材料的力学性能5
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1、5 5 材料的断裂韧性材料的断裂韧性 RALRAL5.1 5.1 断裂韧性的基本概念断裂韧性的基本概念 传统强度设计方法：传统强度设计方法：强度储备法，或安全系数法 工作许用s/n，高强钢和超高强度钢常常发生低应力脆断：高强钢和超高强度钢常常发生低应力脆断： 工作应力低于屈服强度时产生的脆性断裂称为低应力脆性断裂，简称低应力脆断。低应力脆断的发生冲击了传统的设计思想，人们不得不开始研究工程构件为什么会突然断裂?又应该如何防止。 低应力脆断是由宏观裂纹失稳扩展引起的：低应力脆断是由宏观裂纹失稳扩展引起的： 实际金属构件中，宏观裂纹往往难以避免（加工过程、服役过程）。必须针对金属构件中存在裂纹的实
2、际情况，研究裂纹失稳扩展的力学条件。断裂力学：断裂力学：一种新的强度设计理论 承认存在宏观裂纹，利用力学分析，定量研究裂纹扩展规律，裂纹体断裂强度。建立了材料性质、裂纹尺寸和工作应力之间的关系。断裂韧性：断裂韧性：在断裂力学基础上建立起来的材料抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能称为断裂韧性。它综合反映了材料的强度和塑性，在防止低应力脆断选用材料时，根据材料的断裂韧性指标，可以对构件允许的工作应力和裂纹尺寸进行定量计算。 RALRAL5.1 5.1 断裂韧性的基本概念断裂韧性的基本概念 5.1.1 断裂强度与裂纹长度断裂强度与裂纹长度 RALRAL 由于工程上的低应力脆断事故一般都与材料内部的裂纹存在有
3、关，而由于工程上的低应力脆断事故一般都与材料内部的裂纹存在有关，而且材料内部的裂纹往往又是不可避免的，这样，研究裂纹对断裂强度的影且材料内部的裂纹往往又是不可避免的，这样，研究裂纹对断裂强度的影响很有必要。将高强度材料的试样预制成不同深度的表面裂纹，进行拉伸响很有必要。将高强度材料的试样预制成不同深度的表面裂纹，进行拉伸试验，求出裂纹深度与实验断裂强度间的关系。通过实验，得出断裂强度试验，求出裂纹深度与实验断裂强度间的关系。通过实验，得出断裂强度c c与裂纹深度与裂纹深度a a的平方根成反比。的平方根成反比。 1cacKacKa5.1 5.1 断裂韧性的基本概念断裂韧性的基本概念 RALRAL
4、 对应于一定的应力值时，存在着一个临界的裂纹深度对应于一定的应力值时，存在着一个临界的裂纹深度a ac c，当裂纹深度小于，当裂纹深度小于此值时，裂纹是稳定的；裂纹深度大于此值时，就不稳定了，要发生裂纹失此值时，裂纹是稳定的；裂纹深度大于此值时，就不稳定了，要发生裂纹失稳扩展，导致构件的断裂。稳扩展，导致构件的断裂。 裂纹愈深，材料的临界断裂应力愈低；或者作用于试样上的应力愈大，裂纹愈深，材料的临界断裂应力愈低；或者作用于试样上的应力愈大，裂纹的临界尺寸愈小。裂纹的临界尺寸愈小。 若若a a一定时，一定时，K K值越大，值越大，c c越大，表示使裂纹扩展的断裂应力越大。不同越大，表示使裂纹扩展
5、的断裂应力越大。不同的材料，的材料，K K值不同。值不同。因此，常数因此，常数K K不是一般的比例常数，它表达了裂纹前端的力学因素，是反映不是一般的比例常数，它表达了裂纹前端的力学因素，是反映材料抵抗脆性破断能力的一个断裂力学指标。材料抵抗脆性破断能力的一个断裂力学指标。 对应于一定的裂纹深度对应于一定的裂纹深度a，存在一个临界的应力值，存在一个临界的应力值c，只有当外界作用应，只有当外界作用应力大于此临界应力时，裂纹才能扩展，造成破断；小于此应力值，裂纹将是力大于此临界应力时，裂纹才能扩展，造成破断；小于此应力值，裂纹将是稳定的，不会扩展，构件也不会产生断裂。稳定的，不会扩展，构件也不会产生
6、断裂。5.1 5.1 断裂韧性的基本概念断裂韧性的基本概念 5.1.2 裂纹体的三种位移方式裂纹体的三种位移方式 RALRAL张开型裂纹张开型裂纹 外加正应力外加正应力和裂纹面垂直，在和裂纹面垂直，在作用下，裂纹尖端张开，并作用下，裂纹尖端张开，并且扩展方向和且扩展方向和垂直，这种裂纹称为张开型裂纹，也称为垂直，这种裂纹称为张开型裂纹，也称为型裂纹。如旋转型裂纹。如旋转的叶轮，当存在一个径向裂纹时，在旋转体力产生的径向力的叶轮，当存在一个径向裂纹时，在旋转体力产生的径向力作用下，裂作用下，裂纹张开，并沿径向扩展，所以称为张开型裂纹，这种形式的断裂常见于疲劳纹张开，并沿径向扩展，所以称为张开型裂
7、纹，这种形式的断裂常见于疲劳及脆性断裂，是工程上常见的也是最危险的断裂类型。及脆性断裂，是工程上常见的也是最危险的断裂类型。5.1 5.1 断裂韧性的基本概念断裂韧性的基本概念 5.1.2 裂纹体的三种位移方式裂纹体的三种位移方式 RALRAL滑开型裂纹滑开型裂纹在平行于裂纹面的剪应力作用下，裂纹滑开扩展，称为滑开型裂在平行于裂纹面的剪应力作用下，裂纹滑开扩展，称为滑开型裂纹。如两块厚板用大螺栓连接起来，当板受拉力纹。如两块厚板用大螺栓连接起来，当板受拉力P时，在接触面上作用一对时，在接触面上作用一对剪应力剪应力，如螺栓内部，如螺栓内部AB面上有裂纹，在剪应力的作用下形成的裂纹属于面上有裂纹，
8、在剪应力的作用下形成的裂纹属于型裂纹。型裂纹。 5.1 5.1 断裂韧性的基本概念断裂韧性的基本概念 5.1.2 裂纹体的三种位移方式裂纹体的三种位移方式 RALRAL 撕开型裂纹撕开型裂纹 在剪应力在剪应力的作用下，裂纹面上下错开，裂纹沿的作用下，裂纹面上下错开，裂纹沿原来的方向向前扩展，像用剪子剪开一个口，然后撕开，就是一原来的方向向前扩展，像用剪子剪开一个口，然后撕开，就是一个个型裂纹。如一传动轴工作时受扭转力矩的作用，即存在一个型裂纹。如一传动轴工作时受扭转力矩的作用，即存在一个剪应力，若轴上有一环向裂纹，它就属于剪应力，若轴上有一环向裂纹，它就属于型。型。 如果物体内裂纹同时受正应力
9、和剪应力的作用，或裂纹面和如果物体内裂纹同时受正应力和剪应力的作用，或裂纹面和正应力成一角度，这时就同时存在正应力成一角度，这时就同时存在型和型和型型(或或型和型和型型)裂纹，裂纹，这样的裂纹称为复合裂纹。在工程构件内部，张开型这样的裂纹称为复合裂纹。在工程构件内部，张开型(型型)裂纹是裂纹是最危险的，容易引起低应力脆断。所以，在实际构件内部，即使最危险的，容易引起低应力脆断。所以，在实际构件内部，即使存在的是复合型裂纹，也往往把它作为张开型来处理，这样考虑存在的是复合型裂纹，也往往把它作为张开型来处理，这样考虑问题更安全。问题更安全。5.1 5.1 断裂韧性的基本概念断裂韧性的基本概念 5.
10、1.3 平面应力和平面应变平面应力和平面应变 RALRAL5.1 5.1 断裂韧性的基本概念断裂韧性的基本概念 5.1.3 平面应力和平面应变平面应力和平面应变 RALRAL水坝垂直坝长方向的单元平面的变形方式5.1 5.1 断裂韧性的基本概念断裂韧性的基本概念 平面应力平面应力 RALRAL平面应变平面应变0 x0y0zyzzx0 xy()zxyE0 x0y0zxzyx0 xy()zxy 5.1 5.1 断裂韧性的基本概念断裂韧性的基本概念 5.1.4 断裂韧性和应力场强度因子断裂韧性和应力场强度因子 RALRALIccKa y1ca y断裂应力与试样内部裂纹尺寸、裂纹形状、加载方式有关。y
11、是一个和裂纹形状及加载方式有关的量，对每一种特定工艺状态下的材料， =常数，它与裂纹大小、几何形状及加载方式无关，此常数是材料的一种性能，将其称为断裂韧性 。ca y 当材料的当材料的Kc愈高时，在相同的工作应力愈高时，在相同的工作应力作用下，导致构件脆断的临作用下，导致构件脆断的临界值界值ac就愈大，即可允许构件中存在更长的裂纹。总之，构件材料的就愈大，即可允许构件中存在更长的裂纹。总之，构件材料的Kc愈愈高，则此构件阻止裂纹失稳扩展的能力就愈大，即高，则此构件阻止裂纹失稳扩展的能力就愈大，即Kc是材料抵抗裂纹失稳是材料抵抗裂纹失稳扩展能力的度量，是材料抵抗低应力脆性破坏的韧性参数，故称之为
