《材料力學(xué)性能》PPT課件

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1、 應(yīng) 力 應(yīng) 變 曲 線 (F0不 變 ） 彈 性 變 形 屈 服 變 形 均 勻 塑 性 變 形 局 部 塑 性 變 形 真 應(yīng) 力 -應(yīng) 變 曲 線 （ -代 表 ） p:比 例 極 限 E:彈 性 極 限 LY:屈 服 強 度 （ 下 ） UY： 屈 服 強 度 （ 上 ） B： 強 度 極 限 b: 抗 拉 強 度 p: 應(yīng) 力 與 應(yīng) 變 成 正 比 關(guān) 系 的 最 大 應(yīng) 力 。 p=FP/F0 E :由 彈 性 變 形 過 渡 到 彈 -塑 性 變 形 時 的 應(yīng) 力 。 E =FE /F0 不 同 材 料 ， 其 應(yīng) 力 應(yīng) 變 曲 線 不 同 ， 如 ： 機 械 設(shè) 計 中

2、， 剛 度 是 第 一 位 的 ， 它 保 證 精 度 ， 曲 軸的 結(jié) 構(gòu) 和 尺 寸 常 常 由 剛 度 決 定 ， 然 后 強 度 校 核 。不 同 類 型 的 材 料 ， 其 彈 性 模 量 差 別 很 大 。材 料 彈 性 模 量 主 要 取 決 于 結(jié) 合 鍵 的 本 性 和 原 子 間 的結(jié) 合 力 ， 而 材 料 的 成 分 和 組 織 對 它 的 影 響 不 大 ， 可以 說 它 是 一 個 對 組 織 不 敏 感 的 性 能 指 標(biāo) （ 對 金 屬 材料 ） ， 而 對 高 分 子 和 陶 瓷 E對 結(jié) 構(gòu) 和 組 織 敏 感 。熔 點 高 ， E E W =2EFe EF

3、e=3EAl零 件 的 剛 度 與 材 料 的 剛 度 不 同 ， 它 除 了 決 定 于 材 料的 剛 度 外 還 與 零 件 的 截 面 尺 寸 與 形 狀 ， 以 及 截 面 積作 用 的 方 式 有 關(guān) 。 理 想 的 彈 簧 材 料 ： 應(yīng) 有 高 的 彈 性極 限 和 低 的 彈 性 模 量 。 成 分 與 熱 處 理 對 彈 性 極 限 影 響 大 ，對 彈 性 模 量 影 響 不 大 。儀 表 彈 簧 因 要 求 無 磁 性 ， 鈹 青 銅 ，磷 青 銅 等 軟 彈 簧 材 料 。 eEa e 彈 性 滯 后 環(huán) (鏈 接 ) 包 辛 格 效 應(yīng) 示 意 圖 (有 鏈 接 )

4、包 辛 格 效 應(yīng) 理 論 解 釋包 辛 格 效 應(yīng) 理 論 解 釋包 辛 格 效 應(yīng) 理 論 解 釋 原 先 加 載 變 形 時 ,位 錯 源 在 滑 移 面 上 產(chǎn) 生的 位 錯 遇 到 障 礙 ,塞 積 后 產(chǎn) 生 了 背 應(yīng) 力 ,當(dāng) 反 向 加 載 時 ,位 錯 運 動 的 方 向 與 原 來 方向 相 反 ,背 應(yīng) 力 幫 助 位 錯 運 動 ,塑 性 變 形容 易 ,導(dǎo) 致 屈 服 強 度 ,另 外 ,反 向 加 載 時 ,滑 移 面 上 產(chǎn) 生 的 位 錯 與 預(yù) 變 形 的 位 錯 異號 ,異 號 位 錯 抵 銷 ,引 起 材 料 軟 化 ,屈 服 強度 1.3.1 屈 服

5、強 度 及 其 影 響 因 素屈 服 標(biāo) 準(zhǔn) S定 義 : 材 料 開 始 塑 性 變 形 的 應(yīng) 力 .工 程 上 常 用 的 屈 服 標(biāo) 準(zhǔn) 有 三 種比 例 極 限 P: 應(yīng) 力 -應(yīng) 變 曲 線 上 符 合 線 性 關(guān) 系 的 最 高 應(yīng) 力 .SP 彈 性 極 限 el: 材 料 能 夠 完 全 彈 性 恢 復(fù) 的 最 高 應(yīng) 力 . elP工 程 上 用 途 不 同 區(qū) 別 ,槍 炮 材 料 要 求 高 的 比 例 極 限 ,彈 簧 材 料 要 求 高 的 彈性 極 限 屈 服 強 度 0. 2或 ys : 以 規(guī) 定 發(fā) 生 一 定 的 殘 留 變 形 為 標(biāo) 準(zhǔn) ,通 常 為

6、0.2%殘 留 變 形 的 應(yīng) 力 作 為 屈 服 強 度 . 比 例 極 限 P,彈 性 極 限 el,屈 服 強 度 0. 2或 ys 這 三 種 標(biāo) 準(zhǔn) 在 測 量 上 實 際 上 都 是 以 殘 留 變 形 為 依 據(jù) ,只 不 過 規(guī) 定 的 殘 留 變 形 量 不 同 ,所 以 國 家 規(guī) 定 三 種規(guī) 范 . 規(guī) 定 非 比 例 伸 長 應(yīng) 力 ( P) 0.01或 0.05 規(guī) 定 殘 留 伸 長 應(yīng) 力 ( ) r0.2 規(guī) 定 總 伸 長 應(yīng) 力 ( t) t0.5 金 屬 金 屬 鍵 高 分 子 范 德 華 力 陶 瓷 共 價 鍵 或 離 子 鍵 四 種 強 化 機 制

7、影 響 ys 固 溶 強 化 形 變 強 化 沉 淀 和 彌 散 強 化 晶 界 和 亞 晶 強 化 其 中 沉 淀 強 化 和 晶 粒 細(xì) 化 是 工 程 上 常 使 用 提 高 ys 的 手 段 。 前 三 種 機 制 提 高 ys,但 是 降 低 ,只 有 第 四 種 提 高 ys又 提 高 。 內(nèi) 在 因 素 :結(jié) 合 鍵 ,組 織 ,結(jié) 構(gòu) ,原 子 本 性 溫 度 因 素 ： 高 溫 時 , 鋼 性 能 高低 溫 時 , 鋼 性 能 高 并 非 高 溫 性 能 好 的 鋼低 溫 性 能 也 好 。（ 體 心 立 方 金 屬 對 溫 度更 敏 感 ） 真 實 應(yīng) 變 與 條 件 應(yīng)

8、變 相 比 有 兩種 明 顯 的 特 點 : 條 件 應(yīng) 變 往 往 不 能 真 實 反 映 或度 量 應(yīng) 變 。 （ 拉 伸 與 壓 縮 ）真 實 應(yīng) 變 可 以 疊 加 ,可 以 不 記 中間 的 加 載 歷 史 ,只 需 知 道 試 樣 的初 始 長 度 和 最 終 長 度 （ 條 件 應(yīng)變 不 能 ） 兩 者 關(guān) 系 :條 件 應(yīng) 變 真 實 應(yīng)變 00 0ln ln ln(1 )l lll l 真 應(yīng) 力 -應(yīng) 變 曲 線 (流 變 曲 線 ) 真 應(yīng) 力 S=F/A 真 實 應(yīng) 變 0 0lnll dl ll l 理 想 彈 性 體 ： n 1 ； 理 想 塑 性 體 ： n 0n

9、的 取 值 范 圍 ： 0 1一 般 金 屬 ： n 0.1 0.5 注 意 ： 加 工 硬 化 速 率 ds/d 與 加 工 硬化 指 數(shù) n并 不 等 同 n=dlnS/dln = ds/Sd 即 ds/d =nS/ 在 相 同 變 形 時 的 情 況 下 ， n ds/d 對 有 些 金 屬 材 料 :象 雙 相 鋼 ， 一 些 鋁 合 金 和 不 銹鋼 不 能 用 S=K n方 程 描 述 。 在 lnS-ln 圖 中 會 得到 兩 段 不 同 的 斜 率 的 直 線 ， 稱 為 雙 n行 為 ， 它 使 得 n的 意 義 模 糊 和 復(fù) 雜 化 ， 要 尋 求 其 他 方 程 形 式

10、 來 表 征真 應(yīng) 力 -應(yīng) 變 關(guān) 系 。 反 映 了 材 料 開 始 屈 服 以 后 ， 繼 續(xù) 變 形 時 材 料 的應(yīng) 變 硬 化 情 況 ， 它 決 定 了 材 料 開 始 發(fā) 生 頸 縮 時的 最 大 應(yīng) 力 。 （ b或 Sb）1)金 屬 的 加 工 硬 化 指 數(shù) （ 能 力 ） ， 對 冷 加 工 成 型很 重 要 （ n決 定 開 始 頸 縮 時 的 最 大 應(yīng) 力 和 最 大均 勻 變 形 量 ， n=0材 料 能 否 冷 加 工 ？ ） 。 低 碳鋼 有 較 高 的 n,n約 為 0.2。 汽 車 身 板 鋁 合 金化 ， 其 n值 較 低 ， 冷 加 工 或 沖 壓

11、性 能 差 。2)對 于 工 作 中 的 零 件 ， 也 要 求 材 料 有 一 定 的 加 工硬 化 能 力 ， 是 零 件 安 全 使 用 的 可 靠 保 證 。3)形 變 強 化 是 提 高 材 料 強 度 的 重 要 手 段 。 圖 1-9 復(fù) 相 鋼 的 應(yīng) 力 應(yīng) 變 曲 線普 通 碳 鋼 ， 控 制 軋 制 的 SAE950 x和 980低 合金 高 強 度 剛 （ 屈 服 點 分 別 為 345和 550MN/m2)以 及 臨 界 區(qū) 淬 火 SAE980 x 圖 1-10 貝 氏 體 -奧 氏 體 鋼 的 應(yīng) 力 應(yīng)變 曲 線（ a) 低 奧 氏 體 含 量（ b)最 佳 奧

12、 氏 含 量（ c)高 奧 氏 體 含 量在 工 程 上 ： 對 冷 加 工 成 型 的 低 碳 鋼 ， 其 加 工 的 硬 化 指 數(shù) n可 通 過 屈 服 強 度ys 估 算 ： ys M Pa=70/n n ys與 b差 值 越 大 ， 即 S/B 頸 縮 條 件 ： 應(yīng) 力 -應(yīng) 變 曲 線 上 的 應(yīng) 力達(dá) 到 最 大 值 時 ， 即開 始 出 現(xiàn) 頸 縮 ， 頸縮 前 是 均 勻 變 形 ，頸 縮 后 是 不 均 勻 變形 ， 即 局 部 變 形頸 縮 條 件 ： ds/d =S 當(dāng) 加 工 硬 化 速 率 等 于 該 處 的 真 應(yīng) 力 時 就 開 始 頸 縮 。 塑 性 的 定

13、 義 U= AU/A0 n = An/A0 f=(A0-Af)/A0 材 料 在 靜 拉 伸 時 單位 體 積 材 料 從 變 形 到 斷 裂所 消 耗 的 功 叫 做 靜 力 韌 度是 一 個 強 度 與 塑 性 的 綜 合指 標(biāo) ， 是 表 示 靜 載 下 材 料強 度 與 塑 性 的 最 佳 配 合 0U fT sd （ a） (b)： 斷 口 齊 平 ， 垂 直 于 最 大 拉 應(yīng) 力 方 向 ， ， 只 有 少 量 均 勻 變 形 ， 鑄 鐵 ， 淬 火 + 低 回 火 高 碳 鋼 。 （ e） ： 塑 性 很 好 ， 試 樣 斷 面 可 減 細(xì) 到 近 于 一 尖 刀 ， 然 后

14、沿 最 大 切 應(yīng) 力 方 向 斷 開 。 如 純 Au、 Al。 (c) (d) ： 都 出 現(xiàn) 頸 縮 ， 只 是 程 度 不 同 ， 試 樣 中 心 先 開 裂 ， 然 后 向 外 延 伸 ， 接 近 表 面 時 沿 最 大 切 應(yīng) 力 方 向 斜 面 斷 開 ， 斷 口 形 狀 如 杯 口 狀 。 但 是 ， 正 斷 不 一 定 就 是 脆 斷 ， 也 可 以 有 明 顯 的 塑性 變 形 。 切 斷 是 韌 斷 ， 但 反 之 不 一 定 成 立 ， 韌 斷 不 一 定是 切 斷 ， 韌 斷 與 切 斷 并 非 是 同 義 詞 無 缺 口 拉 伸 試 樣 ,斷 口 和 三 個 斷 裂

15、 區(qū) 示意 圖 沖 擊 試 樣 和 三 個 斷 裂 區(qū) 示 意 圖 由 于 應(yīng) 力 狀 態(tài) 或 加 載 方 式 的 不 同 ， 韌 窩 可有 三 種 類 型 拉 伸 型 的 等 軸 狀 韌 窩剪 切 型 的 伸 長 韌 窩 拉 伸 撕 裂 的 伸 長 韌 窩韌 窩 的 形 狀 取 決 于 應(yīng) 力 狀 態(tài) ， 而 韌 窩 的 大 小 和 深淺 取 決 于 第 二 相 的 數(shù) 量 分 布 以 及 基 體 的 塑 性 變 形能 力 ， 韌 窩 大 而 深 ， 塑 性 好 ， 大 而 淺 ， 加 工 硬 化能 力 強 。 解 理 階 解 理 羽 毛 準(zhǔn) 解 理 例 ： 鑄 鐵 壓 韌 ， 拉 脆 韌

16、性 低 碳 鋼 光 滑 ， 缺 口 max max 1 3 1 2 3/ ( )/2S max 1 3max 1 2 3( )/ 2S 1, 3 分 別 為 最 大 和 最 小 主 應(yīng) 力 , 為 泊 松 比 對 單 向 拉 伸 ： 2 3 0 1 12 扭 轉(zhuǎn) ： 12 0 0.8 單 向 壓 縮 ： 取 3 2 表 示 材 料 塑 性 變 形 的 難 易 程 度 。 大 在 該 應(yīng) 力 狀 態(tài) 下 切 應(yīng) 力 分 量 越 大 ， 塑 性 變 形 易 ；稱 軟 的 應(yīng) 力 狀 態(tài) ， 相 對 于 的 應(yīng) 力 狀 態(tài) 而 言 ， 不 易 引起 脆 斷 。 反 之 ， 稱 硬 的 應(yīng) 力 狀 態(tài)

17、 。 )1/(13 25.025.0 2/1021 1.7 金 屬 的 硬 度w硬 度 ： 是 指 金 屬 在 表 面 上 的 不 大 體 積 內(nèi)抵 抗 變 形 或 破 裂 的 能 力 ， 硬 度 是 生 產(chǎn) 上廣 泛 應(yīng) 用 的 性 能 指 標(biāo) ， 可 估 算 其 他 性 能指 標(biāo) 。w究 竟 它 表 征 哪 一 種 抗 力 ， 則 決 定 于 采 用的 試 驗 方 法 。 A 抵 抗 變 形 能 力 ： 壓 入 法 型 硬 度 試 驗 ：測 布 氏 硬 度 ， 洛 氏 硬 度 ， 維 氏 硬 度 ， 顯 微 硬度 ， 統(tǒng) 稱 壓 入 硬 度 。 可 測 量 脆 性 材 料 （ 陶 瓷材 料

18、 ） 的 硬 度 ， 表 面 處 理 的 工 件 。 B. 抵 抗 破 裂 能 力 ： 刻 劃 片 型 硬 度 試 驗 ：刻 劃 硬 度 C. 抵 抗 金 屬 彈 性 變 形 能 力 ： 回 跳 法 (肖氏 硬 度 ） 大 型 工 件 實 驗 方 法 硬 度 與 其 他 性 能 指 標(biāo) 的 關(guān) 系B KHB 以 壓 入 法 為 例 ： 對 Cu及 合 金 和 不 銹 鋼 K=0.4-0.55 對 鋼 鐵 材 料 K=0.33-0.36旋 轉(zhuǎn) 彎 曲 疲 勞 極 限 1 /2 /6B HB 所 以 硬 度 知 道 ， 其 他 相 關(guān)性 能 ， 根 據(jù) 經(jīng) 驗 公 式 可 估算 又 方 便 ， 不

19、 毀 工 件 ， 在生 產(chǎn) 上 得 到 廣 泛 應(yīng) 用 幾 種 硬 度 值 在 應(yīng) 力 應(yīng) 變曲 線 上 的 位 置 布 氏 硬 度 和 洛 氏 硬度 的 測 定 1.7.2 布 氏 硬 度布 氏 硬 度 的 測 定 原 理 在 直 徑 D的 鋼 珠 上 ， 加 一 定 負(fù) 荷 P， 壓 入被 測 試 樣 金 屬 的 表 面 ， 根 據(jù) 金 屬 表 面痕 的 凹 陷 面 積 計 算 出 應(yīng) 力 值 。 2/ / /HB P F P Dt kgf mm 凹 式 中 t為 壓 痕 凹 深 度 ； Dt為 壓 痕 凹 陷 面積 ,在 P和 D一 定 時 ， HB 1/t t測 量 困 難 d f(t

20、) 1/22 22PHB D D D d 布 氏 硬 度 的 測 定 原 理 的 圖 示w 根 據(jù) 不 同 d值 ，可 查 表 或 計 算出 HB值 。oab關(guān) 系 中 2 212 2Dt D d 代 入 前 式鏈 接 0.2Dd 450以上 硬 材 料 ， 不 能 使 用 。w 所 以 ， 不 允 許 有 較 大 壓 痕 的 工 件 ， 也 不宜 于 薄 件 試 樣 。 w 定 義 ： 用 壓 痕 深 度 大 小 作 為 標(biāo) 志 硬 度 值 高 低 的 洛 氏硬 度 試 驗 ， 而 布 氏 硬 度 以 測 定 壓 痕 面 積 來 計 算 硬 度 值 。w 測 定 原 理 ： 是 在 載 荷

21、P0及 總 載 荷 P 分 別 作 用 下 ， 將金 剛 石 （ 較 硬 ） 圓 錐 （ 位 角 120 0） 或 鋼 球 （ 1.5888 ） 壓 入 較 軟 試 樣 表 面 ， 然 后 卸 除 主 載 荷 P1,在 初 載荷 下 用 測 量 的 e值 計 算 洛 氏 硬 度 ， e值 為 卸 除 主 載 荷 后 ，在 初 載 荷 下 的 壓 痕 深 度 殘 余 均 是 用 0.002mm為 單 位 表示 。 1.7.3 洛 氏 硬 度 鏈 接 w優(yōu) 點 ： 壓 痕 少 ， 操 作 簡 單 ， 易 直 接 讀 出 ，不 存 在 壓 頭 變 形 問 題 。w缺 點 ： 穩(wěn) 定 性 差 ， 多

22、測 幾 個 點 平 均 ， 不同 硬 度 級 測 量 。w硬 度 值 無 法 統(tǒng) 一 起 來 ； 晶 粒 粗 大 缺 乏 代表 性 wHRC=0.2-t 常 用 HRA(金 剛 石 圓 錐 壓 頭 )，HRB(鋼 球 壓 頭 )， HRC（ 金 剛 石 圓 錐 壓 頭 ） 洛 氏 硬 度 的 優(yōu) 缺 點 1.7.4 維 氏 硬 度 維 氏 硬 度 試 驗 的 兩 大 特 點 負(fù) 載 可 任 意 選 擇 通 過 維 氏 硬 度 試 驗 和 通 過布 氏 硬 度 試 驗 所 得 到 的 硬度 值 完 全 相 等缺 點 ： 生 產(chǎn) 效 率 沒 有 HR高 。 通過 測 對 角 線 ， 適 用 于 硬

23、 質(zhì) 的 材料 D 221.854 ( / )P PHV kgf mmF d 凹 w 原 理 與 維 氏 硬 度 一 樣 ， 只 是 載 荷 小 ， 大 致 在100gf500gf.w 壓 頭 有 兩 種 ： 1） 維 氏 壓 頭 ， 金 剛 石 四 方 錐 2） 努 氏 壓 頭 ： 菱 形 的 金 剛 石 錐 體 A是 投 影 面 積 而 不 是 壓 痕 面 積 ， l是對 角 線 的 長 度 m,c是 提 供 的 常 數(shù) 用 途 ： 測 量 尺 寸 小 或 很 薄 的 零 件 。 顯 微 組 織的 硬 度 。缺 點 ： 效 率 低 。 1.7.5 顯 微 硬 度鏈 接 鏈 接2clPAPH

24、K 幾 種 硬 度 計 習(xí) 題如 今 有 如 下 工 件 ， 需 測 試 硬 度 ， 試 說 明 采 用 何種 硬 度 試 驗 方 法 適 宜 ？ 1） 滲 碳 層 中 的 硬 度 分 布 2） 淬 火 鋼 件 3） 灰 鑄 鐵 4） 鑒 別 鋼 中 殘 余 和 隱 晶 M 5） 硬 質(zhì) 合 金 6） 陶 瓷 涂 層 曲 線 1： 聚 碳 酸 脂 （ PC） ，聚 丙 稀 （ PP） 和 高 抗 沖 聚苯 乙 烯 （ HTPS） 衡 速 拉 伸 曲 線 2： ABS塑 料 ， 聚 甲 醛（ POM） 和 增 強 尼 龍（ GFPA） 等 曲 線 3： 增 強 聚 碳 酸 脂（ GFPC） ，

25、聚 苯 乙 烯（ PS） ， 發(fā) 生 脆 斷 聚 合 物 材 料 的 拉 伸 載 荷 -伸 長曲 線 1.8 聚 合 物 的 靜 強 度 聚 合 物 的 頸 縮 晶 態(tài) 聚 合 物 的 彈 性 模 量 彈 性 模 量 與 金 屬 相 似 ， 取決 于 分 子 鍵 的 作 用 力 ， 范 德 瓦 爾 力 ， 氫 鍵 ， 偶 極 ，但 是 ， 沿 晶 態(tài) 聚 合 物 分 子鍵 方 向 加 載 與 垂 直 于 分 子鏈 方 向 加 載 時 ， 其 彈 性 模量 相 差 很 大 （ 12個 數(shù) 量級 ） 非 晶 態(tài) 聚 合 物 的 彈性 模 量 大 小 實 質(zhì) 上 也 是 反 映 了分 子 鏈 與 分

26、 子 鏈 間 鍵 合力 與 位 能 的 變 化 ， 非 晶態(tài) 與 晶 態(tài) 不 同 ， 沿 不 同方 向 加 載 時 差 別 小 ， 彈性 E也 小 。聚 合 物 的 E對 結(jié) 構(gòu) 非 常 敏 感 ,這 與 金 屬 和 陶 瓷 不 同 影 響 聚 合 物 的 彈 性 模 量 的 因 素 下 列 因 素 的 增 加 ， E 1) 主 鍵 熱 力 學(xué) 穩(wěn) 定 性 的 增 加 2） 結(jié) 晶 區(qū) 百 分 比 的 增 加 3） 分 子 鏈 填 充 密 度 的 增 加 4） 分 子 鏈 拉 伸 方 向 取 向 程 度 的 增 加 5) 聚 合 物 晶 體 中 鏈 端 適 應(yīng) 性 增 強 6) 鏈 折 疊 程

27、 度 的 減 小 聚 合 物 受 力 后 產(chǎn) 生 的 變 形 是 通 過 調(diào) 整 內(nèi) 部 分 子 構(gòu) 象實 現(xiàn) 的 。 粘 彈 性 ： 具 有 慢 性 的 粘 性 流 變 ， 表 現(xiàn) 為 滯 后 環(huán) ，應(yīng) 力 松 弛 和 蠕 變 。 上 述 現(xiàn) 象 均 與 溫 度 ， 時 間 ， 密 切相 關(guān) 。 聚 合 物 另 一 種 特 殊 的 彈 性 變 形 行 為 是 高 彈 態(tài) ， 如 橡膠 橡 膠 的 特 點 ： 1） E很 小 ， 而 變 形 量 很 大 。 一 般Cu,Fe的 E只 有 1 -2 ， 而 橡 膠 1000 。 2） 形 變需 要 時 間 3） 形 變 時 有 熱 效 應(yīng) ， 熱

28、 彈 性 效 應(yīng) ； 在伸 長 時 發(fā) 熱 ， 回 縮 時 吸 熱 ， 這 種 熱 效 應(yīng) 隨 伸 長 率 而增 加 。 鏈 接 1.9 陶 瓷 材 料 的 靜 強 度 陶 瓷 是 當(dāng) 代 三 大 固 體 材 料 之 一 工 程 陶 瓷 SiN4,SiC,Al2O3,ZrO2 特 點 ： 耐 高 溫 ， 硬 度 高 ， E高 ， 耐 磨 ，耐 蝕 ， 抗 蠕 變 性 能 好 材 料 在 靜 拉 伸 載 荷作 用 下 ， 經(jīng) 過 彈 性變 形 加 塑 性 變 形 加斷 裂 三 個 階 段 。 E E 原子 間 鍵 合 強 度 越 大 。 E工 程 技 術(shù) 意 義 ： 反映 材 料 剛 度 大 小

29、 。1.9.1 陶 瓷 材 料 的 拉 伸 曲 線與 彈 性 變 形 E陶 E 如 Al:E=65G Pa Al2O3： E=390Mpa 鋼 :E=200Gpa SiC:E=470G Pa 陶 瓷 材 料 E:不 僅 與 結(jié) 合 鍵 （ 離 子 鍵 和 共 價 鍵 ） 有 關(guān) ，還 與 陶 瓷 結(jié) 構(gòu) 及 氣 孔 率 有 關(guān) ， 而 金 屬 材 料 E是 一 個 極為 穩(wěn) 定 的 力 學(xué) 性 能 指 標(biāo) ， 合 金 化 ， 熱 處 理 ， 冷 熱 加工 難 以 改 變 它 的 數(shù) 值 。 但 陶 瓷 的 工 藝 過 程 卻 對 陶 瓷材 料 的 E有 著 巨 大 的 影 響 。 如 氣 孔

30、率 P較 小 時 ， E=E0(1-KP) K為 常 數(shù) ， E0是 無 氣孔 時 的 E0 陶 瓷 材 料 （ 特 別 是 氣 孔 率 較 高 時 ） E壓 E拉 且 E壓 E 拉 而 金 屬 E壓 =E拉 陶 瓷 材 料 E的 特 點 因 為 陶 瓷 材 料 塑 性 差 ， 拉 伸 時 ， 若 夾 頭 不 對 軸 ， 斷裂 往 往 發(fā) 生 在 夾 頭 處 ， 測 不 出 真 實 的 f ,所 以 ， 一 般均 采 用 彎 曲 試 驗 。三 點 或 四 點 彎 曲 ,跨 距 為 20 30mm， 尺 寸 ： （ 3 4） *（ 4 5） *（ 30 40） mm三 點 彎 曲 時 ：四 點

31、彎 曲 時 ： 23 ( )3f PL MPabh 23 ( ) ( )2f P L l MPabh P為 斷 裂 載 荷 （ N） L為 下 支 點 間 跨 距 （ mm）l為 上 支 點 間 跨 距 （ mm）（ 對 4點 彎 曲 ） b為 試 樣 寬 度 （ mm） h為 試 樣 厚 度 （ mm） 1.9.3 陶 瓷 材 料 的 斷 裂 與 斷 裂強 度 理 想 晶 體 的 斷 裂 強 度 為 其 中 為 理 論 斷 裂 強 度 , E為 彈 性 模 量 , 為 材料 比 表 面 能 , 為 原 子 間 距 離 陶 瓷 材 料 斷 裂 強 度 理 論 值 與 實 測 值 相 差巨 大

32、可 用 格 里 菲 斯 裂 縫 強 度 理 論 得 到 滿意 解 釋 1/ 20c Ea c 0a 陶 瓷 材 料 盡 管 本 質(zhì) 上 應(yīng) 該 具 有 很 高 的 斷裂 強 度 ， 但 實 際 斷 裂 強 度 卻 往 往 低 于 金屬 。 陶 瓷 壓 拉 ， 其 差 別 程 度 遠(yuǎn) 遠(yuǎn)超 過 金 屬 氣 孔 和 材 料 密 度 對 陶 瓷 斷 裂 強 度 有 重 大影 響 概 念 ： 包 辛 格 效 應(yīng) ， 彈 性 比 功 ， 解 理 面 ， 穿晶 斷 裂 力 學(xué) 性 能 指 標(biāo) 意 義 ： E主 要 決 定 于 什 么 因 素 ， 對 金 屬 材 料 為 什 么 說它 是 一 個 對 組 織

33、 不 敏 感 的 力 學(xué) 性 能 指 標(biāo) 。 試 舉 出 幾 種 能 顯 著 強 化 金 屬 而 不 降 低 其 塑 性的 方 法 。 設(shè) 條 件 應(yīng) 力 為 ， 其 實 應(yīng) 力 為 S， 試 證 明 S 0.2( ), , , , , , ,gt s pE G n 思 考 題 與 習(xí) 題 2.1 缺 口 對 材 料 性 能 的 影 響 大 多 數(shù) 機 構(gòu) 或 構(gòu) 件 、 零 件 都 含 有 缺 口 ， 如 鍵 槽 ，油 孔 ， 臺 階 ， 螺 紋 等 。 缺 口 對 材 料 的 性 能 影 響有 以 下 四 個 方 面 ： 缺 口 產(chǎn) 生 應(yīng) 力 集 中 引 起 三 向 應(yīng) 力 狀 態(tài) ,使

34、 材 料 脆 化由 應(yīng) 力 集 中 產(chǎn) 生 應(yīng) 變 集 中 使 缺 口 附 近 的 應(yīng) 變 速 率 增 高 1） 缺 口 部 分 不 能 承 受 外 力 ， 這一 部 分 外 力 要 有 缺 口 前 方 的 部 分材 料 來 承 擔(dān) ， 因 而 缺 口 根 部 的 應(yīng)力 最 大 。 2） 應(yīng) 力 集 中 系 數(shù) Kt ： 表 示 缺口 產(chǎn) 生 應(yīng) 力 集 中 的 影 響m axL t nSK maxLS 為 缺 口 根 部 的 最 大 應(yīng) 力 n 為 凈 截 面 上 的 名 義 應(yīng) 力 在 彈 性 范 圍 內(nèi) ,Kt的 數(shù) 值 決 定 于 缺 口 的 幾 何 形 狀 和 尺 寸 缺 口 的 影

35、 響根 部 產(chǎn) 生 三 向 應(yīng) 力 狀 態(tài) ， 使 材 料 的 屈 服 變 形 困 難 ， 導(dǎo) 致 脆 化 平 面 應(yīng) 力 狀 態(tài) ： 0， 即 在 XY平 面 內(nèi) 有 應(yīng)力 ， 而 在 垂 直 于 XY平 面 的 方 向 則 無 應(yīng) 力 存 在 。平 面 應(yīng) 變 狀 態(tài) ： 0 根 據(jù) 虎 克 定 律 ， 故 有 這 種 應(yīng) 力 狀 態(tài) 稱 為 平 面 應(yīng) 變 狀 態(tài) Z Z 1 0Z Z x yE Z x y 側(cè) 面 帶 有 缺 口的 薄 板 和 厚 板受 拉 伸 時 的 應(yīng)力 分 布(a)薄 板 缺 口 下 的彈 性 應(yīng) 力 (平 面 應(yīng)力 )(b)厚 板 缺 口 下 的彈 性 應(yīng) 力

36、(平 面 應(yīng)變 )(c) 平 面 應(yīng) 變 時 Z方 向 的 應(yīng) 力 分 布(d)平 面 應(yīng) 變 時 局 部 屈 服 后 的 應(yīng) 力分 布 由 應(yīng) 力 集 中 產(chǎn) 生 應(yīng) 變 集 中 缺 口 處 很 陡 的 應(yīng) 力 梯 度 ， 必 然 導(dǎo) 致 很 陡 的 應(yīng) 力 梯 度 牛 伯 提 出 公 式 缺 口 根 部 應(yīng) 變 體 積 很 小 ， 導(dǎo) 致 裂 紋 為 塑 性 應(yīng) 變 集 中 系 數(shù) ， 為 缺 口 處 的 局 部 應(yīng) 變 和 名義 應(yīng) 變 之 比 為 塑 性 應(yīng) 力 集 中 系 數(shù) ， 為 缺 口 處 的 實 際 應(yīng) 力 與 名義 應(yīng) 力 之 比 為 彈 性 應(yīng) 力 集 中 系 數(shù) 。 2

37、tK K K K K tK 缺 口 附 近 的 應(yīng) 變 速 率 遠(yuǎn) 高 于 平 均 的 應(yīng) 變 速 率 夾 頭 移 動 速 率 試 樣 應(yīng) 變 速 率 因 此如 ： 100 為 光 滑 試 樣 的 工 作 長 度 1 為 缺 口 附 近 的 工 作 長 度缺 口 附 近 的 應(yīng) 變 速 率 提 高 了 兩 個 數(shù) 量 級 d ld t ddt 0dld l 0 0 01dlld dldt dt dt l l 0l0l 2.2.1 溫 度 對 材 料 的 力 學(xué) 性 能 影 響 b.b.c溫 度 但 是 形變 硬 化 速 率 卻 對 溫 度 不 太 敏 感 。 而 孿 晶 變 形 鋸 齒 形 b

38、.b.c純 鐵 溫 度 下 降 導(dǎo) 致 脆性 破 壞 ， 如 右 圖 ， 77K以下 為 孿 晶 方 式Fe(b.c.c) ,Cu(f.c.c) ,Ti(h.c.c.p) 低 溫 ： b.c.c ,冷 脆 ， 不 變 。f.c.c 沒 有 冷 脆 ， 不 變 ， h.c.c.p sdd s dd s dds dd 2 3 應(yīng) 變 速 率 對 材 料 力 學(xué) 性能 的 影 響 10 4 10 2S-1內(nèi) ， 金屬 力 學(xué) 性 能 變 化 不 大 當(dāng) 大 于 10 2S-1， ， 發(fā)生 顯 著 變 化 超 塑 性 2.5 缺 口 沖 擊 韌 性 實 驗 材 料 在 沖 擊 載 荷 下 的 力 學(xué)

39、性 能 沖 擊 試驗 的 應(yīng) 變 速 率 為 10 4-10 2S-1應(yīng) 注 意 幾 點 ： 不 同 缺 口 形 狀 的 試 樣 ， 無 法 對 比 V型 缺 口 在 舊 的 梅 氏 沖 擊 試 驗 機 引 起 的 數(shù) 值A(chǔ)KV是 不 符 合 規(guī) 范 的 ， 是 不 可 靠 的 現(xiàn) 今 國 內(nèi) 的 一 些 材 料 性 能 數(shù) 據(jù) ， 仍 沿 用aK=AK/F,缺 口 處 截 面 積 （ 梅 氏 ） ， 夏 氏 沖 擊 試驗 綜 合 缺 口 低 溫 高 應(yīng) 變 速 率 ， 這 三 個因 素 對 材 料 脆 化 的 影響使 材 料 能 由 原 處 于 韌性 狀 態(tài) 脆 性 狀 態(tài) 缺 口 試 樣

40、的 形 狀 有 兩 種 ：梅 氏 （ 中 國 和 蘇 聯(lián) 過 去用 ） 和 夏 氏 試 樣 （ 美 國和 日 本 ） 1 2KA G H H N M J 連 接 2.5.2 缺 口 沖 擊 試 驗 的 應(yīng) 用 優(yōu) 點 ： 測 量 迅 速 簡 便 ， 所 以 沖 擊 韌 性 AK列為 五 大 指 標(biāo)應(yīng) 用 ： 用 于 控 制 材 料 的 冶 金 質(zhì) 量 和 鑄 造 ， 鍛 造 ， 焊 接 及 熱 處 理 等熱 加 工 工 藝 的 質(zhì) 量 。 不 是 服 役 性 能 指 標(biāo) ， 對 柴 油 機 的 連 桿的 要 求 要 求 熱 處 理 工 藝 和 冶 金 質(zhì) 量 是 否 正 常 提 出 的 問 題

41、 ，ak 15J/ 2， 仍 可 使 用 。 用 來 評 定 材 料 的 冷 脆 傾 向 。 評 定 脆 斷 傾 向 的 標(biāo) 準(zhǔn) 是 和 材 料的 具 體 服 役 條 件 相 聯(lián) 系 的 所 謂 冷 脆 ， 指 材 料 因 溫 度 的 降 低 導(dǎo) 致 沖 擊 韌 性 的 急 劇下 降 并 引 起 脆 性 破 壞 的 現(xiàn) 象 。 2.5.3 冷 脆 轉(zhuǎn) 化 溫 度 的 評 定 三 種 類 型 ： 使 用 時 ，注 意 同 一 種 標(biāo) 準(zhǔn)1)斷 面 形 貌 特 征 50 纖維2)能 量 標(biāo) 準(zhǔn) 20J 27J3)斷 口 的 變 形 特 征 t K是 一 個 韌 性 指 標(biāo) ， 從 韌性 角 度 選

42、 材 的 依 據(jù) 。 0 38l l mm光缺 -按 冷 脆 轉(zhuǎn) 化 溫 度 選 材 2.6 影 響 材 料 脆 性 斷 裂 的 冶 金 因 素 材 料 成 分低 強 度 鋼 基 本 b.c.c,鐵素 體 ， 晶 體 結(jié) 構(gòu) b.c.c存在 低 溫 脆 性 f.c.c一 般 不 存 在 低 溫脆 性成 分 ： 間 隙 溶 質(zhì) 元 素 含 量 tK , Mn% t K Ni% tK Si% P tK 含 碳 量 對 鋼 的 韌 -脆 轉(zhuǎn) 變 溫 度 的 影 響 影 響 材 料 脆 性 斷 裂 的 冶 金 因 素晶 粒 大 小 細(xì) 化 晶 粒 ， 使 韌 性 原 因 ： 晶 界 是 裂 紋 擴展

43、的 阻 力 ， 晶 界 前 塞積 的 位 錯 數(shù) 減 少 ， 有利 于 降 低 應(yīng) 力 集 中 ，晶 界 總 面 積 增 加 ， 使晶 界 上 的 雜 質(zhì) 濃 度 下降 ， 避 免 產(chǎn) 生 沿 晶 脆性 斷 裂 . 冷 脆 轉(zhuǎn) 化 溫 度 和 晶 粒 尺 寸 的 關(guān) 系 影 響 材 料 脆 性 斷 裂 的 冶 金 因 素顯 微 組 織 鋼 的 冷 脆 轉(zhuǎn) 化 溫 度 決 定 于 轉(zhuǎn) 變 產(chǎn) 物 在 較 低 溫 度 下 ， 脆 化 溫 度 由 高 到 低 依 次 順 序 為 在 較 低 強 度 水 平 時 ， 強 度 相 等 而 組 織 不 同 的 鋼 最 佳 . P B F B M 下 回上M

44、 回 2 7 抗 脆 斷 設(shè) 計 及 其 試 驗缺 口 沖 擊 試 驗 優(yōu) 點 ： 簡 單 方 便 ， 成 本 低 ，應(yīng) 用 廣 泛 缺 點 ： 無 論 哪 一 種 標(biāo) 準(zhǔn) ， 在 一 般 情 況 下 ，并 不 能 代 表 實 物 構(gòu) 件 的 脆 化 的 溫 度 ，原 因 ： 尺 寸 小 ， 由 于 變 形 的 幾 何 約 束 小帶 來 的 脆 化 程 度 也 小 。美 國 海 軍 采 用 大 型 實 物 脆 斷 研 究 方 法 ，用 于 安 全 設(shè) 計 。 W.S.Pellini落 錘 試 驗 方 法 。 Kt t缺 實 際 2.7.1 落 錘 試 驗測 定 材 料 的 NDT :即無 塑

45、性 轉(zhuǎn) 變 溫 度優(yōu) 點 :方 法 比 較 簡 單 ，數(shù) 據(jù) 的 重 現(xiàn) 性 高 ， 故被 廣 泛 采 用 并 正 標(biāo) 準(zhǔn)化 。 鏈 接 2.7.2 斷 裂 分 析 圖 FAD圖 Fracture Analysis Draw應(yīng) 力 缺 陷 溫 度 三 個 參數(shù) 之 間 的 關(guān) 系彈 性 斷 裂 轉(zhuǎn) 變 溫 度 FTE=NDT+33 C 塑 性 斷 裂 轉(zhuǎn) 化 溫 度 FTP=NDT+67 C CAT-止 裂 溫 度 曲 線 curve 第 三 章 斷 裂 力 學(xué) 與斷 裂 韌 性 3.1 概 述 斷 裂 是 一 種 最 危 險 失 效 形 式 ， 按 傳 統(tǒng) 力 學(xué) 設(shè) 計 ， 工 作 應(yīng) 力

46、 許 用 應(yīng) 力 為 安 全 。塑 性 材 料 S/n脆 性 材 料 b/n但 是 在 S 1情 況 下 ， 也 可 產(chǎn) 生 斷 裂 ， 所 謂低 應(yīng) 力 脆 斷 現(xiàn) 象 ， 傳 統(tǒng) 或 經(jīng) 典 的 強 度 理 論 無 法 解 釋 。傳 統(tǒng) 力 學(xué) 是 把 材 料 看 成 均 勻 的 ， 沒 有 缺 陷 的 ， 沒 有裂 紋 的 理 想 固 體 ， 但 實 際 的 工 程 材 料 ， 在 制 備 ， 加工 及 使 用 過 程 中 ， 都 會 產(chǎn) 生 各 種 宏 觀 缺 陷 乃 至 宏 觀裂 紋 ， 傳 統(tǒng) 力 學(xué) 解 決 不 了 帶 裂 紋 構(gòu) 件 的 斷 裂 問 題 。斷 裂 力 學(xué) 就 是

47、 研 究 帶 裂 紋 體 構(gòu) 件 的 力 學(xué) 行 為 。 美 國 二 戰(zhàn) 期 間 ： 5000艘 全 焊 接 的 “ 自 由輪 ” ， 238艘 完 全 破 壞 ， 其 斷 裂 源 多 在焊 接 缺 陷 處 ， 且 溫 度 低 ， aK下 降 。 1954年 ， 美 國 發(fā) 射 北 極 星 導(dǎo) 彈 ， 發(fā) 射 點火 不 久 ， 就 發(fā) 生 爆 炸 。例 如 含 裂 紋 體 的 斷 裂 判 據(jù) 固 有 性 能 的 指 標(biāo) 斷 裂 韌 性 ： 用 來 比 較 材 料拉 斷 能 力 ， KIC ,GIC , JIC, C 。 用 于 設(shè) 計 中 ： KIC已 知 ， ， 求 amax。 KIC已 知

48、 , a c已 知 ， 求 構(gòu) 件 承 受 最 大 承 載能 力 。 KIC已 知 ， a已 知 ， 求 。 討 論 ： KIC的 意 義 ， 測 試 原 理 ， 影 響 因 素 及 應(yīng)用 。 主 要 內(nèi) 容 理 論 斷 裂 強 度 C,即 相 當(dāng) 于 克 服 最大 引 力 C 力 與 位 移 的 關(guān) 系 ： 2 / CSin x 原 子 間 結(jié) 合 力 隨 距 離 變 化 示 意 圖 正 弦 曲 線 下 所 包 圍 的 面 積 代 表 使 金 屬 原 子 完全 分 離 所 需 的 能 量 / 20 2sin 2cc x dx (1)sin x x 故 2sinc x /E Ex a （ 2）

49、將 （ 1） 2 c Ea 代 入 （ 2） 得 1/ 2c Era 若 以 2 81.0 / 3.0 10J m a cm 代 入 可 算 出 110c E （ 金 屬 材 料 ） （ 陶 瓷 ， 玻 璃 ） 原 因 ： 內(nèi) 部 存 在 有 裂 紋 材 料 內(nèi) 部 含 有 裂 紋 對 材 料 強 度 有 多 大 影 響 ？20年 代 ， Griffith首 先 研 究 了 含 有 裂 紋 的 玻璃 強 度 。 1100f E 實 際 斷 裂 強 度 理 論 計 算 的 斷 裂 強 度 3.2.2 Griffith理 論 E1001f 無 限 寬 板 中 Griffith裂 紋 的 能 量 平

50、 衡 斷 裂 應(yīng) 力 和 裂 紋 尺 寸 的 關(guān) 系 ： 1/22 Ec Griffith公 式 因 為 1/2 1/22 1 Ec 與 1/2c Ea 相 似 。 1c 若 取 410c a 則 實 際 斷 裂 強 度 只 是 理 論值 的 1/100 1/22 8sEa a 適 用 于 當(dāng) ， 裂 紋 尖 端 塑 性 變 形 較 大 ， 控 制 著裂 紋 的 擴 展 時當(dāng) 時 ， 就 成 為 Griffith公 式 。當(dāng) 時 ， 用 Griffith公 式 。對 金 屬 材 料 ： 裂 紋 尖 端 由 于 應(yīng) 力 集 中 的 作 用 ， 局 部應(yīng) 力 很 高 ， 但 是 一 旦 超 出 材

51、 料 的 屈 服 強 度 ， 就 會 發(fā)生 塑 性 變 形 。 裂 紋 擴 展 功 主 要 消 耗 在 塑 性 變 形 上 ，塑 性 變 形 功 大 約 是 表 面 能 的 1000倍 。8 a 8 a 8 a Orowan公 式 3.2.3 Orowan的 修 正 3.3 裂 紋 擴 展 的 能 量 判 據(jù)Griffith的 斷 裂 理 論 中 ， 裂 紋 擴 展 的 阻 力 為 2 sOrowan斷 裂 理 論 中 ， 裂 紋 擴 展 的 阻 力 為 2 S P 設(shè) 裂 紋 擴 展 單 位 面 積 所 消 耗 的 能 量 為 R，則 R 2 S P 定 義 ： 2 2 22 2u c cG

52、 c c E E G表 示 彈 性 應(yīng) 變 能 的 釋 放 率 或 為 裂 紋 擴 展 力 G表 示 彈 性 應(yīng) 變 能 的 釋 放 率 或 為 裂 紋 擴 展 力 定 義 G為 裂 紋 擴 展 的 能 量 率 或 裂 紋 擴 展 力 ， 因 為 G是 裂 紋 擴 展 的 動 力 ， 當(dāng) G達(dá) 到 怎 樣 的 數(shù) 值 時 ， 裂 紋就 開 始 失 穩(wěn) 擴 展 呢 ？ R裂 紋 擴 展 單 位 面 積 所 消 耗 的 能 量 為 R按 Griffith斷 裂 條 件 （ 脆 性 ） 按 Orowan修 正 公 式 （ 塑 性 ）G R 2 sR G R 2 S PR 因 為 表 面 能 ， 塑

53、性 變 形 功 都 是 材 料 常 數(shù) ，令 s P1 2C sG 或 1 2C S PG 則 有 1 1CG G 為 斷 裂 能 量 判 據(jù) 是 可 以 計 算 的 ， 而 材 料 的 性 能 是 可 以 測定 的 。 1G 1CG因 此 可 以 從 能 量 平 衡 的 角 度 研 究 材 料 的 斷 裂是 否 發(fā) 生 。 固 定 邊 界 和 恒 定 載 荷 的 Griffith準(zhǔn) 則能 量 關(guān) 系對 于 固 定 邊 界 的Griffith準(zhǔn) 則 能 量 關(guān) 系 恒 載 荷 的 Griffith準(zhǔn) 則能 量 關(guān) 系 線 彈 性 斷 裂 力 學(xué) 的 研 究 對 象 是 帶 有 裂 紋的 線 彈

54、 性 體 。 它 假 定 裂 紋 尖 端 的 應(yīng) 力 服 從 虎 克 定 律(嚴(yán) 格 的 說 只 有 玻 璃 ， 陶 瓷 這 樣 的 脆 性材 料 才 算 理 想 的 彈 性 體 )。 為 使 線 彈 性 斷 裂 力 學(xué) 能 夠 用 于 金 屬 ， 必須 符 合 ： 金 屬 材 料 的 裂 紋 尖 端 的 塑 性 區(qū)尺 寸 與 裂 紋 長 度 相 比 是 一 很 小 的 數(shù) 值 。3.4 裂 紋 尖 端 的 應(yīng) 力 場 線 彈 性 斷 裂 力 學(xué) 適 用 范 圍 高 強 度 鋼 。 厚 截 面 的 中 強 度 鋼 （ ） 低 溫 下 的 中 低 強 度 鋼 因 為 塑 性 區(qū) 尺 寸 很 小

55、， 可 近 似 看 成 理 想線 彈 性 體 ， 誤 差 在 工 程 上 是 允 許 的 。1200S MPa 500 1000S MPa 根 據(jù) 裂 紋 體 的 受 載 和 變 形 情 況 ， 可 將 裂紋 分 為 三 種 類 型 ： 張 開 型 裂 紋 （ 或 拉 伸 型 ） 最 危 險 ， 最 重要 的 一 種 滑 開 型 （ 或 剪 切 型 ） 裂 紋 撕 開 型 裂 紋 張 開 型 裂 紋 （ 或 拉 伸 型 ）滑 開 型 （ 或 剪 切 型 ） 裂 紋撕 開 型 裂 紋以 上 三 圖 均 有 鏈 接 裂 紋 頂 端 附 近 的 應(yīng) 力 場3.4.2 I型 裂 紋 尖 端 力 場 1

56、 1/21 1/2 3cos 1 sin sin2 2 22 3cos 1 sin sin2 2 22xy krkr 平 面 應(yīng) 力 狀 態(tài)（ 薄 板 ） 0z 1 1/2 3sin cos cos2 2 22xy kr 平 面 應(yīng) 變 狀 態(tài)（ 厚 板 ） 0z 1k a r a其 中 當(dāng) 時 ， 即 切 應(yīng) 力 為 0， 拉 應(yīng) 力 卻 最 大 ， 裂 紋 容 易 沿 著 該平 面 擴 展 。應(yīng) 力 強 度 因 子 Y是 與 裂 紋 幾 何 形 狀 和 位 置 決 定 的 參 數(shù) ， K 1表 示裂 紋 尖 端 應(yīng) 力 場 的 大 小 或 強 度 。 0 12x y K r 0 xy 1K

57、 Y a 3/2/kg mm 1/2MPa m或 由 上 述 裂 紋 尖 端 應(yīng) 力 場 已 知 ,裂 紋 尖 端 某 一 點 的 應(yīng) 力 ，位 移 ， 應(yīng) 變 ， 完 全 由 K1決 定 ：K1稱 應(yīng) 力 強 度 因 子 ， 應(yīng) 力 應(yīng) 變 場 的 強 弱 程 度 完 全 由K1決 定 。K1決 定 于 裂 紋 的 形 狀 和 尺 寸 ， 也 決 定 于 應(yīng) 力 的 大 小 。（ 不 同 平 板 有 不 同 的 表 達(dá) 式 , K1可 計 算 ）K1表 示 裂 紋 尖 端 應(yīng) 力 場 的 大 小 或 強 度 。 1 1/22ij ijK fr 3.5 斷 裂 韌 性 和 斷 裂 判 據(jù) 3.

58、5.1 和cK 1CK1 1 1crim CK K K 1K 臨 界 值 平 面 應(yīng) 力 1C CK K 1K（ 應(yīng) 力 強 度 因 子 ） CK （ 斷 裂 韌 性 ） 或（ 平 面 應(yīng) 變 斷 裂 韌 性 ） 1CK 1K 受 外 界 條 件 影 響 的 反 映 裂 紋 尖 端 應(yīng) 力 場強 弱 程 度 的 力 學(xué) 度 量 ， 它 不 僅 隨 外 加 應(yīng) 力 和裂 紋 長 度 的 變 化 而 變 化 也 和 裂 紋 的 形 狀 類 型以 及 加 載 方 式 有 關(guān) ， 但 它 和 材 料 本 身 的 固 有性 能 無 關(guān) 。 CK（ 斷 裂 韌 性 ） 或 1CK （ 平 面 應(yīng) 變 斷

59、裂 韌 性 ）的 特 性 ： 反 映 材 料 阻 止 裂 紋 擴 展 的 能 力 。 1CK 1CK 是 平 面 應(yīng) 力 狀 態(tài) 下 的 斷 裂 韌 性 ，它 和 板 材 或 試 樣 厚 度 有 關(guān) 。 而 當(dāng) 板材 厚 度 增 加 到 達(dá) 到 平 面 應(yīng) 變 狀 態(tài) 時 ，斷 裂 韌 性 就 趨 于 一 穩(wěn) 定 的 最 低 值 ，這 時 與 厚 度 無 關(guān) ， 稱 為 平 面 應(yīng) 變 的斷 裂 韌 性 是 真 正 的 材 料 常 數(shù) ， 反映 阻 止 裂 紋 擴 展 的 能 力 。 反 映 了 最 危 險 的 平 面 應(yīng) 變 斷 裂情 況 。 CK 3.5.2 斷 裂 判 據(jù) 當(dāng) 應(yīng) 力 強

60、 度 因 子 增 大 到 一 臨 界 值 ， 這 一 臨 界值 在 數(shù) 值 上 等 于 材 料 的 平 面 應(yīng) 變 斷 裂 韌 性 時 ，裂 紋 就 立 即 失 穩(wěn) 擴 展 ， 構(gòu) 件 就 發(fā) 生 脆 斷 。 于是 斷 裂 判 據(jù) 便 可 表 示 為 右 邊 為 材 料 固 有 性 能 ， 左 邊 為 外 界 載 荷 條 件（ 包 含 裂 紋 的 形 狀 和 尺 寸 ） 應(yīng) 用 工 程 中 ， 對 無 限 大 平 板 中 心 含 有 尺 寸 為2a的 穿 透 裂 紋 時 ， 1/21 1CK a K 1 1CK K 3.6 與 的 關(guān) 系 1G 1K1 1CG G （ 能 量 平 衡 觀 點

61、討 論 斷 裂 ） 1 1CK K （ 裂 紋 尖 端 應(yīng) 力 場 討 論 斷 裂 ） 右 邊 反 映 材 料 固 有 性 能 的 材 料 常 數(shù) ， 是 材 料 的 斷裂 韌 性 值 。 1G 1K與 的 關(guān) 系 ： 歷 史 上 ， 先 G后 K， G： 1921，Griffith K: 1957,Orwin K和 G的 適 用 范 圍 斷 裂 判 據(jù) 為 ： 這 兩 種 斷 裂 判 據(jù) 是 等 效 的 ， 且 可 互 相 換 算 。但 實 際 上 要 注 意 以 下 幾 個 方 面 ： 實 際 用 K更 方 便 ， 資 料 多 K實 測 更 容 易 G物 理 意 義 易 理 解 211 1

62、 CC KG G E 211 1 CC KG G E (平 面 應(yīng) 力 ) （ 平 面 應(yīng) 變 ， ） 21 EE 影 響 斷 裂 韌 性 的 因 素 如 能 提 高 斷 裂 韌 性 ， 就 能 提高 材 料 的 抗 脆 斷 能 力 。 外 因 ： 板 材 或 構(gòu) 件 截 面 的 尺寸 ， 服 役 條 件 下 的 T， 應(yīng) 變 速率 等 。 內(nèi) 因 ： 強 度 ， 合 金 成 分 和 內(nèi)部 組 織 。 3.8 金 屬 材 料 的 斷 裂 韌 性 的 測 定3.8.1 試 樣 制 備 測 兩 種 ： 三 點 彎 曲 試 樣 和 緊 湊 拉 伸 試 樣裂 紋 缺 口 鉬 絲 線 切 割 加 工 0

63、.12mm疲 勞 裂 紋 高 頻 拉 伸 疲 勞 試 驗 機 上 預(yù) 制為 了 測 得 穩(wěn) 定 的 值 ， 所 規(guī) 定 的 尺 寸 必 須 滿 足 ： （ 1） 小 范 圍 屈 服 （ 線 彈 性 斷 裂 力 學(xué) ,對 裂 紋 長 度 c應(yīng) 有 規(guī) 定 ， ） （ 2） 平 面 應(yīng) 變 ,對 試 樣 厚 度 上 的 要 求 。a 8 如 ： 三 點 彎 曲 1） 塑 性 區(qū) 尺 寸 212.5 CsKa 15y aR 2） 時 ， 穩(wěn) 定 值 。212.5 CsKB 1CK3） 韌 帶 尺 寸 ； ， 偏 低 212.5 C sKW a W a QP 滿 足 平 面 應(yīng) 變 條 件 : 這 個

64、 規(guī) 定 保 證 了 試 樣 尺 寸 遠(yuǎn) 大 于 裂 紋 尖 端 塑性 區(qū) 的 尺 寸 ， 使 之 滿 足 小 范 圍 屈 服 和 平 面 應(yīng)變 條 件 。 試 樣 種 類 兩 種 ： 三 點 彎 曲 緊 湊 拉 伸 試 樣 210.22.5 CKB 1CK 3.8.2 測 試 方 法 特 點 ： 預(yù) 制 裂 紋 記 錄 曲 線 裂 紋 尖 端 張 開 位移 210.22.5 CKB P V V P-V曲 線2.確 定 Pa Pa是 裂 紋 失 穩(wěn) 擴 展 時 臨 界 載 荷 3.計 算 : QK3/2QQ P S aK fBW W 三 點 彎 曲 4S W1/2QQ P aK fBW W 緊

65、 湊 拉 伸 af W 可 查 表 檢 驗 的 有 效 性 （ KQ是 否 平 面 應(yīng) 變 狀 態(tài) 下 的 KIC？ ） QK 必 須 滿 足 平 面 應(yīng) 變 條 件 ： 1Q CK K 210.22.5 CKB max 1.1QPP 與 的 誤 差 不 會 超 過 10 QK 1CK若 B不 滿 足 ， 擴 大 厚 度 至 1.5B重 新 試 驗 ；若 滿 足 ， 用 的 測 。特 別 是 高 強 度 脆 性 材 料 1Q CK K 1CK 21 11 1 ; ;C CC C cK KK K a YY a 對 于 塑 性 較 好 的 材 料 ， 還 必 須 考 慮 塑性 區(qū) 的 修 正 ，

66、討 論 塑 性 區(qū) 的 大 小 ， 擴展 所 需 能 量 主 要 消 耗 于 塑 性 變 形 功 ，區(qū) 域 越 大 ， 消 耗 功 越 大 。 3.9 彈 塑 性 條 件 下 的 斷 裂 韌 性 指 標(biāo)（ J積 分 ， COD） 對 中 、 低 強 度 1CK研 究 方 法 ： （ 1） J積 分 （ 2） COD 彈 塑 性 斷 裂 力 學(xué) 線 彈 性 斷 裂 力 學(xué) ， ， 等 價 的 。 1CK 1CG脆 性 ： 裂 紋 尖 端 有 很 高 的 應(yīng) 力 集 中 塑 性 區(qū) 彈 性 ： 若 塑 性 尺 寸 裂 紋 尺 寸 ， 小 范 圍 屈 服 3.9.1 J積 分 : 斷 裂 能 量 判 據(jù) J積 分 的 斷 裂 判 據(jù) 就 是 G判 據(jù) 的 延 伸 ， 或 將 線 彈 性條 件 下 G延 伸 到 彈 塑 性 斷 裂 時 的 J， 表 達(dá) 形 式 G相 似 。 1dUJ t da 類 似 于 12U UG c B a 在 彈 性 條 件 下 ， J=G在 彈 塑 性 條 件 下 ， 表 達(dá) 式 相 同 ， 但 物 理 概 念 有 所 不 同 G： 在 線 彈 性 條 件 下 G的