材料的断裂和韧性PPT课件.ppt

固体材料在力的作用下分成若干部分的现象称为断裂 材料的断裂是力对材料作用的最终结束 它意味着材料的彻底失效 因材料断裂而导致的机件失效与其他失效方式 如磨拙 腐蚀等 相比危害性最大 并且可能出现灾难性的后果 因此 研究材料断裂的宏观与微观构征 断裂机理 断裂的力学条件 以及影响材料断裂的各种因素不仅具有重要的科学意义 而且也有很大的实用价值 1 5材料的断裂和强度 12 29 201910 34 41AM Chapter3PropertiesofMaterials 1 一 断裂的类型 材料的断裂过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶段 随着材料温度 应力状态 加载速度的不同 材料的断裂表现出多种类型 按照不同的分类方法 将断裂分为以下几种 根据断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形的程度脆性断裂 韧性断裂 按照晶体材料断裂时裂纹扩展的途径穿晶断裂 沿晶断裂 根据断裂机理分类解理断裂 剪切断裂 根据断裂面的取向分类正断 切断 12 29 201910 34 41AM Chapter3PropertiesofMaterials 2 1 金属材料的韧性断裂与脆性断裂韧性断裂 延性断裂 是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程 韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢 而且要消耗大量塑性变形能 韧性断裂的断口一般平行于最大切应力 并与主应力成45o角 用肉眼或放大镜观察时 往往呈暗灰色 纤维状 纤维状是塑性变形过程中 众多微细裂纹的不断扩展和相互连接造成的 而暗灰色则是纤维断口表面对光的反射能力很弱所致 12 29 201910 34 41AM Chapter3PropertiesofMaterials 3 脆性断裂是材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形 没有明显预兆 往往表现为突然发生的快速断裂过程 因而具有很大的危险性 脆性断裂的断口 一般与正应力垂直 宏观上比较齐平光亮 常呈放射状或结晶状 淬火钢 灰铸铁 陶瓷 玻璃等脆性材料的断裂过程及断口常具有上述特征 12 29 201910 34 41AM Chapter3PropertiesofMaterials 4 2 高分子材料的脆性断裂和韧性断裂 脆韧判据 断裂面形貌 曲线断裂伸长率或断裂能 12 29 201910 34 41AM Chapter3PropertiesofMaterials 5 12 29 201910 34 41AM Chapter3PropertiesofMaterials 6 12 29 201910 34 41AM Chapter3PropertiesofMaterials 7 12 29 201910 34 41AM Chapter3PropertiesofMaterials 8 12 29 201910 34 41AM Chapter3PropertiesofMaterials 9 12 29 201910 34 41AM Chapter3PropertiesofMaterials 10 12 29 201910 34 41AM Chapter3PropertiesofMaterials 11 12 29 201910 34 41AM Chapter3PropertiesofMaterials 12 12 29 201910 34 41AM Chapter3PropertiesofMaterials 13 12 29 201910 34 41AM Chapter3PropertiesofMaterials 14 12 29 201910 34 41AM Chapter3PropertiesofMaterials 15 理论强度与弹性模量 表面能 晶格间距等材料常数有关 要想得到高强度的固体 就要求E 大 而a小通常g 0 01aE 因此一般材料的sth 30GPa E 10 相当高 材料实际断裂强度一般比理论结合强度低几个数量级 只有理论值的1 100 1 1000 这是由于存在缺陷 裂纹的结果 仅晶须或一些极细纤维材料具有接近于理论强度的实际强度 结论 12 29 201910 34 41AM Chapter3PropertiesofMaterials 16 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 17 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 18 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 19 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 20 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 21 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 22 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 23 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 24 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 25 型或张开型 掰开型 裂纹扩展外加拉应力与裂纹扩展面垂直裂纹沿作用力方向张开 沿裂纹面扩展轴的横向裂纹在轴向拉力或弯曲力作用下的扩展容器纵向裂纹在内压力的扩展 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 26 2 型或滑开型裂纹扩展外加切应力平行于裂纹面并垂直于裂纹前缘线裂纹沿裂纹面平行滑开扩展轮齿或花键根部沿切线方向的裂纹 或受扭转的薄壁圆筒上的环形裂纹 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 27 3 型或撕开型裂纹扩展外加切应力既平行于裂纹面又平行于裂纹前缘线裂纹沿裂纹面撕开扩展圆轴上有一环形切槽 受到扭转作用引起的断裂形式 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 28 说明 实际裂纹的扩展并不局限于这三种形式 往往是它们的组合 如 型复合型裂纹扩展 在这些不同的裂纹扩展形式中 以 型即张开型裂纹扩展最危险 容易引起低应力脆断 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 29 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 30 2019 12 29 31 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 32 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 33 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 34 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 35 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 36 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 37 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 38 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 39 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 40 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 41 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 42 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 43 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 44 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 45 二 裂纹的快速扩展 按照格里菲斯 Griffith 微裂纹理论 材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量 而是取决于裂纹的大小 即由最危险的裂纹尺寸 临界裂纹尺寸 决定材料的断裂强度 裂纹一旦超过临界尺寸就迅速扩展使材料断裂 讨论 裂纹迅速扩展的条件 裂纹扩展阻力 裂纹扩展力 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 46 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 47 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 48 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 49 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 50 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 51 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 52 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 53 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 54 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 55 除气孔率外 气孔的性状及分布也很重要 气孔多存在于晶界上 往往成为裂缝的开裂源 利处 存在高热应力梯度 如热震引起的应力 时 气孔能起到容纳变形 阻止裂纹扩展的作用 害处 三 同时考虑晶粒尺寸和气孔的影响 2 18 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 56 应力场强度因子KI 几何形状因子Y 平面应变断裂韧性KIC 临界应力 c简述KI与KIC的区别脆性断裂与韧性断裂的特点及区别 例 高聚物是否在任何条件下都发生脆性断裂或韧性断裂 为什么 写出Griffith脆性断裂理论的判断公式 并说明各参数的物理意义 根据该公式简述提高材料断裂强度的措施写出材料脆断的断裂K判据公式 并说明各参数的物理意义 裂纹扩展的三种基本形式及特点 防止裂纹扩展的措施 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 57 计算题 1 有一大型板件 材料的KIC 115MPa m1 2 经探伤发现有一30mm长的横向穿透裂纹 若工作应力为500MPa 试计算KI并判断该零件是否安全 见右图 12 29 201910 34 42AM Chapter3PropertiesofMaterials 58 2 计算 a 有一材料 模量E 200GPa 单位面积的表面能 8J m2 试计算在70MPa的拉应力作用下 该裂纹的临界裂纹长度 若该材料裂纹尖端的变形塑性功 p 400J m2 该裂纹的临界裂纹长度又为多少 利用Griffith公式和Orowan修正公式计算 b 已知 Fe的 100 晶面是解理面 其表面能是2J m2 杨