1、第四章 金屬的斷裂韌度,斷裂是工程上最危險的失效形式。特點：（a）突然性或不可預(yù)見性； （b）可能低于屈服力，發(fā)生斷裂，是一種低應(yīng)力脆斷，其斷口沒有宏觀塑性變形痕跡； （c）由宏觀裂紋擴展引起。 因此，工程上常采用加大安全系數(shù)；浪費材料。 但過于加大材料的體積，不一定能防止斷裂。 因此，發(fā)展出斷裂力學。斷裂力學的研究范疇： 把材料看成是裂紋體，利用彈塑性力學理論，研究裂紋尖端的應(yīng)力、應(yīng)變，以及應(yīng)變能分布；確定裂紋的擴展規(guī)律；建立裂紋擴展的新的力學參數(shù)（斷裂韌度）。,第一節(jié) 線彈性條件下的斷裂韌度,斷裂分析方法 應(yīng)力應(yīng)變法 考慮裂紋尖端的應(yīng)力場強度 （從防止裂紋擴展的角度考慮），得到相應(yīng)的斷裂判

2、據(jù) 能量分析法 考慮裂紋擴展時的能量變化 （吸收能量的角度考慮），建立能量轉(zhuǎn)化平衡方程，得到相應(yīng)的斷裂判據(jù),斷裂韌性: 材料阻止裂紋擴展的能力或材料在斷裂過程中吸收能量的能力。,一、裂紋擴展的基本形式（根據(jù)外應(yīng)力與裂紋擴展的取向關(guān)系） 1、張開型（I型）：拉應(yīng)力垂直作用于裂紋擴展面 2、滑開型（II型）：切應(yīng)力平等作用于裂紋面，與裂紋線垂直 3、撕開型（III型）：切應(yīng)力平等作用于裂紋面，與裂紋線平行,二、應(yīng)力場強度因子KI和斷裂韌度KIC,1、裂紋尖端應(yīng)力場、應(yīng)力分析,尖端,無限大板材, Z=0 (平面應(yīng)力) 薄板 z=( x+ y) (平面應(yīng)變) 厚板,應(yīng)力場 （應(yīng)力分量，極座標）,在裂紋

3、延長線上，（即x 的方向），=0 拉應(yīng)力分量最大；切應(yīng)力分量為0。 因此，裂紋最易沿X軸方向擴展。,應(yīng)力分析,通式： a1/2裂紋長度 Y裂紋形狀系數(shù)（無量綱量） 一般Y=12,2、應(yīng)力場強度因子KI,KI可以反映裂紋尖端應(yīng)力場的強弱。稱之為應(yīng)力場強度因子。,KI=lim (2r)1/2y / =0,=0，r0時，可求得 K,量綱：MPam1/2,外加平均應(yīng)力,形狀系數(shù) Y 與裂紋尺寸、位置、樣品尺寸等有關(guān) 根據(jù)不同的裂紋存在位置，應(yīng)力場應(yīng)力Y 實際應(yīng)用中，可根據(jù)試樣、加載方式，查手冊。 注意：Y是無量綱的系數(shù) 而KI有量綱 MPam1/2 或 MNm-3/2 由材料的斷裂韌度及構(gòu)件的工作應(yīng)力

4、，則可估算出構(gòu)件所允許的最大裂紋尺寸； 由材料的斷裂韌度及裂紋的最大尺寸，可估算出構(gòu)件的最大承載能力； 由構(gòu)件的工作應(yīng)力及裂紋尺寸，可估算出構(gòu)件所選材料所要求的最小斷裂韌度值。 注：斷裂韌度是一個對材料成分與組織敏感的力學性能指標，可以通過合金化及熱處理等方法改變。,3、斷裂韌度KIC和斷裂判據(jù),斷裂韌度 當KI達到臨界值時，裂紋尖端足夠大的范圍內(nèi)，應(yīng)力達到斷裂強度，裂紋失穩(wěn)快速擴展而斷裂。 臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的KI值記作：KIC或KC，稱為斷裂韌度。 KC 平面應(yīng)力斷裂韌度 KIC平面應(yīng)變，I類裂紋時斷裂韌度 斷裂判據(jù) KI KIC 發(fā)生裂紋擴展，直至斷裂,KIC c 或ac 難以斷裂 KIC表

5、征材料抵抗斷裂的能力,裂紋擴展的脆斷判據(jù)： KI KIC （ KC ） （只適用于線彈性體彈性狀態(tài)下的斷裂分析）,（有嚴格的測試標準）（1）四種試樣：三點彎曲，緊湊拉伸，C型拉伸，圓形緊湊拉伸試樣。大小及厚度有嚴格要求 預(yù)先估計KIC（類比法），再逼近。預(yù)制裂紋長度有一定要求，2.5%W（2）方法彎曲、拉伸；傳感器測量，繪出有關(guān)曲線。（3）結(jié)果處理根據(jù)有關(guān)的函數(shù)（可以查表）,第二節(jié) 斷裂韌度的測試,一、三點彎曲測試法,1、樣品 必須保證裂紋尖端處于平面應(yīng)變和小范圍屈服狀態(tài) 厚度規(guī)定、長度規(guī)定、預(yù)制裂紋長度規(guī)定,2、方法及過程,（1）加載載荷 P （2）記錄裂紋嘴張開位移V （3）繪制P-V曲線

6、,從原點O作一相對直線OA部分斜率減少5%的割線。 如果交點PQ： 前無比P5大的高峰載荷，則PQ=P5 交點前有比P5大的峰值載荷，則PQ為該峰值,（4）確定裂紋失穩(wěn)擴展時的臨界載荷PQ,韌性好,脆性大,（5）斷裂后裂紋長度,a=(a2+a3+a4)/3,式中,按相應(yīng)公式計算K值，記為條件斷裂韌性KQ,3、結(jié)果處理,有效性校核： 計算得到的KQ是否為平面應(yīng)變斷裂韌性K1C，需要校核 （1）裂紋厚度B的要求,（2）裂紋長度a的要求,（3）韌帶尺寸（Wa）的要求,（4）載荷比判據(jù),（5）裂紋外觀檢查：a2、a3、a4中的最大值與最小值之差不得超過2.5W(5%a)；表面裂紋a1、a5的長度不得小于裂紋平均值的90；裂紋面與試樣橫截面偏離不超過10。 以上條件全部滿足