材料力学性能第5章ppt课件

1、整理课件整理课件整理课件断裂分类：韧性断裂（韧性断裂（ductile fractureductile fracture）和和脆性断裂脆性断裂(brittle fracture)两大类。在不同的场合下，用不同的术语描述断裂的特征。解理断裂、沿晶断裂和微孔聚合型的延性断裂，是指断裂的微观机制。穿晶断裂和沿晶断裂，是指裂纹扩展路线。正断和切断，是指引发断裂的缘因和断裂面的取向；整理课件整理课件5.2 脆性断裂 脆性断裂的宏观特征，理论上讲，是断裂前不发生塑性变形，而裂纹的扩展速度往往很快，接近音速。 脆性断裂前无明显的征兆可寻，且断裂是突然发生的，因而往往引起严重的后果。因此，防止脆断。整理课件整理

2、课件整理课件整理课件解理台阶可认为是通过解理裂纹与螺旋位错交割而形成，见图5-2；也可认为通过二次解理或撕裂而形成.解理断裂的另一个微观特征是舌状花样，见图5-5；它类似于伸出来的小舌头，是解理裂纹沿孪晶界扩展而留下的舌状凸台成凹坑。整理课件整理课件解理阶解理阶整理课件解理羽毛解理羽毛整理课件整理课件整理课件整理课件准解理准解理整理课件整理课件沿晶断裂的原因大致有：晶界存在连续分布的脆性第二相，微量有害杂质元素在晶界上偏聚，由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力腐蚀、应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。钢 的 高 温 回 火 脆 性 是 微 量 有 害 元 素P,Sb,As,Sn等偏聚于晶

3、界，降低了晶界原子间的结合力，从而大大降低了裂纹沿晶界扩展的抗力，导致沿晶断裂。整理课件图5-9 沿晶断裂的断口形貌整理课件整理课件整理课件整理课件整理课件如用实际晶体的E，a。，值代入式(5-6)计算，例如铁，E=2105 MPa,a0=2.510-10 m，=2 J/m2, 则m4104 MPaE/5。高强度钢，其强度只相当于E/100，相差20倍倍。在实际晶体中必有某种缺陷,使其断裂强度降低。整理课件整理课件无限宽板中无限宽板中GriffithGriffith裂纹的能量平衡裂纹的能量平衡整理课件整理课件整理课件整理课件整理课件整理课件Griffith-Orowan-Irwin公式实际金属

4、材料在纹尖端处发生塑性变形，需要塑性变形功Wp，Wp的数值往往比表面能大几个量级，是裂纹扩展需要克服的主要阻力。因而，需要修正为:c=E（2+Wp）/a 1/2 (5-17)这就是Griffith-Orowan-Irwin公式。需要强调的是，Griffith理论的前提是材料中已存在着裂纹，但不涉及裂纹来源。整理课件整理课件整理课件整理课件整理课件整理课件整理课件整理课件目前, 快速剪切裂开的认识还不够深入，但知道应变强化指数低的材料容易产生剪切裂开。这是因为应变强化阻碍已滑移区的进一步滑移，使滑移均匀，不易产生局部的剪切变形。此外,多向拉应力促使材料处于脆性状态，也容易产生剪切断开。整理课件整

5、理课件整理课件整理课件整理课件00三向不等 拉伸 2sKsk = s整理课件整理课件00qsscnotchno notchStressTemperature整理课件整理课件整理课件整理课件合金元素的影响比较复杂，镍、锰以固溶状态存在，降低韧脆转变温度，这可能与下列因素有关，提高了裂纹表面能；氮、碳等原子被吸收到Ni、Mn所造成的局部畸变区中去，减少了它们对位错运动的钉扎作用。在钢中形成化合物的合金元素，如铬、钼、钛等，是通过细化晶粒和形成第二相质点来响韧脆转变温度的，它和热处理后的组织密切相关。整理课件整理课件整理课件整理课件NbNAPmax2 2、切口强度、切口强度：用带切口的拉伸试件测定其

6、断裂时的名义应力(净断面平均应力)， 记为bN，整理课件3、切口敏感性切口强度对抗拉强度的比值定义为切口强度比NSR： NSR=bNb 若NSR1.0，表示材料对切口不敏感，或者说材料是切口韧性的； 若NSR1.0，则材料对切口敏感，材料是切口脆性的60。整理课件6.2 6.2 局部应力与局部应变局部应力与局部应变一受拉伸裁荷的薄板，其中的应力分布是均 匀的。若在板的中心钻一圆孔，则在孔的周围应力分布发生了很大的变化如图6-1所示； 在孔的边缘，拉应力最大，离孔边越远，应力越小。最后趋近于净断面平均应力，即名义应力名义应力n。 应力集中系数应力集中系数 Kt 的定义： Kt=max/n。 整理

7、课件图6-1 受拉伸的中心圆孔扳 整理课件6.3 切口强度的实验测定切口强度的实验测定切口强度通常用切口圆柱试件圆柱试件(见图6-5(a)或双切口双切口平板试件平板试件(见图6-5(b)，进行拉伸试验予以测定。 切口几何切口几何的三个主要参数为： 切口深度t、切口根部的曲率半径、切口张角 切口强度：切口强度：切口试件拉伸断裂最大载荷，除以切口处的净断面积。 切口断面收缩率切口断面收缩率，称为切口塑性切口塑性(Notch Ductility)。整理课件图6-5 切口试件与切口几何 整理课件整理课件图6-7 零件中的切口根部塑性区（1）和材料元（2）6.5 6.5 切口强度的估算切口强度的估算6.

8、5.1 6.5.1 切口根部裂纹形成准则切口根部裂纹形成准则 切口零构件或试件的断裂可能包含三个阶段：在切口根部形成裂纹形成裂纹，形成于切口根裂纹的亚临界扩展亚临界扩展，当裂纹达到临界尺寸时发生断裂断裂。裂纹在切口根部形成，可以假定是由切口根部材料元的断裂引起的，如图6-7所示。整理课件(1) 脆性材料-脆性材料遵循正应力断裂准则。Ktni=f (6-13) 式中ni为裂纹形成时切口试件所受的名义应力，或称切口根部裂纹形成应力。整理课件(2) 塑性材料 塑性材料遵循正应变断裂准则。Ktni=（Eff）1/2 (6-14) 公式(6-14）是塑性材料的切口根部裂纹起始准则 。(Eff）1/2可以

9、认为是工业金属结构材料理论强度值的一种量度。公式(6-14)的力学意义是：当切口根部虚拟的弹性应力Ktn达到理论断裂强度时，则裂纹在切口根部形成。整理课件在平面应变状态下，切口根部裂纹形成准则为Ktni=0.64（Eff）1/2 (6-15) 比较公式(6-14)和(6-15)，可以看出，平面应变状态下切口根部裂纹形成应力，仅为平面应力状态下的64。 整理课件切口敏感度系数切口敏感度系数：btffbnKENSR/切口强度比：切口敏感度系数：bfftbNEKNSRK/当 Kt1.0；当KtKbN，NSRf，金属在没有塑性变形的情况下发生断裂，即表现为脆性的； 而在Tc以上，s2.5(KIC/0.

10、2)2，W2B，a=0.45-0.55W，W-a=0.45-0.55W即韧带尺寸比R0大20倍以上。 实验教学录象整理课件 高强度结构材料断裂韧性的提高，对保证构件的安全，是很重要的。但是，某些韧化技术虽能有效地提高KIC，而付出的代价却很高。因此，要综合考虑韧化技术的技术经济效益，以决定取舍。3 3）热处理）热处理2 2）控制钢的成分和组织）控制钢的成分和组织7.7 7.7 金属的韧化金属的韧化1 1）提高冶金质量）提高冶金质量 整理课件7.9 7.9 裂纹尖端张开位移裂纹尖端张开位移7.9.1 7.9.1 线弹性条件下线弹性条件下CTOD的意义及表达式的意义及表达式 裂纹长度的概念: 裂纹

11、尖端由O点虚移到O点(见图7-13)，裂纹长度由a变为a*a+ry。由图看出，原裂纹尖端O处要张开，张开位移量为2V.这个张开位移就是CTOD，即。根据公式(7-2)，可求得，在平面应力条件下 =2V= （7-39） 裂纹尖端的张开位移张开位移CTOD( Crack Tip Opening Displacement)来间接表示应变量的大小；用临界张开位移临界张开位移c来表征材料的断裂韧性断裂韧性。整理课件图7-21 裂纹尖端张开位移 可见，与KI，GI可以定量换算。在小幅范围内，KIKIC，GIGIC既然可以作为断裂判据，则C亦可作为断裂判。 整理课件7.9.2 7.9.2 弹塑性条件下弹塑性

12、条件下CTODCTOD的意义及表达式的意义及表达式对大范围屈服，KI与GI已不适用，但CTOD仍不失其使用价值.整理课件图7-23 J积分的定义 7.10 J7.10 J积分积分 7.10.1 J7.10.1 J积分的意义和特性积分的意义和特性如图所示,设有一单位厚度(B=1)的I型裂纹体,逆时针取一回路，其所包围的体积内应变能密度为,回路上任一点作用应力为T.整理课件)(dsTxudyJ（7-53） 在弹塑性条件下，如将应变能密度定义为弹塑性应变能密度，也存在该式等号右端的能量线积分，称为J 积分。 JI为I型裂纹的能量线积分。在线弹性条件下可以证明，在弹塑性小应变条件下，也是成立的。还可证

13、明，在小应变条件下，J积分和路径无关，即J的守恒性。JI=GI=KI2/E, 或 JI=GI（7-54）整理课件)(1)1lim(aUBaUBJ（7-55） J积分也可用能量率的形式来表达积分也可用能量率的形式来表达，即在弹塑性小应变条件下，式(7-54) 成立，这是用试验方法测定JIC的理论根据。 整理课件024681 0024681 0BAaa +aPd is ta n c e7-24 J积分的形变功差率的意义 这便是J积分的形变功差率意义，是J积分的能量表达式，只要测出阴影面积OABO和a，便可计算JI值。(a) 载荷位移曲线(b)试样整理课件 需要指出，塑性变形是不可逆的，因此求J值必须单调加载加载，不能有卸载卸载现象。但裂纹扩展裂纹扩展意味着有部分区域卸载卸载，所以在弹塑性条件下，式（7-55）不能象GI那样理解为裂纹扩展时系统势能的释放率，而应理解为：裂纹相差单位长度的两个等同裂纹相差单位长度的两个等同试样，加载到等同位移时，势能差值与裂纹试样，加载到等同位移时，势能差值与裂纹面积差值的比率，即所谓形变功差率面积差值的比率，即所谓形变功差率。 正因为这样，通常J积分不能处理裂纹的连续扩张问题，其临界值只是开裂点，不一定是其临界值只是