材料的力学性能5材料的断裂韧性.ppt

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1、5材料的断裂韧性RAL5.1断裂韧性的基本概念传统强度设计方法：强度储备法，或安全系数法σ工作≤σ许用＝σs/n，高强钢和超高强度钢常常发生低应力脆断：工作应力低于屈服强度时产生的脆性断裂称为低应力脆性断裂，简称低应力脆断。低应力脆断的发生冲击了传统的设计思想，人们不得不开始研究工程构件为什么会突然断裂?又应该如何防止。低应力脆断是由宏观裂纹失稳扩展引起的：实际金属构件中，宏观裂纹往往难以避免（加工过程、服役过程）。必须针对金属构件中存在裂纹的实际情况，研究裂纹失稳扩展的力学条件。断裂力学：一种新的强度设计理论承认存在宏观裂纹，利用力学分析，定量研究裂纹扩展规律，裂纹体断裂强度。建立了

2、材料性质、裂纹尺寸和工作应力之间的关系。断裂韧性：在断裂力学基础上建立起来的材料抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能称为断裂韧性。它综合反映了材料的强度和塑性，在防止低应力脆断选用材料时，根据材料的断裂韧性指标，可以对构件允许的工作应力和裂纹尺寸进行定量计算。RAL5.1断裂韧性的基本概念5.1.1断裂强度与裂纹长度RAL由于工程上的低应力脆断事故一般都与材料内部的裂纹存在有关，而且材料内部的裂纹往往又是不可避免的，这样，研究裂纹对断裂强度的影响很有必要。将高强度材料的试样预制成不同深度的表面裂纹，进行拉伸试验，求出裂纹深度与实验断裂强度间的关系。通过实验，得出断裂强度σc与裂纹深度a的平方根成反

3、比。5.1断裂韧性的基本概念RAL②对应于一定的应力值时，存在着一个临界的裂纹深度ac，当裂纹深度小于此值时，裂纹是稳定的；裂纹深度大于此值时，就不稳定了，要发生裂纹失稳扩展，导致构件的断裂。③裂纹愈深，材料的临界断裂应力愈低；或者作用于试样上的应力愈大，裂纹的临界尺寸愈小。④若a一定时，K值越大，σc越大，表示使裂纹扩展的断裂应力越大。不同的材料，K值不同。因此，常数K不是一般的比例常数，它表达了裂纹前端的力学因素，是反映材料抵抗脆性破断能力的一个断裂力学指标。①对应于一定的裂纹深度a，存在一个临界的应力值σc，只有当外界作用应力大于此临界应力时，裂纹才能扩展，造成破断；小于此应力值，

4、裂纹将是稳定的，不会扩展，构件也不会产生断裂。5.1断裂韧性的基本概念5.1.2裂纹体的三种位移方式RALⅠⅡⅢ张开型裂纹外加正应力σ和裂纹面垂直，在σ作用下，裂纹尖端张开，并且扩展方向和σ垂直，这种裂纹称为张开型裂纹，也称为Ⅰ型裂纹。如旋转的叶轮，当存在一个径向裂纹时，在旋转体力产生的径向力σθ作用下，裂纹张开，并沿径向扩展，所以称为张开型裂纹，这种形式的断裂常见于疲劳及脆性断裂，是工程上常见的也是最危险的断裂类型。5.1断裂韧性的基本概念5.1.2裂纹体的三种位移方式RALⅠⅡⅢ滑开型裂纹在平行于裂纹面的剪应力作用下，裂纹滑开扩展，称为滑开型裂纹。如两块厚板用大螺栓连接起来，当板受拉

5、力P时，在接触面上作用一对剪应力τ，如螺栓内部AB面上有裂纹，在剪应力的作用下形成的裂纹属于Ⅱ型裂纹。5.1断裂韧性的基本概念5.1.2裂纹体的三种位移方式RAL撕开型裂纹在剪应力τ的作用下，裂纹面上下错开，裂纹沿原来的方向向前扩展，像用剪子剪开一个口，然后撕开，就是一个Ⅲ型裂纹。如一传动轴工作时受扭转力矩的作用，即存在一个剪应力，若轴上有一环向裂纹，它就属于Ⅲ型。如果物体内裂纹同时受正应力和剪应力的作用，或裂纹面和正应力成一角度，这时就同时存在Ⅰ型和Ⅱ型(或Ⅰ型和Ⅲ型)裂纹，这样的裂纹称为复合裂纹。在工程构件内部，张开型(Ⅰ型)裂纹是最危险的，容易引起低应力脆断。所以，在实际构件内部，

6、即使存在的是复合型裂纹，也往往把它作为张开型来处理，这样考虑问题更安全。5.1断裂韧性的基本概念5.1.3平面应力和平面应变RAL5.1断裂韧性的基本概念5.1.3平面应力和平面应变RAL水坝垂直坝长方向的单元平面的变形方式5.1断裂韧性的基本概念平面应力RAL平面应变5.1断裂韧性的基本概念5.1.4断裂韧性和应力场强度因子RAL断裂应力与试样内部裂纹尺寸、裂纹形状、加载方式有关。y是一个和裂纹形状及加载方式有关的量，对每一种特定工艺状态下的材料，=常数，它与裂纹大小、几何形状及加载方式无关，此常数是材料的一种性能，将其称为断裂韧性。当材料的KⅠc愈高时，在相同的工作应力σ作用下，导

7、致构件脆断的临界值ac就愈大，即可允许构件中存在更长的裂纹。总之，构件材料的KⅠc愈高，则此构件阻止裂纹失稳扩展的能力就愈大，即KⅠc是材料抵抗裂纹失稳扩展能力的度量，是材料抵抗低应力脆性破坏的韧性参数，故称之为断裂韧性。5.2裂纹尖端附近的应力场RAL应用弹性力学理论，研究含有裂纹材料的应力－应变状态和裂纹扩展规律，就构成“线弹性断裂力学”。线弹性断裂力学认为，材料在脆性断裂前，基本上是弹性变形，其应力－应变符合线性关系。2a裂纹