴(kuò)展的基本方式有3種:十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)設(shè)有一承受均勻拉應(yīng)力的無限大板，含有長(zhǎng)為2a的I型穿透裂紋，其尖端附近(r，θ)處應(yīng)力、應(yīng)變和位移分量可以近似地表達(dá)如下：應(yīng)力分量為:二、裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)若裂紋尖端沿板厚方向(即z方向)的應(yīng)變不受約束，,裂紋尖端處于兩向拉應(yīng)力狀態(tài)，即平面應(yīng)力狀態(tài)。若裂紋尖端沿z方向的應(yīng)變受到約束，，則裂紋尖端處于平面應(yīng)變狀態(tài)。此時(shí)，裂紋尖端處于三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)小，因而是危險(xiǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。平面應(yīng)變狀態(tài)應(yīng)變分量為:十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)裂紋尖端任意一點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分量取決于該

4、點(diǎn)的坐標(biāo)(r，θ)、材料的彈性模數(shù)以及參量KI平面應(yīng)變狀態(tài)位移分量為:υ為泊松比；E為拉伸彈性模數(shù)十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)若裂紋體的材料一定，且裂紋尖端附近某一點(diǎn)的位置(r，θ)給定，則該點(diǎn)的各應(yīng)力、應(yīng)變和位移分量唯一決定于KI值。KI值愈大，則該點(diǎn)各應(yīng)力、應(yīng)變和位移分量之值愈高，因此，KI反映了裂紋尖端區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)度，故稱之為應(yīng)力強(qiáng)度因子。它綜合反映了外加應(yīng)力和裂紋位置、長(zhǎng)度對(duì)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的影響，其一般表達(dá)式為Y為裂紋形狀系數(shù)，取決于裂紋的類型，對(duì)于不同類型的裂紋，KI和Y的表達(dá)式見本章附表。（I的意義）十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)當(dāng)應(yīng)力和裂紋尺寸a單獨(dú)或同時(shí)增大時(shí)，KI和裂紋尖端

5、的各應(yīng)力分量也隨之增大。當(dāng)應(yīng)力或裂紋尺寸a增大到臨界值時(shí)，也就是在裂紋尖端足夠大的范圍內(nèi)，應(yīng)力達(dá)到材料的斷裂韌性，裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致材料的斷裂，這時(shí)KI也達(dá)到了一個(gè)臨界值，這個(gè)臨界KI記為KIC或KC,稱為斷裂韌性(概念)，單位為Mpa·m1/2或KN·m-3/2，其是一個(gè)表示材料抵抗斷裂的能力。三、斷裂韌度KIC和斷裂K判據(jù)(KC為平面應(yīng)力斷裂韌度,KIC為平面應(yīng)變斷裂韌度.同一種材料KC>KIC十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)KIC和KI的區(qū)別KI是一個(gè)力學(xué)參量，表示裂紋中裂紋尖端的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度的大小，它決定于外加應(yīng)力、試樣尺寸和裂紋類型，而和材料無關(guān)。KIC是一個(gè)是材料的力學(xué)性能指標(biāo)，

6、它決定于材料的成分、組織結(jié)構(gòu)等內(nèi)在因素，而與外加應(yīng)力以及試樣尺寸等外在因素?zé)o關(guān)，為平面應(yīng)變斷裂韌度。根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI和斷裂韌度KIC的相對(duì)大小，可以建立裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展脆斷K判據(jù)：KI≥KIC十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)塑性區(qū)的邊界方程：平面應(yīng)力平面應(yīng)變裂紋尖端塑性區(qū)的形狀四、裂紋尖端塑性區(qū)及KI的修正塑性區(qū)的邊界方程圖形如右下圖：在x軸上,θ=0時(shí),塑性區(qū)的寬度r0為平面應(yīng)力：平面應(yīng)變：十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)平面應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)力松弛后塑性區(qū)尺寸為：可見：考慮應(yīng)力松弛后，塑性區(qū)的尺寸擴(kuò)大了1倍。平面應(yīng)變塑性區(qū)寬度為：塑性區(qū)的寬度也擴(kuò)大了1倍。應(yīng)力松弛的影響下,平面應(yīng)變塑性區(qū)寬度R0也是原r

7、0的兩倍。應(yīng)力松馳后的塑性區(qū)十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)平面應(yīng)變狀態(tài)是理論上的抽象。厚板件:表面處于平面應(yīng)力狀態(tài),心部是平面應(yīng)變狀態(tài)。十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)可求得修正后的KI值，即平面應(yīng)力：平面應(yīng)變：當(dāng)應(yīng)力σ增大時(shí)，裂紋尖端的塑性區(qū)也增大，影響就越大，其修正就必要，通常情況下，當(dāng)σ/σS≥0.6-0.7時(shí)，就需要修正。圖4-6用等效裂紋修正KI十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)五、裂紋擴(kuò)展能量釋放率GIGriffith最早用能量法研究了玻璃、陶