第四章 金属的断裂韧度 20151110

1、 零件所受到的载荷工作应力零件本身形状尺寸材料本身的内部缺陷和加工或服役过程中形成的微小裂纹的存在裂纹附近产生应力集中和复杂应力状态造成构件在按材料力学设计的许用应力以下的破坏即所谓“低应力脆断问题低应力脆断问题”裂纹突然扩展裂纹逐步扩展IKICKIGICG第一类裂纹第二类裂纹第三类裂纹IKICK12123cos1 sinsin22223cos1 sinsin22220()xyzzxyarar 薄板，平面应力状态（厚板，平面应变状态）假设 IKaFracture Toughness应力场强度因子应力场强度因子0时，在裂纹延长线上的应力分布 IxyxyK2 r0拉应力分量最大，裂纹最容易沿着x轴

2、方向扩展 平面应力状态下的表达式第一类裂纹第二类裂纹第三类裂纹IKIKaMPa m32MN mIKYaIKYaIKmaxmintnoalKKICKKIICKKICYaKKK当K1达到临界值K1C时，零件内裂纹将发生失失稳扩展稳扩展而出现低应力脆性断裂低应力脆性断裂，而K1K1C时，零件安全可靠（破损安全）IKICKS1222212233112ss13max22sss根据弹性理论计算出裂纹尖端应力分布 Eq.(4-1)根据一般应力状态与主应力状态间的换算关系计算出裂纹尖端处主应力 Eq.(4-8)平面应力与与平面应变条件下裂纹尖端处屈服区形状屈服区形状曲线方程 Eq(4-9)Von Mises

3、Criterion0r yssysys2I00sK1R2r0002rIysKdrRr002Rryss平面应力状态（薄板）2.51 2(0.3)3(1/3)sysss 平面应变状态（厚板）或IKIKIKIKyaar O1O1yOOry001Rr2r IyKYa rI22sI22sYaK10.16Y/YaK10.056Y/（平面应力）（平面应变）大件表面椭圆形裂纹Eq.(4-18)薄板平面应力状态应力场强度因子厚板平面应变状态应力场强度因子无限大平板中心穿透裂纹Eq.(4-17)薄板平面应力状态应力场强度因子厚板平面应变状态应力场强度因子/S /S /0.7S 10% 010yaRrr2C3.2I

4、sKa2C0.56IsKa22.5ICsKaIGICG2epsWUA pS()(2)eUWA 设等式左为裂纹扩展设等式左为裂纹扩展动力动力U，系统势能，系统势能裂纹扩展阻力裂纹扩展阻力物理意义：弹性体应变能 外力对弹性体做功提供裂纹扩展所需能量IUGA裂纹扩展能量释放率 恒位移与恒载荷下的 Eq.(4-25) IG平面应力与平面应变状态下的 Eq.(4-26) IGIICGGICKIG20012IsKRrsICKICJUeUW()IeUGUWaa eeUdUdVdxdyWdWu TdsuJdyTdsxIIJG011limIaUUJBaBa ICKCs8lnsec2scsaE8lnsec2scc

5、csaEcs2saE2cccsaE22cccccsssaKGEE222(1)IccIcssGKnEn2222.5,2.5,()2.5ICICICSSSKKKBaWa斜率减少5%，裂纹扩展2%时载荷值FQ条件裂纹失稳扩展载荷maxF0.2ICKa/2%a a5QFFQFmaxFmaxQFFQKICK22.5(/)QsBKmax/1.10QFF QICKKICK2ICTKEndTd裂纹跨越第二相的断裂（仅适用于弹性体） 1/21/21/2/nnI CCyCKXCYnCX解理断裂应力；屈服断裂应力；应变硬化指数；特征距离，对于低碳钢为23个晶粒尺寸。1/2*I CYfCKEX EY*fCX拉伸弹性模量；屈服强度；临界断裂应变；特征距离，第二相质点间的平均距离。ICKKVA2ktt0ttICKICKICKICKICKICKICKICKICKICKICKICKICKICKICKICKICKICKICKICKICKICKICKICKICKICKICKICKICK1/21/21/2ICK2 a