材料力学性能教学课件PPT材料的断裂韧性.ppt

1,主讲人: 张宁,2,一、线弹性条件下的金属断裂韧度 二、断裂韧度KIC的测试 三、影响断裂韧度KIC的因素 四、断裂韧度在金属材料中的应用举例 五、弹塑性条件下金属断裂韧度的基本概 念,第四章 金属的断裂韧度,3,为了防止断裂失效，传统的力学强度理论是根据材料的屈服强度，用强度储备方法确定机件的工作应力。 然后再考虑机件的一些特点（如存在口）及环境温度的影响，根据材料使用经验，对塑性、韧度及缺口敏感度提出附加要求， 据此设计的机件，原则上来讲是不会发生塑性变形和断裂的，安全可靠，但是实际情况不同，对高强度、超高强度钢的机件，中低强度钢的大型、重型机件，如火箭壳体、大型转子、船舶、桥梁等经常在屈服应力以下发生低应力脆性断裂。,第四章 金属的断裂韧度,4,由于裂纹破坏了材料的均匀连续性，改变了材料内部应力状态和应力分布，所以机件的结构性能就不再相似于无裂纹的试样性能，传统的力学强度理论就不再适用。 因此，需要研究新的强度理论和材料性能评价指标，以解决低应力脆断问题。 断裂力学就是在这种背景下发展起来的一门新型断裂强度科学，是在承认机件存在宏观裂纹的前提下，建立了裂纹扩展的各种新的力学参量，并提出了含裂纹体的断裂判据和材料断裂韧度。 本章从材料的角度出以，在简要介绍断裂力学基本原理的基础上，着重讨论线弹性条件下金属断裂韧度的意义、测试原理和影响因素。,第四章 金属的断裂韧度,5,大量断口分析表明，金属机件的低应力脆断断口没有宏观塑性变形痕迹，所以可以认为裂纹在断裂扩展时，尖端总处于弹性状态，应力-应变应呈线性关系。 因此，研究低应力脆断的裂纹扩展问题时，可以用弹性力学理论，从而构成了线弹性断裂力学。,第一节 线弹性条件下金属断裂韧度,6,分析裂纹体断裂问题有两种方法,(1) 应力应变分析方法：考虑裂纹尖端附近的应力场强度，得到相应的断裂K判据。 (2) 能量分析方法：考虑裂纹扩展时系统能量的变化，建立能量转化平衡方程，得到相应的断裂G判据。,第一节 线弹性条件下金属断裂韧度,7,一、裂纹扩展的基本形式,1. 张开型（I型）裂纹扩展 拉应力垂直于裂纹扩展面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展，如压力容器纵向裂纹在内应力下的扩展。 2. 滑开型（II型）裂纹扩展 切应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹线垂直，裂纹沿裂纹面平行滑开扩展，如花键根部裂纹沿切向力的扩展。 3. 撕开型（III型）裂纹扩展切应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹线平行，裂纹沿裂纹面撕开扩展，如轴的纵、横裂纹在扭矩作用下的扩展。,第一节 线弹性条件下金属断裂韧度,8,二、应力场强度因子KI及断裂韧度KIC,对于张开型裂纹试样，拉伸或弯曲时，其裂纹尖端处于更复杂的应力状态，最典型的是平面应力和平面应变两种应力状态。,平面应力：指所有的应力都在一个平面内， 平面应力问题主要讨论的弹性体是薄板，薄壁厚度远远小于结构另外两个方向的尺度。薄板的中面为平面，所受外力均平行于中面面内，并沿厚度方向不变，而且薄板的两个表面不受外力作用。 平面应变：指所有的应变都在一个平面内。 平面应变问题比如压力管道、水坝等，这类弹性体是具有很长的纵向轴的柱形物体，横截面大小和形状沿轴线长度不变，作用外力与纵向轴垂直，且沿长度不变，柱体的两端受固定约束。,第一节 线弹性条件下金属断裂韧度,9,（一）裂纹尖端应力场,由于裂纹扩展是从尖端开始进行的，所以应该分析裂纹尖端的应力、应变状态，建立裂纹扩展的力学条件。 欧文（G. R. Irwin）等人对I型（张开型）裂纹尖端附近的应力应变进行了分析，建立了应力场、位移场的数学解析式。,第一节 线弹性条件下金属断裂韧度,10,应力分量：,第一节 线弹性条件下金属断裂韧度,11,位移分量（平面应变状态）：,第一节 线弹性条件下金属断裂韧度,12,（二）应力场强度因子KI,裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定其位置外，尚与强度因子KI有关。 对于某一确定的点，其应力分量由KI决定，所以对于确定的位置，KI直接影响应力场的大小，KI增加，则应力场各应力分量也越大。 因此，KI就可以表示应力场的强弱程度，称为应力场强度因子。,第一节 线弹性条件下金属断裂韧度,13,第一节 线弹性条件下金属断裂韧度,14,第一节 线弹性条件下金属断裂韧度,15,（三）断裂韧度KIc和断裂K判据,KI是决定应力场强弱的一个复合力学参量，就可将它看作是推动裂纹扩展的动力，以建立裂纹失稳扩展的力学判据与断裂韧度。 当和a单独或共同增大时，KI和裂纹尖端的各应力分量随之增大。 当KI增大到临界值时，也就是说裂纹尖端足够大的范围内应力达到了材料的断裂强度，裂纹便失稳扩展而导致断裂。 这个临界或失稳状态的KI值就记作KIC或KC，称为断裂韧度。,第一节 线弹性条件下金属断裂韧度,16,KIC：平面应变下的断裂韧度，表示在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。 KC：平面应力断裂韧度，表示平面应力条件材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。 但KC值与试样厚度有关，当试样厚度增加，使裂纹尖端达到平面应变状态时，断裂韧度趋于一个稳定的最低值，就是KIC，与试样厚度无关。 在临界状态下所对应的平均应力，称为断裂应力或裂纹体断裂强度，记为c，对应的裂纹尺寸称为临界裂纹尺寸，记作ac。,第一节 线弹性条件下金属断裂韧度,17,KI和KIC的区别：,应力场强度因子KI增大到临界值KIC时，材料发生断裂，这个临界值KIC称为断裂韧度。 KI是力学参量，与载荷、试样尺寸有关，而和材料本身无关。 KIC是力学性能指标，只与材料组织结构、成分有关，与试样尺寸和载荷无关。 根据KI和KIC的相对大小，可以建立裂纹失稳扩展脆断的断裂K判据，由于平面应变断裂最危险，通常以KIC为标准建立：,第一节 线弹性条件下金属断裂韧度,18,（四）裂纹尖端塑性区及KI的修正,从理论上来讲，按KI建立的脆性断裂判据KIKIC，只适用于弹性状态下的断裂分析。 实际上，金属材料在裂纹扩展前，其尖端附近总要先出现一个或大或小的塑性变形区，这与缺口前方存在塑性区间相似，在塑性区内应力应变关系不是线性关系，上述KI判据不再适用。 试验表明：如果塑性区尺寸较裂纹尺寸a和静截面尺寸很小时，小一个数量级以上，在小范围屈服下，只要对KI进行适当修正，裂纹尖端附近的应力应变场的强弱程度仍可用修正的KI来描述。,第一节 线弹性条件下金属断裂韧度,19,1. 塑性区的形状和尺寸,为确定裂纹尖端塑性区的形状与尺寸，就要建立符合塑性变形临界条件的函数表达式r=f()，该式对应的图形就代表塑性区边界形状，其边界值就是塑性区的尺寸。 根据材料力学，通过一点的主应力1、2、3和 x 、y 、z方向的各应力分量的关系为：,第一节 线弹性条件下金属断裂韧度,20,裂纹尖端附近任一点P(r,)的主应力：,第一节 线弹性条件下金属断裂韧度,21,塑性区边界曲线方程：,第一节 线弹性条件下金属断裂韧度,22,第一节 线弹性条件下金属断裂韧度,23,为了说明塑性区对裂纹在x方向扩展的影响，就将沿x方向的塑性区尺寸定义为塑性区宽度，取=0，就可以得到塑性区宽度：,第一节 线弹性条件下金属断裂韧度,24,上述估算指的是在x轴上裂纹尖端的应力分量yys的一段距离AB，而没有考虑图中影线部分面积内应力松弛的影响。 这种应力松弛可以增大塑性区，由r0扩大至R0。 图中ys是在y方向发生屈服时的应力，称为y向有效屈服应力，在平面应力状态下，ys=s，在平面应变状态下， ys=2.5s。,第一节 线弹性条件下金属断裂韧度,25,为求R0，从能量考虑，影线面积+矩形面积ABDO=面积ACEO，即有,积分，得：,将平面应力的r0值代入，且ys=s，得：,可见，在平面应力条件下，考虑了应力松弛之后，平面应力塑性区宽度正好是r0的两倍。,第一节 线弹性条件下金属断裂韧度,26,厚板在平面应变条件下，塑性区是一个哑铃形的立体形状。中心是平面应变状态，两个表面都处于平面应力状态，所以y向有效屈服应力ys小于2.5s，取：,第一节 线弹性条件下金属断裂韧度,27,此时，平面应变的实际塑性区的宽度为：,在应力松弛影响下，平面应变塑性区的宽度为：,所以在平面应变条件下，考虑了应力松弛的影响，其塑性区宽度R0也是原r0的两倍。,第一节 线弹性条件下金属断裂韧度,28,第一节 线弹性条件下金属断裂韧度,29,2. 有效裂纹及KI的修正,由于裂纹塑性区的存在，将会降低裂纹体的刚度，相当于增加了裂纹长度，因而影响了应力场及KI的计算，所以要对KI进行修正。 最简单的方法是采用虚拟有效裂纹代替实际裂纹。 如果将裂纹延长为a+ry，即裂纹顶点由O点虚移至O，则称a+ry为有效裂纹长度，则在尖端O外的弹性应力s分布为GEH，基本上与因塑性区存在的实际应力曲线CDEF中的弹性应力部分EF相重合。 这就是用有效裂纹代替原有裂纹和塑性区松弛联合作用的原理。,第一节 线弹性条件下金属断裂韧度,30,2. 对于大件表面半椭圆裂纹， ，所以KI的修正公式为：,修正的KI值为：,例如，1. 对于无限板的中心穿透裂纹，考虑塑性区影响时，Y=1/2，所以KI的修正公式为：,第一节 线弹性条件下金属断裂韧度,31,一、试样的形状、尺寸及制备,第二节 断裂韧度KIC的测试,32,由于这些尺寸比塑性区宽度R0大一个数量级，所以可以保证裂纹尖端是平面应变和小范围屈服状态。 试样材料、加工和热处理方法也要和实际工件尽量相同，试样加工后需要开缺口和预制裂纹。,第二节 断裂韧度KIC的测试,33,二、测试方法,第二节 断裂韧度KIC的测试,34,由于材料性能及试样尺寸不同，F-V曲线有三种类型： 1. 材料较脆、试样尺寸足够大时，F-V曲线为III型 2. 材料韧性较好或试样尺寸较小时，F-V曲线为I型 3. 材料韧性或试样尺寸居中时，F-V曲线为II型,从F-V曲线确定FQ的方法：,第二节 断裂韧度KIC的测试,35,一、KIC与常规力学性能指标之间的关系 （一） KIC与强度、塑性间的关系 对于穿晶解理断裂，裂纹形成并能扩展要满足一定的力学条件，即拉应力要达到c，而且拉应力必须作用有一定范围或特征距离，才可能使裂纹过界扩展，从而实现解理断裂。 无论是解理断裂还是韧性断裂， KIC都是强度和塑性的综合性能，而特征距离是结构参量。,第三节 影响断裂韧度KIC的因素,36,（二） KIC与冲击吸收功AKV之间的关系 由于裂纹和缺口不同，以及加载速率不同，所以KIC和AKV的温度变化曲线不一样，由KIC确定的韧脆转变温度比AKV的高。,第三节 影响断裂韧度KIC的因素,37,二、影响KIC的因素,（一）材料成分、组织对KIC的影响 1. 化学成分的影响 2. 基体相结构和晶粒大小的影响 3. 杂质和第二相的影响 4. 显微组织的影响,第三节 影响断裂韧度KIC的因素,38,（二）影响KIC的外界因素,1. 温度 通常钢的KIC都随着温度的降低而下降，然而KIC的变化趋势不同。 中低强度钢都有明显的韧脆转变现象，在tk以上，材料主要是微孔聚集型的韧性断裂， KIC较高，而在tk以下，材料主要为解理型脆性断裂， KIC很低。 2. 应变速率 应变速率提高，可使KIC下降，通常应变速率每增加一个数量级，KIC约下降10%。但是当应变速率很大时，形变热量来不及传导，造成绝热状态，导致局部升温，KIC又有所增加。,第三节 影响断裂韧度KIC的因素,39,第四节 断裂韧度在金属材料中的应用举例,40,第四节 断裂韧度在金属材料中的应用举例,41,第四节 断裂韧度在金属材料中的应用举例,42,第四节 断裂韧度在金属材料中的应用举例,43,四、大型转轴断裂分析,第四节 断裂韧度在金属材料中的应用举例,44,第四节 断裂韧度在金属材料中的应用举例,45,第四节 断裂韧度在金属材料中的应用举例,46,五、评定钢铁材料的韧脆性,第四节 断裂韧度在金属材料中的应用举例,1、超高强度钢的脆断倾向 2、中、低强度钢的脆断倾向 3、高强度钢的脆断倾向 4、球墨铸铁的脆断倾向,47,1、名词解释 （1）低应力脆断,高强度、超高强度钢的机件 ，中低强度钢的大型、重型机件在屈服应力以下发生的断裂。,思考题与习题,（2）张开型（I 型）裂纹,拉应力垂直作用于裂纹扩展面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展的裂纹。,（3）应力场强度因子,在裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于位置外，尚与强度因子 有关，对于某一确定的点，其应力分量由 确定， 越大，则应力场各点应力分量也越大，这样 就可以表示应力场的强弱程度，称 为应力场强度因子。 “I”表示I型裂纹。,48,（4）小范围屈服,塑性区的尺寸较裂纹尺寸及净截面尺寸为小时（小一个数量级以上），这就称为小范围屈服。,思考题与习题,（5）有效屈服应力,裂纹在发生屈服时的应力。,（6）有效裂纹长度,因裂纹尖端应力的分布特性，裂尖前沿产生有塑性屈服区，屈服区内松弛的应力将叠加至屈服区之外，从而使屈服区之外的应力增加，其效果相当于因裂纹长度增加ry后对裂纹尖端应力场的影响，经修正后的裂纹长度即为有效裂纹长度: a+ry。,49,（7）裂纹扩展K判据,裂纹在受力时只要满足 ， 就会发生脆性断裂。反之，即使存在裂纹，若 也不会断裂。,思考题与习题,（8）裂纹扩展能量释放率GI,I型裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值。,（9）,裂纹张开位移。,50,3、试述低应力脆断的原因及防止方法。,低应力脆断的原因：在材料的生产、机件的加工和使用过程中产生不可避免的宏观裂纹，从而使机件在低于屈服应力的情况发生断裂。 预防措施：将断裂判据用于机件的设计上，在给定裂纹尺寸的情况下，确定机件允许的最大工作应力，或者