第4章 金属的断裂韧性全(材料07)ppt课件.ppt

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1、第四章金属的断裂韧度徐家文材料科学与工程系1第四章金属的断裂韧度应力场强度因子与断裂韧度线弹性条件下的金属断裂韧度断裂韧度的工程应用断裂韧度的影响因素2§4－1线弹性条件下的金属断裂韧度一、裂纹扩展的基本形式张开型（I型）：外加正应力垂直于裂纹面和裂纹扩展方向。3滑开型（Ⅱ型）：剪切应力平行于裂纹面切，垂直于裂纹线，平行于裂纹扩展方向4撕开型（Ⅲ型）：剪切应力平行于裂纹面，平行于裂纹线，垂直于裂纹扩展方向。5应力裂纹面裂纹线扩展方向图例张开型（I型）正应力⊥⊥⊥滑开型（Ⅱ型）切应力∥⊥∥撕开型（Ⅲ型）切应力∥∥⊥总结：裂纹扩展的基本形式6提

2、高：裂纹扩展的基本形式7二、裂纹顶端的应力场分析1、裂纹尖端各点应力—弹性力学推导有I型穿透裂纹无限大板的应力分析图8X和Y方向应力分布裂纹尖端应力分析图（平面应变状态）（平面应力状态）Z方向应力9应力集中：θ＝0时，2、裂纹尖端的应力特征X轴上的拉应力最大10薄板：Z向变形无约束，σZ=0，呈平面应力状态。厚板：Z向变形受到约束，σZ≠0，εZ＝0，呈平面应变状态。复杂应力状态Z方向应力11想一想：应力状态沿板厚度方向（Z向）的变化情况板的表面处：板的中心处：σZ≠0σZ＝0表面两向应力心部三向应力材料易发生变形材料难发生变形12小结：

3、裂纹顶端的应力分布分析（1）厚板应力状态由表及里的变化造成材料表面和心部变形范围大小不一样。13（2）裂纹尖端各处的应力大小与该点位置（r，θ）直接相关，KI不决定应力分布。14三、应力场强度因子和断裂韧性1、应力场强度因子KI表达式：含义：描述裂纹顶端应力场强弱的状态参量。单位：裂纹形状系数，1～215举例：应力场强度因子计算（1）无限大板穿透裂纹裂纹形状参数：应力场强度因子：16（2）无限大物体表面半椭圆裂纹裂纹形状系数：椭圆积分，可以根据a/c查表P263应力场强度因子：17小结：应力场强度因子KI应力场强度因子（KI）和位置无关，与

4、名义应力和裂纹形态有关；其对应力场中的各单元和各应力分量都是一样，其大小决定应力水平的高低。描述裂纹顶端应力场强弱的状态参量。18应力场强度因子的通式：表面半椭圆裂纹：大板上穿透裂纹：192、断裂韧性（KIC）KIC含义：平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。临界状态：裂纹失稳扩展时有断裂应力临界裂纹尺寸应力场强度因子数值达到临界状态（KIC）时材料断裂。20材料本身的力学性能指标，只与材料成分、组织结构有关，与载荷及试样尺寸无关。3、裂纹失稳扩展的判据应力场强度因子大于断裂强度：KI>KIC其它衍生方法：σ>σC或a>aC21练习题某高

5、强钢容器表面有半椭圆形裂纹，尺寸如图，若材料KIC＝60MP.m1/2,若工作时裂纹受垂直拉应力600MPa，问容器是否安全？22答：a＝1mm，c＝3.1mm，根据a/c＝0.32查表得φ＝1.1（1）裂纹形状系数（2）容器的许用应力：（3）因容器工作应力σ（600MPa）小于的裂纹的许用应力σc（1070MPa），所以容器安全。23四、裂纹尖端的塑性区241、塑性区的边界方程由Mises屈服准则，材料在三向应力状态下的屈服条件：最大主应力最小主应力—主应力25其中：主应力求法：（平面应变状态）（平面应力状态）26裂纹尖端任意一点的P（r，

6、θ）的主应力：（平面应力状态）（平面应变状态）27将裂纹尖端任意一点的P（r，θ）的主应力公式带入Mises屈服准则，得塑性区边界方程：（平面应力状态）（平面应变状态）282、塑性区的形状和尺寸塑性区的形状（平面应力状态）（平面应变状态）29塑性区的宽度得塑性区宽度：（平面应力状态）（平面应变状态）将θ＝0带入（平面应力状态）（平面应变状态）30讨论：不同应力状态下塑性区宽度对比当γ＝0.3时，（1－2γ)2＝0.16≈1/6，所以平面应变状态塑性区得宽度是平面应力状态的1/6。（平面应力状态）（平面应变状态）31厚板平面应变状态条件下，其塑

7、性区为一个哑铃形，两个表面出有平面应力状态，所以实际塑性区的宽度要大一些，实际用：代替（1－2γ)2，所以裂纹前塑性区的宽度为：（平面应力状态）（平面应变状态）323、考虑应力松弛后的塑性区尺寸（平面应力状态）（平面应变状态）应力松弛后的塑性区修正方法：阴影面积＝矩形BEHG面积修正后塑性区尺寸：33注意：裂纹塑性区宽度和(KI/σs)2成正比，测量KIC时要保证裂纹尖端小范围屈服，需要考虑(KIc/σs)2。（平面应力状态）（平面应变状态）34五、应力场强度因子的修正1、修正条件：σ/σs≥0.6～0.7原因：比值大，塑性区大，影响应力场。

8、2、修正方法：虚拟有效裂纹称有效裂纹长度35带入应力场强度公式（平面应力状态）（平面应变状态）已知：36得到修正后的应力场强度公式：373、两种重要裂纹的KI修正公