材料力學(xué)性能教學(xué)課件ppt材料的斷裂韌性(已修改)
2024-12-20 10:08 本頁面
【正文】 1 主講人 : 張寧 2 ? 一、線彈性條件下的金屬斷裂韌度 ? 二、斷裂韌度 KIC的測試 ? 三、影響斷裂韌度 KIC的因素 ? 四、斷裂韌度在金屬材料中的應(yīng)用舉例 ? 五、彈塑性條件下金屬斷裂韌度的基本概 念 第四章 金屬的斷裂韌度 3 ?為了防止斷裂失效，傳統(tǒng)的力學(xué)強度理論是根據(jù)材料的屈服強度，用強度儲備方法確定機件的工作應(yīng)力。 ?然后再考慮機件的一些特點（如存在口）及環(huán)境溫度的影響，根據(jù)材料使用經(jīng)驗，對塑性、韌度及缺口敏感度提出附加要求， ?據(jù)此設(shè)計的機件，原則上來講是不會發(fā)生塑性變形和斷裂的，安全可靠，但是實際情況不同，對高強度、超高強度鋼的機件，中低強度鋼的大型、重型機件，如火箭殼體、大型轉(zhuǎn)子、船舶、橋梁等 經(jīng)常在屈服應(yīng)力以下發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂。 第四章 金屬的斷裂韌度 4 ?由于裂紋破壞了材料的均勻連續(xù)性，改變了材料內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力分布，所以機件的結(jié)構(gòu)性能就不再相似于無裂紋的試樣性能，傳統(tǒng)的力學(xué)強度理論就不再適用。 ?因此，需要研究新的 強度理論和材料性能評價指標 ，以解決低應(yīng)力脆斷問題。 ?斷裂力學(xué) 就是在這種背景下發(fā)展起來的一門新型斷裂強度科學(xué)，是在承認機件存在 宏觀裂紋的前提 下，建立了裂紋擴展的各種新的力學(xué)參量，并提出了含裂紋體的 斷裂判據(jù)和材料斷裂韌度 。 ?本章從材料的角度出以，在簡要介紹斷裂力學(xué)基本原理的基礎(chǔ)上，著重討論線彈性條件下金屬斷裂韌度的意義、測試原理和影響因素。 第四章 金屬的斷裂韌度 5 ?大量斷口分析表明， 金屬機件的低應(yīng)力脆斷斷口沒有宏觀塑性變形痕跡， 所以可以認為裂紋在斷裂擴展時， 尖端總處于彈性狀態(tài)，應(yīng)力 應(yīng)變應(yīng)呈線性關(guān)系 。 ?因此，研究低應(yīng)力脆斷的裂紋擴展問題時，可以用彈性力學(xué)理論，從而構(gòu)成了 線彈性斷裂力學(xué) 。 第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度 6 分析裂紋體斷裂問題有兩種方法 ?(1) 應(yīng)力應(yīng)變分析方法： 考慮裂紋尖端附近的應(yīng)力場強度，得到相應(yīng)的斷裂 K判據(jù)。 ?(2) 能量分析方法： 考慮裂紋擴展時系統(tǒng)能量的變化，建立能量轉(zhuǎn)化平衡方程，得到相應(yīng)的斷裂 G判據(jù)。 第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度 7 一、裂紋擴展的基本形式 ? 1. 張開型（ I型）裂紋擴展 拉應(yīng)力垂直于裂紋擴展面，裂紋沿作用力方向張開，沿裂紋面擴展，如壓力容器縱向裂紋在內(nèi)應(yīng)力下的擴展。 ? 2. 滑開型（ II型）裂紋擴展 切應(yīng)力平行作用于裂紋面，而且與裂紋線垂直，裂紋沿裂紋面平行滑開擴展，如花鍵根部裂紋沿切向力的擴展。 ? 3. 撕開型（ III型）裂紋擴展切應(yīng)力平行作用于裂紋面，而且與裂紋線平行，裂紋沿裂紋面撕開擴展，如軸的縱、橫裂紋在扭矩作用下的擴展。 第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度 8 二、應(yīng)力場強度因子 KI及斷裂韌度 KIC ?對于張開型裂紋試樣，拉伸或彎曲時，其裂紋尖端處于更復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，最典型的是 平面應(yīng)力和平面應(yīng)變 兩種應(yīng)力狀態(tài)。 ?平面應(yīng)力： 指所有的應(yīng)力都在一個平面內(nèi)， ?平面應(yīng)力問題主要討論的彈性體是薄板，薄壁厚度遠遠小于結(jié)構(gòu)另外兩個方向的尺度。薄板的中面為平面，所受外力均平行于中面面內(nèi)，并沿厚度方向不變，而且薄板的兩個表面不受外力作用。 ?平面應(yīng)變： 指所有的應(yīng)變都在一個平面內(nèi)。 ?平面應(yīng)變問題比如壓力管道、水壩等，這類彈性體是具有很長的縱向軸的柱形物體，橫截面大小和形狀沿軸線長度不變，作用外力與縱向軸垂直，且沿長度不變，柱體的兩端受固定約束。 xy?第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度 9 （一）裂紋尖端應(yīng)力場 ?由于裂紋擴展是從尖端開始進行的，所以應(yīng)該分析裂紋尖端的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，建立裂紋擴展的力學(xué)條件。 ?歐文（ G. R. Irwin）等人 對 I型（張開型）裂紋尖端附近的應(yīng)力應(yīng)變進行了分析，建立了應(yīng)力場、位移場的數(shù)學(xué)解析式。 第一節(jié) 線彈性條件下金屬斷裂韌度 10 應(yīng)力分量： 3c os ( 1 s i n
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