材料的断裂韧性VIP专享VIP免费

24/10/24许多高强度、超高强度钢的机件及中、低强度钢的大型、重型机件却经常在屈服应力以下发生断裂，典型的如1950年美国北极星导弹的固体燃料发动机壳体在发射时发生爆炸，二战时期北冰洋上千艘船舶发生脆性断裂，这使得传统的设计思想受到严重挑战。金属的断裂是一种最危险的失效形式，极易造成人员和设备的安全事故。防止方法是选择韧性好的材料，减少热处理过程的热应力、组织应力和机械应力。使用前进行无损检测。材料的断裂韧性24/10/24这些脆断事故与构件中存在裂纹或缺陷有关，而且断裂应力低于屈服强度，即低应力脆断。1922年Griffith发现低应力脆断是因宏观裂纹的存在引起的。这些断裂都起源于结构性缺陷或裂纹。这些裂纹可能是材料在生产过程或加工过程产生的工艺裂纹——冶金缺陷、铸造裂纹、锻造裂纹、焊接裂纹、淬火裂纹、磨削裂纹等；也可能是机件在工作过程中产生的——疲劳裂纹、腐蚀裂纹等。24/10/24断裂力学承认机件中存在有宏观裂纹，利用弹塑性力学理论，研究裂纹尖端的应力、应变及应变能的分布情况，从而，建立起裂纹扩展的各种力学参量、断裂判据及材料的断裂韧度，用来指导实际生产。断裂力学是一门新兴断裂强度科学，建立了强度与宏观尺寸间定量关系，包括线弹性和弹塑性断裂力学。而传统上把材料作为连续、均匀和各向同性受载物体，进行力学分析，确定危险面的应力、应变，考虑安全系数后，对材料提出相应的强度、塑性和韧性要求，防止断裂和其他失效方式发生。24/10/24第一节线弹性条件下的断裂韧性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。由此可以认为，裂纹尖端处于弹性状态，应力和应变呈线性关系。线弹性力学分析裂纹体断裂问题有两种方法：（1）应力应变分析法，得到断裂K判据。应力应变处理方法：研究裂纹尖端附近的应力应变场，提出应力场强度因子及其对应的断裂韧度KIC和K判据。（2）能量分析法，得到断裂G判据。能量分析法：研究裂纹扩展时系统能量的变化，提出能量释放率及对应的断裂韧度GIC和G判据。24/10/24一、裂纹扩展的基本形式根据外加应力类型与裂纹扩展面的取向关系分为：1．张开型（Ⅰ型）裂纹扩展2．滑开型（Ⅱ型）裂纹扩展3．撕开型（Ⅲ型）裂纹扩展张开型（Ⅰ型）：拉应力垂直作用于裂纹扩展面，裂纹沿裂纹面扩展。如轴的横向裂纹在轴向拉力作用下或弯曲力作用下的扩展，容器的纵向裂纹在内压力下的扩展（桶纵向）等。24/10/24滑开型（Ⅱ型）：切应力平行作用于裂纹面，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。撕开型（Ⅲ型）：切应力平行于裂纹面，且与裂纹线平行，裂纹沿裂纹面撕开扩展。如轴的纵、横向裂纹在扭矩作用下的扩展。24/10/24实际上，裂纹的扩展并不局限于这三种形式，往往是它们的组合，但以Ⅰ型裂纹最危险，也最常见，易引起脆性断裂，而且许多实际情况也可简化成Ⅰ型裂纹，因此，在研究裂纹体的脆性断裂问题时总是以Ⅰ型裂纹为对象进行。24/10/24二、裂纹尖端的应力场及应力场强度因子KⅠ（一）裂纹尖端应力场设一承受均匀拉应力的无限大阪，含有长2a的Ⅰ型穿透裂纹，其尖端附近（r，θ）处应力、应变和位移分量近似表示为：rσyσxτxyθxy裂纹24/10/2423sin2sin12cos21rax23sin2sin12cos21ray为泊松比）（平面应变，)(yxz平面应力）(0z23cos2sin2cos21raxy24/10/24应变分量23221sinsin21cos21rEKx23221sinsin21cos21rEKy23221coscossin2)1(2rEKxy②24/10/24若裂纹尖端附近某一点的位置给定时，则该点的各应力分量唯一地决定于KI之值。KI之值愈大，该点各应力、位移分量之值愈高。KI反映了裂纹尖端区域应力场的强度，故称为应力强度因子。它综合反映了外加应力裂纹长度对裂纹尖端应力场强度的影响。22221sin21cos1rKEu2...