材料的断裂韧性PPT演示课件

第五章材料的断裂韧性,5.1断裂韧性的基本概念5.2裂纹尖端附近的应力场5.3裂纹尖端塑性区的大小及修正5.4裂纹扩展的能量释放率5.5断裂韧性的影响因素5.6平面应变断裂韧性KIC测试方法5.7弹塑性状态的断裂韧性,1,实例之一：二战期间，美国250艘全焊接战时标准船的断裂事故，其中10艘在平静港湾突然一断为二。,1943年美国T-2油轮发生断裂,北极星导弹,实例之二：50年代末60年代初，美国在发射北极星导弹试验中多次发生发动机壳体爆炸事故。调查表明：壳体材料160Kgf/mm2，工作应力70Kgf/mm2，常规强度没有问题，但在爆炸碎片中发现残留的宏观裂纹。,引言,2,3,4,5,6,7,5.1断裂韧性的概念,（Y与裂纹形状、试样几何尺寸和加载方式有关）,（该常数与裂纹大小、几何形状及加载方式无关，而取决于材料本身）,断裂韧性,KIC表征材料抵抗裂纹失稳扩展的能力,含裂纹试样的断裂应力与试样内部裂纹尺寸的试验结果：,8,一、裂纹体的三种位移方式,9,二、平面应力状态与平面应变状态,对于张开型裂纹试样，拉伸或弯曲时，其裂纹尖端处于复杂的应力状态，最典型的是平面应力和平面应变两种应力状态。,平面应变状态的塑变困难，裂纹易于扩展，其断裂时的脆性表现明显，是一种较危险的应力状态。,1.平面应力状态：在z方向可自由变形而不受约束，z=0但z0，为两向拉应力状态，一般为薄板的受力状态；2.平面应变状态：在z方向上受约束而不可自由变形，z=0但z=(X+Y)0，为三向拉应力状态，为厚板的受力状态。,10,5.2裂纹尖端附近的应力场,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，可以用弹性力学理论研究低应力脆断的裂纹扩展问题线弹性断裂力学。,11,12,型中心贯穿裂纹,13,14,15,(KI量纲：MPam1/2或MNm-3/2),a裂纹半长；外应力；Y形状系数，与裂纹形状、试样尺寸和加载方式有关，为无量纲量，一般Y=12,K综合反映了试样尺寸、外加应力和裂纹长度对裂纹尖端应力场强度的影响，可以看作是推动裂纹扩展的动力。,16,中心穿透I型裂纹,形状系数Y的计算很复杂，实际应用中，可根据裂纹形状、试样尺寸和加载方式查手册。,17,18,应力强度因子KI和断裂韧性,当和a单独或共同增大时，KI和裂纹尖端的各应力分量等随之增大；当KI增大到临界值时，即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应力场强度因子称为临界应力场强度因子。平面应力条件下用KC表示，平面应变条件下用KIC表示，统称为断裂韧性。,KI是描述裂纹尖端应力场强度的一个力学参量；,同一材料的KCKIC。,19,裂纹失稳扩展的临界状态所对应的平均应力，称为断裂应力或裂纹体的断裂强度，记为c；对应的裂纹尺寸称为临界裂纹尺寸，记为ac，三者的关系为,K判据：,20,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，这个临界值就是断裂韧性KIC。KI是裂纹前端内应力场强度的度量，是力学参量，与载荷、裂纹大小和形状有关，而和材料本身无关。KIC是材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，与裂纹大小、形状和外加载荷无关，是力学性能指标，只与材料成分、组织结构（热处理及加工工艺）有关。,21,有一实际使用应力的构件，可选用两种钢材的参数为：,乙钢：,甲钢：,例：,设钢材的几何形状因子Y=1.5，最大裂纹尺寸C=2mm，问：选择哪种材料较合适？,22,思考题：,23,5.3裂纹尖端塑性区的大小及修正,由弹性应力场公式：,r0时，y，但对韧性材料，当s时，发生塑性变形，其结果是材料在裂纹扩展前，其尖端附近出现塑性变形区，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r0远小于裂纹尺寸a（r0/ar0的区域），使r0前方局部地区的应力升高，又导致这些地方发生屈服。这种应力松弛可以增大塑性区，由r0扩大至R0。ys为有效屈服应力，即塑性屈服中的最大主应力1：,通常地：,30,为求R0，从能量考虑：,将平面应力的r0值代入，且ys=s，得：,即平面应力条件下，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。,已松弛,未松弛,31,同理，平面应变的实际塑性区宽度为：,在应力松弛影响下：,所以无论在平面应力还是平面应变条件下，考虑了应力松弛的影响，其塑性区宽度R0是原r0的两倍。,/,/,32,33,有效裂纹及KI的修正：,裂纹塑性区的存在需对KI进行修正。Irwin（欧文）提出等效裂纹概念，以有效裂纹代替实际裂纹。,有效裂纹长度a+ry,修正方法：在R0处，真实裂纹塑性区边界的应力ys和等效裂纹应力相等,34,对于无限板的中心穿透裂纹，考虑塑性区影响时，KI的修正公式为：,修正后，KI值变大，对平面应力状态，当0.7s时，需要修正。当r0/a0.1时，线弹性断裂力学已不适用，要采用弹塑性断裂力学。,35,一块含有长为16mm中心穿透裂纹的钢板，受到350MPa垂直于裂纹平面的应力作用。（1）如果材料的屈服强度是1400MPa，求塑性区尺寸和裂纹顶端有效应力场强度因子值；(2)如果材料的屈服强度为385MPa，求塑性区尺寸和裂纹顶端有效应力场强度因子值。,例：,36,5.4裂纹扩展能量释放率GI,通过分析裂纹扩展过程中能量转化讨论断裂条件。,裂纹扩展能量释放率定义：裂纹扩展单位面积时，弹性系统所能释放（或提供）的能量，也叫裂纹扩展力（GI）。,(量纲为MJm-2或Mpam),当裂纹长度（中心穿透裂纹）为2a，裂纹体的厚度（板厚）为B时,37,令B=1,平面应力条件下,平面应变条件下,可知，GI也是应力和裂纹尺寸a的复合参量,38,断裂韧性GIC和断裂G判据,随着和a单独或共同增大，都使GI增大。当GI增大到某一临界值时，GI能克服裂纹失稳扩展的阻力，则裂纹失稳扩展断裂。平面应力条件下将GI的临界值记为GI，平面应变条件下记为GIC，称为断裂韧性，单位与GI相同，是材料固有的性质。临界断裂条件下对应的平均应力为断裂应力c，对应的裂纹尺寸为临界裂纹尺寸ac。,GIGIC裂纹失稳扩展,G判据,平面应力,平面应变,39,GIC与KIC的关系,K判据应用更方便，G判据物理意义更明确。,GIC断裂判据仍然建立在线弹性断裂力学的基础上，与KIC一样也仅适用于脆性材料的断裂分析，不适于塑性较好材料的裂纹扩展的判据。,历史上，先G后K，G（1921，Griffith），K（1957，Orwin）,40,思考题：,低合金钢厚板的断裂韧性在-20时的GIC5.110-2MN/m，GIC值随温度成比例地减小，每下降10，降低1.310-2MN/m，如果这块板上有长度为10mm的裂纹，问在-50时的断裂应力c是多少?(E=2105MN/m2，v=0.3),41,5.5断裂韧性的影响因素,1、化学成分固溶强化和沉淀强化降低了材料的塑性，KIC下降；2、基体相结构奥氏体钢比铁素体钢、马氏体钢容易发生滑移塑性变形，所以KIC大，如果发生奥氏体马氏体相变，KIC进一步提高。3、晶粒尺寸一般地，晶粒越小，应变硬化指数n和断裂强度c增大，所以KIC增大。4、杂质和第二相非金属杂质和第二相导致KIC下降。5、显微组织板条马氏体组织具有良好的塑性和断裂韧度；残余奥氏体作为韧性第二相能显著提高KIC。,一、材料成分、组织结构的影响,42,二、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。,3、试样尺寸当板较薄时内部应力处于平面应力状态，断裂韧性为KC；厚度增大时，内部应力为平面应变状态，断裂韧性KIC下降。如高强度马氏体时效钢KC随厚度而下降，只有当板足够厚时，断裂韧性才等于KIC。,2.应变速率增加应变速率相当于降低温度，可使KIC下降。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。,43,试样尺寸对材料断裂韧性的影响,44,5.6平面断裂韧性KIC的测试,一、测定KIC的试样通常使用三点弯曲试样和紧凑拉伸试样，试样要预制疲劳裂纹。前者加工比较简单，使用较多。,三点弯曲试样,紧凑拉伸试样,缺口利用线切割机加工，预制裂纹利用高频疲劳试验机获得，其长度不小于1.5mm。韧带宽度是试样宽度W与裂纹长度a之差，即W-a。,45,B：试样厚度；W：试样宽度或高度；：预制疲劳裂纹长度。,当满足：,平面应变下裂纹顶端塑性区的最大值为：,可保证试样有足够的厚度，即裂纹顶端处平面应变属于小范围屈服状态。因为此时R0/B、R0/a、R0/(W-a)=0.044，小于0.1,46,在万能材料试验机上进行；,二、测试方法,测量裂纹张开位移V及载荷P之间的的关系曲线，即PV曲线（由动态应变仪及X-Y函数记录仪记录绘制)。,47,做一直线与弹性部分的斜率少5%，以确定与裂纹扩展2%时相对应的载荷P5。如P5前无比P5大的载荷，则PQ=P5；如P5前有比P5大的载荷，此最高载荷为PQ。,PV曲线,试样厚度与材料韧性不同，从函数记录仪中所得PV曲线