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1、裂纹扩展能量释放率及断裂韧度第四章金属的断裂韧度第一节断裂力学概述一、构件强度设计的思路二、断裂力学概观1、线性(线弹性)断裂力学2、非线性断裂力学第二节线弹性断裂力学与断裂韧度一、裂纹扩展的基本形式一、裂纹扩展的基本形式二、应力场强度因子和断裂韧度二、应力场强度因子和断裂韧度三、裂纹扩展能量释放率及断裂韧度三、裂纹扩展能量释放率及断裂韧度第三节弹塑性条件下的金属断裂韧度的基本概念一、必要性二、J积分(JIntegral)及断裂韧度三、裂纹尖端张开位移及断裂韧度第四节断裂韧度的测试一、实验标准、试样的形状、尺寸及制备二、
2、测试方法三、试验结果的处理三、试验结果的处理第五节影响断裂韧度的因素一、断裂韧度与常规力学性能指标之间的关系一、断裂韧度与常规力学性能指标之间的关系二、影响断裂韧度的因素二、影响断裂韧度的因素第六节断裂K判据的应用案例第四章金属的断裂韧度第一节断裂力学概述FractureMechanics一、构件强度设计的思路材料力学设计思路零件所受到的载荷工作应力零件本身形状尺寸修正修正零部件实际断裂过程材料本身的内部缺陷和加工或服役过程中形成的微小裂纹的存在裂纹附近产生应力集中和复杂应力状态造成构件在按材料力学设计的许用应力以下的破
3、坏即所谓“低应力脆断问题”防断裂设计的提出随着科技的发展,人类为了发展生产,保障人身安全,防止灾难性断裂事故的发生,作了不懈的努力。早在50年代,人们发现一些按古典强度理论和常规设计方法设计、制造并经严格检验合格的产品,却发生了断裂、爆炸等事故,引起震惊。经研究,发现这些事故多数与结构中存在缺陷或裂纹有关。基于这个事实,发展起一门新的学科??断裂力学,它是以变形体力学为基础,研究含缺陷(或裂纹)材料和结构的抗断裂性能,以及在各种工作环境下研究裂纹的扩展、失稳和止裂规律的一门学科。二、断裂力学概观OverviewofFra
4、ctureMechanics我们分析前面拉伸过程中的断裂、缺口拉伸过程中的断裂可以看到,由于局部应力状态的变化,导致应力状态软性系数下降(材料脆性增加),最终导致断裂的发生(裂纹迅速扩大的过程)。脆性断裂和韧性断裂根据断裂前金属材料产生塑性变形量的大小,可分为脆性断裂和韧性断裂(1)脆性断裂:断裂前没有明显的塑性变形,断口平齐,呈光亮的结晶状。(2)韧性断裂:断裂前产生较大的塑性变形,断口呈暗灰色的纤维状。区别:裂纹扩散过程不同脆性断裂与韧性断裂比较裂纹逐步扩展裂纹突然扩展脆断与韧断裂纹尺寸-应力图正断和切断根据断裂面的
5、取向可分为正断和切断正断:断口的宏观断裂面与最大正应力方向垂直,一般为脆断,也可能韧断。切断:断口的宏观断裂面与最大正应力方向呈45°,为韧断。穿晶断裂和晶间断裂裂纹扩散的途径可分为穿晶断裂和晶间断裂穿晶断裂:裂纹穿过晶粒内部,韧断也可为脆断。晶间断裂:裂纹穿越晶粒本身,脆断。根据裂纹扩展前,裂纹的根部(裂纹端部)是否有塑性变形,断裂力学可以划分为下列两种模型:(1)线性(线弹性)断裂力学:LinearElasticFractureMechanics(教材中的第一节内容)(2)非线性断裂力学:NonlinearFract
6、ureMechanics(教材中的第五节内容)1、线性(线弹性)断裂力学Griffith理论(格里菲斯理论):1920年以玻璃(glass)为研究对象提出TheoryofBrittleFracture(脆性破坏理论),首次用复变函数理论系统研究了理想脆性材料中裂纹扩展(crackpropagation)行为;Irwin和Orowan:1948年在Griffith理论基础上,允许裂纹根部(cracktip)部分微小塑性变形区域存在,提出了修正的BrittleFracture,可以应用于钢材(高碳钢或高强度合金钢),以上理论
7、统称为线性断裂力学。断裂力学特性参数KK(应力场强度因子)和(断裂韧IIC度):描述裂纹扩展条件GI(裂纹扩展能量释放率)和(断裂GIC韧度):描述裂纹扩展条件Griffith-Irwin-Orowan的研究,为线性断裂力学的发展奠定了坚实的基础,现在防止结构断裂的工学手段即是线性断裂力学(相当于弹性力学)脆性破坏(完全脆性破坏)疲劳破坏(裂纹尖端有线性断裂力学小规模的塑性变形)环境破坏(应力腐蚀等)2、非线性断裂力学J.R.Rice:1968年提出的J积分理论(与线弹性G断裂力学中裂纹扩展能量释放率相当的量)I弹塑性破
8、坏Elastic-PlasticFracture高温蠕变破坏非线性断裂力学CreepRuptureorFractureatET高温疲劳(塑性疲劳)FatigueatET第二节线弹性断裂力学与断裂韧度在线弹性断裂力学中讨论问题时,假设在裂纹扩展时(失稳扩展时),裂纹根部(或尖端)总处于弹性状态或只允许少许塑性变形区域存
