1、第六章第六章金属材料的断裂韧性金属材料的断裂韧性主要内容主要内容1.应力场强度因子应力场强度因子2.断裂韧性的影响因素断裂韧性的影响因素3.裂纹尖端塑性区及其修正裂纹尖端塑性区及其修正4.裂纹扩展的能量释放率裂纹扩展的能量释放率5.平面应变断裂韧性平面应变断裂韧性KIC的测定的测定张开型张开型I型型正应力垂直于裂纹面正应力垂直于裂纹面扩展方向与正应力垂直扩展方向与正应力垂直压力容器压力容器一、一、应力场强度因子应力场强度因子1、裂纹体的三种断裂模式、裂纹体的三种断裂模式 （1）张开型）张开型 I型（型（2）滑开型）滑开型II型（型（3）撕开型）撕开型III型型滑开型滑开型II型型切应力平行于裂
2、纹面切应力平行于裂纹面扩展方向与切应力平行扩展方向与切应力平行撕开型撕开型III型型切应力平行于裂纹前缘切应力平行于裂纹前缘扩展方向与切应力垂直扩展方向与切应力垂直I型裂纹最危险：缺口根部为三向应力状态型裂纹最危险：缺口根部为三向应力状态2、裂纹尖端应力场、裂纹尖端应力场应力场强度因子应力场强度因子Y 裂纹形状因子裂纹形状因子用线弹性断裂力学分析用线弹性断裂力学分析3、应力场强度因子应力场强度因子KI的物理意义的物理意义 KI是衡量裂纹顶端应力场强烈程度的参量，决定于应是衡量裂纹顶端应力场强烈程度的参量，决定于应力水平、裂纹尺寸和形状，是各因素在裂纹顶端产生效果力水平、裂纹尺寸和形状，是各因素
3、在裂纹顶端产生效果的综合体现的综合体现临界应力场强度因子临界应力场强度因子KC或或KIC断裂韧性：断裂韧性：裂纹失稳扩展的临界状态所对应的应力场强度因子，裂纹失稳扩展的临界状态所对应的应力场强度因子，表示对裂纹扩展的阻力，是材料本身固有的性能表示对裂纹扩展的阻力，是材料本身固有的性能 KC：平面应力状态断裂韧性：平面应力状态断裂韧性 KIC：平面应变状态断裂韧性：平面应变状态断裂韧性 断裂判据：断裂判据：KI KICKI和和KIC的区别：的区别：KI：裂纹前端应力场强度的度量：裂纹前端应力场强度的度量 与裂纹大小、形状和外加应力有关与裂纹大小、形状和外加应力有关 （1）含中心穿透裂纹的有限宽板
4、）含中心穿透裂纹的有限宽板 （2）紧凑拉伸试样）紧凑拉伸试样 （3）单边裂纹弯曲试样）单边裂纹弯曲试样 （4）体内椭圆裂纹）体内椭圆裂纹 （5）表面半椭圆裂纹）表面半椭圆裂纹 KIC：材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量：材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量 与裂纹大小、形状和外加应力无关与裂纹大小、形状和外加应力无关 与材料成分、热处理工艺等有关，是材料特性参数与材料成分、热处理工艺等有关，是材料特性参数二、二、断裂韧性的影响因素断裂韧性的影响因素 KIC一定，则一定，则ac，允许存在更长裂纹，允许存在更长裂纹 KIC a一定，则一定，则c，可提高使用应力，可提高使用应力 1、杂质、杂质 夹杂物
5、：夹杂物：n应变硬化指数；应变硬化指数；d夹杂物间距夹杂物间距 d（夹杂物数量（夹杂物数量）KIC 杂质晶界偏聚：晶界结合力杂质晶界偏聚：晶界结合力KIC 2、晶粒尺寸、晶粒尺寸 晶粒尺寸晶粒尺寸：1）晶界面积）晶界面积裂纹扩展阻力裂纹扩展阻力KIC 2）晶界面积）晶界面积单位面积杂质含量单位面积杂质含量KIC3、组织结构、组织结构 回火马氏体：回火温度回火马氏体：回火温度塑性与韧性塑性与韧性 残余奥氏体：残余奥氏体：KIC 应力诱发相变：应力诱发相变：KIC4、热处理制度、热处理制度三、裂纹尖端塑性区及其修正三、裂纹尖端塑性区及其修正弹性应力场计算存在的问题：弹性应力场计算存在的问题：r0时
6、，时，x、y、xy 线弹性力学不适用线弹性力学不适用实际情况：实际情况：应力超过屈服强度后，材料产生塑性变形应力超过屈服强度后，材料产生塑性变形公式修正：公式修正：塑性区很小时，修正后线弹性力学仍有效塑性区很小时，修正后线弹性力学仍有效1、裂纹尖端塑性区大小、裂纹尖端塑性区大小平面应变状态平面应变状态=0时时平面应力状态平面应力状态=0时时表面塑性区大，平面应力状态表面塑性区大，平面应力状态中心塑性区小，平面应变状态中心塑性区小，平面应变状态米赛斯屈服判据米赛斯屈服判据2、应力松弛对塑性区的影响、应力松弛对塑性区的影响应力松弛效应：应力松弛效应：y达到达到ys以后，把高出的以后，把高出的应力部
7、分传递给应力部分传递给r r0的区域，的区域，使使r0前方区域发生屈服前方区域发生屈服应力松弛结果：应力松弛结果：屈服区域从屈服区域从r0扩大到扩大到R能量分析：能量分析：ABD等于等于BEHG平面应力状态平面应力状态平面应变状态平面应变状态应力松弛使得塑性区扩大应力松弛使得塑性区扩大1倍倍3、线弹性理论公式的修正、线弹性理论公式的修正修正方法：有效裂纹长度修正方法：有效裂纹长度修正思路：塑性区松弛弹性应力的作用等同于裂纹长度增加修正思路：塑性区松弛弹性应力的作用等同于裂纹长度增加后松弛弹性应力的作用后松弛弹性应力的作用有效裂纹长度有效裂纹长度平面应力状态平面应力状态平面应变状态平面应变状态应
8、力场强度因子应力场强度因子有效裂纹与真实裂纹塑性区之外（有效裂纹与真实裂纹塑性区之外（rR）的）的应力场应力场分布相同分布相同四、裂纹扩展的能量释放率四、裂纹扩展的能量释放率裂纹的扩展过程裂纹的扩展过程裂纹前端塑性变形裂纹前端塑性变形裂纹新表面的形成裂纹新表面的形成消耗能量消耗能量包围尖端塑性区的弹包围尖端塑性区的弹性集中应力做功提供性集中应力做功提供从能量角度考察断裂韧性从能量角度考察断裂韧性裂纹扩展的能量释放率裂纹扩展的能量释放率GI（裂纹扩展力裂纹扩展力）：裂纹扩展单位面积时，弹性系统所能提供的能量裂纹扩展单位面积时，弹性系统所能提供的能量平面应力平面应力平面应变平面应变临界条件下临界条
9、件下断裂判据：断裂判据：GI GICGIC裂纹扩展需要的能量裂纹扩展需要的能量 材料抵抗裂纹扩展的能力材料抵抗裂纹扩展的能力GIC的物理意义：材料抵抗裂纹扩展能力的度量的物理意义：材料抵抗裂纹扩展能力的度量GIC的单位：的单位：MPamK与与G的关系：的关系：aKIEaGI2EKGII2EGKII讨论：讨论：GI GICKI KIC都可做断裂判据都可做断裂判据KIC易测易测GIC难测难测1）K、G都有明确物理意义，都有明确物理意义，G的意义更明确的意义更明确2）五、平面应变断裂韧性五、平面应变断裂韧性KIC的测定的测定1、试样制备、试样制备制备要求：制备要求：1）预制疲劳裂纹）预制疲劳裂纹 2
10、）试样有足够厚度）试样有足够厚度试样类型试样类型试样厚度试样厚度裂纹长度裂纹长度韧带宽度韧带宽度KIC为材料断裂韧性的估算值或类似材料的断裂韧性值为材料断裂韧性的估算值或类似材料的断裂韧性值2、测试方法、测试方法试验装置试验装置载荷裂纹口张开位移曲线载荷裂纹口张开位移曲线条件断裂韧性条件断裂韧性KQ的计算公式的计算公式三点弯曲试样三点弯曲试样紧凑拉伸试样紧凑拉伸试样PQ试样断裂或裂纹失稳扩展时的载荷试样断裂或裂纹失稳扩展时的载荷临界载荷临界载荷PQ的确定的确定裂纹长度裂纹长度a的确定的确定有效性检验：有效性检验：（1）（2）KQ=KICa=(a2+a3+a4)/3注：注：a与与(a1+a5)/
11、2的的差小于差小于10金属材料的断裂韧性 小 结一、应力场强度因子一、应力场强度因子 1.裂纹体的三种断裂模式裂纹体的三种断裂模式 2.裂纹尖端应力场裂纹尖端应力场 3.应力场强度因子应力场强度因子KI的物理意义的物理意义二、断裂韧性的影响因素二、断裂韧性的影响因素 1.杂质杂质 2.晶粒尺寸晶粒尺寸 3.组织结构组织结构 4.热处理热处理三、裂纹尖端塑性区及其修正三、裂纹尖端塑性区及其修正 1.裂纹尖端塑性区大小裂纹尖端塑性区大小 2.应力松弛对塑性区的影响应力松弛对塑性区的影响 3.线弹性理论公式的修正线弹性理论公式的修正四、四、裂纹扩展的能量释放率裂纹扩展的能量释放率 裂纹扩展的能量释放率裂纹扩展的能量释放率GI（裂纹扩展力）及其物理意义；（裂纹扩展力）及其物理意义；GIC的物理意义；的物理意义；K与与G的关系；的关系；五、平面应变断裂韧性五、平面应变断裂韧性KIC的测定的测定 1.试样制备试样制备 2.测试方法测试方法本章完本章完
