材料力学性能第四章本课件

Mechanical properties of materials1第四章 材 料 的 断 裂 韧 性第四章第四章材材料料的的断断裂裂韧韧性性2第四章 材 料 的 断 裂 韧 性概述：概述：材料断裂力学的起源材料断裂力学的起源断裂断裂韧性断裂韧性断裂断裂前有明显的塑变。断裂前有明显的塑变。脆性断裂脆性断裂断裂前无明显的塑变，断裂前无明显的塑变，最危险的断裂方式最危险的断裂方式。工程设计中如何防止脆性断裂的发生？工程设计中如何防止脆性断裂的发生？第四章第四章材材料料的的断断裂裂韧韧性概述：性概述：材料断裂力学的起材料断裂力学的起3第四章 材 料 的 断 裂 韧 性传统力学：传统力学：理论上讲，满足上式进行的设计，构件不会理论上讲，满足上式进行的设计，构件不会发生断裂。发生断裂。但对于但对于高强度材料高强度材料制造的机件或制造的机件或中低强度钢中低强度钢制造的大型重型制造的大型重型机件，常常发生低应力脆断机件，常常发生低应力脆断 (1)(1)工作应力工作应力 1200MPa的高强度钢；厚截面的中强度钢；低温的高强度钢；厚截面的中强度钢；低温下的中低强度钢。下的中低强度钢。思考一下：从何处入手研究含裂纹体的受力与思考一下：从何处入手研究含裂纹体的受力与裂纹扩展的规律性问题？裂纹扩展的规律性问题？第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性二、裂性二、裂纹纹尖端的尖端的应应力力场场及及应应力力场场强强23什么是线弹性条件什么是线弹性条件：裂纹体各部分的应力和应变处于线弹性阶段，只裂纹体各部分的应力和应变处于线弹性阶段，只有裂纹尖端极小区域处于塑性变形阶段。有裂纹尖端极小区域处于塑性变形阶段。断裂力学研究问题的方法：断裂力学研究问题的方法：1 1应力应变分析方法应力应变分析方法研究裂纹研究裂纹尖端的尖端的应力应变应力应变场，提出应力场强度因子及对应的断裂韧度和场，提出应力场强度因子及对应的断裂韧度和K K判据；判据；2 2能量分析方法能量分析方法研究裂纹研究裂纹扩展时扩展时系统能量的变系统能量的变化，提出能量释放率及对应的断裂韧度和化，提出能量释放率及对应的断裂韧度和G G判据。判据。第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性什么是什么是线弹线弹性条件：第一性条件：第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性性24第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性 我们先采用方法我们先采用方法1 1，分析裂纹尖端附近的，分析裂纹尖端附近的任意点任意点P P（r r，）处的受力情况。）处的受力情况。研究对象：研究对象：无限宽板，含无限宽板，含长度为长度为2a2a的的中中心穿透心穿透裂纹，受双向拉应力，裂纹，受双向拉应力，如图所示。如图所示。由于是板状试样，要考虑是薄板还是厚板，由于是板状试样，要考虑是薄板还是厚板，即要考虑是平面应力还是平面应变情况，因即要考虑是平面应力还是平面应变情况，因为它们对应的应力应变状态不同。为它们对应的应力应变状态不同。第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性性我我们们先采用方法先采用方法1，分析，分析25第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性 裂纹尖端附近的应力场裂纹尖端附近的应力场第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性性裂裂纹纹尖端附近的尖端附近的应应力力场场26第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性 19571957年，年，IrwinIrwin（断裂力学的创始人）推导出裂（断裂力学的创始人）推导出裂纹尖端某点（纹尖端某点（r r，）处的受力公式：）处的受力公式：用一个通式来表示四个用一个通式来表示四个应力分量应力分量：第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性性1957年，年，I27第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性 上式中，上式中，是与是与P点位置（点位置（r，）有关的函数，）有关的函数，与与试样的形状试样的形状尺寸尺寸、裂纹的形状尺寸及位置、外力的加裂纹的形状尺寸及位置、外力的加载方式及大小载方式及大小等有关，用等有关，用K表示。由于是表示。由于是I型加载方式，所以又表示为型加载方式，所以又表示为KI。第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性性上式中，上式中，28第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性裂纹尖端任意一点的应力分量除了和该点的位置裂纹尖端任意一点的应力分量除了和该点的位置有关外，还取决于有关外，还取决于KI。如果裂纹尖端附近某一点。如果裂纹尖端附近某一点的位置一定，则该点的应力分量唯一决定于的位置一定，则该点的应力分量唯一决定于KI，KI值越大，则该点的应力越大，因此，值越大，则该点的应力越大，因此，KI反映了裂反映了裂纹尖端应力场的强度，故称之为纹尖端应力场的强度，故称之为应力场强度因子应力场强度因子，它综合反映了外加应力和裂纹形状、长度对裂纹它综合反映了外加应力和裂纹形状、长度对裂纹尖端应力场强度的影响尖端应力场强度的影响，其一般表达式为：，其一般表达式为：第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性裂性裂纹纹尖端任意一点的尖端任意一点的应应力分量除了力分量除了29在在x轴上，轴上，第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性 Y为裂纹形状系数，取决于裂纹的类型。为裂纹形状系数，取决于裂纹的类型。对于不同类型的裂纹，对于不同类型的裂纹，K和和Y的表达式见的表达式见（P119-120页）。页）。问题：裂纹问题：裂纹为什么会沿为什么会沿x方向方向裂开？裂开？（分析（分析x轴上的受力情况）轴上的受力情况）X轴上裂纹尖端切轴上裂纹尖端切应力分量为零，拉应力分量为零，拉应力分量最大。应力分量最大。在在x轴轴上，上，第一第一节节线弹线弹性条件下的性条件下的30第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性三、断裂韧度三、断裂韧度K KICIC和断裂和断裂KK判据判据 对于含裂纹体的材料，我们已经通过裂纹尖对于含裂纹体的材料，我们已经通过裂纹尖端端应力场的分析计算找出了描述裂纹尖端应力场强度应力场的分析计算找出了描述裂纹尖端应力场强度的力学参量应力场强度因子的力学参量应力场强度因子KKII。对于裂纹体，对于裂纹体，控制裂纹控制裂纹的力学参量是应力的力学参量是应力场强度因子场强度因子KKII，随着，随着KKII增加到一定的值，试样破增加到一定的值，试样破坏。该临界值定义为材料的力学性能指标断裂坏。该临界值定义为材料的力学性能指标断裂韧度韧度K KC C或或K KICIC 。第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性三、断裂性三、断裂韧韧度度KIC和断裂和断裂K判据判据31第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性下面几个概念下面几个概念KK、KKII、K KC C、K KICIC要搞清楚。要搞清楚。KK和和KKII：描述裂纹尖端应力场强度描述裂纹尖端应力场强度的的力学力学参量参量应力场强度因子，与试样的形状尺寸、应力场强度因子，与试样的形状尺寸、裂纹的形状尺寸及位置、外力的加载方式及裂纹的形状尺寸及位置、外力的加载方式及大小等有关，用大小等有关，用KK表示。由于是表示。由于是II型加载方式，型加载方式，所以又表示为所以又表示为KKII。第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性下面几个概念性下面几个概念K、KI、KC、K32第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性 K KC C和和K KICIC：反映材料阻止裂纹扩展的能力，是材反映材料阻止裂纹扩展的能力，是材料本身的特性。料本身的特性。K KC C平面应力断裂韧度平面应力断裂韧度，与板的厚度有，与板的厚度有关，如关，如下图下图所示，随着板厚的增加，所示，随着板厚的增加，K KC C逐渐减小，当板逐渐减小，当板厚增加到一定程度，厚增加到一定程度，K KC C成为一恒定值，与板厚无成为一恒定值，与板厚无关，只与材料有关，这个值就是关，只与材料有关，这个值就是K KICIC。K KICIC平面应变断裂韧度，是力学性能指标。描平面应变断裂韧度，是力学性能指标。描述裂纹体材料抵抗裂纹扩展的能力述裂纹体材料抵抗裂纹扩展的能力。第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性性KC和和KIC：反映材料阻止：反映材料阻止33第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性断裂韧性断裂韧性K KC C与与试样厚度试样厚度B B的关系的关系第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性断裂性断裂韧韧性性KC与与试样试样厚度厚度B的关系的关系34第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性 断裂判据：断裂判据：裂纹在什么条件下发生失稳裂纹在什么条件下发生失稳脆性断裂？脆性断裂？断裂力学提出了防止材料发生低应力脆断设断裂力学提出了防止材料发生低应力脆断设计者可以控制的三个因素：计者可以控制的三个因素：平面应力条件下平面应力条件下 K KI I K KC C 平面应变条件下平面应变条件下 K KI I K KICIC第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性性断裂判据：裂断裂判据：裂纹纹在在35第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性 1）材料的断裂韧度）材料的断裂韧度 （可通过热处理等方法提高）（可通过热处理等方法提高）2）名义应力（外加载荷）名义应力（外加载荷）3）构件中的裂纹长度）构件中的裂纹长度 （材料的加工质量控制，如探伤）（材料的加工质量控制，如探伤）第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性性1）材料的断裂）材料的断裂韧韧度度36第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性 断裂判据的用途：断裂判据的用途：1)已知断裂韧性和裂纹长度，可求出最大已知断裂韧性和裂纹长度，可求出最大许用应力：许用应力：2)已知断裂韧性和最大工作应力，可求出已知断裂韧性和最大工作应力，可求出允许的最大裂纹长度：允许的最大裂纹长度：第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性性断裂判据的用途：断裂判据的用途：37第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性n有一构件，实际使用应力为有一构件，实际使用应力为1.3GPa，现有两种钢待选。甲，现有两种钢待选。甲钢钢:s=1.95GPa，KIC=45MPam1/2；乙钢；乙钢:s=1.56 GPa，KIC=75MPam1/2，试计算两种钢材的断裂应力，并指出何，试计算两种钢材的断裂应力，并指出何种钢材更为安全可靠。（设种钢材更为安全可靠。（设Y1.5，最大中心穿透裂纹长，最大中心穿透裂纹长度为度为2mm）n答答:甲钢甲钢c=0.95GPa，乙钢，乙钢c=1.58GPa。因为甲钢的。因为甲钢的c小于小于1.3GPa，甲钢不可靠，乙钢，甲钢不可靠，乙钢的的c大于大于1.3GPa，所以乙钢更为安全可靠。，所以乙钢更为安全可靠。第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性有一构件，性有一构件，实际实际使用使用应应力力为为1.338第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性若某构件的工作应力为若某构件的工作应力为1500 MPa，而超高强度钢的，而超高强度钢的KIC=75MPam1/2，如果不考虑塑性区的影响，则裂纹，如果不考虑塑性区的影响，则裂纹临界尺寸为多少？（临界尺寸为多少？（Y2）第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性若某构件的工作性若某构件的工作应应力力为为150039第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性 小结：小结：脆性断裂的判据为工程安全设脆性断裂的判据为工程安全设计、防止构件脆性断裂提供了重要的理论依计、防止构件脆性断裂提供了重要的理论依据，解决了传统工程设计中经验的、没有理据，解决了传统工程设计中经验的、没有理论依据的、没有定量指标的选材方法，使得论依据的、没有定量指标的选材方法，使得设计的可靠性大大提高。设计的可靠性大大提高。第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性性小小结结：脆性断裂的：脆性断裂的40第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性四、裂纹尖端塑性区及四、裂纹尖端塑性区及KI的修正的修正当当r=0时，时，x、y、xy等等，不可能。，不可能。对于金属，当裂纹尖端的应力大于屈服强度，金属对于金属，当裂纹尖端的应力大于屈服强度，金属要发生塑性变形，改变了裂纹尖端的应力分布。要发生塑性变形，改变了裂纹尖端的应力分布。问题：问题：1 线弹性力学是否还适用？线弹性力学是否还适用？2 在什么条件下才能近似适用？在什么条件下才能近似适用？3 应力强度因子的计算公式如何修正？应力强度因子的计算公式如何修正？第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性四、裂性四、裂纹纹尖端塑性区及尖端塑性区及KI的修正的修正41第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性 回答：回答：1 1 Irwin认为，当认为，当r/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。R塑性扩大区的半径。（平面应力）（平面应力）将将ys用用s代替，并代替，并把把 r0(前式前式)代入代入（平面应变）（平面应变）第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性性应应50第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性性51第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性裂纹尖端的应力分析结果，裂纹尖端的应力分析结果，塑性区的出现对应力分布塑性区的出现对应力分布的影响相当于裂纹长度增的影响相当于裂纹长度增加了塑性区的半宽加了塑性区的半宽ry，在这，在这样的近似条件下，仍然可样的近似条件下，仍然可以用线弹性断裂力学的方以用线弹性断裂力学的方法分析有塑性区的裂纹扩法分析有塑性区的裂纹扩展问题。展问题。用等效裂纹修正用等效裂纹修正KI第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性裂性裂纹纹尖端的尖端的应应力分析力分析结结果，塑性区果，塑性区52第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性 有效裂纹及KI的修正 有效裂纹长度 a+ry 根据计算 ry=（1/2）Ro 平面应力 平面应变 通式 不同的试样形状、和裂纹形式，KI不同。需要修正的条件：/s0.60.7时，KI的变化比较明显，KI就需要修正。第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性性有效裂有效裂纹纹及及KI的修正的修正53第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性讨论修正的意义：讨论修正的意义：1)当外加应力很小时，当外加应力很小时，很小，很小，ary，这时修正与不修正的，这时修正与不修正的KKII相差很小，可以不修正；相差很小，可以不修正；第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性性讨论讨论修正的意修正的意义义：1)当外加当外加应应54第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性3)只有当只有当，或者或者时，用此修正。时，用此修正。2)当当，已经不属于小范围屈，已经不属于小范围屈服，线弹性力学已不再适用，这种修正服，线弹性力学已不再适用，这种修正也不再有效；也不再有效；第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性性3)只有当只有当55第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性性56第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性有一火箭壳体承受很高的工作压力，其周向最大工作拉应有一火箭壳体承受很高的工作压力，其周向最大工作拉应力力=1400M Pa，采用超高强度钢制造，焊接后往往发现有纵，采用超高强度钢制造，焊接后往往发现有纵向表面半椭圆裂纹，尺寸为向表面半椭圆裂纹，尺寸为a=1.0mm，a/2c0.3。现有两种。现有两种材料，其性能如下：材料，其性能如下：A:0.2=1700Mpa,KIC=78MPam1/2B:0.2=2800Mpa,KIC=47MPam1/2从断裂力学角度考虑，选用哪种材料较为合适？从断裂力学角度考虑，选用哪种材料较为合适？第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性有一火箭壳体承受很高的工作性有一火箭壳体承受很高的工作压压力力57第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性对于无限大物体表面有半椭圆裂纹，远处受均匀拉伸时，裂对于无限大物体表面有半椭圆裂纹，远处受均匀拉伸时，裂纹形状系数为纹形状系数为,其中第二类椭圆积分其中第二类椭圆积分在在a/2c=0.3时积分结果为时积分结果为1.273，当需要考虑塑性区修正时裂，当需要考虑塑性区修正时裂纹尖端应力场因子为纹尖端应力场因子为第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性性对对于无限大物体表面有半于无限大物体表面有半椭圆椭圆裂裂纹纹58第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性对于材料对于材料A；由于；由于所以必须考虑塑性区修正，其裂纹尖端应力场强度因子所以必须考虑塑性区修正，其裂纹尖端应力场强度因子，所以使用材料所以使用材料A不会发生脆性断裂，可以选用。不会发生脆性断裂，可以选用。MPam1/2第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性性对对于材料于材料A；由于所以必；由于所以必须须考考虑虑塑塑59第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性不用考虑塑性区修正，裂纹尖端应力场强度因子不用考虑塑性区修正，裂纹尖端应力场强度因子，所以使用材料，所以使用材料B会发生脆性断裂，不可以选用。会发生脆性断裂，不可以选用。对材料对材料B，由于，由于MPam1/2第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性不用考性不用考虑虑塑性区修正，裂塑性区修正，裂纹纹尖端尖端应应60一块含有长为一块含有长为16mm中心穿透裂纹的钢板，中心穿透裂纹的钢板，受到受到350MPa垂直于裂纹平面的应力作用。垂直于裂纹平面的应力作用。(1)如果材料的屈服强度是如果材料的屈服强度是1400MPa，求，求塑性区尺寸和裂纹尖端有效应力强度因子值。塑性区尺寸和裂纹尖端有效应力强度因子值。(2)如果材料的屈服强度为如果材料的屈服强度为385MPa，求塑，求塑性区尺寸和裂纹尖端有效应力强度因子值。性区尺寸和裂纹尖端有效应力强度因子值。(3)试比较和讨论上述二种情况下，对应试比较和讨论上述二种情况下，对应力场强度因子进行塑性修正的意义。力场强度因子进行塑性修正的意义。一一块块含有含有长为长为16mm中心穿透裂中心穿透裂纹纹的的钢钢板，受到板，受到350MPa垂直垂直61（1）/s=350/1400=0.250.7，无须考虑塑性区修正。塑性区尺寸：对于平面应力情况，对于平面应变情况，（1）/s=350/1400=0.250.7，须考虑塑性区修正。塑性区尺寸：对于平面应力情况，对于平面应变情况，平面应力，平面应变,（2）/s=350/385=0.910.7，须须考考虑虑塑塑63KIC的测试KIC的的测试测试64材料力学性能第四章本材料力学性能第四章本课课件件65材料力学性能第四章本材料力学性能第四章本课课件件66材料力学性能第四章本材料力学性能第四章本课课件件67材料力学性能第四章本材料力学性能第四章本课课件件68第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性五、裂纹扩展能量释放率五、裂纹扩展能量释放率G GI I线弹性断裂力学研究带裂纹体的问题有两种方法：线弹性断裂力学研究带裂纹体的问题有两种方法：应力场分析法应力场分析法 (K(K，K KI I and K and KICIC)能量分析法能量分析法 (G(G，G GI I and G and GICIC)能量分析方法能量分析方法研究裂纹扩展过程中的动力即系统能研究裂纹扩展过程中的动力即系统能量的变化，提出力学参量：量的变化，提出力学参量：能量释放率能量释放率G及对应的断及对应的断裂韧度裂韧度GIC和和G判据。判据。Griffith提出，裂纹扩展过程中提出，裂纹扩展过程中的动力为的动力为弹性能弹性能的释放率，用的释放率，用G表示。表示。第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性五、裂性五、裂纹扩纹扩展能量展能量释释放率放率GI能量能量69第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性n设裂纹扩展设裂纹扩展阻力阻力为为R R裂纹扩展要消耗能量于：裂纹扩展要消耗能量于：1）裂裂纹纹上上下下形形成成两两个个新新表表面面的的表表面面能能，用用单单位位面面积积表面能表面能2 s表示；表示；2）对对金金属属材材料料，裂裂纹纹扩扩展展前前都都要要产产生生塑塑性性变变形形，设设裂纹扩展单位面积所消耗的塑性变形功为裂纹扩展单位面积所消耗的塑性变形功为2 P。因此，裂纹扩展单位面积所消耗的总能量因此，裂纹扩展单位面积所消耗的总能量R为：为：R2(s+P)第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性性设设裂裂纹扩纹扩展阻力展阻力为为R裂裂纹扩纹扩展要消展要消70第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性裂纹扩展时能量转换关系裂纹扩展时能量转换关系U=Ue-W系统能量系统能量（系统势能）（系统势能）第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性裂性裂纹扩纹扩展展时时能量能量转换转换关系关系U=Ue71 量纲为能量的量纲 MJm-2 当裂纹长度为a，裂纹体的厚度为B时 令 B=1 物理意义：G为裂纹扩展单位长度时系统势能的变化率。第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性裂纹扩展单位面积所需动力为G第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性裂性裂纹扩纹扩展展单单位面位面积积所需所需动动力力为为G72第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性裂纹扩展动力裂纹扩展动力GI对于对于Griffith模型，模型，G只来自于系统弹性应变只来自于系统弹性应变能能Ue的释放，也称为的释放，也称为裂纹扩展能量率裂纹扩展能量率。2a平面应变平面应变平面应力平面应力第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性性裂裂纹扩纹扩展展动动力力GI2a平面平面应应73第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性G达到怎样的数值时，裂纹就开始失稳扩展？达到怎样的数值时，裂纹就开始失稳扩展？对脆性材料：对脆性材料：GI RR2 s对韧性材料对韧性材料:GI RR2(s+P)s和和 P都是材料常数，都是材料常数，令令GIC2 s或或GIC2(s+P)则有：则有：线弹性断裂力学能量判据：线弹性断裂力学能量判据：GI GIC第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性性G达到怎达到怎样样的数的数值时值时，裂，裂纹纹就开始就开始74第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性nG G与与K K的关系的关系 G GICIC和和K KICIC都是断裂韧性，物理意义完全相同，都是都是断裂韧性，物理意义完全相同，都是描述材料抵抗裂纹扩展的能力。由于是从不同的描述材料抵抗裂纹扩展的能力。由于是从不同的角度分析问题，所以表达式不同，但它们之间有角度分析问题，所以表达式不同，但它们之间有联系。联系。对于具有穿透裂纹的无限大薄板（平面应力状态）：对于具有穿透裂纹的无限大薄板（平面应力状态）：第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性性G与与K的关系的关系75第一节第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性厚板（平面应变）厚板（平面应变）G GI I=(1-=(1-2 2)K KI I2 2/E/E G GICIC=(1-=(1-2 2)K KICIC2 2/E/E平面应变平面应变平面应力平面应力EEEE/(1-v2)可以看出，可以看出，K和和G两种分析方法，所两种分析方法，所得到的结果是一致的，殊途同归得到的结果是一致的，殊途同归。第一第一节节线弹线弹性条件下的断裂性条件下的断裂韧韧性厚板（平面性厚板（平面应变应变）平面）平面应变应变平面平面应应76 引言引言 线弹性断裂力学的适用范围：金属材料裂纹线弹性断裂力学的适用范围：金属材料裂纹尖端的塑性区尺寸与裂纹长度相比很小，即小尖端的塑性区尺寸与裂纹长度相比很小，即小范围屈服，例如：范围屈服，例如：1 1）高强钢；）高强钢；2 2）中强钢厚截）中强钢厚截面；面；3 3）中低强钢低温下使用。）中低强钢低温下使用。当构件发生大范围屈服时，当构件发生大范围屈服时，线弹性条件下推线弹性条件下推导出的断裂韧性和断裂判据（导出的断裂韧性和断裂判据（K KICIC，K KI I K KICIC；G GICIC，G GI I G GICIC）不再适用）不再适用，需要根据弹塑性断裂过，需要根据弹塑性断裂过程的特点推出弹塑性条件下的断裂韧性和断裂程的特点推出弹塑性条件下的断裂韧性和断裂判据（判据（J JICIC，J JI I J JICIC；ICIC，I I ICIC）。）。第二节第二节 弹塑性条件下的断裂韧性弹塑性条件下的断裂韧性引言第二引言第二节节弹弹塑性条件下的断裂塑性条件下的断裂韧韧性性77裂纹的行为裂纹的行为裂纹扩展裂纹扩展裂纹不扩展裂纹不扩展裂纹的稳定扩展阶段裂纹的稳定扩展阶段裂纹的稳定扩展阶段裂纹的稳定扩展阶段裂纹的裂纹的裂纹的裂纹的失稳（快速）扩展阶段失稳（快速）扩展阶段失稳（快速）扩展阶段失稳（快速）扩展阶段 弹塑性断裂过程的特点弹塑性断裂过程的特点弹塑性断裂过程的特点弹塑性断裂过程的特点第二节第二节 弹塑性条件下的断裂韧性弹塑性条件下的断裂韧性裂裂纹纹的行的行为为裂裂纹扩纹扩展裂展裂纹纹不不扩扩展裂展裂纹纹的的稳稳定定扩扩展展阶阶段裂段裂纹纹的失的失稳稳（快（快78 弹塑性断裂过程的特点弹塑性断裂过程的特点弹塑性断裂过程的特点弹塑性断裂过程的特点 裂纹尖端附近出现裂纹尖端附近出现大范围大范围屈服后，一屈服后，一般存在三个阶段：般存在三个阶段：第一阶段为从开始加载到裂纹起始扩展前的阶第一阶段为从开始加载到裂纹起始扩展前的阶段。这一阶段裂纹长度没有变化；塑性区随载荷不段。这一阶段裂纹长度没有变化；塑性区随载荷不断扩大；外载荷所作的功有一部分转换成塑性能消断扩大；外载荷所作的功有一部分转换成塑性能消耗掉。耗掉。第二节第二节 弹塑性条件下的断裂韧性弹塑性条件下的断裂韧性塑性区形状？塑性区怎样扩大？消耗的塑性能如何计算？塑性区形状？塑性区怎样扩大？消耗的塑性能如何计算？这个区域内的应力应变场是怎样的？裂纹在什么条件下才这个区域内的应力应变场是怎样的？裂纹在什么条件下才开始扩展？即开裂（起裂）判据是什么？开始扩展？即开裂（起裂）判据是什么？弹弹塑性断裂塑性断裂过过程的特点第二程的特点第二节节弹弹塑性条件下的断裂塑性条件下的断裂韧韧性塑性区形性塑性区形79第二节第二节 弹塑性条件下的断裂韧性弹塑性条件下的断裂韧性第二阶段为裂纹的稳定扩展阶段，也叫第二阶段为裂纹的稳定扩展阶段，也叫第二阶段为裂纹的稳定扩展阶段，也叫第二阶段为裂纹的稳定扩展阶段，也叫裂纹的亚临裂纹的亚临裂纹的亚临裂纹的亚临界扩展界扩展界扩展界扩展。这一阶段裂纹长度随着外载荷增加而增加，。这一阶段裂纹长度随着外载荷增加而增加，。这一阶段裂纹长度随着外载荷增加而增加，。这一阶段裂纹长度随着外载荷增加而增加，外载不增加裂纹长度也不增加；随着裂纹的向前推外载不增加裂纹长度也不增加；随着裂纹的向前推外载不增加裂纹长度也不增加；随着裂纹的向前推外载不增加裂纹长度也不增加；随着裂纹的向前推移，一方面不断的产生新的裂纹表面，另一方面沿移，一方面不断的产生新的裂纹表面，另一方面沿移，一方面不断的产生新的裂纹表面，另一方面沿移，一方面不断的产生新的裂纹表面，另一方面沿着裂纹的扩展方向不断地形成新的塑性区。着裂纹的扩展方向不断地形成新的塑性区。着裂纹的扩展方向不断地形成新的塑性区。着裂纹的扩展方向不断地形成新的塑性区。如何定量的描述裂纹稳态扩展的过程？如何定量的描述裂纹稳态扩展的过程？如何定量的描述裂纹稳态扩展的过程？如何定量的描述裂纹稳态扩展的过程？第三阶段为裂纹的第三阶段为裂纹的第三阶段为裂纹的第三阶段为裂纹的失稳（快速）扩展阶段失稳（快速）扩展阶段失稳（快速）扩展阶段失稳（快速）扩展阶段。这。这。这。这一阶段即使载荷不增加，裂纹也将会失去控制地快一阶段即使载荷不增加，裂纹也将会失去控制地快一阶段即使载荷不增加，裂纹也将会失去控制地快一阶段即使载荷不增加，裂纹也将会失去控制地快速扩展。速扩展。速扩展。速扩展。失稳判据如何？失稳判据如何？失稳判据如何？失稳判据如何？第二第二节节弹弹塑性条件下的断裂塑性条件下的断裂韧韧性第二性第二阶阶段段为为裂裂纹纹的的稳稳定定扩扩展展阶阶段，段，80一、一、J J积分的概念积分的概念 J J积分是弹性应变能释放率积分是弹性应变能释放率G G的延伸，或的延伸，或者说是更广义地将线弹性条件下的者说是更广义地将线弹性条件下的G G延伸到延伸到弹塑性断裂时的弹塑性断裂时的J J。在线弹性条件下：在线弹性条件下：J J是完全等同于是完全等同于G G。在。在线弹性条件线弹性条件下下G G的概念是一个含有裂纹尺寸的概念是一个含有裂纹尺寸为为a a的试样，当裂纹尺寸扩展为的试样，当裂纹尺寸扩展为a+daa+da时系统时系统能量的释放率，也可以说是裂纹扩展的驱能量的释放率，也可以说是裂纹扩展的驱动力。动力。第二节第二节 弹塑性条件下的断裂韧性弹塑性条件下的断裂韧性一、一、J积积分的概念第二分的概念第二节节弹弹塑性条件下的断裂塑性条件下的断裂韧韧性性81第二节第二节弹塑性条件下的断裂韧性弹塑性条件下的断裂韧性在弹塑性条件下：在弹塑性条件下：J J与与G G的物理概念有所不同，的物理概念有所不同，J J表示两个分别含有尺寸为表示两个分别含有尺寸为a a和尺寸为和尺寸为a+daa+da的裂的裂纹的试样在加载过程中纹的试样在加载过程中形变功的差形变功的差。aa+a F FFFOABC第二第二节节弹弹塑性条件下的断裂塑性条件下的断裂韧韧性在性在弹弹塑性条件下：塑性条件下：J与与G的物理概的物理概82第二节第二节 弹塑性条件下的断裂韧性弹塑性条件下的断裂韧性即裂纹相差单位长度的两个同等试样，加载到即裂纹相差单位长度的两个同等试样，加载到相同位移时，势能相同位移时，势能(形变功形变功)差值与裂纹面积差差值与裂纹面积差值之比。值之比。J J也是裂纹扩展驱动力。也是裂纹扩展驱动力。第二第二节节弹弹塑性条件下的断裂塑性条件下的断裂韧韧性即裂性即裂纹纹相差相差单单位位长长度的两个同等度的两个同等试试83第二节第二节 弹塑性条件下的断裂韧性弹塑性条件下的断裂韧性JG010010Ua+aaF010010Ua+aaFJ J J J与与与与G G G G的区别示意图的区别示意图的区别示意图的区别示意图 第二第二节节弹弹塑性条件下的断裂塑性条件下的断裂韧韧性性JG010010DUa+Daa84第二节第二节 弹塑性条件下的断裂韧性弹塑性条件下的断裂韧性二、二、J J积分的能量率表达式积分的能量率表达式 J=-(1/B)J=-(1/B)U/U/a a B B为试样的厚度，为试样的厚度，U U为单位厚度试样的势能，为单位厚度试样的势能，a a为裂纹的长度。为裂纹的长度。线弹性条件下：线弹性条件下：J=G=J=G=2 2 a/Ea/E第二第二节节弹弹塑性条件下的断裂塑性条件下的断裂韧韧性二、性二、J积积分的能量率表达式分的能量率表达式85第二节第二节 弹塑性条件下的断裂韧性弹塑性条件下的断裂韧性弹塑性条件下：弹塑性条件下：求求J J的方法有两种，一种为数学的方法有两种，一种为数学积分法，从裂纹下表面沿任意路径走向上表面，积分法，从裂纹下表面沿任意路径走向上表面，在已知应变能密度的前提下，积分求出试样的势在已知应变能密度的前提下，积分求出试样的势能能U U，然后再求，然后再求J J；（；（p89p89，图，图4-194-19）另一种方法是通过实验的方法，在载荷另一种方法是通过实验的方法，在载荷P-VP-V位移曲线上求出两个分别含有尺寸为位移曲线上求出两个分别含有尺寸为a a和尺寸和尺寸为为a+daa+da的裂纹的试样在加载过程中形变功的的裂纹的试样在加载过程中形变功的差，即差，即J J（参见示意图参见示意图）。）。第二第二节节弹弹塑性条件下的断裂塑性条件下的断裂韧韧性性弹弹塑性条件下：求塑性条件下：求J的方法有两种的方法有两种86第二节第二节 弹塑性条件下的断裂韧性弹塑性条件下的断裂韧性三、断裂韧性三、断裂韧性J JICIC及断裂及断裂J J判据判据在线弹性条件下，在线弹性条件下，J JI I等于裂纹扩展力等于裂纹扩展力G GI I。在临界条件下：在临界条件下：J JICICG GICIC(1/E)K(1/E)KICIC2 2 (平面应力平面应力)J JICICG GICIC(1(1 2 2)/E/EK KICIC2 2(平面应变平面应变)第二第二节节弹弹塑性条件下的断裂塑性条件下的断裂韧韧性三、断裂性三、断裂韧韧性性JIC及断裂及断裂J判据判据87第二节第二节 弹塑性条件下的断裂韧性弹塑性条件下的断裂韧性在线弹性条件下，在线弹性条件下，存在存在J J积分断裂判据：积分断裂判据：J JI I J JICIC在弹塑性条件下在弹塑性条件下，实验证明，如，实验证明，如选裂纹开始选裂纹开始扩展点作为临界点扩展点作为临界点，则当试样满足一定尺寸，则当试样满足一定尺寸要求（比线弹性要求（比线弹性K KICIC试样要小的多）后，所测试样要小的多）后，所测得的断裂韧性得的断裂韧性J JICIC是一个稳定的材料性能常数，是一个稳定的材料性能常数，可换算出大试样的断裂韧性可换算出大试样的断裂韧性K KICIC。断裂断裂J J判据仍然是：判据仍然是：J JI I J JICIC 第二第二节节弹弹塑性条件下的断裂塑性条件下的断裂韧韧性在性在线弹线弹性条件下，存在性条件下，存在J积积分断裂分断裂88第二节第二节 弹塑性条件下的断裂韧性弹塑性条件下的断裂韧性rJ J积分的工程应用：积分的工程应用：1.1.用小试样测用小试样测J JICIC后，算出中低强度后，算出中低强度钢的断裂韧性钢的断裂韧性K KICIC；2.2.用用J J积分断裂判据对弹塑性构件进积分断裂判据对弹塑性构件进行安全性设计。行安全性设计。第二第二节节弹弹塑性条件下的断裂塑性条件下的断裂韧韧性性J积积分的工程分的工程应应用：用：89第二节第二节 弹塑性条件下的断裂韧性弹塑性条件下的断裂韧性四、裂纹尖端张开位移的概念四、裂纹尖端张开位移的概念当裂纹尖端塑性区较大时，假设略去应变硬当裂纹尖端塑性区较大时，假设略去应变硬化，塑性应变集中区内的应力就等于屈服应力，化，塑性应变集中区内的应力就等于屈服应力，不再增加。所以断裂判据不能根据应力确定而不再增加。所以断裂判据不能根据应力确定而应根据应变或位移确定，即应变或位移达到某应根据应变或位移确定，即应变或位移达到某一临界值后，裂纹开始扩展，用一临界值后，裂纹开始扩展，用 或或CTOD（CrackTipOpenDistance)或或COD（CrackOpeningDisplacement）表示。表示。第二第二节节弹弹塑性条件下的断裂塑性条件下的断裂韧韧性四、裂性四、裂纹纹尖端尖端张张开位移的概念开位移的概念90第二节第二节 弹塑性条件下的断裂韧性弹塑性条件下的断裂韧性裂纹尖端张开位移裂纹尖端张开位移第二第二节节弹弹塑性条件下的断裂塑性条件下的断裂韧韧性裂性裂纹纹尖端尖端张张开位移开位移91第二节第二节 弹塑性条件下的断裂韧性弹塑性条件下的断裂韧性五、断裂韧性五、断裂韧性 ICIC及断裂及断裂 判据判据 断裂断裂 判据为：判据为：ICIC 或或 CTOD CTOD (CTOD)(CTOD)ICIC 由外载荷由外载荷P P、裂纹尺寸、裂纹尺寸a a、及试样的形状、及试样的形状和尺寸等因素确定，和尺寸等因素确定，ICIC为材料性能常数，由为材料性能常数，由实验确定。实验确定。第二第二节节弹弹塑性条件下的断裂塑性条件下的断裂韧韧性五、断裂性五、断裂韧韧性性IC及断裂及断裂判据判据92第二节第二节 弹塑性条件下的断裂韧性弹塑性条件下的断裂韧性六、六、CODCOD表达式表达式 目前，对于弹塑性条件下只有含中心穿透裂纹目前，对于弹塑性条件下只有含中心穿透裂纹的无限大板受拉时，的无限大板受拉时，CTODCTOD有解析表达式：有解析表达式：第二第二节节弹弹塑性条件下的断裂塑性条件下的断裂韧韧性六、性六、COD表达式表达式93第二节第二节 弹塑性条件下的断裂韧性弹塑性条件下的断裂韧性c与其他断裂韧度间的关系 断裂应力0.5s时 平面应力 平面应变（三向应力，材料尖端区域的硬化作用）n为关系因子，1n1.52.0 （平面应力，n=1；平面应变n=2）第二第二节节弹弹塑性条件下的断裂塑性条件下的断裂韧韧性性c与其他断裂与其他断裂韧韧度度间间的关系的关系94第三节第三节 影响材料断裂韧性的因素条件影响材料断裂韧性的因素条件r化学成分的影响化学成分的影响 细化晶粒的合金元素，使断裂韧度提高；细化晶粒的合金元素，使断裂韧度提高；固溶强化的合金元素，使断裂韧度下降；固溶强化的合金元素，使断裂韧度下降；形成第二相的合金元素，使断裂韧度下降；形成第二相的合金元素，使断裂韧度下降；陶瓷材料，提高材料强度的组元，使断裂韧度提高；陶瓷材料，提高材料强度的组元，使断裂韧度提高；高分子材料，增强结合键的元素，使断裂韧度提高。高分子材料，增强结合键的元素，使断裂韧度提高。金金属属材材料料第三第三节节影响材料断裂影响材料断裂韧韧性的因素条件化学成分的影响性的因素条件化学成分的影响95第三节第三节 影响材料断裂韧性的因素条件影响材料断裂韧性的因素条件 C C含量的影响含量的影响 当含碳量越高，经淬火和当含碳量越高，经淬火和低温回火后，钢中出现的片状马氏体组织就低温回火后，钢中出现的片状马氏体组织就越多，钢的塑性和韧性就降低。如下表的数越多，钢的塑性和韧性就降低。如下表的数据表明低碳马氏体钢的强度与中碳马氏体钢据表明低碳马氏体钢的强度与中碳马氏体钢大致相等的情况下，前者的塑性和断裂韧性大致相等的情况下，前者的塑性和断裂韧性均高于后者。均高于后者。第三第三节节影响材料断裂影响材料断裂韧韧性的因素条件性的因素条件C含量的影响含量的影响当当96第三节第三节 影响材料断裂韧性的因素条件影响材料断裂韧性的因素条件第三第三节节影响材料断裂影响材料断裂韧韧性的因素条件性的因素条件97第三节第三节 影响材料断裂韧性的因素条件影响材料断裂韧性的因素条件n基体相结构的影响基体相结构的影响基体相晶粒结构易于发生塑性变形，产基体相晶粒结构易于发生塑性变形，产生韧性断裂，材料的断裂韧度就高。生韧性断裂，材料的断裂韧度就高。奥氏体钢奥氏体钢铁素体钢和马氏体钢铁素体钢和马氏体钢第三第三节节影响材料断裂影响材料断裂韧韧性的因素条件基体相性的因素条件基体相结结构的影响基体相晶构的影响基体相晶98第三节第三节 影响材料断裂韧性的因素条件影响材料断裂韧性的因素条件n 晶粒尺寸的影响晶粒尺寸的影响一般来说，细化晶粒可以提高断裂韧度。一般来说，细化晶粒可以提高断裂韧度。但也存在例外，如但也存在例外，如40CrNiMo钢，超高温淬钢，超高温淬火，火，KIc为为56MPam1/2；正常淬火，；正常淬火，KIc为为36MPam1/2第三第三节节影响材料断裂影响材料断裂韧韧性的因素条件性的因素条件晶粒尺寸的影响一般来晶粒尺寸的影响一般来99第三节第三节 影响材料断裂韧性的因素条件影响材料断裂韧性的因素条件n 夹杂和第二相的影响夹杂和第二相的影响非金属夹杂物，使断裂韧度降低；非金属夹杂物，使断裂韧度降低；脆性第二相含量增加，断裂韧度降低；脆性第二相含量增加，断裂韧度降低；韧性第二相形态和数量适当时，可提高断裂韧度。韧性第二相形态和数量适当时，可提高断裂韧度。第三第三节节影响材料断裂影响材料断裂韧韧性的因素条件性的因素条件夹杂夹杂和第二相的影响非和第二相的影响非100第三节第三节 影响材料断裂韧性的因素条件影响材料断裂韧性的因素条件n 特殊热处理工艺特殊热处理工艺亚温淬火：晶粒细化，获得铁素体马氏体亚温淬火：晶粒细化，获得铁素体马氏体(基体基体)两相组织两相组织超高温淬火：马氏体形态由孪晶型变为位错型；留有残余超高温淬火：马氏体形态由孪晶型变为位错型；留有残余奥氏体；碳化物和夹杂物能溶入奥氏体，减少微裂纹形成奥氏体；碳化物和夹杂物能溶入奥氏体，减少微裂纹形成源。源。形变热处理形变热处理：综合运用压力加工和热处理技术可以进一步细：综合运用压力加工和热处理技术可以进一步细化马氏体晶粒，从而提高钢的断裂韧性。化马氏体晶粒，从而提高钢的断裂韧性。第三第三节节影响材料断裂影响材料断裂韧韧性的因素条件性的因素条件特殊特殊热处热处理工理工艺亚艺亚温淬温淬101第三节第三节 影响材料断裂韧性的因素条件影响材料断裂韧性的因素条件n温度的影响温度的影响 断裂韧性随温度下降有一急剧降低的断裂韧性随温度下降有一急剧降低的 温度范围温度范围,低于此温度范围，则趋于一低于此温度范围，则趋于一 数值。数值。第三第三节节影响材料断裂影响材料断裂韧韧性的因素条件温度的影响性的因素条件温度的影响102第三节第三节 影响材料断裂韧性的因素条件影响材料断裂韧性的因素条件 n 应变速率的影响应变速率的影响增加应变速率，断裂韧度下降。但当应变速率很大时，增加应变速率，断裂韧度下降。但当应变速率很大时，形变热量来不及传导，造成绝热状态，导致局部升温，形变热量来不及传导，造成绝热状态，导致局部升温，断裂韧度又复回升。断裂韧度又复回升。钢的钢的KIc随随应变速率的变化曲线应变速率的变化曲线第三第三节节影响材料断裂影响材料断裂韧韧性的因素条件性的因素条件应变应变速率的影响增速率的影响增103第三节第三节 影响材料断裂韧性的因素条件影响材料断裂韧性的因素条件r陶瓷的增韧途径陶瓷的增韧途径表面残余压应力增韧表面残余压应力增韧 含含ZrOZrO2 2的陶瓷，可通过表层发生的陶瓷，可通过表层发生t tm m相变引起表层体积膨胀，而获得这种表相变引起表层体积膨胀，而获得这种表面残余压应力，由于陶瓷断裂常常起始面残余压应力，由于陶瓷断裂常常起始于表面裂纹，而表面残余压应力阻止了于表面裂纹，而表面残余压应力阻止了裂纹的扩展起到了增韧的作用。裂纹的扩展起到了增韧的作用。tm相变：四方相向单斜相转变相变：四方相向单斜相转变第三第三节节影响材料断裂影响材料断裂韧韧性的因素条件陶瓷的增性的因素条件陶瓷的增韧韧途径途径tm相相变变104第三节第三节 影响材料断裂韧性的因素条件影响材料断裂韧性的因素条件相变增韧相变增韧 ZrOZrO2 2陶瓷从高温冷至室温将发生如下转变：陶瓷从高温冷至室温将发生如下转变：t tZrOZrO2 2 m mZrOZrO2 2 四方相四方相 单斜相单斜相 其其tmtm相变为马氏体相变，将发生相变为马氏体相变，将发生4%4%5%5%体积膨体积膨 胀，若加入胀，若加入Y Y2 20 03 3、CaOCaO、MgOMgO、CeOCeO等，可使其相等，可使其相 变开始点变开始点MsMs降到比室温稍低，但降到比室温稍低，但MdMd点比室温高，点比室温高，在应力应变状态下，亚稳在应力应变状态下，亚稳t tZrOZrO2 2会诱发产生会诱发产生t tm m 相变，由此产生体积效应和形状效应而吸收了大量相变，由此产生体积效应和形状效应而吸收了大量 能量，使材料韧化。能量，使材料韧化。第三第三节节影响材料断裂影响材料断裂韧韧性的因素条件相性的因素条件相变变增增韧韧105第三节第三节 影响材料断裂韧性的因素条件影响材料断裂韧性的因素条件微裂纹增韧微裂纹增韧 在陶瓷基体相和分散相之间，由于温度变化引在陶瓷基体相和分散相之间，由于温度变化引起的热膨胀差或相变引起的体积差，会产生弥散起的热膨胀差或相变引起的体积差，会产生弥散均布的微裂纹，均布的微裂纹，当导致断裂的主裂纹扩展时，这当导致断裂的主裂纹扩展时，这些均布的微裂纹会促使主裂纹分叉，些均布的微裂纹会促使主裂纹分叉，使主裂纹扩使主裂纹扩展路径曲折前进，增加了扩展过程中的表面能，展路径曲折前进，增加了扩展过程中的表面能，从而使裂纹快速扩展受到阻碍，增加了材料的韧从而使裂纹快速扩展受到阻碍，增加了材料的韧性。性。第三第三节节影响材料断裂影响材料断裂韧韧性的因素条件微裂性的因素条件微裂纹纹增增韧韧106第三节第三节 影响材料断裂韧性的因素条件影响材料断裂韧性的因素条件微裂纹增韧示意图微裂纹增韧示意图(a)主裂纹周围的微裂纹主裂纹周围的微裂纹(b)主裂纹的分岔扩展主裂纹的分岔扩展第三第三节节影响材料断裂影响材料断裂韧韧性的因素条件微裂性的因素条件微裂纹纹增增韧韧示意示意图图107晶须或纤维增韧晶须或纤维增韧 在陶瓷基体中若存在分散了的晶须或在陶瓷基体中若存在分散了的晶须或纤维第二相纤维第二相 ，这种第二相会使裂纹转向，这种第二相会使裂纹转向，导致断裂韧性增加，这就是所谓的裂纹导致断裂韧性增加，这就是所谓的裂纹转向增韧机理。转向增韧机理。第三节第三节 影响材料断裂韧性的因素条件影响材料断裂韧性的因素条件晶晶须须或或纤维纤维增增韧韧第三第三节节影响材料断裂影响材料断裂韧韧性的因素条件性的因素条件108第三节第三节 影响材料断裂韧性的因素条件影响材料断裂韧性的因素条件显微结构增韧显微结构增韧 陶瓷粉料和晶粒的超细化及纳米化是陶瓷粉料和晶粒的超细化及纳米化是陶瓷强韧化的根本途径之一，因为其是陶瓷强韧化的根本途径之一，因为其是减小陶瓷烧结体中的气孔，裂纹的尺寸、减小陶瓷烧结体中的气孔，裂纹的尺寸、数量和不均性的最有效的途径，因此也数量和不均性的最有效的途径，因此也是陶瓷强韧化最有效的途径之一。是陶瓷强韧化最有效的途径之一。第三第三节节影响材料断裂影响材料断裂韧韧性的因素条件性的因素条件显显微微结结构增构增韧韧109第四节第四节 断裂韧性在工程中的应用断裂韧性在工程中的应用 断裂韧性是力学性能，具有所有力学断裂韧性是力学性能，具有所有力学性能通用的用途，即可以作为结构设计、性能通用的用途，即可以作为结构设计、材料选择的依据，同时还具有其独特的材料选择的依据，同时还具有其独特的用途即载荷校核、安全性检验等。我们用途即载荷校核、安全性检验等。我们这里把断裂韧性在工程中的应用概括为这里把断裂韧性在工程中的应用概括为三个方面：三个方面：第四第四节节断裂断裂韧韧性在工程中的性在工程中的应应用用断裂断裂韧韧性是力学性性是力学性110第四节第四节 断裂韧性在工程中的应用断裂韧性在工程中的应用 第一就是设计第一就是设计，包括结构设计和材料选，包括结构设计和材料选择。择。K KI I、K KICIC一方面可根据给定的材料的断裂韧一方面可根据给定的材料的断裂韧性，计算出结构的许用应力，与结构要求的承性，计算出结构的许用应力，与结构要求的承载量进行对比，设计相适应的结构的形状和尺载量进行对比，设计相适应的结构的形状和尺寸；另一方面根据已定结构的承载要求和可能寸；另一方面根据已定结构的承载要求和可能出现的裂纹类型，计算可能的最大应力强度因出现的裂纹类型，计算可能的最大应力强度因子，依据材料的断裂韧性数据进行选材。子，依据材料的断裂韧性数据进行选材。第四第四节节断裂断裂韧韧性在工程中的性在工程中的应应用用第一就是第一就是设计设计，包括，包括结结构构111第四节第四节 断裂韧性在工程中的应用断裂韧性在工程中的应用 第二就是校核第二就是校核，可以根据结构要求的承载能，可以根据结构要求的承载能力、材料的断裂韧性，计算材料的临界裂纹力、材料的断裂韧性，计算材料的临界裂纹尺寸，与实际测量的裂纹尺寸比较，校核结尺寸，与实际测量的裂纹尺寸比较，校核结构的安全性，判断材料的脆性倾向。构的安全性，判断材料的脆性倾向。第三就是材料开发第三就是材料开发，可以根据对断裂韧性的，可以根据对断裂韧性的影响因素，有针对性的设计材料的组织结构，影响因素，有