斷裂韌性ppt課件

《斷裂韌性ppt課件》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《斷裂韌性ppt課件（50頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

材料力學(xué)性能,第四章 金屬的斷裂韌度,,,,線性彈性下的金屬斷裂韌度,1,,斷裂韌度KIC的測(cè)試,,彈塑性條件下金屬斷裂韌度的基本概念,,影響斷裂韌度KIC的因素,2,學(xué)習(xí)目標(biāo),,掌握KIC的測(cè)試方法、影響因素及其應(yīng)用,,,,2,了解GIC和JIC的有關(guān)概念,3,學(xué)習(xí)重點(diǎn)和難點(diǎn),,,2,影響 KIC的因素,力學(xué)行為及各種力學(xué)性能指標(biāo)的意義和應(yīng)用。,,KIC的含義及應(yīng)用,4,4.1線彈性條件下的斷裂韌度,工學(xué)院 材料系,0.引言,按傳統(tǒng)力學(xué)設(shè)計(jì)，工作應(yīng)力σ小于許用應(yīng)力[σ]為安全。,塑性材料[σ]＝σS/n,脆性材料[σ]＝σb/n,再考慮機(jī)件的一些特點(diǎn)（如存在缺口）及環(huán)境溫度的影響，根據(jù)材料使用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)塑性、韌度及缺口敏感度提出附加要求,據(jù)此設(shè)計(jì)的機(jī)件，原則上來(lái)講是不會(huì)發(fā)生塑性變形和斷裂的，安全可靠。,隨著高強(qiáng)度材料的使用，尤其在經(jīng)過(guò)焊接的大型構(gòu)件中常發(fā)生斷裂應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度的低應(yīng)力脆 斷意外事故，傳統(tǒng)或經(jīng)典的強(qiáng)度理論無(wú)法解釋。,5,4.1線彈性條件下的斷裂韌度,工學(xué)院 材料系,1965年英國(guó)的一個(gè)氨合成塔，設(shè)計(jì)壓力為36MPa，水壓試驗(yàn)壓力為49MPa，材料的屈服強(qiáng)度為 460MPa，此容器在試壓過(guò)程中加壓到35.2MPa時(shí)，就突然爆炸，其中有一塊重達(dá)2T的碎片竟飛出數(shù)十米遠(yuǎn)。,1954年，美國(guó)發(fā)射北極星導(dǎo)彈，固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，采用了超高強(qiáng)度鋼D6AC，σS為1400MPa，按照傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)與驗(yàn)收時(shí)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)包括強(qiáng)度與韌性都符合要求，設(shè)計(jì)時(shí)的工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度發(fā)射點(diǎn)火不久，就發(fā)生爆炸。,6,4.1線彈性條件下的斷裂韌度,工學(xué)院 材料系,事后檢查發(fā)現(xiàn)：在氨合成塔的焊縫區(qū)內(nèi)埋藏有一長(zhǎng)為 10mm的內(nèi)部裂紋；在導(dǎo)彈固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體爆炸碎片中發(fā)現(xiàn)殘留的宏觀裂紋。,傳統(tǒng)力學(xué)是把材料看成均勻的，沒(méi)有缺陷的，沒(méi)有裂紋的理想固體。,實(shí)際的工程材料在制備、加工及使用過(guò)程中，都會(huì)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(wèn)題，斷裂力學(xué)就是研究帶裂紋體構(gòu)件的力學(xué)行為。,本章從材料的角度出發(fā)，簡(jiǎn)要介紹斷裂力學(xué)基本原理，著重討論線彈性條件下金屬斷裂韌度的意義、測(cè)試原理和影響因素。,7,4.1線彈性條件下的斷裂韌度,工學(xué)院 材料系,大量斷口分析表明，金屬機(jī)件的低應(yīng)力脆斷斷 口沒(méi)有宏觀塑性變形痕跡，所以可以認(rèn)為裂紋 在斷裂擴(kuò)展時(shí)，尖端總處于彈性狀態(tài)，應(yīng)力- 應(yīng)變應(yīng)呈線性關(guān)系。,研究低應(yīng)力脆斷的裂紋擴(kuò)展問(wèn)題時(shí)，可以用彈性力學(xué)理論，從而構(gòu)成了線彈性斷裂力學(xué)。,一、裂紋擴(kuò)展的基本形式,1. 張開(kāi)型裂紋（Ⅰ型）,8,4.1線彈性條件下的斷裂韌度,工學(xué)院 材料系,2. 滑開(kāi)型裂紋（Ⅱ型）,3. 撕開(kāi)型裂紋（Ⅲ型）,通常Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組合，以Ⅰ型最為危險(xiǎn),9,4.1線彈性條件下的斷裂韌度,工學(xué)院 材料系,二、Ⅰ型裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng),設(shè)一無(wú)限大平板中心含有一長(zhǎng)為2a的穿透裂紋， 在垂直裂紋面方向受均勻的拉應(yīng)力σ作用。,裂紋端部(r,θ)處的應(yīng)力場(chǎng)為:,,平面應(yīng)力：,平面應(yīng)變：,10,4.1線彈性條件下的斷裂韌度,工學(xué)院 材料系,令,則,當(dāng)θ＝0時(shí)，則,在x軸上裂紋尖端的切應(yīng)力分量為零，拉應(yīng)力分量最大，裂紋最易沿x軸方向擴(kuò)展。,x越小，σx和σy越大；當(dāng)x趨近于0時(shí)， σx和σy趨近于無(wú)窮大，不成立。,11,4.1線彈性條件下的斷裂韌度,工學(xué)院 材料系,Ⅰ型裂紋應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的一般表達(dá)式為:,應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KⅠ表示裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱,KⅠ越大，則應(yīng)力場(chǎng)各應(yīng)力分量也越大。,裂紋尖端區(qū)域各點(diǎn)的應(yīng)力分量除了決定于其位置(r，θ)外，尚與KⅠ有關(guān)。,二、 應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子,Y 裂紋形狀系數(shù)， 一般Y =l-2,對(duì)于Ⅱ、Ⅲ型裂紋,12,4.1線彈性條件下的斷裂韌度,工學(xué)院 材料系,13,4.1線彈性條件下的斷裂韌度,工學(xué)院 材料系,三、 斷裂韌度KⅠC和斷裂K判據(jù),1.金屬的斷裂韌度,KⅠ是決定應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)所的復(fù)合參量，所以可以將其當(dāng)推動(dòng)裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力，從而建立裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的力學(xué)判據(jù)及斷裂韌度。,這個(gè)臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的KI值就記作KIC或KC稱(chēng)為斷裂韌度。表征材料對(duì)宏觀裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的抗力。,當(dāng)σ和a單獨(dú)或共同增大時(shí)，KI和裂紋尖端的各應(yīng)力分量隨之增大,當(dāng)KI增大到臨界值時(shí)，也就是說(shuō)裂紋尖端足夠大的范圍內(nèi)應(yīng)力達(dá)到了材料的斷裂強(qiáng)度，裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂。,14,4.1線彈性條件下的斷裂韌度,工學(xué)院 材料系,KIC：平面應(yīng)變下的斷裂韌度，表示在平面應(yīng)變條件下材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。,KC：平面應(yīng)力斷裂韌度，表示平面應(yīng)力條件材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。,因KC KIC ，故用KIC 設(shè)計(jì)較為安全，且符合大型工程構(gòu)件的實(shí)際情況。,2.斷裂K判據(jù),應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI和斷裂韌度KIC的相對(duì)大小，可以建立裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的斷裂K判據(jù):,KI≥KIC,3. KIC的應(yīng)用,15,4.1線彈性條件下的斷裂韌度,工學(xué)院 材料系,如果塑性區(qū)尺寸比裂紋尺寸a和截面尺寸小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，只要對(duì)KI進(jìn)行適當(dāng)修正，則仍可以適用。,實(shí)際上，金屬材料在裂紋擴(kuò)展前，其尖端附近，由于應(yīng)力集中要先出現(xiàn)一個(gè)或大或小的塑性變形區(qū), 在塑性區(qū)內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不是線性關(guān)系，上述KI判據(jù)不再適用,四、裂紋尖端屈服區(qū)及修正,1.塑性區(qū)的形狀和尺寸,根據(jù)材料力學(xué)，通過(guò)一點(diǎn)的主應(yīng)力 σ1、σ2、σ3和 x 、y 、z方向的各應(yīng)力分量的關(guān)系為：,16,4.1線彈性條件下的斷裂韌度,工學(xué)院 材料系,裂紋尖端附近任一點(diǎn)(r,θ)的主應(yīng)力為：,根據(jù)三向應(yīng)力狀態(tài)下屈服判據(jù)：,17,4.1線彈性條件下的斷裂韌度,工學(xué)院 材料系,可得到塑性區(qū)邊界曲線方程：,平面應(yīng)力狀態(tài),平面應(yīng)變狀態(tài),當(dāng)θ=0時(shí),在裂紋的前方，塑性區(qū)寬度：,（平面應(yīng)變）,（平面應(yīng)力）,18,4.1線彈性條件下的斷裂韌度,工學(xué)院 材料系,取υ=0.3，考慮下圖中影線部分面積（屈服區(qū)）內(nèi)應(yīng)力松弛的影響,平面應(yīng)力狀態(tài)下,平面應(yīng)變狀態(tài)下,19,4.1線彈性條件下的斷裂韌度,工學(xué)院 材料系,2.有效裂紋及KI的修正,應(yīng)力松馳可以有兩種方式：一種是通過(guò)塑性變形；另一種方式則是通過(guò)裂紋擴(kuò)展。,如認(rèn)為這兩種應(yīng)力松馳的方式是等效的，設(shè)想裂紋的長(zhǎng)度增加了，由原來(lái)的長(zhǎng)度a 增加到a+ry,計(jì)算表明，修正量ry等于應(yīng)力松馳以后的塑性區(qū)寬度R0的一半。,20,4.1線彈性條件下的斷裂韌度,工學(xué)院 材料系,則,* 越大，修正系數(shù)越大，一般 時(shí)， 變化比較明顯，需要修正。,21,4.1線彈性條件下的斷裂韌度,工學(xué)院 材料系,系統(tǒng)彈性應(yīng)變能的變化,塑性變形功,表面能,五、裂紋擴(kuò)展能量釋放率GI及斷裂韌度GIC,考慮到裂紋擴(kuò)展時(shí)的能量關(guān)系，引出裂紋擴(kuò)展的G判據(jù)。,絕熱條件下，假設(shè)有一裂紋體在外力作用下裂紋擴(kuò)展， 外力做功為,,系統(tǒng)勢(shì)能，裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力,裂紋擴(kuò)展阻力,22,4.1線彈性條件下的斷裂韌度,工學(xué)院 材料系,裂紋擴(kuò)展能量釋放率G ：裂紋擴(kuò)展單位面積時(shí)系統(tǒng)釋放勢(shì)能的數(shù)值。,系統(tǒng)勢(shì)能等于系統(tǒng)的應(yīng)變能減去外力功,對(duì)于Ⅰ型裂紋，能量釋放率GⅠ（裂紋擴(kuò)展單位面積釋放功）,則,平面應(yīng)力,平面應(yīng)變,將GI的臨界值記為GIC，也稱(chēng)為斷裂韌度或平面斷裂韌度，表示材料阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)單位面積所消耗的能量,23,4.1線彈性條件下的斷裂韌度,工學(xué)院 材料系,六、GIC和KIC的關(guān)系,1.平面應(yīng)力,,2.平面應(yīng)變,,24,4.2 斷裂韌性KⅠC的測(cè)試,工學(xué)院 材料系,1.試樣,試樣應(yīng)足夠厚以保證裂紋尖端為平面應(yīng)變,一、三點(diǎn)彎曲法,保證尖端處于小范圍屈服狀態(tài),25,4.2 斷裂韌性KⅠC的測(cè)試,工學(xué)院 材料系,2.測(cè)試方法,在加載過(guò)程中，隨載荷F的增加，裂紋嘴張開(kāi)位移V增大。用記錄儀記錄曲線F-V，進(jìn)而用F-V曲線確定裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)的載荷FQ 。,26,4.2 斷裂韌性KⅠC的測(cè)試,工學(xué)院 材料系,由于材料性能及試樣尺寸不同，F(xiàn)-V曲線有三種類(lèi)型：,1）材料較脆、試樣尺寸足夠大時(shí)，F(xiàn)-V曲線為III型,2）材料韌性較好或試樣尺寸較小時(shí)，F(xiàn)-V曲線為I型,3）材料韌性或試樣尺寸居中時(shí)，F(xiàn)-V曲線為II型,做一直線與彈性部分的斜率少5%，以確定與裂紋擴(kuò)展2%時(shí)相對(duì)應(yīng)的載荷F5。,如F5 前無(wú)比F5 大的載荷，則FQ = F5 ；,如F5 前有比F5 大的載荷，此最高載荷為FQ 。,27,4.2 斷裂韌性KⅠC的測(cè)試,工學(xué)院 材料系,S＝4W,將測(cè)定的裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界載荷FQ及試樣斷裂后測(cè)出的裂紋長(zhǎng)度a代入，即可求出KI 的條件值，記為KQ。,然后再依據(jù)下列規(guī)定判斷KQ是否為平面應(yīng)變狀態(tài)下的KIC，即判斷KQ的有效性。,,否則無(wú)效，試樣尺寸放大１.５倍,28,4.2 斷裂韌性KⅠC的測(cè)試,工學(xué)院 材料系,二、緊湊拉伸法,這一構(gòu)型的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度表達(dá)式為:,29,4.2 斷裂韌性KⅠC的測(cè)試,工學(xué)院 材料系,三、Vicker壓痕法,對(duì)陶瓷類(lèi)脆性材料，裂紋可以由接觸過(guò)程產(chǎn)生。壓痕斷裂力學(xué)的發(fā)展使得可以借助壓痕裂紋進(jìn)行脆性材料斷裂韌性的測(cè)試。由于引 入裂紋容易和試樣制備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，壓痕法 測(cè)斷裂韌性在陶瓷材料領(lǐng)域被廣泛使用。,選擇與構(gòu)件的成分、工藝相同的材料制備試件。在Vicker硬度實(shí)驗(yàn)機(jī)上，在適當(dāng)荷載下，用Vicker壓頭，在拋光的陶瓷材料試件上壓出壓痕。,30,4.2 斷裂韌性KⅠC的測(cè)試,工學(xué)院 材料系,在正方形壓痕的四角，沿輻射方向出現(xiàn) 裂紋。,若選用荷載適當(dāng)，在壓痕對(duì)角線方向的拋面接近半圓形。一般要求c≥2.5a。,根據(jù)壓痕斷裂力學(xué)理論，處于平衡狀態(tài)的壓痕裂紋尖端的殘余應(yīng)力強(qiáng)度因子在數(shù)值上等于材料的斷裂韌性。,H、E、a、c分別是材料的維氏硬度、彈性模量、壓痕對(duì)角線與裂紋 的長(zhǎng)度；,Ф為約束因子（ Ф ≈3）。,31,4.2 斷裂韌性KⅠC的測(cè)試,工學(xué)院 材料系,通過(guò)壓痕法求一系列的c，a值，按上式的通式,以lna和lnc為變量進(jìn)行擬合，求得u、V值；,應(yīng)用所得u、V值于待測(cè)的同類(lèi)材料上，再測(cè)a、c值，并利用已知的H、E，可求得KIC 。,32,4.3 影響斷裂韌性KIC的因素,工學(xué)院 材料系,一、內(nèi)因（材料因素）,1）晶粒尺寸,晶粒愈細(xì)，晶界總面積愈大，裂紋頂端附近從產(chǎn)生一定尺寸的塑性區(qū)到裂紋擴(kuò)展所消耗 的能量也愈大，因此KIC 也愈高。,2）合金化,固溶使得KIC 降低；,第二相對(duì)材料斷裂韌性的作用常與具體的材料體系及其工藝因素有關(guān)：,彌散分布的第二相數(shù)量越多，其間距越小， KIC 越低；,第二相沿晶界網(wǎng)狀分布，晶界損傷， KIC 降低；,球狀第二相的KIC ＞片狀,33,4.3 影響斷裂韌性KIC的因素,工學(xué)院 材料系,* 在陶瓷材料中，常利用第二相在基體中形成吸收裂紋擴(kuò)展能量的機(jī)制提高陶瓷材料的斷裂韌性。,3）夾雜,夾雜物偏析于晶界，晶界弱化，增大沿晶斷裂的傾向性；在晶內(nèi)分布的夾雜物 起缺陷源的作用，都使材料 的KIC 值下降。,4）顯微組織,（1）M組織,板條M：精細(xì)結(jié)構(gòu)位錯(cuò)具有較高強(qiáng)度和塑性，裂紋擴(kuò)展阻力大， KIC高,針狀M：孿晶使滑移系減少4倍，并易感應(yīng)裂紋硬而脆， KIC低,混合M：介于二者之間,34,4.3 影響斷裂韌性KIC的因素,工學(xué)院 材料系,（2）M回火組織,回火馬氏體：基體為過(guò)飽和F，塑性差，質(zhì)點(diǎn)小且彌散，間距小，裂紋擴(kuò)展阻力小， KIC 低,回火索氏體：基體為再結(jié)晶F，K粒子為粒狀，間距大， KIC高,回火屈氏體：介于二者之間,（3）貝氏體組織,上貝氏體：F片層間分布有斷續(xù)K，裂紋擴(kuò)展阻力小， KIC低,下貝氏體：過(guò)飽和針狀F中彌散K，裂紋擴(kuò)展阻力大， KIC高,35,4.3 影響斷裂韌性KIC的因素,工學(xué)院 材料系,（4）B與M,（5）殘余奧氏體：,塑性高，松弛應(yīng)力、裂紋擴(kuò)展阻力大，可以提高KIC,二、特殊熱處理對(duì)斷裂韌度的影響,1） 形變熱處理,高溫形變熱處理細(xì)化奧氏體亞結(jié)構(gòu)，細(xì)化淬火馬氏體，強(qiáng)度、韌性提高，KIC提高。,低溫形變熱處理細(xì)化A亞結(jié)構(gòu)，增加位錯(cuò)密度，促進(jìn)碳化物彌散沉淀，降低A質(zhì)量分?jǐn)?shù)，板條M增加， KIC提高。,36,4.3 影響斷裂韌性KIC的因素,工學(xué)院 材料系,2）亞溫淬火,提高低溫韌性，降低高溫韌性。因?yàn)樾纬杉?xì)小的F+A、 F-A 相界面比A大若干倍，雜質(zhì)偏析濃度低，F(xiàn)溶解雜質(zhì)多， KIC提高。,3）超高溫淬火,M由孿晶變?yōu)榘鍡l,M板條束間有穩(wěn)定A膜,K溶入A，減少微孔形核,三、外因（板厚和實(shí)驗(yàn)條件）,1）板厚,材料的斷裂韌性隨板材厚度或構(gòu)件截面尺寸的增加而減小，最終趨于一個(gè)穩(wěn)定的最低值，即平面應(yīng) 變斷裂韌度,37,4.3 影響斷裂韌性KIC的因素,工學(xué)院 材料系,2）溫度,金屬材料斷裂韌性隨著溫度的降低，有一急劇降低的溫度范圍（-200~200℃），低于此溫度范圍，斷裂韌度保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平（下平臺(tái)）,3）應(yīng)變速率,應(yīng)變速率每提高一個(gè)數(shù)量級(jí)， 斷裂韌性將降低10%。,很大時(shí)，絕熱溫度升高，斷裂韌性反而提高。,38,4.3 影響斷裂韌性KIC的因素,工學(xué)院 材料系,四、KIC與其它力學(xué)性能指標(biāo)的關(guān)系,對(duì)于某些中高強(qiáng)鋼,39,4.4 彈塑性條件下金屬斷裂韌度概述,工學(xué)院 材料系,大尺寸構(gòu)件，尺寸大，平面應(yīng)變，屈服區(qū)小， KIC 適用。測(cè)試時(shí)，試樣尺寸大，困難。,廣泛使用的中、低強(qiáng)度鋼σs低，KIC高， 其中對(duì)于小型機(jī)件而言，裂紋尖端塑性區(qū)尺寸較大，接近甚至超過(guò)裂紋尺寸，已屬于大范圍屈服條件，裂紋擴(kuò)展前已整體屈服。,一、J積分的意義和特性,設(shè)有一單位厚度的I型裂紋體，逆時(shí)針取一回路Γ,其所包圍的體積內(nèi)應(yīng)變能密度為ω，?；芈飞先我稽c(diǎn)作用應(yīng)力為T(mén).,在彈性狀態(tài)下，Γ所包圍體積的系統(tǒng)勢(shì)能，等于彈性應(yīng)變能和外力功之差U=Ue -W,40,4.4 彈塑性條件下金屬斷裂韌度概述,工學(xué)院 材料系,因厚度為1，故裂紋尖端的G為,Γ內(nèi)總應(yīng)變能為:,外力在該點(diǎn)所做的功為:,這就是在線彈性條件下G的能量線積分的表達(dá)式。,41,4.4 彈塑性條件下金屬斷裂韌度概述,工學(xué)院 材料系,在彈塑性條件下，如將應(yīng)變能密度ω定義為彈塑性應(yīng)變能密度，也存在該式等號(hào)右端的能量線積分，Rice將其定義為J 積分。,JI 為I型裂紋的能量線積分,在線彈性條件下，JI=GI=KI2/E,在彈塑性小應(yīng)變條件下，上式也成立。同時(shí)，在小應(yīng)變條件下，J積分和路徑Γ無(wú)關(guān)，即J的守恒性。,42,4.4 彈塑性條件下金屬斷裂韌度概述,工學(xué)院 材料系,J積分的斷裂判據(jù)就是G判據(jù)的延伸，或?qū)⒕€彈性條件下G延伸到彈塑性斷裂，J 表達(dá)形式G相似。,★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的概念是一個(gè)含有裂紋尺寸為a的試樣，當(dāng)裂紋尺寸擴(kuò)展為a+da 時(shí)系統(tǒng)能量的釋放率。,J：在彈塑性條件下，則是兩個(gè)試樣：一個(gè)尺寸為a的裂紋，而另一個(gè)試樣的裂紋尺寸為a+da ，兩者在加載過(guò)程中形變功之差。,J不能描述裂紋的擴(kuò)展過(guò)程，不允許卸載情況發(fā)生。,43,4.4 彈塑性條件下金屬斷裂韌度概述,工學(xué)院 材料系,J積分也可用能量率的形式來(lái)表達(dá)，即在彈塑性小應(yīng)變條件下，JI =GI成立，這是用試驗(yàn)方法測(cè)定JIC的理論根據(jù)。,只要測(cè)出陰影面積OABO和Δa，便可計(jì)算JI 值。,塑性變形是不可逆的，因此求J值必須單調(diào)加載，不能有卸載現(xiàn)象。但裂紋擴(kuò)展意味著有部分區(qū)域卸載。,所以，在彈塑性條件下， JI不能象GI那樣理解為裂紋擴(kuò)展時(shí)系統(tǒng)勢(shì)能的釋放率。,應(yīng)理解為：裂紋相差單位長(zhǎng)度的兩個(gè)等同試樣，加載到等同位移時(shí) ，勢(shì)能差值與裂紋面積差值的比率，即所謂形變功差 率。,44,4.4 彈塑性條件下金屬斷裂韌度概述,工學(xué)院 材料系,通常J積分不能處理裂紋的連續(xù)擴(kuò)張問(wèn)題，其臨界值只是開(kāi)裂點(diǎn)，不一定是失穩(wěn)斷裂點(diǎn)。,JIC判據(jù),1）在彈塑性小應(yīng)變條件下,JI≥JIC,此時(shí)，裂紋就會(huì)開(kāi)始擴(kuò)展，但不能判斷其是否失穩(wěn)斷裂。,平面應(yīng)變條件下，J積分的臨界值JIC也稱(chēng)斷 裂韌度，表示材料抵抗裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的能力。,2) 在線彈性條件下,平面應(yīng)力,平面應(yīng)變,,45,4.4 彈塑性條件下金屬斷裂韌度概述,工學(xué)院 材料系,目前，JI判據(jù)及JIC測(cè)試目的，主要期望用小試樣測(cè)出JIC，換算成大試樣的KIC，然后再按KI判據(jù)去解決中、低強(qiáng)度鋼大型件的斷裂問(wèn)題。,二、裂紋尖端張開(kāi)位移 (COD)和斷裂韌度δC,由于裂紋尖端的應(yīng)變量較小，難于精確測(cè)定。而裂紋尖端的張開(kāi)位移COD( Crack Opening Displacement)可以間接表示應(yīng)變量的大小,1.線彈性條件下,裂紋尖端由O點(diǎn)虛移到O’點(diǎn)，裂紋長(zhǎng)度由a變?yōu)閍*＝a+ry。,46,4.4 彈塑性條件下金屬斷裂韌度概述,工學(xué)院 材料系,原裂紋尖端O處要張開(kāi)，張開(kāi)位移量為2V。這個(gè)張開(kāi)位移就是COD，即δ。在線彈性和平面應(yīng)力條件下，I型裂紋頂端的張開(kāi)位移為：,可見(jiàn)，δ與KI，GI可以定量換算。在小幅范圍內(nèi)，KI≥KIC，GI≥GIC既然可以作為斷裂判據(jù)，則δ≥δC亦可作為斷裂判據(jù),47,4.4 彈塑性條件下金屬斷裂韌度概述,工學(xué)院 材料系,2. 彈塑性條件,假設(shè)一個(gè)中、低強(qiáng)度鋼無(wú)限大的板 中有I型穿透裂紋，在平均應(yīng)力作用下裂紋兩端出現(xiàn)塑性區(qū)，裂紋尖端因塑性變形而鈍化，在2a不增加時(shí), 裂紋沿σ方向張開(kāi)的位移δ,設(shè)裂紋長(zhǎng)度由2a擴(kuò)展到2c時(shí)，將塑性區(qū)割開(kāi)。,則A、B兩點(diǎn)裂紋張開(kāi)位移,48,4.4 彈塑性條件下金屬斷裂韌度概述,工學(xué)院 材料系,只適用與裂紋前端產(chǎn)生大范圍屈服,而不適合用于全屈服。,δc稱(chēng)為材料斷裂韌性，表示材料阻止裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的能力,3) 與 、 、 的關(guān)系,斷裂應(yīng)力≤ 時(shí)，,平面應(yīng)力,平面應(yīng)變,n：尖端硬化及出現(xiàn)三向應(yīng)力狀態(tài)修正系數(shù),49,謝 謝!,50,