6断裂韧性.ppt

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1、工学院工学院 材料系材料系6 6断裂韧性断裂韧性线性弹性下的金属断裂韧度线性弹性下的金属断裂韧度1断裂韧度断裂韧度KIC的测试的测试2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4影响断裂韧度影响断裂韧度KIC的因素的因素3工学院工学院 材料系材料系6断裂韧性断裂韧性1 1 掌握掌握KIC的测试方法、影响的测试方法、影响因素及其应用因素及其应用2 2 了解了解GIC和和JIC的有关概念的有关概念工学院工学院 材料系材料系6断裂韧性断裂韧性2 2影响影响 KIC的因素的因素1 1 力学行为及各种力学性能力学行为及各种力学性能指标的意义和应用。指标的意义和应用。1 1KIC

2、的含义及应用的含义及应用6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系0.引言引言 按传统力学设计，工作应力按传统力学设计，工作应力小于许用应力小于许用应力为安全。为安全。塑性材料塑性材料S/n脆性材料脆性材料b/n再考虑机件的一些特点（如存在缺口）及环境温度的影响，再考虑机件的一些特点（如存在缺口）及环境温度的影响，根据材料使用经验，对塑性、韧度及缺口敏感度提出附加根据材料使用经验，对塑性、韧度及缺口敏感度提出附加要求要求据此设计的机件，原则上来讲是不会发生塑性变形和断据此设计的机件，原则上来讲是不会发生塑性变形和断裂的，安全可靠。裂的，安全可靠。随着高强度材料的使用，尤其在经过焊接的大型

3、构件中随着高强度材料的使用，尤其在经过焊接的大型构件中常发生常发生断裂应力低于屈服强度的低应力脆断裂应力低于屈服强度的低应力脆 断意外事故断意外事故，传统或经典的强度理论无法解释。传统或经典的强度理论无法解释。6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系1965年英国的一个氨合成塔，设年英国的一个氨合成塔，设计压力为计压力为36MPa，水压试验压力为，水压试验压力为49MPa，材料的屈服强度为，材料的屈服强度为 460MPa，此容器在试压过程中加，此容器在试压过程中加压到压到35.2MPa时，就突然爆炸，其时，就突然爆炸，其中有一块重达中有一块重达2T的碎片竟飞出数十的碎片竟飞出数十米远。

4、米远。1954年，美国发射北极星导弹，固年，美国发射北极星导弹，固体燃料发动机壳体，采用了超高强度体燃料发动机壳体，采用了超高强度钢钢D6AC，S为为1400MPa，按照传统，按照传统的强度设计与验收时，其各项性能指的强度设计与验收时，其各项性能指标包括强度与韧性都符合要求，设计标包括强度与韧性都符合要求，设计时的工作应力远低于材料的屈服强度时的工作应力远低于材料的屈服强度发射点火不久，就发生爆炸。发射点火不久，就发生爆炸。6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系事后检查发现：在氨合成塔的焊缝区内埋藏有一长为事后检查发现：在氨合成塔的焊缝区内埋藏有一长为 10mm的的内部裂纹内部裂纹；

5、在导弹固体燃料发动机壳体爆炸碎片中发现；在导弹固体燃料发动机壳体爆炸碎片中发现残留的残留的宏观裂纹宏观裂纹。传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，没有裂纹的理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。想固体。实际的工程材料在制备、加工及使用过程中，都会产生各种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宏观缺陷乃至宏观裂纹传统力学解决不了带裂纹构件的断裂问题，断裂力学就是研传统力学解决不了带裂纹构件的断裂问题，断裂力学就是研究带裂纹体构件的力学行为。究带裂纹体构件的力学行为。本章从材料的角度出发，简要介绍本章从材料的角度出发，简要介绍断裂力学基本

6、原理断裂力学基本原理，着重讨，着重讨论线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弹性条件下金属断裂韧度的意义、测试原理和影响因素。6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系大量断口分析表明，金属机件的低应力脆断断大量断口分析表明，金属机件的低应力脆断断 口没有宏观塑口没有宏观塑性变形痕迹，所以可以认为裂纹性变形痕迹，所以可以认为裂纹 在断裂扩展时，尖端总处于弹在断裂扩展时，尖端总处于弹性状态，应力性状态，应力-应变应呈线性关系。应变应呈线性关系。研究低应力脆断的裂纹扩展问题时，可以用弹性力学理论，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。从

7、而构成了线弹性断裂力学。一、裂纹扩展的基本形式一、裂纹扩展的基本形式1.张开型裂纹（张开型裂纹（型）型）6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系2.滑开型裂纹（滑开型裂纹（型）型）3.撕开型裂纹（撕开型裂纹（型）型）通常通常、组合，以组合，以型最型最为危险为危险6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系二、二、型裂纹尖端应力场型裂纹尖端应力场设一无限大平板中心含有一长设一无限大平板中心含有一长为为2a的穿透裂纹，的穿透裂纹，在垂直裂纹在垂直裂纹面方向受均匀的拉应力面方向受均匀的拉应力作用。作用。裂纹端部裂纹端部(r,)处的应力场为处的应力场为:平面应力：平面应力：平面应变：平面应

8、变：6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系令令则则当当0时，则时，则在在x x轴上裂纹尖端的切应力分量为零，拉应力分量最大，轴上裂纹尖端的切应力分量为零，拉应力分量最大，裂纹最易沿裂纹最易沿x x轴方向扩展。轴方向扩展。x越小，越小，x和和y越大；当越大；当x趋近于趋近于0时，时，x和和y趋近于无趋近于无穷大，不成立。穷大，不成立。6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系型裂纹应力场强度因子的一般表达式为型裂纹应力场强度因子的一般表达式为:应力场强度因子应力场强度因子K K表示裂纹尖端应力场的强弱表示裂纹尖端应力场的强弱K越大，则应力场各应力分量也越大。越大，则应力场各应力分

9、量也越大。裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于其位置裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于其位置(r r，)外，外，尚与尚与K K有关。有关。二、二、应力场强度因子应力场强度因子Y 裂纹形状系数，裂纹形状系数，一般一般Y=l-2对于对于、型裂纹型裂纹6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系三、三、断裂韧度断裂韧度KC和断裂和断裂K判据判据1.金属的断裂韧度金属的断裂韧度K是决定应力场强所的复合参量，所以可以将其当推动裂是决定应力场强所的复合参量，所以可以将其当推动裂纹扩展的动力，从而建立裂纹失稳扩展的力学判据及断裂韧纹扩展的动力，从而建立裂

10、纹失稳扩展的力学判据及断裂韧度。度。这个临界或失稳状态的这个临界或失稳状态的KI值就记作值就记作KIC或或KC称为称为断裂韧度。断裂韧度。表征材料对宏观裂纹失稳扩展的抗力。表征材料对宏观裂纹失稳扩展的抗力。当当和和a单独或共同增大时，单独或共同增大时，KI和裂纹尖端的各应力分量随和裂纹尖端的各应力分量随之增大之增大,当当KI增大到临界值时，也就是说裂纹尖端足够大的范增大到临界值时，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。裂。6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系KIC：平面应变下的断裂韧度，

11、表示在平面应变条件下材料：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。抵抗裂纹失稳扩展的能力。KC：平面应力断裂韧度，表示平面应力条件材料抵抗裂纹：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。失稳扩展的能力。因因KC KIC，故用，故用KIC 设计较为安全，且符合大型工程构件设计较为安全，且符合大型工程构件的实际情况。的实际情况。2.断裂断裂K判据判据应力场强度因子应力场强度因子KI和断裂韧度和断裂韧度KIC的相对大小，可以建立裂纹的相对大小，可以建立裂纹失稳扩展的断裂失稳扩展的断裂K判据判据:KIKIC 3.KIC的应用的应用6 6断裂韧性断裂韧性

12、工学院工学院 材料系材料系如果如果塑性区尺寸比裂纹尺寸塑性区尺寸比裂纹尺寸a和截面尺寸小一个数量级以上和截面尺寸小一个数量级以上，只要对只要对KI进行适当修正，则仍可以适用。进行适当修正，则仍可以适用。实际上，金属材料在裂纹扩展前，其尖端附近，由于应力实际上，金属材料在裂纹扩展前，其尖端附近，由于应力集中要先出现一个或大或小的塑性变形区集中要先出现一个或大或小的塑性变形区,在塑性区内应力应在塑性区内应力应变关系不是线性关系，上述变关系不是线性关系，上述KI判据不再适用判据不再适用四、裂纹尖端屈服区及修正四、裂纹尖端屈服区及修正1.塑性区的形状和尺寸塑性区的形状和尺寸根据材料力学，通过一点的根据

13、材料力学，通过一点的主应力主应力 1、2、3和和 x、y、z方向的各应力分量的关系为：方向的各应力分量的关系为：6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系裂纹尖端附近任一点裂纹尖端附近任一点(r,)的主应力为：的主应力为：根据三向应力状态下屈服判据：根据三向应力状态下屈服判据：6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系可得到塑性区边界曲线方程：可得到塑性区边界曲线方程：平面应力状态平面应力状态平面应变状态平面应变状态当当=0时时,在裂纹的前方，塑性区宽度：在裂纹的前方，塑性区宽度：（平面应变）（平面应变）（平面应力）（平面应力）6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系取取=

14、0.3，考虑下图中影线部分面积（屈服区）内应力松弛的，考虑下图中影线部分面积（屈服区）内应力松弛的影响影响平面应力状态下平面应力状态下平面应变状态下平面应变状态下6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系2.有效裂纹及有效裂纹及KI的修正的修正应力松驰可以有两种方式：一应力松驰可以有两种方式：一种是通过塑性变形；另一种方式种是通过塑性变形；另一种方式则是通过裂纹扩展。则是通过裂纹扩展。如认为这两种应力松驰的方式如认为这两种应力松驰的方式是等效的，设想裂纹的长度增加是等效的，设想裂纹的长度增加了，由原来的长度了，由原来的长度a 增加到增加到a+ry计算表明，修正量计算表明，修正量ry等于应

15、力等于应力松驰以后的塑性区宽度松驰以后的塑性区宽度R0的一半。的一半。6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系则则*越大，修正系数越大，一般越大，修正系数越大，一般 时，时，变化比较明显，变化比较明显，需要修正。需要修正。6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系系统弹性应变能的变化系统弹性应变能的变化塑性变形功塑性变形功表面能表面能五、裂纹扩展能量释放率五、裂纹扩展能量释放率GI及断裂韧度及断裂韧度GIC考虑到裂纹扩展时的能量关系，引出裂纹扩展的考虑到裂纹扩展时的能量关系，引出裂纹扩展的G判据。判据。绝热条件下，假设有一裂纹体在外力作用下裂纹扩展，绝热条件下，假设有一裂纹体在外

16、力作用下裂纹扩展，外力外力做功为做功为系统势能，裂纹扩展驱动力系统势能，裂纹扩展驱动力裂纹扩展阻力裂纹扩展阻力6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系裂纹扩展能量释放率裂纹扩展能量释放率G：裂纹扩展单位面积时系统释放势能：裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值。的数值。系统势能等于系统的应变能减去外力功系统势能等于系统的应变能减去外力功对于对于型裂纹，能量释放率型裂纹，能量释放率G（裂纹扩展单位面积释（裂纹扩展单位面积释放功）放功）则则平面应力平面应力平面应变平面应变将将GI的临界值记为的临界值记为GIC，也称为，也称为断裂韧度断裂韧度或平面断裂韧度，或平面断裂韧度，表示表示材料阻止裂纹

17、失稳扩展时单位面积所消耗的能量材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系六、六、GIC和和KIC的关系的关系1.平面应力平面应力2.平面应变平面应变6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系1.1.试样试样试样应足够厚以保证裂纹尖端试样应足够厚以保证裂纹尖端为平面应变为平面应变一、三点弯曲法一、三点弯曲法保证尖端处于小范围屈服状态保证尖端处于小范围屈服状态6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系2.2.测试方法测试方法 在加载过程中，随载荷在加载过程中，随载荷F的增加，裂纹嘴张开位移的增加，裂纹嘴张开位移V增增大。用记录仪记录曲线大

18、。用记录仪记录曲线F-V，进而用，进而用F-V曲线确定裂纹失稳曲线确定裂纹失稳扩展时的载荷扩展时的载荷FQ。6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系由于材料性能及试样尺寸不同，由于材料性能及试样尺寸不同，F-V曲线有三种类型：曲线有三种类型：1 1）材料较脆、试样尺寸足够大）材料较脆、试样尺寸足够大时，时，F-VF-V曲线为曲线为IIIIII型型2 2）材料韧性较好或试样尺寸较）材料韧性较好或试样尺寸较小时，小时，F-VF-V曲线为曲线为I I型型3 3）材料韧性或试样尺寸居中时，）材料韧性或试样尺寸居中时，F-VF-V曲线为曲线为IIII型型做一直线与弹性部分的斜率少做一直线与弹性部

19、分的斜率少5%，以确定与裂纹扩展，以确定与裂纹扩展2%时时相对应的载荷相对应的载荷F5。如如F5 前无比前无比F5 大的大的载载荷，荷，则则FQ=F5；如如F5 前有比前有比F5 大的载荷，此最高载荷为大的载荷，此最高载荷为FQ。6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系S4W将测定的裂纹失稳扩展的临界载荷将测定的裂纹失稳扩展的临界载荷FQ及试样断裂后测出的及试样断裂后测出的裂纹长度裂纹长度a代入，即可求出代入，即可求出KI 的条件值，记为的条件值，记为KQ。然后再依据下列规定判断然后再依据下列规定判断KQ是否为平面应变状态下的是否为平面应变状态下的KIC，即判断即判断KQ的有效性。的有

20、效性。u否则无效，试样尺寸放大否则无效，试样尺寸放大.倍倍6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系二、紧凑拉伸法二、紧凑拉伸法这一构型的应力场强度表达式为这一构型的应力场强度表达式为:6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系三、三、Vicker压痕法压痕法对陶瓷类脆性材料，裂纹可以由接触过程产生。压痕断裂对陶瓷类脆性材料，裂纹可以由接触过程产生。压痕断裂力学的发展使得可以借助压痕裂纹进行脆性材料断裂韧性的力学的发展使得可以借助压痕裂纹进行脆性材料断裂韧性的测试。由于引测试。由于引 入裂纹容易和试样制备简单等特点，压痕法入裂纹容易和试样制备简单等特点，压痕法 测测断裂韧性在陶瓷材

21、料领域被广泛使用。断裂韧性在陶瓷材料领域被广泛使用。选择与构件的成分、工艺相同的材料制备试件。在选择与构件的成分、工艺相同的材料制备试件。在Vicker硬度实验机上，在适当荷载下，用硬度实验机上，在适当荷载下，用Vicker压头，在抛光的陶压头，在抛光的陶瓷材料试件上压出压痕。瓷材料试件上压出压痕。6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系在正方形压痕的四角，沿辐在正方形压痕的四角，沿辐射方向出现射方向出现 裂纹。裂纹。若选用荷载适当，在压痕对若选用荷载适当，在压痕对角线方向的抛面接近半圆形。角线方向的抛面接近半圆形。一般要求一般要求c2.5a。根据压痕断裂力学理论，处于平衡状态的压痕裂

22、纹尖端的根据压痕断裂力学理论，处于平衡状态的压痕裂纹尖端的残余应力强度因子在数值上等于材料的断裂韧性。残余应力强度因子在数值上等于材料的断裂韧性。H、E、a、c分别是材料的维氏硬度、弹性模量、压痕对角分别是材料的维氏硬度、弹性模量、压痕对角线与裂纹线与裂纹 的长度；的长度；为约为约束因子（束因子（3）。）。6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系通过压痕法求一系列的通过压痕法求一系列的c，a值，按上式的通式值，按上式的通式以以lna和和lnc为变量进行拟合，求得为变量进行拟合，求得u、V值；值；应应用所得用所得u、V值值于待于待测测的同的同类类材料上，再材料上，再测测a、c值值，并利用

23、已知的并利用已知的H、E，可求得，可求得KIC。6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系一、内因（材料因素）一、内因（材料因素）1）晶粒尺寸）晶粒尺寸晶粒愈细，晶界总面积愈大，裂纹顶端附近从产生一定尺寸晶粒愈细，晶界总面积愈大，裂纹顶端附近从产生一定尺寸的塑性区到裂纹扩展所消耗的塑性区到裂纹扩展所消耗 的能量也愈大，因此的能量也愈大，因此KIC 也愈高。也愈高。2）合金化）合金化固溶使得固溶使得KIC 降低；降低；第二相对材料断裂韧性的作用常与具体的材料体系及其工艺第二相对材料断裂韧性的作用常与具体的材料体系及其工艺因素有关：因素有关：弥散分布的第二相数量越多，其间距越小，弥散分布的第

24、二相数量越多，其间距越小，KIC 越低；越低；第二相沿晶界网状分布，晶界损伤，第二相沿晶界网状分布，晶界损伤，KIC 降低；降低；球状第二相的球状第二相的KIC 片状片状6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系*在陶瓷材料中，常利用第二相在基体中形成吸收裂纹扩展在陶瓷材料中，常利用第二相在基体中形成吸收裂纹扩展能量的机制提高陶瓷材料的断裂韧性。能量的机制提高陶瓷材料的断裂韧性。3）夹杂）夹杂夹杂物偏析于晶界，晶界弱化，增大沿晶断裂的倾向性；夹杂物偏析于晶界，晶界弱化，增大沿晶断裂的倾向性；在晶内分布的夹杂物在晶内分布的夹杂物 起缺陷源的作用，都使材料起缺陷源的作用，都使材料 的的KIC

25、 值下值下降。降。4）显微组织）显微组织（1）M组织组织板条板条M：精细结构位错具有较高强度和塑性，裂纹扩展阻：精细结构位错具有较高强度和塑性，裂纹扩展阻力大，力大，KIC高高针状针状M：孪晶使滑移系减少：孪晶使滑移系减少4倍，并易感应裂纹硬而脆，倍，并易感应裂纹硬而脆，KIC低低混合混合M：介于二者之间：介于二者之间6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系（2）M回火组织回火组织回火马氏体：基体为过饱和回火马氏体：基体为过饱和F，塑性差，质点小且弥散，塑性差，质点小且弥散，间距小，裂纹扩展阻力小，间距小，裂纹扩展阻力小，KIC 低低回火索氏体：基体为再结晶回火索氏体：基体为再结晶F，

26、K粒子为粒状，间距大，粒子为粒状，间距大，KIC高高回火屈氏体：介于二者之间回火屈氏体：介于二者之间（3）贝氏体组织）贝氏体组织上贝氏体：上贝氏体：F片层间分布有断续片层间分布有断续K，裂纹扩展阻力小，裂纹扩展阻力小，KIC低低下贝氏体：过饱和针状下贝氏体：过饱和针状F中弥散中弥散K，裂纹扩展阻力大，裂纹扩展阻力大，KIC高高6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系（4）B与与M（5）残余奥氏体：）残余奥氏体：塑性高，松弛应力、裂纹扩展阻力大，可以提高塑性高，松弛应力、裂纹扩展阻力大，可以提高KIC二、特殊热处理对断裂韧度的影响二、特殊热处理对断裂韧度的影响1）形变热处理形变热处理高温

27、形变热处理细化奥氏体亚结构，细化淬火马氏体，强高温形变热处理细化奥氏体亚结构，细化淬火马氏体，强度、韧性提高，度、韧性提高，KIC提高。提高。低温形变热处理细化低温形变热处理细化A亚结构，增加位错密度，促进碳化亚结构，增加位错密度，促进碳化物弥散沉淀，降低物弥散沉淀，降低A质量分数，板条质量分数，板条M增加，增加，KIC提高。提高。6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系2）亚温淬火）亚温淬火提高低温韧性，降低高温韧性。因为形成细小的提高低温韧性，降低高温韧性。因为形成细小的F+A、F-A 相界面比相界面比A大若干倍，杂质偏析浓度低，大若干倍，杂质偏析浓度低，F溶解杂质多，溶解杂质多，

28、KIC提高。提高。3）超高温淬火）超高温淬火M由孪晶变为板条由孪晶变为板条M板条束间有稳定板条束间有稳定A膜膜K溶入溶入A，减少微孔形核，减少微孔形核三、外因（板厚和实验条件）三、外因（板厚和实验条件）1）板厚）板厚材料的断裂韧性随板材厚度或构件截面尺寸的增材料的断裂韧性随板材厚度或构件截面尺寸的增加而减小，最终趋于一个稳定的最低值，即平面加而减小，最终趋于一个稳定的最低值，即平面应应 变断裂韧度变断裂韧度6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系2）温度）温度金属材料断裂韧性随着温度的金属材料断裂韧性随着温度的降低，有一急剧降低的温度范围降低，有一急剧降低的温度范围（-200200），

29、低于此温度范），低于此温度范围，断裂韧度保持在一个稳定的围，断裂韧度保持在一个稳定的水平（下平台）水平（下平台）3）应变速率）应变速率应变速率每提高一个数量级，应变速率每提高一个数量级，断裂韧性将降低断裂韧性将降低10%。很大时，绝热温度升高，断裂很大时，绝热温度升高，断裂韧性反而提高。韧性反而提高。6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系四、四、KIC与其它力学性能指标的关系与其它力学性能指标的关系对于某些中高强钢对于某些中高强钢6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系大尺寸构件，尺寸大，平面大尺寸构件，尺寸大，平面应变应变，屈服区小，屈服区小，KIC 适用。适用。测试时测试

30、时，试样试样尺寸大，困尺寸大，困难难。广泛使用的中、低广泛使用的中、低强强度度钢钢s低，低，KIC高，高，其中其中对对于小型机件于小型机件而言，裂而言，裂纹纹尖端塑性区尺寸尖端塑性区尺寸较较大，接近甚至超大，接近甚至超过过裂裂纹纹尺寸，尺寸，已属于大范已属于大范围围屈服条件，裂屈服条件，裂纹扩纹扩展前已整体屈服。展前已整体屈服。一、一、J积分的意义和特性积分的意义和特性设设有一有一单单位厚度的位厚度的I型裂型裂纹纹体，逆体，逆时时针针取一回路取一回路其所包其所包围围的体的体积积内内应变应变能密度能密度为为，回路上任一点作用回路上任一点作用应应力力为为T.在弹性状态下，在弹性状态下，所包围体积的

31、系统所包围体积的系统势能，等于弹性应变能和外力功之差势能，等于弹性应变能和外力功之差U=Ue-W6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系因厚度为因厚度为1，故裂纹尖端的，故裂纹尖端的G为为内内总应变总应变能能为为:外力在该点所做的功为外力在该点所做的功为:这就是在线弹性条件下这就是在线弹性条件下G的能量线积分的表达式。的能量线积分的表达式。6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系在在弹弹塑性条件下，如将塑性条件下，如将应变应变能密度能密度定定义为弹义为弹塑性塑性应变应变能密能密度，也存在度，也存在该该式等号右端的能量式等号右端的能量线积线积分，分，Rice将其定将其定义为义为J

32、 积积分。分。JI 为为I型裂型裂纹纹的能量的能量线积线积分分在在线弹线弹性条件下，性条件下，JI=GI=KI2/E 在在弹弹塑性小塑性小应变应变条件下，上式也成立。同条件下，上式也成立。同时时，在小，在小应变应变条件下，条件下，J积积分和路径分和路径无关，即无关，即J的守恒性。的守恒性。6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系uJ积积分的断裂判据就是分的断裂判据就是G判据的延伸，或将判据的延伸，或将线弹线弹性条件下性条件下G延延伸到伸到弹弹塑性断裂，塑性断裂，J 表达形式表达形式G相似。相似。在在弹弹塑性条件下，表达式相同，但物理概念有所不同塑性条件下，表达式相同，但物理概念有所不同

33、G：在：在线弹线弹性条件下性条件下G的概念是一个含有裂的概念是一个含有裂纹纹尺寸尺寸为为a的的试试样样，当裂，当裂纹纹尺寸尺寸扩扩展展为为a+da 时时系系统统能量的能量的释释放率。放率。J：在：在弹弹塑性条件下，塑性条件下，则则是两个是两个试样试样：一个尺寸为一个尺寸为a的裂纹，的裂纹，而另一个试样的裂纹尺寸为而另一个试样的裂纹尺寸为a+da，两者在加载过程中形变，两者在加载过程中形变功之差。功之差。J不能描述裂不能描述裂纹纹的的扩扩展展过过程，不允程，不允许许卸卸载载情况情况发发生。生。6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系J积积分也可用能量率的形式来表分也可用能量率的形式来表达

34、，即在达，即在弹弹塑性小塑性小应变应变条件下，条件下，JI=GI成立，成立，这这是用是用试验试验方法方法测测定定JIC的理的理论论根据。根据。只要只要测测出阴影面出阴影面积积OABO和和a，便可，便可计计算算JI 值值。塑性塑性变变形是不可逆的，因此求形是不可逆的，因此求J值值必必须单调须单调加加载载，不能有卸，不能有卸载现载现象。但裂象。但裂纹扩纹扩展意味着有部分区域卸展意味着有部分区域卸载载。u所以，在所以，在弹弹塑性条件下，塑性条件下，JI不能象不能象GI那那样样理解理解为为裂裂纹扩纹扩展展时时系系统势统势能的能的释释放率。放率。应应理解理解为为：裂裂纹纹相差相差单单位位长长度的两个等同

35、度的两个等同试样试样，加，加载载到等同到等同位移位移时时，势势能差能差值值与裂与裂纹纹面面积积差差值值的比率，即所的比率，即所谓谓形形变变功差功差 率。率。6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系u通常通常J积分不能处理裂纹的连续扩张问题积分不能处理裂纹的连续扩张问题，其临界值只是开，其临界值只是开裂点，不一定是失稳断裂点。裂点，不一定是失稳断裂点。JIC判据判据1）在）在弹弹塑性小塑性小应变应变条件下条件下JIJIC此此时时，裂，裂纹纹就会开始就会开始扩扩展，但不能判断其是否失展，但不能判断其是否失稳稳断裂。断裂。平面平面应变应变条件下，条件下，J积积分的分的临临界界值值JIC也称断

36、也称断 裂裂韧韧度，度，表示表示材料抵抗裂材料抵抗裂纹纹开始开始扩扩展的能力展的能力。2)在在线弹线弹性条件下性条件下平面平面应应力力平面平面应变应变6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系目前，目前，JI判据及判据及JIC测试测试目的，主要期望用小目的，主要期望用小试样测试样测出出JIC，换换算成大算成大试样试样的的KIC，然后再按，然后再按KI判据去解决中、低判据去解决中、低强强度度钢钢大型大型件的断裂件的断裂问题问题。二、裂二、裂纹纹尖端尖端张张开位移开位移(COD)和断裂和断裂韧韧度度C由于裂由于裂纹纹尖端的尖端的应变应变量量较较小，小，难难于精确于精确测测定。而裂定。而裂纹纹

37、尖端的尖端的张张开位移开位移COD(Crack Opening Displacement)可以可以间间接表示接表示应变应变量的大小量的大小1.线弹线弹性条件下性条件下裂裂纹纹尖端由尖端由O点虚移到点虚移到O点，裂点，裂纹纹长长度由度由a变为变为a*a+ry。6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系原裂原裂纹纹尖端尖端O处处要要张张开，开，张张开位移开位移量量为为2V。这这个个张张开位移就是开位移就是COD，即即。在。在线弹线弹性和平面性和平面应应力条件下，力条件下，I型裂型裂纹顶纹顶端的端的张张开位移开位移为为：可可见见，与与KI，GI可以定量可以定量换换算。在小幅范算。在小幅范围围内

38、，内，KIKIC，GIGIC既然可以作既然可以作为为断裂判据，断裂判据，则则C亦可作亦可作为为断裂判据断裂判据6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系2.弹弹塑性条件塑性条件假假设设一个中、低一个中、低强强度度钢钢无限大无限大的板的板 中有中有I型穿透裂型穿透裂纹纹，在平均，在平均应应力作用下裂力作用下裂纹纹两端出两端出现现塑性区，塑性区，裂裂纹纹尖端因塑性尖端因塑性变变形而形而钝钝化，在化，在2a不增加不增加时时,裂裂纹纹沿沿方向方向张张开的开的位移位移设裂纹长度由设裂纹长度由2a扩展到扩展到2c时，时，将塑性区割开。将塑性区割开。则则A、B两点裂两点裂纹张纹张开位移开位移6 6断裂韧性断裂韧性工学院工学院 材料系材料系只适用与裂纹前端产生大范围屈服只适用与裂纹前端产生大范围屈服,而不适合用于全屈服。而不适合用于全屈服。c称称为为材料断裂材料断裂韧韧性，表示材料阻止裂性，表示材料阻止裂纹纹开开始始扩扩展的能力展的能力3)与、的关系断裂应力 时，平面应力平面应变n：尖端硬化及出现三向应力状态修正系数谢 谢!