当前位置：文档之家 › 材料力学性能-4-断裂韧性

材料力学性能-4-断裂韧性

  • 格式：pdf
  • 大小：15.06 MB
  • 文档页数：67

下载文档原格式

  / 67

合集下载

材料力学性能-4-断裂韧性

材料力学性能-4-断裂韧性


4.3.1 裂纹尖端塑性区的形状与尺寸
• 依据屈服判据建立符合塑性变形临界条件的方 程，方程式对应的图形即代表塑形区边界的形 状，其边界值则为塑形区的大小。 • Von Mises屈服判据
(σ 1 − σ 2 ) + (σ 2 − σ 3 ) + (σ 3 − σ 1 ) = 2σ s
2 2 2
2
4.3 裂纹尖端塑性区及其修正
如前所述，对裂尖应力场，当 r→0 时， σ y →∞ 。这在实际金属中是难以实 现的。 ∵对金属材料，当应力超过材料的屈服 极限时，将屈服而发生塑性变形，塑性 变形会使裂纹尖端区的应力得以松弛， 此塑性变形的区域称为塑性区。
※由于塑性区的存在，其内应力－应变关系 已不再遵循线弹性力学规律。 ◆线弹性力学分析的有效性??◆ ※若塑性区很小，经适当修正后，线弹性力 学的分析仍然有效。否则，结果将失真！ ※首先应确定塑性区的范围，然后提出相应 的修正办法。
• 断裂韧性 KIC 是表征材料抗断裂能力的材料常数。 • 在一定条件（温度、加载速度）下，各种材料的 断裂韧性 KIC 值是确定的，与裂纹尺寸、形状、 外应力大小无关。 • 当 KI 达到了材料的 KIC 时，裂纹就可能发生失稳 扩展而使构件破坏，而不是一定要失稳断裂。因 为，KIC 是 KC 的最低值。 ∴ 断裂判据KI ≥ KIC只是裂纹体失稳断裂的必要 条件，而非充分条件。
不断增多的脆性断裂事故，使人们逐渐有新认识：
• 传统力学是把材料一律看成了理想完整的、均匀的、 无缺陷的连续体。 • 实际的工程材料，在制备、加工及使用过程中，材 料的内部难免存在或多或少的气孔、夹渣、切口或 裂纹等缺陷。
• 传统的强度设计准则不能保证工程构件的安全服役。
• 断裂力学以材料中存在裂纹或类裂纹初始缺陷为前 提，运用连续介质力学的弹塑性理论，考虑材料的 不连续性，研究存在宏观裂纹的裂纹体的断裂问题， 给出了新的材料断裂抗力指标——断裂韧性。
第四章 材料的断裂韧性

第四章 材料的断裂韧性

2021/7/14
• 在平面应变条件下
• 对于Ⅰ型穿透裂纹，
• 对于一定材料和厚度的板材，不论其 裂纹尺寸如何，当裂纹张开位移达到 同一临界值δC时，裂纹就开始扩展。
• 临界值δC也称为材料的断裂韧度，表 示材料阻止裂纹开始扩展的能力。
• 平面应变状态应变分量为
2021/7/14
• 平面应变状态x、y轴方向的位移 分量为
2021/7/14
• 可以看出，裂纹尖端任意一点的应力、 应变和位移分量取决于该点的坐标(r， θ)、材料的弹性模数以及参量KI。
• 对于如图所示的平面应力情况，KI可用 下式表示。
2021/7/14
• 若裂纹体的材料一定，裂纹尖端附近某一点的 位置(r，θ)给定，则该点的各应力、应变和 位移分量唯一决定于KI值，KI值愈大，则该点 各 反映应了力裂、纹应尖变端和区位域移应分力量场之的值强愈度高，，故因称此之，为KI 应力场强度因子，它综合反映了外加应力、裂 纹形状、裂纹长度对裂纹尖端应力场强度的影 响，其一般表达式为
• 1968年，Rice提出了J积分，Hutchinson 证明J积分可以用来描述弹塑性体中裂纹 的扩展，在这之后，逐步发展起来弹塑 性断裂力学。
2021/7/14
• 断裂力学研究裂纹尖端的应力、应变 和应变能的分布情况，建立了描述裂 纹扩展的新的力学参量、断裂判据和 对应的材料力学性能指标—断裂韧度 ，以此对机件进行设计和校核。
• 式中：Y为裂纹形状系数，取决于裂纹的形状 。
• K型I的和脚Ⅲ标型表裂示纹I的型应裂力纹场，强同度理因，子KⅡ。、KⅢ表示Ⅱ • 对2021于/7/14 不同形状的I型裂纹裂纹，KI和Y的表达式
2021/7/14
2021/7/14
断裂韧性的测试流程

断裂韧性的测试流程

断裂韧性的测试流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。

文档下载后可定制随意修改，请根据实际需要进行相应的调整和使用，谢谢!并且，本店铺为大家提供各种各样类型的实用资料，如教育随笔、日记赏析、句子摘抄、古诗大全、经典美文、话题作文、工作总结、词语解析、文案摘录、其他资料等等，如想了解不同资料格式和写法，敬请关注!Download tips: This document is carefully compiled by theeditor. I hope that after you download them,they can help yousolve practical problems. The document can be customized andmodified after downloading,please adjust and use it according toactual needs, thank you!In addition, our shop provides you with various types ofpractical materials,such as educational essays, diaryappreciation,sentence excerpts,ancient poems,classic articles,topic composition,work summary,word parsing,copy excerpts,other materials and so on,want to know different data formats andwriting methods,please pay attention!断裂韧性是材料抵抗裂纹扩展的能力，是材料的重要力学性能指标之一。

材料力学性能教学课件材料的断裂韧性

材料力学性能教学课件材料的断裂韧性

材料力学性能教学 课件ppt材料的断裂 韧性
目 录
• 引言 • 材料断裂韧性基础知识 • 材料断裂韧性分析 • 断裂韧性在工程中的应用 • 案例分析 • 结论与展望
01
引言
课程背景
材料力学性能是工程学科中的重要基础课程，而材料的断裂 韧性是其中的一个关键概念。通过学习本课程，学生将了解 材料的力学性能及其在工程实践中的应用。
应力状态
断裂韧性测试中，试样处于平 面应变状态，即应变在试样宽 度和厚度方向均匀分布。
断裂准则
当试样在断裂前达到最大载荷 时，根据应力强度因子或能量 释放率等参数确定材料的断裂
韧性值。
断裂韧性影响因素
01
02
03
04
温度
温度对材料的断裂韧性有显著 影响。随着温度的降低，材料
的断裂韧性通常提高。
应变速率
03
复合材料的断裂韧性通常通过实验测试获得，如弯曲试验、拉伸试验和落锤冲 击试验等。这些测试可以提供关于复合材料韧性和脆性的详细信息，有助于优 化复合材料的设计和应用性能。
04
断裂韧性在工程中的应用
结构安全设计
结构安全是工程设计中的重要考虑因素，而材料的断裂韧 性直接影响到结构的承载能力和安全性。在结构设计中， 需要考虑材料的断裂韧性，以确保结构在受到外力作用时 能够承受足够的应力而不会发生断裂。
04
加强断裂韧性与其他材料性能指标之间的关联研究，深入理解材料的 多性能耦合效应，为材料的多功能优化提供理论支持。
感谢观看
THANKS
层合板复合材料案例
03
层合板复合材料的断裂韧性受层间粘结强度、层数和铺层角度
等因素影响。
06
结论与展望
断裂韧性的重要性
材料力学性能讨论问题4

材料力学性能讨论问题4

1.名词解释：低应力脆断Ⅰ型裂纹断裂韧性2.说明下列断裂韧性指标的意义K IC K C G IC3. K l和K lC的异同？4. 断裂韧性的影响因素有哪些？如何提高材料的断裂韧性？5.为什么要对陶瓷材料进行增韧？其主要途径有哪些？•1.名词解释•低应力脆断：在屈服应力以下发生的断裂。

•Ⅰ型裂纹：指外加拉应力与裂纹面垂直，使裂纹张开，这种类型的裂纹称为Ⅰ型或张开型裂纹。

•断裂韧性：当应力场强度因子增大到一临界值，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂，该临界值称为断裂韧性。

•2.意义•Kc 为平面应力应力条件下的断裂韧度，表示在平面应力条件下材料抵抗断裂的能力。

•KⅠc为平面应变条件下的断裂韧度，表示在平面应变条件下材料抵抗断裂的能力。

•GⅠc 裂纹扩展能量释放率的临界值（或裂纹扩展力的临界值），即裂纹扩展单位面积时系统释放的势能能量（或者裂纹扩展单位长度时的裂纹扩展力）的临界值。

（断裂韧性）•3. K l和K lC的异同？KⅠ是力学度量，它不仅随外加应力和裂纹长度的变化而变化，也和裂纹的形状类型，以及加载方式有关，但它和材料本身的固有性能无关。

而断裂韧性K lC则是反映材料阻止裂纹扩展的能力，因此是材料本身的特性。

•4.断裂韧性的影响因素有哪些？如何提高材料的断裂韧性？•解：•1外因：材料的厚度不同，厚度增大断裂韧性增大，当厚度增大到一定程度后断裂韧性稳定；温度下降断裂韧性下降；应变速率上升，断裂韧性下降。

•2内因：金属材料，能细化晶粒的元素提高断裂韧性；形成金属化合物和析出第二相降低断裂韧性。

晶粒尺寸和相结构，面心立方断裂韧性高，奥氏体大于铁素体和马氏体钢。

细化晶粒，断裂韧性提高。

夹杂和第二相，脆性夹杂和第二相降低断裂韧性，韧性第二相提高断裂韧性。

•提高材料的断裂韧性可以通过：1亚温淬火，2超高温淬火，3形变热处理等方法实现。

•5.为什么要对陶瓷材料进行增韧？其主要途径有哪些？陶瓷材料是脆性材料，其断裂韧性比金属材料要低一到两个数量级，弯曲或者拉伸加载时，裂纹一旦产生，极易失稳断裂，造成危害。

材料性能学 4.断裂韧性

材料性能学 4.断裂韧性

定厚度后保持不
变。因此，工程 上 KⅠC 是指达到 一定厚度后（平
面应变）断裂韧
度。
过渡区
KC 平面应力
平面应变
KⅠC
B
B
2.5
K C
s
2
五、裂纹尖端塑性区及 KⅠ修正
按K1建立的脆性断裂判据,只适用于线弹性体。其实， 金属材料在裂纹扩展前，其尖端附近总要先出现或 大或小的塑性变形区，
如果塑性区尺寸裂纹尺寸及净截面尺寸小时，（小 一个数量级以上）即在小范围屈服下，对K进行修正 后，依然可用。
究点到裂纹尖端距离 r 有如下关系：
1
y r 2
或
1
r 2 y K
1
当 r →0 时， σy →∞，表明裂纹尖端前沿应力场具有 r 2阶奇异性。参
数 K 表征了应力场奇异性程度，其含义是，当 r →0 时， σy 以 K 的速度→∞， K 越大，则σy →∞的速度也越大，表明应力分布曲线越陡，即应力集中程度 越大，因此，参数 K 又称为“应力场强度因子”。
二、裂纹尖端应力状态
1、平面应力状态
x 0
y 0
xy 0
z 0
yz zx 0
z
E
x
y
对含穿透裂纹的薄板，可将裂纹顶端前沿视为平面应力 状态，此时材料受剪切力大，易于塑性变形，阻碍裂纹扩展。
2、平面应变状态
z 0
x 0 y 0 xy 0
x 0 y 0 z x y
2
R01
1
Hale Waihona Puke Ks平面应力
R02
2
1
2
K
s
2
平面应变
三维塑性区形状及塑性区内应力分布
复合材料中的材料力学性能分析

复合材料中的材料力学性能分析

复合材料中的材料力学性能分析复合材料是由两种或两种以上不同材料组合而成的新材料，其具有优异的力学性能，如高强度、高刚度、低密度等。

因此，对复合材料的力学性能进行分析，对于材料的设计、制备、应用等方面具有重要意义。

本文将从两个方面对复合材料中的材料力学性能进行分析：材料力学性能评价和材料力学性能分析方法。

一、材料力学性能评价材料力学性能评价是对复合材料力学性能进行定量评估和比较的过程。

常用的力学性能指标包括强度、弹性模量、断裂韧性、疲劳寿命等。

1. 强度：强度是材料抵抗外部载荷而产生破坏的能力。

在复合材料中，强度可以分为拉伸强度、压缩强度、剪切强度等。

通过力学试验，可以测定复合材料在不同载荷下的强度，并进行比较和评价。

2. 弹性模量：弹性模量反映了材料在受力时的变形能力。

对于复合材料来说，弹性模量通常通过静态拉伸试验中的应力-应变曲线来计算。

弹性模量高，表示材料具有较好的刚度特性。

3. 断裂韧性：断裂韧性是材料抵抗断裂的能力。

在复合材料中，断裂韧性的评价可以通过冲击试验或断裂韧性试验来进行。

断裂韧性高的材料具有抗冲击、抗断裂的能力。

4. 疲劳寿命：疲劳寿命是材料在交变载荷下能够承受的循环次数。

复合材料的疲劳寿命是指在特定应力水平下，材料能够进行多少次完全循环才会发生失效。

通过疲劳试验可以评估复合材料的疲劳性能。

二、材料力学性能分析方法要进行复合材料的力学性能分析，需要使用一些合适的试验方法和数值模拟技术，以下是常用的材料力学性能分析方法：1. 静态力学试验：静态力学试验是研究材料在静态加载下的力学性能的基本方法。

通过服从背景的应力-应变关系曲线可以获得弹性模量和屈服强度等性能参数。

2. 动态力学试验：动态力学试验是研究材料在动态加载下的力学性能的方法。

冲击试验和振动试验是常用的动态力学试验方法，可以评估复合材料在冲击或振动环境下的力学性能。

3. 数值模拟：数值模拟是通过计算方法来预测和分析材料力学性能的方法。

材料力学性能-第四章-金属的断裂韧度(4)

材料力学性能-第四章-金属的断裂韧度(4)


公式进行判断：
ac
0.25
KIC
2
2021年10月21日 星期四
第四章 金属的断裂韧度
1、高强度钢的脆断倾向 这类钢的强度很高，0.2≥1400MPa，主要用于航 空航天，工作应力较大，但断裂韧度较低，如18Ni马 氏体时效钢，0.2=1700MPa，KIC=78MPa·m1/2，若工 作应力=1250MPa时，利用上述公式可得ac=1mm，这 样小的裂纹在机件焊接过程中很容易产生，用无损检 测方法也容易漏检，所以此类机件脆断几率很大，因 此在选材时在保证不塑性失稳的前提下，尽量选用0.2 较低而KIC较高的材料。
B工艺：/0.2=1400/2100=0.67<0.7，故不必考虑
塑性区修正问题。由公式 KIC YcB a
可得： cB
1 Y
KIC a
Φ 1.1
KIC
a
1.273
47
1.1 3.14 0.001
971MPa
与其工作应力=1400MPa相比， cB< ，即工
作时会产生破裂，说明B工艺是不合格的，这和
2021年10月21日 星期四
第四章 金属的断裂韧度
其0.2=1800MPa，KIC=62MPa·m1/2，焊接后发现焊缝
中有纵向半椭圆裂纹，尺寸为2c=6mm，a=0.9mm，
试问该容器能否在p=6MPa的压力下正常工作？
t
D
解：根据材料力学理 论可以确定该裂纹受 到的垂直拉应力：
pD 61.5 900MPa
趋于缓和，断裂机理不再发生
变化。
2021年10月21日 星期四
第四章 金属的断裂韧度
7.应变速率：应变速率έ具有 KIC
与温度相似的效应。增加έ相 当于降低温度，使KIC下降，
断裂韧性

断裂韧性


谢谢观看
结果
在断裂韧性的测定中，有三个阶段，在第一阶段里，FPZ逐渐形成，应力强度因子KI值将会单调增加；在第 二阶段里，裂纹发生稳定扩展；然后在第三阶段，出现了KI值的突然减少到KIC值。对于这种现象的一种可能解 释是数值方法的固有假定所至。在有限元标定中假定了理想的线弹性系统，但随着实验的进行，此假定却进一步 失去正确性。因为有限裂纹长度增加，可以观察到大的残余CMOD。这个影响，在实验开始时可以忽略，但到实验 的后期此影响是相当大的。
外部因素 外部因素包括板材或构件截面的尺寸、服役条件下的温度和应变速率等。 材料的断裂韧性随着板材或构件截面尺寸的增加而逐渐减小，最后趋于一稳定的最低值，即平面应变断裂韧 性KIC。这是一个从平面应力状态向平面应变状态的转化过程。 断裂韧性随温度的变化关系和冲击韧性的变化相类似。随着温度的降低，断裂韧性可以有一急剧降低的温度 范围，低于此温度范围，断裂韧性趋于一数值很低的下平台，温度再降低也不大改变了。 关于材料在高温下的断裂韧性，Hahn和Rosenfied提出了以下经验公式： 式中： n——高温下材料的应变硬化指数；E——高温下材料的弹性模量，MPa； σs——高温下材料的屈服应力，MPa； εf——高温下单向拉伸时的断裂真应变， ；
定义
断裂韧性表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料的韧性好坏的一个定量指标。在加载速度和温度一定的 条件下，对某种材料而言它是一个常数，它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关，是材料固有的特性， 只与材料本身、热处理及加工工艺有关。当裂纹尺寸一定时，材料的断裂韧性值愈大，其裂纹失稳扩展所需的临 界应力就愈大；当给定外力时，若材料的断裂韧性值愈高，其裂纹达到失稳扩展时的临界尺寸就愈大。它是应力 强度因子的临界值。常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。例如应力-应变曲线下的面积。韧性 材料因具有大的断裂伸长值，所以有较大的断裂韧性，而脆性材料一般断裂韧性较小。
西安交通大学材料力学性能试验报告——断裂韧性

西安交通大学材料力学性能试验报告——断裂韧性

材料力学性能实验报告姓名: 班级: 学号: 成绩:
K的测定
实验名称实验六断裂韧性
1C
实验目的了解金属材料平面应变断裂韧性测试的一般原理和方法。

实验设备 1.CSS-88100万能材料试验机；
2.工具读数显微镜一台；
3.位移测量器；
4.千分尺一把；
5.三点弯曲试样40Cr和20#钢试样各两个。

试样示意图
图1 三点弯曲试样
由于三向应力的存在，使得裂纹扩展区域的位错运动困难，受到更大的摩擦力，从而塑性变差，更易发生脆断。

附录一:
断裂韧性试验中断口照片:
附录二:
%根据试验的数据画P-V 曲线的matlab 程序
%在运行程序之前, 需要将数据导入到matlab 中: “File ”|“Import Data ” (a)试样01的断口图 (b)试样02的断口图
图7 40Cr800℃淬火+100℃回火断口图
(a)试样412的断口图 (b)试样415的断口图
图8 20#退火态试样的断口图
图3 40Cr800℃+100℃回火试样01的P-V 曲线
0.5
1.5
2.5
4
变形/mm
力/N
图4 40Cr800℃+100℃回火试样02的P-V 曲线
4
变形/mm
力/N
变形/mm
力/N
图5 20#钢退火态试样412的P-V 曲线
变形/mm 力/N
图6 20#钢退火态试样415的P-V 曲线。

材料力学性能 (4)

材料力学性能 (4)


3、KI 裂纹扩展的动力，、a都是加剧应力场的因素
4、 K Y a
2 E a 2 E a
材料本质属性
？
裂纹扩展的抗力 ？
4.4.4 断裂判据
随着应力
或裂纹尺寸a的增大，KI因子不断增大。当KI因子增大到临界
KI = KIC
值KIC时，裂纹开始失稳扩展，用KIC表示材料对裂纹扩展的阻力，称为平 面应变断裂韧度（性）。因此，裂纹体断裂判据可表示为：

/2
0
m sin

dx
m
= 2
m 2 /
a0为平衡状态时原子间距
√

材料在低应力作用下应该是弹性的，在这一条件下sinx≈x ；同时，曲线开始部分近似 为直线，服从虎克定律，有 Ex / a
m sin
2x

=
2x m

Ex a0
2 m
ij
当 r<<a, θ →0 时，
KI f ij ( ) 1/ 2 (2r )
f ij ( ) 1
ij 0
根据弹性力学，裂纹尖端O点的应力
0
= 2
a/
裂纹尖端的曲率
K I 0 2r 2 a
2r Y
a
裂纹形状系数，与裂纹形式、试件几何形状有关
K I a K IC
可用测定的断裂韧性求断裂应力和临界裂纹尺寸：
c
K IC
a
ac
K 2 IC
2
、G、 K
容易理解 容易测量
G1 G1C
K1 K1C
（能量平衡观点讨论断裂） （裂纹尖端应力场讨论断裂） （应力-屈服强度比较讨论断裂）

材料力学性能-第四章-金属的断裂韧度(3)

1-活动横梁 2-夹式引伸仪 3-支座 4-试样 5-载荷传感器 6-动态应变仪 7-X-Y函数记录仪
2021年10月21日 星期四
第四章 金属的断裂韧度
由于材料性能及试样尺寸不同，F-V曲线有三
种类型，如图4-9所示。
F Fmax
Fmax
Fmax
Ⅰ-材料韧性较好或 试样尺寸较小；
Ⅱ-材料韧性或试样 尺寸居中；
2021年10月21日 星期四
第四章 金属的断裂韧度
若材料韧性居中或试样厚度中等时，可能出现
Ⅱ型曲线。此类曲线有明显的迸发平台，这时由于
在加载过程中，处于平面应变状态的中心层先行扩
展，而处于平面应力状态的表面层还未扩展，因此
中心层裂纹迸发式的扩展被表面层阻碍。迸发时常
伴有清脆的爆裂声，这时的迸发载荷就可以作为FQ， 由于材料显微组织可能不均匀，有时在F-V曲线上会
之减小。
2021年10月21日 星期四
第四章 金属的断裂韧度
实测的临界应力场强度因子KC与试样 厚度的关系如图4-11所示。
由图可见，当试样 厚度增加到某一个值Bc 后，KC也趋向一个恒定 值，此值即为材料的平 面应变断裂韧性KIC。
KC/MPa·m1/2
KIC
B/mm
图4-11 临界应力场强度因子 与试样厚度的关系
2021年10月21日 星期四
第四章 金属的断裂韧度
大量试验表明，Bc值也大致等于2.5(KIC/ys)2，
因此，试样厚度的要求也是：
B
2.5
KIC
ys
2
但在实际检验中，KIC值未知，须用KQ代替，
并利用试验标准中的某些规定，使最后的判断条
件被简化为：
B

材料力学中的断裂韧性研究

材料力学中的断裂韧性研究材料力学是研究材料在外部作用下的变形和破坏行为的学科。

在材料力学中，断裂韧性是一个非常重要的指标，它描述了材料在应力作用下逐渐破坏的能力。

断裂韧性是材料设计和制造的重要依据之一，因此研究断裂韧性具有重要的科学意义和应用价值。

一、断裂韧性的概念和测量方法断裂韧性是指材料在应力作用下逐渐破坏的能力。

通常情况下，材料受到外部应力作用时会发生塑性变形，逐渐形成裂纹，最终导致断裂。

断裂韧性与材料的断裂强度不同，它反映了材料的抗拉断性能，而断裂强度只是材料拉伸断裂时的强度极限。

断裂韧性的测量方法比较复杂，通常有以下几种常见方法：1. K_IC(裂纹扩展应力强度因子)法：是一种直接测量断裂韧性的方法，通过对裂纹扩展的速率和裂纹尖端周围应力场的分析，可以确定材料的断裂韧性。

2. TCT(脆性破坏温度)法：该方法可以得到材料在低温下的断裂韧性，通常用于评估金属材料或复合材料的热应力断裂韧性。

3. CTOD(裂纹口开度位移)法：CTOD法是一种非常有效的测量断裂韧性的方法，通过测量裂纹口的开度位移来确定材料的断裂韧性。

二、断裂韧性的影响因素材料的断裂韧性是由多种因素综合作用所决定的，包括材料本身的组织结构、晶粒度、温度、应力状态等。

其中，比较重要的因素有以下几个：1.材料微观结构：材料的微观结构决定了材料的强度和塑性性能，因此也会影响断裂韧性。

晶粒尺寸、晶格位错、晶界等因素都会对材料的断裂韧性产生影响。

2.温度：温度对材料的断裂韧性影响很大，一般来说低温下材料的断裂韧性更高。

这是因为低温下材料的塑性变形能力较差，裂纹扩展速率较慢，因此材料的断裂韧性更高。

3.应力状态：不同的应力状态对材料的断裂韧性也有影响。

在拉伸应力状态下，裂纹的扩展方向往往与应力作用方向垂直，这种情况下材料的断裂韧性最高。

三、断裂韧性的研究现状和发展趋势作为材料力学的一个重要分支，断裂力学已经成为一个非常成熟的学科。

对于断裂韧性的研究也已经进行了很多年。

材料断裂韧性

材料断裂韧性材料的断裂韧性是评价材料抗断裂能力的重要指标，也是材料力学性能的重要参数之一。

在工程实践中，材料的断裂韧性直接影响着材料的可靠性和安全性。

因此，研究材料的断裂韧性对于提高材料的性能和应用具有重要意义。

首先，材料的断裂韧性是指材料在受到外部力作用下，能够抵抗断裂的能力。

在材料受到外部力作用时，材料内部会产生裂纹，而材料的断裂韧性就是指材料抵抗裂纹扩展的能力。

断裂韧性越高的材料，其抗断裂能力越强，能够承受更大的外部载荷而不发生断裂。

其次，材料的断裂韧性与材料的微观结构密切相关。

晶粒的大小、形状、分布以及晶界的性质等因素都会影响材料的断裂韧性。

例如，细小的晶粒和均匀的晶粒分布可以提高材料的断裂韧性，而晶界的结合强度也会对材料的断裂韧性产生影响。

因此，通过调控材料的微观结构，可以有效地提高材料的断裂韧性。

另外，材料的断裂韧性还受到外部环境的影响。

温度、湿度等外部环境因素都会对材料的断裂韧性产生影响。

一般来说，温度越低，材料的断裂韧性越高，因为低温可以减缓材料的塑性变形，从而提高材料的抗断裂能力。

而湿度对于一些特定材料来说，也会影响其断裂韧性，例如一些吸湿性材料在潮湿环境下其断裂韧性会下降。

最后，提高材料的断裂韧性是材料科学与工程技术领域的重要课题。

通过合理设计材料的组织结构、优化材料的成分配比、改善材料的加工工艺等手段，可以有效地提高材料的断裂韧性。

同时，也可以通过引入纳米材料、纤维增强材料等新型材料来改善材料的断裂韧性。

总的来说，材料的断裂韧性是评价材料抗断裂能力的重要指标，其受到材料微观结构和外部环境的影响。

提高材料的断裂韧性是材料科学与工程技术领域的重要研究方向，也是提高材料性能和应用的关键之一。

通过深入研究材料的断裂韧性，可以为材料的设计、制备和应用提供重要的理论指导和技术支持。

材料性能_ 材料的断裂_3-4 断裂韧性_

3-4 断裂韧性
1、经典强度理论判据——允许应力
塑性材料以屈服强度为标准 ： 许用应力 [σ]≤σS/n
脆性材料以抗拉强度为标准： 许用应力 [σ] ≤ σb/n
• 传统力学中把材料看成是均匀的，没有缺陷没有 裂纹的理想固体，但是实际工程材料，在加工及 使用过程中，都会产生宏观缺陷乃至宏观裂纹。
（5）外界因素
温度 温度↓，断裂韧度↓ 缺口 有缺口，断裂韧度↓ 应变速度 应变速度↑，断裂韧度↓
塑性↑ 断裂韧度↑ 脆性↑ 断裂韧度↓
4、断裂韧性的应用
断裂判据可以直接用于工程设计中，为结 构设计、材料选择、安 全校核等提供依据。
（1）结构设计——确定裂纹允许存在的最
大尺寸（ac）
若已知最大工作应力为σ，已知材料的KIc ，
• 低应力脆断总是与材料内部含有一定尺寸的裂纹相 联系的。当裂纹在给定作用力下扩展到一临界尺寸 时，就会产生破裂。
存在固有裂纹，对裂纹体的不均匀
分布应力场进行分析，提出描述裂纹体应力场强的 力学参量和计算方法。从而建立裂纹几何、材料本 身抵抗裂纹扩展能力、裂纹扩展引起结构破坏时的 应力水平等之间的关系。 • 断裂力学：研究裂纹体的力学，引入断裂韧性。
（2）断裂韧性KⅠC
• 当σ增加到临界值σc或者a增大到临界值ac时， KⅠ 达到某一临界值，此时裂纹尖端前沿足够大的范 围内应力达到了材料的解理断裂应力，裂纹便失 稳扩展导致材料断裂。
临界应力强度因子便称为断裂韧度KⅠC
KⅠC 表征了材料抵抗断裂的能力。
KⅠ和KⅠC的区别：
• KⅠ是一个力学参量，受外界条件影响的反映裂纹尖 端应力场强弱程度。 • 与外加应力、试样尺寸和裂纹类型有关，与材料无 关。当应力σ和裂纹尺寸a增大时，应力强度因子KⅠ也 增大。 • KⅠC是材料的力学性能指标，表征了材料阻止裂纹扩

材料力学性能材料的断裂韧性


2 S
24 2
塑性区的边界方程图形如右下图：
在x轴上,θ=0时,塑性区的宽度r0为
平面应力 平面应变
平面应力：
r0
1
2
(KI )2
S
平面应变：
r0
1
2
(KI
S
)2 (1 2 )2
裂纹尖端塑性区的形状
材料科学与工程学院
11
平面应力状态下应力松弛后塑性 区尺寸为：
R0
1
(KI
S
)2
可见：考虑应力松弛后，塑 性区的尺寸扩大了1倍。
14
材料科学与工程学院
7
若裂纹体的材料一定，且裂纹尖端附近某一点的位置(r，θ)给 定，则该点的各应力、应变和位移分量唯一决定于KI值。
KI值愈大，则该点各应力、应变和位移分量之值愈高，因此， KI反映了裂纹尖端区域应力场的强度，故称之为应力强度因子。
它综合反映了外加应力和裂纹位置、长度对裂纹尖端应力场强 度的影响，其一般表达式为
纹尖端处于平面应变状态。此时，裂纹尖端处于三向拉伸应力状态，应力状 态软性系数小，因而是危险的应力状态。
平面应变状态应变分量为:
＝（1
x
E
）K 2r
I
cos
2
（1-2
sin
sin
2
3
2
）
＝（1
y
E
）K 2r
I
cos
2
（1-2＋sin
sin
2
3
2
）
＝（1
xy
E
）K
2 r
I
cos
sin
2
平面应力：
Y a KI 1 0.16Y 2 ( / s ) 2

材料韧性与断裂韧性的比较研究

材料韧性与断裂韧性的比较研究韧性和断裂韧性是材料力学性能的两个重要指标，用来描述材料在受到外力作用下的抵抗能力。

虽然韧性和断裂韧性都与材料的抗断裂能力有关，但它们从不同的角度来描述材料的性能。

首先，韧性是指材料在受到外力作用下能够延展变形的能力。

经常用来衡量材料的抗拉伸、抗拉断性能。

韧性越高，材料的拉伸变形越大，即材料在受力作用下能够发生更大程度的延伸。

韧性是通过材料的断口伸长率或断口延伸量来衡量的。

常见的材料具有较高韧性的有橡胶、塑料等。

而断裂韧性是指材料在受到外力作用下能够阻止裂纹扩展的能力。

材料的断裂韧性取决于其断裂过程中能量的吸收能力，即材料能够吸收的断裂能量越大，断裂韧性就越高。

在工程结构中，断裂韧性的高低直接关系到材料能否承受大的应力或振动而不发生裂纹扩展。

常见的高断裂韧性材料有钢铁、合金等。

韧性与断裂韧性在研究中的主要区别是从不同的角度考虑材料在外力作用下的性能表现。

韧性重点关注材料的延伸性能，即材料的塑性变形能力，其表示材料在受力作用下发生拉伸变形的能力。

而断裂韧性则重点关注材料在受力作用下发生断裂的过程，即材料对裂纹扩展的抵抗能力。

此外，韧性和断裂韧性还可以通过相关试验进行测定。

一般常见的测试方法有冲击试验、拉伸试验和断裂模式试验等。

这些试验可根据具体材料和研究需求来选择，以获得准确的韧性和断裂韧性指标。

韧性和断裂韧性的研究在材料科学和工程领域具有重要的应用价值。

比较不同材料的韧性和断裂韧性特征可以帮助工程师和科学家选择合适的材料用于特定的应用。

在材料设计和制备中，韧性和断裂韧性的考虑可以提高产品的安全性和可靠性，减少裂纹扩展和断裂的风险。

总结而言，材料的韧性和断裂韧性是从不同角度描述材料力学性能的指标。

韧性主要衡量材料的延展性能，断裂韧性则关注材料对裂纹扩展的抵抗能力。

它们在材料选择、产品设计和工程应用中都具有重要作用，对提高材料的安全性和可靠性具有重要意义。

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

应力松弛对塑性区的影响
• 在上述分析中，忽 略了裂纹尖端因产 生塑性区而松弛的 应力。按照裂纹线 上（θ＝0时）的应 力分量σy，其分布 如右图中曲线ABC 所示。
σy
A
由于裂尖塑性 区内的材料已 经屈服，其内 主应力应恒等 于有效屈服应
F C
σys
D
B
E
力 σ ys ， 于 是
O a
O1
E1 x
任何 I 型断裂的应力场强度因子的一般形式为：
K I = Yσ π a
• Y 为裂纹的形状因子，通常是量纲为1的裂纹长度 a 的函数， W是试样的宽度。 W • KI 的量纲是
MPa m 。
4.2 断裂韧性和断裂判据
4.2.1 断裂韧性 KIc
• KI是一决定应力场强弱的复合力学参量，可反映裂纹扩展的阻力。 • 当裂纹体受载应力和裂纹尺寸单独或共同增大时，裂尖应力场强度 因子KI 也随之增大。当增大到某一临界值时，在裂纹尖端足够大的 范围内应力达到了材料的断裂强度，裂纹体便发生失稳断裂。 • 裂纹体发生失稳断裂的临界KI 值记作Kc 或KIC，称为断裂韧性（平 面应力状态和平面应变状态）。表示一定应力状态下材料抵抗裂纹 失稳扩展的能力。 • Kc 与KIC二者的区别： Kc与板材或试样厚度有关，随厚度增大， Kc 不断降低至一稳定的最低值KIC （与厚度无关） 。 • KIC 是 Kc 的最低值，它是真正反映材料裂纹扩展抗力的材料常数。
主要内容： 为了更好地理解断裂韧性这一新 的抗断裂指标，简要介绍断裂力学的 基本理论和分析方法，重点讨论线弹 性条件下的断裂韧性指标的意义、测 试方法、影响因素及其应用。
4.1 裂纹体的应力分析
4.1.1 裂纹体的基本断裂类型 在断裂力学分析中，为了研究上的方便， 通常把复杂的断裂形式看成是三种基本裂 纹体断裂的组合。 断裂的三种基本类型： I 型（张开型）断裂 （最常见 ） II 型（滑开型）断裂 III型（撕开型）断裂 例：压力容器、齿轮、扭转轴等的断裂。
• 断裂韧性 KIC 是表征材料抗断裂能力的材料常数。 • 在一定条件（温度、加载速度）下，各种材料的 断裂韧性 KIC 值是确定的，与裂纹尺寸、形状、 外应力大小无关。 • 当 KI 达到了材料的 KIC 时，裂纹就可能发生失稳 扩展而使构件破坏，而不是一定要失稳断裂。因 为，KIC 是 KC 的最低值。 ∴ 断裂判据KI ≥ KIC只是裂纹体失稳断裂的必要 条件，而非充分条件。
4、断裂韧性
• 依据传统强度设计理论（强度储备）， 高强度材料的机件有时在服役期内、在 应力远低于许用应力条件下发生脆性断 裂，造成灾难性事故。 • 例如： 1950 年，美国北极星导弹上的固 体燃料发动机壳体在试发射时发生了爆 炸，爆破时应力远低于许用应力。事后 检查，发现其破坏是由一个深度为 0.1~1mm的裂纹引起的。
θ
KI 2θ 2 2θ cos [(1 − 2ν ) + 3 sin ] r= 2 2 2 2πσ s
2
同样，在裂纹面上（θ＝0），其 塑性区宽度为： 1 KI 2 ( ) r0 = (r )θ = 0 = 2π σ s /(1 − 2ν )
若取泊松比ν＝0.3，
1 KI 2 r0 = 0.16 ) ( 2π σ s
1 KI 2 1 KI 2 r0 = ( ) = ( ) 2π σ ys 2π Lσ s
• 平面应力状态下 L=1； • 平面应变状态下 L＝1/（1-2ν）。
在实际情况下：
• 沿板厚方向上的弹性约束是变化的，邻近 表面约束最小，可认为处于平面应力状态， 塑性区尺寸最大；而在板厚中部约束最大， 可认为处于平面应变状态，塑性区尺寸最 小。 • 因此，在裂纹尖端前沿区域，沿材料板厚 方向的塑性区尺寸是连续变化的，一般呈 哑铃形状。
4.1.2 I型裂纹尖端的应力场 ------应力场强度因子KI
在远处受均 匀拉应力σ作 用的无限大平 板，中心有一 长 2a 的穿透裂 纹，为I型加载 裂纹体的断裂。
受力情况?
由线弹性断裂力学分析解得裂纹尖端区域 （ r→0 ）距裂纹尖端（ r ， θ ）的一点的应力场为：
θ θ 1 3θ σ x σ π a[ cos (1 − sin sin )] 2 2 2 2π r θ θ 1 3θ σ y σ π a[ cos (1 + sin sin )] 2 2 2 2π r θ θ 1 3θ τ xy = σ π a [ cos sin cos ] 2 2 2 2π r
F C
O a
O1
E1 x
r0 Ry
假设塑性区外的应力分 布仍与应力松弛前的规 律 一 样 ， 相 当 于 将 BC 线水平移动了距离O1E1， 则松弛后的应力分布如 图中的曲线 DBEF 所示。
由ABC下的面积等于DBEF下的面积（能 量守恒），可求出新的塑性区的尺寸 Ry：
R yσ ys = ∫ σ y (r ,0 )dr
不断增多的脆性断裂事故，使人们逐渐有新认识：
• 传统力学是把材料一律看成了理想完整的、均匀的、 无缺陷的连续体。 • 实际的工程材料，在制备、加工及使用过程中，材 料的内部难免存在或多或少的气孔、夹渣、切口或 裂纹等缺陷。
• 传统的强度设计准则不能保证工程构件的安全服役。
• 断裂力学以材料中存在裂纹或类裂纹初始缺陷为前 提，运用连续介质力学的弹塑性理论，考虑材料的 不连续性，研究存在宏观裂纹的裂纹体的断裂问题， 给出了新的材料断裂抗力指标——断裂韧性。
r0 0
1 KI 2 Ry = ( ) = 2r0
π σ ys
∴ 考虑塑性区的应力松弛后，塑性区的尺寸 比原来增大了一倍。
4.3.2塑性区的修正—等效裂纹模型
• 线弹性断裂力学的裂纹尖端区域的应力场分 析表明，应力场强度因子唯一地控制了应力 场的强度，因而决定裂纹是否扩展的唯一控 制参量就是应力场强度因子。 • 裂纹前端塑性区的存在，必然使应力场分布 发生变化。但当塑性区尺寸足够小时，可以 认为塑性区外弹性区的应力场强度因子仍旧 是裂纹扩展与否的控制参量。 ∴ 为使弹性断裂力学的分析结果仍然有效， 需要对小范围屈服的塑性区进行修正。
平面应变状态
与
平面应力状态
F
F
F
F
Z方向上～无应变 （应力大） Z有约束
Z方向上～无应力 （应变大） Z无约束
1）平面应力状态（薄板）
σ3≈0，ε ≠ 0
F
F
σ2
σ1
将σ1、σ2 和 σ3 代入Von Mises判据即得裂纹尖 端区域平面应力状态下的塑性区边界方程：
KI 2θ 2θ cos (1 + 3 sin ) r= 2 2 2 2πσ s
平面应变状态塑性区形状和尺寸
平面应变
◆平面应变状态（厚板）的塑性区尺寸 远小于平面应力状态（薄板）的塑性 区尺寸。 ◆在平面应变状态（厚板）下沿板厚方 向的裂纹前端有较强的约束，使材料 处于三向应力状态，不容易发生塑性 变形所致。
若引入塑性抑制系数L，则两种应力 状态下的塑性区尺寸可统一表示为：
∴ 临界应力场强度因子KIC称为材料的断裂韧性！ （见表4.2）
4.2.2 断裂判据
• 若取KI临界值为Kc的最低值Kcmin，即：KIC， 则按应力场强度因子建立的断裂判据是： KI≥ KIC 或：
Yσ a ≥ K Ic • 应用：用以估算裂纹体的最大承载能力、 允许的裂纹尺寸，以及材料的选择、工艺 优化等。
4.3.1 裂纹尖端塑性区的形状与尺寸
• 依据屈服判据建立符合塑性变形临界条件的方 程，方程式对应的图形即代表塑形区边界的形 状，其边界值则为塑形区的大小。 • Von Mises屈服判据
(σ 1 − σ 2 ) + (σ 2 − σ 3 ) + (σ 3 − σ 1 ) = 2σ s
2 2 2
2
∴
σ1 θ θ K1 cos 1厚（一般取为Z）方向： 主应力 σ 3 取决于该方向上的弹性约 束，主要与板厚有关。 • 薄板接近于平面应力状态， • 厚板则接近于平面应变状态。 为简化分析，在此只讨论 平面应力状态与平面应变状态这两种 极限应力状态的情况。
K1 2πr
1 r0 = 2π
K1 σ ys
2
2）平面应变状态（厚板）
σ3 ≠ 0 ，ε ≈0
F
F
σ2
σ1
平面应变状态，εz ＝ 0，由广义虎克定律：
KI σ 3 = σ z = ν (σ x + σ y ) = 2ν cos ⋅ 2 2πr
应用Von Mises判据得裂纹尖端区域平面应变 状态下的塑性区边界方程：
4.3 裂纹尖端塑性区及其修正
如前所述，对裂尖应力场，当 r→0 时， σ y →∞ 。这在实际金属中是难以实 现的。 ∵对金属材料，当应力超过材料的屈服 极限时，将屈服而发生塑性变形，塑性 变形会使裂纹尖端区的应力得以松弛， 此塑性变形的区域称为塑性区。
※由于塑性区的存在，其内应力－应变关系 已不再遵循线弹性力学规律。 ◆线弹性力学分析的有效性??◆ ※若塑性区很小，经适当修正后，线弹性力 学的分析仍然有效。否则，结果将失真！ ※首先应确定塑性区的范围，然后提出相应 的修正办法。
•
式中：σ1、 σ3 和 σ3 是主应力，依次减小，
σs 是单向拉伸时材料的屈服应力。
• 以含中心穿透裂纹的无限大板为例，按材 料力学理论由裂尖应力场中各应力分量可 计算裂尖近处的主应力：
σ1 1 2 2 ∵ = (σ x + σ y ) ± (σ x − σ y ) + 4τ xy σ2 2
2
按Von Mises屈服判据得到的塑性区形状和尺寸
平面应力
当θ ＝0（在裂纹面上），其塑性区宽度为：
1 KI 2 ( ) = r0 (= r )θ =0 2π σ s