第四章材料的断裂韧性.ppt
LOGO第四章第四章 材料的断裂韧性材料的断裂韧性刘德宝刘德宝回顾v按照断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形的按照断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形的程度，把断裂分为脆性断裂与韧性断裂程度，把断裂分为脆性断裂与韧性断裂v穿晶断裂与沿晶断裂（裂纹扩展途径）穿晶断裂与沿晶断裂（裂纹扩展途径）v按照微观断裂机理，断裂分为剪切断裂和解理断按照微观断裂机理，断裂分为剪切断裂和解理断裂。裂。Company Logo裂纹失稳扩展的临界应力为:理想晶体解理断裂的理论断裂强度有裂纹存在的断裂强度和理论断裂强度对比，可求出：Company Logo4.1 前言v按照传统力学设计，只要求工作应力小于许用应力，即,就被认为是安全的了。对塑性材料=s/n，对脆性材料=b/n，其中n为安全系数。v但是实际情况不同，对高强度、超高强度钢的机件，中低强度钢的大型、重型机件，如火箭壳体、桥梁等经常在屈服应力以下发生低应力脆性断裂。v传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，没有裂纹的理想固体，但是实际的工程材料，在制备、加工及使用过程中，都会产生各种宏观缺陷乃至宏观裂纹。v断裂力学正是在这种背景下发展起来的一门科学。1922年Griffith首先在强度和裂纹尺度之间建立了定量的关系，1948年Irwin发表了经典性论文,标志断裂力学成为一门独立的工程学科。Company Logov断裂力学是在承认机件存在宏观裂纹的前提下，建立了裂纹扩展的各种新的力学参量，并提出了含裂纹体的断裂判据和材料断裂韧度，依此对机件进行设计和校核。v本章从材料的角度出以，在简要介绍断裂力学基本原理的基础上，着重讨论线弹性条件下金属断裂韧度的意义、测试原理和影响因素。天津理工大学材料学院天津理工大学材料学院Company Logo4.2 线弹性条件下金属断裂韧度线弹性条件下金属断裂韧度v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痕迹，所以可以认为裂纹在断裂扩展时，尖端总处于弹性状态，应力-应变应呈线性关系。v因此，研究低应力脆断的裂纹扩展问题时，可以用弹性力学理论，从而构成了线弹性断裂力学。天津理工大学材料学院天津理工大学材料学院Company Logo分析裂纹体断裂问题有两种方法分析裂纹体断裂问题有两种方法v(1)应力应变分析方法：考虑裂纹尖端附近的应力场强度，得到相应的断裂K判据。v(2)能量分析方法：考虑裂纹扩展时系统能量的变化，建立能量转化平衡方程，得到相应的断裂G判据。天津理工大学材料学院天津理工大学材料学院Company Logo一、裂纹扩展的基本形式一、裂纹扩展的基本形式v1.张开型（I型）裂纹扩展 拉应力垂直于裂纹扩展面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展，如压力容器纵向裂纹在内应力下的扩展。v2.滑开型（II型）裂纹扩展切应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹线垂直，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。v3.撕开型（III型）裂纹扩展切应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹线平行，裂纹沿裂纹面撕开扩展，如轴的纵、横裂纹在扭矩作用下的扩展。天津理工大学材料学院天津理工大学材料学院Company Logo二、应力场强度因子二、应力场强度因子KI及断裂韧度及断裂韧度KICv对于张开型裂纹试样，拉伸或弯曲时，其裂纹尖端处于更复杂的应力状态，最典型的是平面应力和平面应变两种应力状态。v平面应力：指所有的应力都在一个平面内，v平面应力问题主要讨论的弹性体是薄板，薄壁厚度远远小于结构另外两个方向的尺度。薄板的中面为平面，所受外力均平行于中面面内，并沿厚度方向不变，而且薄板的两个表面不受外力作用。v平面应变：指所有的应变都在一个平面内。v平面应变问题比如压力管道、水坝等，这类弹性体是具有很长的纵向轴的柱形物体，横截面大小和形状沿轴线长度不变，作用外力与纵向轴垂直，且沿长度不变，柱体的两端受固定约束。Company Logo（一）裂纹尖端应力场（一）裂纹尖端应力场v由于裂纹扩展是从尖端开始进行的，所以应该分析裂纹尖端的应力、应变状态，建立裂纹扩展的力学条件。v欧文（G.R.Irwin）等人对I型（张开型）裂纹尖端附近的应力应变进行了分析，建立了应力场、位移场的数学解析式。天津理工大学材料学院天津理工大学材料学院Company Logo应力分量：应力分量：材料学院Company Logo位移分量（平面应变状态）：位移分量（平面应变状态）：天津理工大学材料学院天津理工大学材料学院Company Logo（二）应力场强度因子（二）应力场强度因子KIv裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定其位置外，尚与强度因子KI有关。v对于某一确定的点，其应力分量由KI决定，所以对于确定的位置，KI直接影响应力场的大小，KI增加，则应力场各应力分量也越大。v因此，KI就可以表示应力场的强弱程度，称为应力场强度因子。材料学院Company Logo几种裂纹的K1表达式Company Logov可得到可得到I型裂纹应力场强度因子的一般表达式 天津理工大学材料学院天津理工大学材料学院Y：裂纹形状系数（无量纲），一般，Y=1-Company Logo（三）断裂韧度（三）断裂韧度KIc和断裂和断裂K判据判据vKI是决定应力场强弱的一个复合力学参量，就可将它看作是推动裂纹扩展的动力，以建立裂纹失稳扩展的力学判据与断裂韧度。v当和a单独或共同增大时，KI和裂纹尖端的各应力分量随之增大。v当KI增大到临界值时，也就是说裂纹尖端足够大的范围内应力达到了材料的断裂强度，裂纹便失稳扩展而导致断裂。v这个临界或失稳状态的KI值就记作KIC或KC，称为断裂韧度。天津理工大学材料学院天津理工大学材料学院Company LogovKIC：平面应变下的断裂韧度，表示在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。vKC：平面应力断裂韧度，表示平面应力条件材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。v但KC值与试样厚度有关，当试样厚度增加，使裂纹尖端达到平面应变状态时，断裂韧度趋于一个稳定的最低值，就是KIC，与试样厚度无关。v在临界状态下所对应的平均应力，称为断裂应力或裂纹体断裂强度，记为c，对应的裂纹尺寸称为临界裂纹尺寸，记作ac。天津理工大学材料学院天津理工大学材料学院Company LogoKIC和和KC的区别：的区别：v应力场强度因子KI增大到临界值KIC时，材料发生断裂，这个临界值KIC称为断裂韧度。vKI是力学参量，与载荷、试样尺寸有关，而和材料本身无关。vKIC是力学性能指标，只与材料组织结构、成分有关，与试样尺寸和载荷无关。v根据KI和KIC的相对大小，可以建立裂纹失稳扩展脆断的断裂K判据，由于平面应变断裂最危险，通常以KIC为标准建立：天津理工大学材料学院天津理工大学材料学院Company Logo（四）裂纹尖端塑性区及（四）裂纹尖端塑性区及KI的修正的修正v从理论上来讲，按KI建立的脆性断裂判据KIKIC，只适用于弹性状态下的断裂分析。v实际上，金属材料在裂纹扩展前，其尖端附近总要先出现一个或大或小的塑性变形区，这与制品前方存在塑性区间相似，在塑性区内应力应变关系不是线性关系，上述KI判据不再适用。v试验表明：如果塑性区尺寸较裂纹尺寸a和静截面尺寸很小时，小一个数量级以上，在小范围屈服下，只要对KI进行适当修正，裂纹尖端附近的应力应变场的强弱程度仍可用修正的KI来描述。天津理工大学材料学院天津理工大学材料学院Company Logo1.塑性区的形状和尺寸塑性区的形状和尺寸v为确定裂纹尖端塑性区的形状与尺寸，就要建立符合塑性变形临界条件的函数表达式r=f()，该式对应的图形就代表塑性区边界形状，其边界值就是塑性区的尺寸。v根据材料力学，通过一点的主应力1、2、3和 x、y、z方向的各应力分量的关系为：Company Logo裂纹尖端附近任一点裂纹尖端附近任一点P(r,)的主应力：的主应力：Company Logo塑性区边界曲线方程：塑性区边界曲线方程：天津理工大学材料学院天津理工大学材料学院Company Logo天津理工大学材料学院天津理工大学材料学院Company Logov为了说明塑性区对裂纹在x方向扩展的影响，就将沿x方向的塑性区尺寸定义为塑性区宽度，取=0，就可以得到塑性区宽度：天津理工大学材料学院天津理工大学材料学院Company Logov上述估算指的是在上述估算指的是在x轴上裂轴上裂纹尖端的应力分量纹尖端的应力分量yys的一段距离的一段距离AB，而没有考，而没有考虑图中影线部分面积内应虑图中影线部分面积内应力松弛的影响。力松弛的影响。v这种应力松弛可以增大塑这种应力松弛可以增大塑性区，由性区，由r0扩大至扩大至R0。v图中图中ys是在是在y方向发生屈方向发生屈服时的应力，称为服时的应力，称为y向有效向有效屈服应力，屈服应力，在平面应力状在平面应力状态下，态下，ys=s，在平面应，在平面应变状态下，变状态下，ys=2.5s。天津理工大学材料学院天津理工大学材料学院Company Logo为求为求R0，从能量考虑，影线面积，从能量考虑，影线面积+矩形面积矩形面积ABDO=面积面积ACEO，即有，即有积分，得：积分，得：将平面应力的将平面应力的r0值代入，且值代入，且ys=s，得：，得：可见，在平面应力条件下，考虑了应力松弛之后，平面应力塑性区宽度正好是可见，在平面应力条件下，考虑了应力松弛之后，平面应力塑性区宽度正好是r0的两倍。的两倍。Company Logov厚板在平面应变条件下，塑性区是一个哑铃形的立体形状。中心是平面应变状态，两个表面都处于平面应力状态，所以y向有效屈服应力ys小于2.5s，取：Company Logo此时，平面应变的实际塑性区的宽度为：此时，平面应变的实际塑性区的宽度为：在应力松弛影响下，平面应变塑性区的宽度为：在应力松弛影响下，平面应变塑性区的宽度为：所以在平面应变条件下，考虑了应力松弛的影响，其塑性区宽度所以在平面应变条件下，考虑了应力松弛的影响，其塑性区宽度R0也是原也是原r0的两倍。的两倍。Company LCompany Logo2.有效裂纹及有效裂纹及KI的修正的修正v由于裂纹塑性区的存在，将会降低裂纹体的刚度，相当于增加了裂纹长度，因而影响了应力场及KI的计算，所以要对KI进行修正。v最简单的方法是采用虚拟有效裂纹代替实际裂纹。v如果将裂纹延长为a+ry，即裂纹顶点由O点虚移至O，则称a+ry为有效裂纹长度，则在尖端O外的弹性应力s分布为GEH，基本上与因塑性区存在的实际应力曲线CDEF中的弹性应力部分EF相重合v这就是用有效裂纹代替原有裂纹和塑性区松弛联合作用的原理。Company Logo修正的修正的KI值为：值为：例如，例如，1.对于无限板的中心穿透裂纹，考虑塑性区影响时，对于无限板的中心穿透裂纹，考虑塑性区影响时，Y=1/2，所以，所以KI的修正公式为：的修正公式为：2.对于大件表面半椭圆裂纹，对于大件表面半椭圆裂纹，所以，所以KI的修正公式为：的修正公式为：Company Logo三、裂纹扩展能量释放率三、裂纹扩展能量释放率GI及断裂韧度及断裂韧度GICv（一）裂纹扩展时的能量转化关系v绝热条件下，假设有一裂纹体在外力作用下裂纹扩展，外力做功 ，这个功一方面用于系统弹性应变能的变化 ，另一方面因裂纹扩展 面积，用于消耗塑性功 和表面能 ，所以裂纹扩展时的能量转换关系为：Company Logo（二）裂纹扩展能量释放率（二）裂纹扩展能量释放率GIv根据工程力学，系统势能等于系统的应变能减去外力功，或等于系统的应变能加外力势能，即有：v通常把裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值称为裂纹扩展能量释放率，简称能量释放率或能量率，用G表示。Company Logov由于裂纹扩展的动力为GI，而GI为系统势能U的释放率，所以确定GI时必须知道U的表达式。v由于裂纹可以在恒定载荷F或恒位移 条件下扩展，在弹性条件下上述两种条件的GI表达式为：Company Logo（三）断裂韧度（三）断裂韧度GI和断裂和断裂G判据判据v随着和a单独或共同增大，都会使GI增大。v当GI增大到某一临界值时，GI能克服裂纹失稳扩展的阻力，则裂纹失稳扩展断裂。v将GI的临界值记为GIC，也称为断裂韧度或平面断裂韧度，表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量，单位与GI相同。vGIC下对应的平均应力为断裂应力c，对应的裂纹尺寸为临界裂纹尺寸ac。（四）（四）GIC和和KIC的关系的关系Company Logo第二节第二节 断裂韧度断裂韧度KIC的测试的测试v一、试样的形状、尺寸及制备Company Logov由于这些尺寸比塑性区宽度R0大一个数量级，所以可以保证裂纹尖端是平面应变和小范围屈服状态。v试样材料、加工和热处理方法也要和实际工件尽量相同，试样加工后需要开缺口和预制裂纹。Company Logo二、测试方法二、测试方法Company Logov由于材料性能及试样尺寸不同，F-V曲线有三种类型：v1.材料较脆、试样尺寸足够大时，F-V曲线为III型v2.材料韧性较好或试样尺寸较小时，F-V曲线为I型v3.材料韧性或试样尺寸居中时，F-V曲线为II型从从F-V曲线确定曲线确定FQ的方法：的方法：Company Logo三、试样结果的处理三、试样结果的处理Company Logo第三节第三节 影响断裂韧度影响断裂韧度KIC的因素的因素v一、KIC与常规力学性能指标之间的关系v（一）KIC与强度、塑性间的关系v对于穿晶解理断裂，裂纹形成并能扩展要满足一定的力学条件，即拉应力要达到c，而且拉应力必须作用有一定范围或特征距离，才可能使裂纹过界扩展，从而实现解理断裂。v无论是解理断裂还是韧性断裂，KIC都是强度和塑性的综合性能，而特征距离是结构参量。Company Logov（二）KIC与冲击吸收功AKV之间的关系v由于裂纹和缺口不同，以及加载速率不同，所以KIC和AKV的温度变化曲线不一样，由KIC确定的韧脆转变温度比AKV的高。Company Logo二、影响二、影响KIC的因素的因素v（一）材料成分、组织对KIC的影响v1.化学成分的影响v 2.基体相结构和晶粒大小的影响v 3.杂质和第二相的影响v 4.显微组织的影响Company Logo（二）影响（二）影响KIC的外界因素的外界因素v1.温度v通常钢的KIC都随着温度的降低而下降，然而KIC的变化趋势不同。v中低强度钢都有明显的韧脆转变现象，在tk以上，材料主要是微孔聚集型的韧性断裂，KIC较高，而在tk以下，材料主要为解理型脆性断裂，KIC很低。v2.应变速率v应变速率提高，可使KIC下降，通常应变速率每增加一个数量级，KIC约下降10%。但是当应变速率很大时，形变热量来不及传导，造成绝热状态，导致局部升温，KIC又有所增加。Company Logo第五节第五节 弹塑性条件下金属断裂韧度的基本概念弹塑性条件下金属断裂韧度的基本概念v弹塑性断裂力学主要解决两方面的问题：v1.广泛使用的中、低强度钢s低，KIC高，其中对于小型机件而言，裂纹尖端塑性区尺寸较大，接近甚至超过裂纹尺寸，已属于大范围屈服条件，有时塑性区尺寸甚至布满整个韧带，裂纹扩展前已整体屈服，如焊接件拐角处，这些由于应力集中和残余应力较高而屈服的高应变区，就属这种情况。v对于这类弹塑性裂纹的断裂，用应力强度因子修正已经无效，而要借助弹塑性断裂力学来解决。v2.如何实测中、低强度钢的平面应变断裂韧度KICCompany Logo一、一、J积分及断裂韧度积分及断裂韧度JICv赖斯（J.R.Rice,1968）对受载裂纹体的裂纹周围的系统势能U进行了线积分，线弹性条件下GI的线积分表达式如下：Company Logo在弹塑性条件下，如果将应变能密度改成弹塑性应变能密度，也存在上述关系，在弹塑性条件下，如果将应变能密度改成弹塑性应变能密度，也存在上述关系，Rice称其为称其为J积分：积分：在小应变条件下，在小应变条件下，J积分和积分路线无关，所以积分和积分路线无关，所以J积分反映了裂纹尖端区的应变能，也积分反映了裂纹尖端区的应变能，也就是应力集中程度。就是应力集中程度。对于弹塑性材料，由于塑性变形是不可逆的，只有在单调加载，不发生卸载时，才存对于弹塑性材料，由于塑性变形是不可逆的，只有在单调加载，不发生卸载时，才存在积分与路径无关。在积分与路径无关。在线弹性条件下，在线弹性条件下，JI=GI，JI为为I型裂纹线积分。型裂纹线积分。Company Logov线弹性条件下，表示含有裂纹尺寸a的试样，扩展为a+a后系统势能的释放率。v弹塑性条件下，因为不允许加载，裂纹扩展就意味着加载，所以 表示裂纹尺寸分别为a 和（a+a）的两个等同试样，在加载过程中的势能差值U与裂纹长度差值a的比率，就是形变功差率，所以J积分不能处理裂纹的连续扩展问题，其临界值对应点只是开裂点，而不一定是最后失稳断裂点。v平面应变条件下，J积分的临界值JIC也称断裂韧度，表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力。Company Logo二、裂纹尖端张开位移和断裂韧度二、裂纹尖端张开位移和断裂韧度v由于裂纹尖端的应变量较小，难于精确测定，于是提出了用裂纹尖端张开位移来间接表示应变量的大小。v假设一个中、低强度钢无限大的板中有I型穿透裂纹，在平均应力作用下裂纹两端出现塑性区，裂纹尖端沿平均应力方向张开，张开位移就称为COD（Crack Opening Displacement）。Company Logo
