4-断裂韧度

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脆性材料的力学性能与应用研究

脆性材料的力学性能与应用研究脆性材料是指在受到应力作用时会发生不可逆性断裂的材料。

与韧性材料相比，脆性材料的断裂过程没有明显的塑性变形，即材料极易发生断裂。

在工程领域中，对脆性材料的力学性能和应用进行深入的研究与探索具有重要意义。

一、脆性材料的力学性能分析脆性材料的力学性能主要包括强度、硬度、韧性和断裂韧度等方面的指标。

1. 强度：脆性材料的强度指标主要包括抗拉强度、抗压强度和抗剪强度等。

由于脆性材料的断裂本质上是由于局部破坏引起的，因此其抗拉强度和抗压强度相对较高。

2.硬度：硬度是衡量材料抵抗局部破坏的能力。

脆性材料通常具有较高的硬度，即对外界施加的压力具有较高的抵抗能力。

3. 韧性：与韧性材料相比，脆性材料的韧性较低。

脆性材料在受到应力作用时，往往很快就发生断裂，表现出脆性断裂的特征。

4. 断裂韧度：断裂韧度是指材料在断裂时吸收的能量。

脆性材料的断裂韧度较低，即在断裂前很少能量被吸收。

二、脆性材料的应用研究与发展脆性材料在工程实践中有着广泛的应用，其中一些常见的脆性材料包括陶瓷材料、玻璃和岩石等。

1. 陶瓷材料：陶瓷材料是一类典型的脆性材料，具有优异的耐高温、耐磨损和绝缘性能，因此广泛应用于航空航天、机械制造和电子等领域。

2. 玻璃：玻璃是一种无晶态的非晶态材料，具有高硬度、透明性和化学稳定性等特点，被广泛应用于建筑、光学和电子等领域。

3. 岩石：岩石是地质构造中的主要组成部分，也是一种常见的脆性材料。

岩石在地质勘探、矿山开采和土木工程中发挥着重要作用。

三、脆性材料的研究挑战与发展趋势尽管脆性材料在各个领域有着广泛的应用，但其研究仍然面临许多挑战和问题。

1. 增强韧性：目前，增强脆性材料的韧性是一个研究的热点。

通过添加增韧相或设计多层复合结构等方式来提高脆性材料的韧性，是当前的研究重点。

2. 断裂力学理论：对于脆性材料的断裂行为的理解仍然不够深入。

进一步深入研究脆性材料的断裂力学理论，有助于揭示脆性材料的破裂机制。

第4章金属的断裂韧度

1 2 x y
2 (
x y
2
) 2 2 xy ) 2 2 xy
19/49
x y
2
(
x y
2
3 ( 1 2 )
19
第四章金属的断裂韧性
裂纹尖端附近任一点P(r,θ)的主应力：
KI 1 cos (1 sin ) 2 2 2 r KI 2 cos (1 sin ) 2 2 2 r 3 0(平面应力) 2 K I 3 cos (平面应变) 2 2 r
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第四章金属的断裂韧性
第一节线弹性条件下金属断裂韧度

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。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。
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第四章金属的断裂韧性
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第四章金属的断裂韧性
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第四章金属的断裂韧性
（三）断裂韧度KIc和断裂K判据

KI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。当σ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。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。这个临界或失稳状态的KI值就记作KIC或KC，称为断裂韧度。
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8
第四章金属的断裂韧性
应力分量：

材料性能与测试课件-第四章材料的断裂韧性

等效裂纹塑性区修正：等效裂纹塑性区修正：
K ＝Yσ a + r
Ⅰ
y
K =
Ⅰ
Yσ πa 1 − 0.16Y (σ / σ )
2 s 2
2
K =
Ⅰ
Yσ a 1 − 0.056Y (σ / σ )

等效裂纹修正K 图4-4 等效裂纹修正 Ⅰ
2
16
裂纹扩展能量释放率G 五、裂纹扩展能量释放率 Ⅰ及判据 1、GⅠ：
定义：驱使裂纹扩展的动力假设为弹性能的释放，定义：驱使裂纹扩展的动力假设为弹性能的释放，令
∂U σ πa = G =− ∂a E ∂U (1 −ν )σ πa G =− = ∂a E
2 Ⅰ 2 2 Ⅰ
平面应力
平面应变
判据： 2、判据：
相似，是应力和裂纹尺寸相关的力学参量。和KI相似，是应力和裂纹尺寸相关的力学参量。当GⅠ增大到临界值GⅠ C，失稳断裂，失稳断裂， GⅠC也称为断裂韧度。表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面也称为断裂韧度。积所消耗的能量。积所消耗的能量。裂纹失稳扩展断裂G 裂纹失稳扩展断裂G判据
8
图4-2 裂纹尖端的应力分析
应力分量
Ⅰ x
应变分量
Ⅰ x
θ θ (1 + ν ) K 3θ K θ θ 3θ ε = cos (1 − 2ν − sin sin ) σ = cos (1 − sin sin ) E 2πr 2 2 2 2πr 2 2 2 θ θ (1 + ν ) K 3θ K θ θ 3θ ε = cos (1 − 2ν + sin sin ) σ = cos (1 + sin sin ) E 2πr 2 2 2 2πr 2 2 2 2(1 + ν ) K θ θ 3θ K θ θ 3θ sin cos cos ) γ = τ = sin cos cos E 2πr 2 2 2 2πr 2 2 2

第四章材料的断裂性能

28பைடு நூலகம்
第四章材料的断裂韧性
➢对于陶瓷材料和复合材料，目前常利用适当的第二相提高其断裂韧度，第二相可以是添加的，也可以是在成型时自蔓延生成的。 ➢如在SiC、SiN陶瓷中添加碳纤维，或加入非晶碳，烧结时自蔓延生成碳晶须，可以使断裂韧度提高。
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第四章材料的断裂韧性
4．显微组织的影响 ✓显微组织的类型和亚结构将影响材料的断裂韧度。如钢铁材料中，相同强度条件下，低碳钢中的回火马氏体的断裂韧度高于贝氏体，而在高碳钢中，回火马氏体的断裂韧度高于上贝氏体，但低于下贝氏体。 ✓这是由于低碳钢中，回火马氏体呈板条状，而高碳钢中，回火马氏体呈针状，上贝氏体由贝氏体铁素体和片层间断续分布的碳化物组成，下贝氏体由贝氏体铁素体和其中弥散分布的碳化物组成。
3
第四章材料的断裂韧性
经典的强度理论是在不考虑裂纹的萌生和扩展的条件下进行强度计算的，认为断裂是瞬时发生的。实际上无论哪种断裂都有裂纹萌生、扩展直至断裂的过程，因此，断裂在很大程度上决定于裂纹萌生抗力和扩展抗力，而不是总决定于用断面尺寸计算的名义断裂应力和断裂应变。显然，需要发展新的强度理论，解决低应力脆断的问题。断裂力学正是在这种背景下发展起来的一门新兴断裂强度科学。
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第四章材料的断裂韧性
2. 超高温淬火对于中碳合金结构钢，采用超高温淬火，虽然奥氏
体晶粒显著粗化，塑性和冲击吸收功降低，但断裂韧度提高。
第四章材料的断裂韧性
根据应力场强度因子KⅠ和断裂韧度KⅠc的相对大小，可以建立裂纹失稳扩展脆断的断裂K判据，即
KI≥K1c 裂纹体在受力时，只要满足上述条件，就会发生脆性断裂。反之，即使存在裂纹，也不会发生断裂，这种情况称为破损安全。

断裂韧度测试方法

断裂韧度测试方法
断裂韧度测试是材料力学中一种重要的测试，可用于评估材料的强度和韧性。

以下是一个常用的断裂韧度测试方法：
1. 准备标准样品：根据材料的尺寸要求和相关标准，制备标准样品。

2. 放置试样：将标准样品安置于测试设备中，保证样品充分高度对齐和紧固。

3. 施加载荷：对样品施加基于测试要求的标准载荷。

4. 测量应变：在施加载荷的同时，用适当的传感器或应变计测量样品的应变。

5. 记录数据：在载荷不断增加的过程中，记录样品断裂前的载荷-应变曲线。

按照曲线的斜率和性质对样品进行定量分析，获得断裂韧度值。

需要注意的是，断裂韧度测试方法可能因不同材料或测试要求而有所差异。

在具体的实验操作中，应遵循相关测试标准和安全规范，保障实验者和设备的安全。

金属断裂韧度测试

金属断裂韧度测试引言：金属断裂韧度测试是一种用来评估金属材料抵抗断裂的能力的方法。

金属的断裂韧度是指在金属受到外力作用下，在断裂前能够吸收的能量大小。

了解金属的断裂韧度对于工程设计和材料选择具有重要意义。

本文将介绍金属断裂韧度测试的原理、常用的测试方法以及测试结果的分析和应用。

一、原理金属断裂韧度是指金属材料在断裂前能够吸收的能量大小。

金属的断裂韧度与材料的力学性能密切相关，可以通过材料的拉伸试验来评估。

拉伸试验是一种常见的金属力学性能测试方法，通过对试样施加拉力，观察试样在外力作用下的变形和断裂行为，从而得到材料的拉伸性能参数。

拉伸试验的结果可以用来计算金属的断裂韧度。

二、测试方法1. 常规拉伸试验常规拉伸试验是最常用的金属断裂韧度测试方法之一。

该方法需要制备符合标准要求的试样，在拉伸试验机上施加均匀的拉力，观察试样的断裂行为。

通过测量试样的断裂前后长度变化和应力-应变曲线，可以计算出金属的断裂韧度。

2. 冲击试验冲击试验也是一种常用的金属断裂韧度测试方法。

该方法利用冲击试验机对试样施加冲击载荷，观察试样在冲击载荷下的断裂行为。

冲击试验的结果可以通过试样的冲击功吸收能力来评估金属的断裂韧度。

3. 复合试验复合试验是一种结合多种测试方法的金属断裂韧度测试方法。

通过对试样进行拉伸、冲击等多种试验，综合评估金属的断裂韧度。

这种方法可以更全面地了解金属材料的断裂行为，提供更准确的韧度评估。

三、测试结果分析和应用根据金属断裂韧度测试的结果，可以评估金属材料的断裂性能，并为工程设计和材料选择提供依据。

1. 工程设计金属的断裂韧度是衡量金属材料抵抗断裂的能力的重要指标。

对于需要承受大量外力的工程结构，如桥梁、飞机等，需要选择具有较高断裂韧度的金属材料，以确保结构的安全可靠性。

2. 材料选择不同金属材料的断裂韧度不同，根据具体应用需求选择合适的金属材料非常重要。

通过金属断裂韧度测试，可以评估不同材料的断裂韧度，并选择适合的材料。

材料力学中的断裂力学

材料力学中的断裂力学材料力学是研究物质在外力作用下变形、损伤和破坏行为的一门学科。

断裂力学是材料力学中的一个重要分支，研究的是材料在受到外力作用时出现破坏的现象及其规律。

断裂力学对于理解和预测材料破坏行为，具有重要的理论和实践意义，本文将就此展开讨论。

一、破坏的基本形式材料的破坏可分为两种基本形式：拉伸断裂和压缩断裂。

拉伸断裂是指在材料受到拉伸作用时，断口发生的破坏行为；压缩断裂是指在材料受到压缩作用时，断口发生的破坏行为。

除此之外，还有剪切断裂、扭转断裂、弯曲断裂等不同的破坏形式。

二、断裂力学的基本概念1.断裂应力材料在破坏前，能够承受的最大应力称为断裂应力。

断裂应力的大小与材料的强度、形状、尺寸、载荷方向等因素有关。

2.断裂韧性材料在破坏前能够吸收的最大能量称为断裂韧性。

断裂韧性的大小与材料的抗裂性能有关。

3.断裂强度材料在破坏前实际承受的最大应力称为断裂强度。

断裂强度与断裂应力的概念相似，但断裂强度是在材料实际破坏后测定得出的。

4.断裂韧度材料在破坏前能够吸收的最大能量密度称为断裂韧度。

断裂韧度与断裂韧性的概念类似。

三、断裂表征参数1.伸长率材料在破坏前拉伸变形的程度，也称为材料的变形量。

伸长率是指材料在拉伸断裂前的额定延长量比上原长度所得的比值。

2.缩颈率在材料拉伸断裂时，当材料的横截面积开始缩小，称为缩颈。

缩颈率是指材料在拉断时的截面积缩小量比上原截面积所得的比值。

3.断口形貌材料断口的形态与破坏机理有密切关系，通过观察断口形貌，可以较为直观地判断破坏机制。

四、断裂损伤机理材料的断裂破坏是一个复杂和多层次的过程，其损伤机理可以分为微观和宏观两个层次。

1.微观层次在微观层次上，材料的破坏主要是由裂纹的扩展和材料局部的塑性变形共同作用导致的。

材料的破坏前，裂纹的长度会随着载荷的增加而逐渐增加，当裂纹的长度达到一定程度时，就会出现快速扩展和破坏。

2.宏观层次在宏观层次上，材料的破坏主要是由断面剪切和拉伸引起的。

材料的韧性名词解释

材料的韧性名词解释材料的韧性是指材料在外力作用下产生形变和断裂时吸收能量的性能。

表征金属或高分子材料在静态载荷作用下抵抗变形和断裂的能力，以韧性指标（σ）衡量。

σ表示材料的韧性越大，则其抵抗塑性变形和断裂的能力也越大。

1基本概念—韧性：是指金属材料或高分子材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的性能。

表征金属或高分子材料在静态载荷作用下抵抗变形和断裂的能力，以韧性指标（σ）衡量。

σ表示材料的韧性越大，则其抵抗塑性变形和断裂的能力也越大。

2种类：脆性、延性、持久断裂3试验方法：冲击韧度、断裂韧性4参数计算：拉伸强度σb、弯曲强度σc、冲击韧度σs、断裂韧性k研究方法：从以上内容可知，材料的韧性与其原子结构有关，所以材料的晶体结构直接影响其韧性。

但不同的结构具有不同的特性。

根据原子半径和原子间结合力对其性能影响，将材料的结构分为：低密度状态结构，中密度状态结构，高密度状态结构。

材料的韧性是指材料在外力作用下产生形变和断裂时吸收能量的性能。

材料的塑性指标为：屈服点、强度极限、抗拉强度。

材料的韧性越大，其承受断裂的能力也越大。

5应用：金属材料、高分子材料、复合材料。

6韧性表示方法： A)能量吸收法，单位： J/m， B)功率法，单位： J/m （公斤力/平方厘米）。

随着近年来科学技术的发展，人们对材料的韧性问题十分重视，通过各种途径寻找提高材料韧性的方法。

韧性是工程材料的重要指标之一。

20世纪初， D．F．贝蒂首先用断裂韧性代替了韧性。

二战后， T．W．泰勒和J．C．E．霍尔斯特兰用冲击韧性的概念代替了原来的断裂韧性。

我国国家标准采用了这一方法。

表示力学性能的好坏。

韧性高，机械强度好；韧性低，机械强度差。

10世纪前，人们就注意到金属韧性与强度的关系。

1852年法国人卡麦戎曾根据金属机械强度与韧性的关系，提出“贝努里悖论”。

这个问题的实质是：同一块金属材料，制成的型材，一部分断裂时会引起严重损失，而另一部分却毫无损失。

材料的断裂韧性

裂纹尖端任意一点的应力、应变和位移分量取决于该点裂纹尖端任意一点的应力、的坐标(r θ)、材料的弹性模数以及参量K (r，的坐标(r，θ)、材料的弹性模数以及参量KI
K I = σ πa
材料科学与工程学院
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若裂纹体的材料一定，且裂纹尖端附近某一点的位置(r，θ) 若裂纹体的材料一定，且裂纹尖端附近某一点的位置(r， (r 给定，则该点的各应力、应变和位移分量唯一决定于KI值。给定，则该点的各应力、应变和位移分量唯一决定于KI值 KI KI值愈大，则该点各应力、应变和位移分量之值愈高，因此， KI值愈大，则该点各应力、应变和位移分量之值愈高，因此，值愈大 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。 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。反映了裂纹尖端区域应力场的强度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它综合反映了外加应力和裂纹位置、度的影响，其一般表达式为度的影响，
Yσ a 1 − 0.16Y 2 (σ / σ s ) 2
平面应变：平面应变：
KI =
当应力σ增大时，当应力增大时，裂纹尖增大时端的塑性区也增大，端的塑性区也增大，影响就越大，其修正就必要，就越大，其修正就必要，通常情况下，通常情况下，当 σ/σS≥0.6-0.7时，就需时要修正。要修正。
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四、裂纹尖端塑性区及KI的修正
塑性区的边界方程：
r=
1 KI 2 θ θ ( ) [cos (1 + 3 sin 2 )] 2π σ S 2 2 1 KI 2 3 2θ 2 2 θ r= ( ) [(1 − 2ν ) cos + sin )] 2π σ S 2 4 2

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，

弹性力学中的断裂韧度和断裂力学

弹性力学中的断裂韧度和断裂力学弹性力学是研究物体在外力作用下的形变和应力分布规律的学科。

而断裂力学则是研究物体在外力作用下发生破裂的过程和规律的学科。

这两个学科在材料科学和工程领域中扮演着重要的角色。

本文将从断裂韧度和断裂力学两个方面来探讨弹性力学中的断裂现象。

一、断裂韧度断裂韧度是衡量材料抵抗断裂的能力的一个重要指标。

它反映了材料在承受外力时能够延展变形的程度。

一般来说，断裂韧度越高，材料的抗断裂能力就越强。

断裂韧度的计算通常是通过测量材料的断裂应力和断裂应变来实现的。

断裂应力是指材料在断裂前所承受的最大应力，而断裂应变则是指材料在断裂前所发生的最大应变。

通过测量这两个参数，可以得到材料的断裂韧度。

断裂韧度的大小与材料的结构和组成有关。

一般来说，具有高断裂韧度的材料往往具有较高的延展性和韧性，能够在受到外力时发生较大的塑性变形，从而减缓断裂的发生。

而具有低断裂韧度的材料则容易发生脆性断裂，即在受到外力时发生突然断裂，而没有明显的延展变形。

二、断裂力学断裂力学研究的是材料在外力作用下发生破裂的过程和规律。

在断裂力学中，常常使用断裂韧度、断裂强度和断裂韧性等参数来描述材料的断裂性能。

断裂力学的研究对象包括裂纹的生成、扩展和联合等。

裂纹是材料中的缺陷，它会导致材料的强度和韧性降低，并最终导致材料的破裂。

因此，研究裂纹的行为和影响对于了解材料的断裂行为具有重要意义。

断裂力学中的一个重要概念是应力强度因子，它是描述裂纹尖端应力场分布的一个参数。

应力强度因子的大小与裂纹的尺寸、形状和材料的性质有关。

通过研究应力强度因子，可以预测裂纹的扩展速率和破裂的临界条件。

断裂力学还涉及到断裂机制的研究。

不同材料在断裂时会表现出不同的断裂模式，如拉伸断裂、剪切断裂和韧性断裂等。

研究不同材料的断裂模式可以帮助我们了解材料的断裂行为和性能。

总结弹性力学中的断裂韧度和断裂力学是研究材料断裂行为的重要方面。

断裂韧度是衡量材料抗断裂能力的指标，而断裂力学则研究材料在外力作用下发生破裂的过程和规律。

第四章材料的断裂韧性

3. KI的修正裂纹尖端的弹性应力超过材料屈服强度之后, 便产生应力松驰，使塑性区增长，改变了裂纹前的应力分布，不适用于线弹性条件。裂纹虚拟向前扩展ry,此时虚拟裂纹尖端0’前端弹性区的应力分布GEF,基本上与线弹性条件下的σ y相重合,对应的裂纹长度为a+ry,称为等效裂纹长度.根据线弹性理论: KⅠ=Yσ √(a+ry) KⅠ’= Yζ √a/[1-0.16(KⅠ/ζ s)2]1/2(平面应力)
ac= 40-1000mm
五、材料开发
KIC=(2Eγf)1/2 γf: 断裂能，可见，增大断裂能，即增大裂纹扩展的阻力，手提高KIC。常在基体中添加韧性相，如碳纤维增韧非晶玻璃材料等。
第四章材料的断裂韧性

传统机件强度设计: 塑性材料 σ ≤[σ ]= σ s/n 脆性材料: σ ≤[σ ]= σ b/n 实际上有时σ <<[σ ]时,机件仍断裂—低应力脆断,其原因是传统设计把机件看成均匀、无缺陷、没有裂纹的理想体.但实际工程材料在制造加工中会产生宏观缺陷乃至裂纹,成为材料脆断的裂纹源, 从而引起低应力断裂. §4.1线弹性条件下的断裂韧性线弹性体：裂纹体各部分的应力和应变符合虎克定律。但裂纹尖端极小区存在塑性变形，也适用于线弹性条件。
将裂纹前端P (r,θ )的点应力表达式σ x、σ y、τ xy代入上式,得P点的主应力表达式: σ 1= KⅠ/(2π r)1/2×cosθ /2(1＋sinθ /2) σ 2= KⅠ/(2π r)1/2×cosθ /2(1－sinθ /2) σ 3=0 (平面应力,薄板) σ 3=2γ ×KⅠ/(2π r)1/2 cosθ /2 (厚板：平面应变) 由第四强度理论(Mises)屈服临界条件: 将上式代入（σ 1-σ 2)2+(σ 2-σ 3)2+(σ 3-σ 1)2=2σ s2 ( σ 1>σ 2>σ 3 主应力)得屈服区大小: r=1/2π ×(KⅠ/ζ s)2[cos2θ /2(1＋3sin2θ /2)] (平面应力) r=1/2π ×(KⅠ/ζ s)2[cos2θ /2(1-2γ )2＋3sin2θ /2] (平面应变)

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

92191-断裂韧度实验-4-断裂韧度

1.25W±0.01W
0.002W A
0.6W±0.005W 0.275W±0.005W
0.275W±0.005W
A
0.6W±0.005W
C
B 0.002W A 0.002W A
疲劳试验
预制裂纹：满足线弹性：载荷给定: R ≤ 0.1且 Kfmax≤ 0.6 ～0.7 KIc 裂纹长度： af≥1.3mm 且 af≥0.025W
金
1
Kq (Pq / BW 2 ) f (a /W )
f
(a W
)
(2
a
/
W
)(0.886
4.64a
/W
13 .32 a 2 (1 a /W
/W )3/ 2
2
14.72a3
/W
3
5.6a 4
/W
4
)
a/W = 0.450~0.550所对应的f(a/W)值可查表
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疲劳试验
试验四金属材料断裂韧度试验基试件 3．试验方法 4．试验数据处理
基础知识
金属材料的裂纹扩展性能:
疲劳试验
△Kc=Kmax-Kmin
=Kc(1-R)
Kc : 材料的断裂韧度
基础知识
对于I型裂纹，Kc随着试样厚度而变化。
疲劳试验
当B≥B0，断裂韧度不再随厚度变化，裂纹尖端附近的材料处于平面应变状态，此时KIc 为平面应变断裂韧度。显然，KIc为材料常数。
裂纹测量设备
疲劳试验
JX13C 万能工具显微镜
疲劳试验
试验过程
尺寸测量厚度：从疲劳裂纹顶端至试样的无缺口边，沿
着预期的裂纹扩展线，在三个等间隔位置处进行测量，取均值。宽度：从缺口外边缘到相对的试件侧面，在缺口附近三个位置上进行测量，然后减去缺口边至加载孔中心线的距离，取均值。

断裂韧性

1、COD概念
在平均应力σ作用下，裂纹尖端发生塑性变形，出现塑性区ρ。在不增加裂纹长度（2a）的情况下，裂纹将沿σ方向产生张开位移δ，称为COD（Crack Opening Displacement)。
2）断裂韧度δc及断裂δ判据
δ≥δc δc越大，说明裂纹尖端区域的塑性储备越大。 δ、δc是长度量纲为mm，可用精密仪器测量。一般钢材的δc大约为0.几到几mm δc是裂纹开始扩展的判据;不是裂纹失稳扩展的断裂判据。
（平面应变）上述关系式，在弹塑性条件下，还不能完全用理论证明它的成立。但在一定条件下，大致可延伸到弹塑性范围。
二、裂纹尖端张开位移（COD）及断裂韧度δc
裂纹尖端附近应力集中，必定产生应变；材料发生断裂，即：应变量大到一定程度；但是这些应变量很难测量。 ∴有人提出用裂纹向前扩展时，同时向垂直方向的位移（张开位移），来间接表示应变量的大小；用临界张开位移来表示材料的断裂韧度。
一、裂纹扩展的基本形式 1、张开型（I型） 2、滑开型（II型） 3、撕开型（III型）
裂纹的扩展常常是组合式，I型的危险性最大。
二、应力场强度因子KI和断裂韧度KIC
1、裂纹尖端应力场、应力分析
①应力场（应力分量，极座标）
平面应力 σx=0 平面应变 σz=υ（σx+σy）
对于某点的位移则有
GⅠc GⅠc
ac c2
E
2
KⅠc E 2 (1 2 ) KⅠc E
§4-2 弹塑性条件下的断裂韧性
裂纹尖端塑性区尺寸
1 KI 2 R0 ( ) 2ro
s
线弹性理论，只适用于小范围屈服；在测试材料的KIC，为保证平面应变和小范围屈服，要求试样厚度 B≥2.5（KIC/σs）2 如：中等强度钢要求 B=99mm 试样太大，浪费材料，一般试验机也做不好。 ∴发展了弹塑性断裂力学。原则： ①将线弹性理论延伸； ②在试验基础上提出新的断裂韧度和断裂判据； ③常用的为 J积分法、COD法。

应力强度因子和断裂韧度的区别

应力强度因子和断裂韧度的区别
应力强度因子（Stress Intensity Factor）和断裂韧度（Fracture Toughness）是材料力学中的两个重要参数，用于描述材料的断裂性能。

它们之间的区别如下：1. 定义：应力强度因子是描述裂纹附近应力场的参数，定义为单位裂纹长度的应力强度与裂纹尖端处切应力和应力分量之比。

而断裂韧度是材料抵抗断裂的能力，定义为单位长度上断裂过程中吸收的能量与裂纹长度之比。

2. 物理意义：应力强度因子与应力场的分布有关，反映了裂纹尖端处的应力集中程度。

它是衡量裂纹扩展的驱动力大小的参数。

而断裂韧度反映了材料抵抗裂纹扩展的能力，代表了材料的抗断裂性能。

3. 计算方法：应力强度因子可以通过弹性理论或有限元方法等数值计算得到。

而断裂韧度一般需要进行实验测试，通常采用恒载速率试验、缺口冲击试验或者切口试验进行测定。

4. 应用范围：应力强度因子常用于预测材料的断裂行为，用于评估在存在裂纹的情况下材料的耐久性。

而断裂韧度则更加全面地描述了材料的断裂特性，对于评估材料的可靠性和设计结构的安全性具有重要意义。

综上所述，应力强度因子和断裂韧度虽然都与材料的断裂性能有关，但其定义、物理意义、计算方法和应用范围等方面存在明显的区别。