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，或者当机件的工作应力确定后，根据断裂判据确定机件不发生脆性断裂时所允许的最大裂纹尺寸。,思考题与习题,51,4、为什么研究裂纹扩展的力学条件时不用应力判据而用其它判据？,由4-1可知，裂纹前端的应力是一个变化复杂的多向应力，如用它直接建立裂纹扩展的应力判据，显得十分复杂和困难；而且当r0时，不论外加平均应力如何小，裂纹尖端各应力分量均趋于无限大，构件就失去了承载能力，也就是说，只要构件一有裂纹就会破坏，这显然与实际情况不符。这说明经典的强度理论单纯用应力大小来判断受载的裂纹体是否破坏是不正确的。因此无法用应力判据处理这一问题。因此只能用其它判据来解决这一问题。,思考题与习题,52,6、试述K判据的意义及用途。,K判据解决了经典的强度理论不能解决存在宏观裂纹为什么会产生低应力脆断的原因。K判据将材料断裂韧度同机件的工作应力及裂纹尺寸的关系定量地联系起来，可直接用于设计计算，估算裂纹体的最大承载能力、允许的裂纹最大尺寸，以及用于正确选择机件材料、优化工艺等。,思考题与习题,53,7、试述裂纹尖端塑性区产生的原因及其影响因素。,机件上由于存在裂纹，在裂纹尖端处产生应力集中，当y趋于材料的屈服应力时，在裂纹尖端处便开始屈服产生塑性变形，从而形成塑性区。 影响塑性区大小的因素有：裂纹在厚板中所处的位置，板中心处于平面应变状态，塑性区较小；板表面处于平面应力状态，塑性区较大。但是无论平面应力或平面应变，塑性区宽度总是与（KIC/s)2成正比。,思考题与习题,