1、材料性能學材料性能學第一部分第一部分 材料的力學性能材料的力學性能 第一章 材料單向靜拉伸力學性能 第二章 材料在其它靜載下的力學性能 第三章 材料的沖擊韌性與低溫脆性第四章第四章 材料的斷裂韌性材料的斷裂韌性 第五章 材料的疲勞性能 第六章 材料的磨損 第七章 材料的高溫力學性能 第八章 材料的耐腐蝕性能 一、線彈性條件下的斷裂韌性 缺口效應、斷裂韌度缺口效應、斷裂韌度K KCC及及G GCC （重（重點）點） 二、彈塑形條件下的斷裂韌性 J積分與COD的概念（簡述） 三、影響斷裂韌度的因素 四、斷裂韌度在工程中的應用第第4 4章章 斷裂韌性斷裂韌性 1.傳統(tǒng)材料設計：傳統(tǒng)材料設計：材料是均

2、勻連續(xù)、各向同性的物體。 力學分析應力應變安全系數(shù)強度、塑韌性經(jīng)典強度理論： 斷裂瞬時發(fā)生，不考慮裂紋的萌生與擴展。設計時只考慮設計時只考慮b(抗拉強度), 較少考慮較少考慮s、韌性、焊接性、韌性、焊接性斷裂力學的發(fā)展歷史斷裂力學的發(fā)展歷史2. 連接方式: 鉚接焊接C%b保證強度Mn%大型大型結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)橋、船舶壓力容器航空航天器火箭殼體大型轉(zhuǎn)子極限條件極限條件下工作下工作超高溫、超高壓、超高速條件 低應力脆斷（斷裂應力b、s）焊接構(gòu)件焊接構(gòu)件脆性斷裂脆性斷裂二戰(zhàn)期間，美國千艘全焊接自由輪-艙板斷裂自由輪是美國二戰(zhàn)時期應急大量建造的兩型貨船預制構(gòu)件和送到船廠焊接起來。 50年代，美國北極星導彈點火

3、試驗時，發(fā)動機殼體爆炸。 s =1400Mpa， 0.1-1mm裂紋1952年，Esso石油公司原油罐脆性斷裂3.沖擊韌性和斷裂韌性的重要性l 原因原因宏觀裂紋（加工與使用過程中出現(xiàn)）（冶金、鍛造、焊接、淬火、機加工、疲勞、腐蝕）u 材料不是均勻連續(xù)的。l 剛剛拉制的玻璃棒彎曲強度6Gpa，在空氣中放置后下降到0.4 Gpa；l 石英玻璃纖維分段： 12cm長-275 Mpa， 0.6 cm長-760 Mpa。 l 尺寸效應：危險裂紋機會多（大、長試件）。4. 斷裂力學的發(fā)展斷裂力學的發(fā)展：l研究裂紋萌生、擴展至斷裂過程。l研究裂紋尖端應力、應變、應變能的分布。發(fā)展過程發(fā)展過程：u1922年G

4、riffith 研究斷裂強度與裂紋尺寸間的關系。u線彈性斷裂力學的基礎。uGriffith 裂紋理論及Orowan塑性區(qū)修正：無限寬薄板（平面應力），裂紋自發(fā)擴展的臨界應力。u1948年Irwin Fracture Dynamics -斷裂力學獨立學科。缺口效應：第一效應-造成應力應變集中。 第二效應-（23向）多向拉伸應力狀態(tài)：平面應力狀態(tài)、平面應變狀態(tài) 第三效應-缺口強化（缺口脆化）內(nèi)容內(nèi)容 線彈性斷裂力學+彈塑性斷裂力學裂紋尖端應力應變分布.u斷裂力學：裂紋擴展新的力學參量新的斷裂判據(jù) -斷裂韌度Kc 。4.1 線彈性條件下的斷裂韌性線彈性條件下的斷裂韌性 假設假設： 裂紋體各部分在脆性

5、斷裂過程中，應力應變處于線彈性狀態(tài)，只有裂紋尖端極小區(qū)域處于塑變階段。n研究方法研究方法：(1) 應力應變分析方法-應力場強度因子K， 斷裂韌性 KC, K判據(jù)。(2) 能量分析方法-能量釋放率，G判據(jù)。一、裂紋尖端的應力場及應力場強度因一、裂紋尖端的應力場及應力場強度因子子 Irwin等，線彈性理論，裂紋體尖端附近的應力應變分布。 設有一承受均勻拉應力的無限大板，含有長為2a的I型穿透裂紋，其尖端附近(r，)處應力、應變和位移分量可近似表示：沿板厚Z方向上： 薄板：應變不受約束（自由變形）；Z=0，平面應力狀態(tài)。（2）厚板：應變受到約束Z=0平面應變狀態(tài)；三向拉應力狀態(tài)（硬狀態(tài)，危險的應力狀

6、態(tài)）。討論討論：（1）以上表達式是近似的，最適用于ra情況，越接近裂紋尖端，精度越高。（2）在裂紋延長線X軸上，=0，此處拉應力分量最大，切應力分量為0，裂紋最易擴展。（3）影響因素：位置（r,),材料彈性模量E，參量KI。對確定材料和位置點，應力分量由K決定。K越大，應力分量越大。lKI應力場強度因子（表示應力場的強弱程度）l 無限大板穿透裂紋，表示I型裂紋；lK，K分別表示，型裂紋的應力場強度因子。lKI一般表達式：l裂紋形狀系數(shù),取決于裂紋的類型。 無限大板穿透裂紋:裂紋尖端塑性區(qū)及裂紋尖端塑性區(qū)及KI的修正的修正: r=0時, x，y ，XY等各應力分量均趨于無窮大不可能. 當材料中裂

7、紋尖端的應力達到s時,發(fā)生塑性變形，裂紋尖端出現(xiàn)塑性區(qū)（屈服區(qū)），與缺口前方存在塑性區(qū)很相似應力分布改變 。修正條件：/s 0.6-0.7。塑性區(qū)的形狀：修正條件：/s 0.6-0.7。二、斷裂韌度二、斷裂韌度K及及判據(jù)判據(jù)lK取決于與a的組合，單位為Mpam 1/2。l,a（單獨，同時）K,各應力分量;c：裂紋失穩(wěn)擴展的臨界應力， 斷裂應力或裂紋體的斷裂強度； ac：臨界裂紋尺寸。 1. 斷裂韌度斷裂韌度K和Kc的意義的意義lKc 、Kc表示材料抵抗斷裂的能力。lKc為平面應變平面應變斷裂韌度，表示平面應變狀態(tài)下材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。lKc為平面應力平面應力斷裂韌度，表示平面應力狀態(tài)下

8、材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。l 同一材料Kc Kc2. Kc與與K的關系的關系lK：力學參量力學參量，表示裂紋尖端應力應變場強度大小。l K 與外加應力、試樣尺寸 a、裂紋類型Y有關， 與材料無關。lKc：材料的力學性能指標力學性能指標；l 與材料成分、組織結(jié)構(gòu)有關， 與外加應力、試樣尺寸等外因素無關。l和s的關系： l 力學參量l s力學性能指標3.斷裂斷裂K判據(jù)判據(jù)KI Kc ： 裂紋失穩(wěn)擴展 脆性斷裂。KI Kc2. Kc與與K的關系的關系lK：力學參量力學參量，表示裂紋尖端應力應變場強度大小。l K 與外加應力、試樣尺寸 a、裂紋類型Y有關， 與材料無關。lKc：材料的力學性能指標力學

9、性能指標；l 與材料成分、組織結(jié)構(gòu)有關， 與外加應力、試樣尺寸等外因素無關。l和s的關系： l 力學參量l s力學性能指標4.2 彈塑性條件下的斷裂韌性彈塑性條件下的斷裂韌性 l 高強度鋼：塑性區(qū)小，小范圍屈服線彈性斷裂力學。l中低強度鋼：塑性區(qū)大，大范圍屈服彈塑性力學。l將線彈性原理進行延伸： J積分，斷裂能量判據(jù)GI，JI COD，斷裂應變判據(jù) KI，4.3 影響斷裂韌性的因素影響斷裂韌性的因素 KIc是材料強度和塑性的綜合表現(xiàn)。n 一般情況下，隨強度指標的降低而升高，隨塑性指標的降低而降低。 s ，b KIc ,KIc n 通常人們認為KIc是塑性、韌性一類指標，與強度類指標的變化規(guī)律相

10、反。（有例外）n 內(nèi)在：成分、組織 、結(jié)構(gòu)。n 外在：溫度T、應變速率。一、成分及組織結(jié)構(gòu)的影響一、成分及組織結(jié)構(gòu)的影響 （一）化學成分（一）化學成分：（與沖擊韌度相似）l強烈固溶強化的合金元素塑性，KIc l細化晶粒的合金元素強度塑性，KIc l金屬間化合物塑性，KIc l陶瓷： 提高強度的組元 KIc l高分子： 結(jié)合鍵鍵合強度KIc 例2. 某材料的s=2.5J/m2，E=210GPa，a0=0.32nm，用該材料制成的無限大薄板內(nèi)有一條長1mm的裂紋。求：（1）該材料完美晶體的理論斷裂強度；（2）含裂紋的薄板的脆性斷裂應力。0aErsm2ac=1mm, ac=0.5mm, （2101092.5/3.210-10）1/2 = 4.051010 (Pa)=