金属的断裂韧性
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第四章金属的断裂韧性
断裂是工程构件最危险的一种失效方式,尤其是脆性断裂,它是突然发生的破坏,断裂前没有明显的征兆,这就常常引起灾难性的破坏事故。自从四五十年代之后,脆性断裂的事故明显地增加。
1.强度储备法,许用应力,强度储备系数(安全系数)
按照传统力学设计,只要求工作应力σ小于许用应力[σ],即σ<[σ],就被认为是安全的了。而[σ],对塑性材料[σ]=σs/n,对脆性材料[σ]=σb/n,其中n为安全系数。经典的强度理论无法解释为什么工作应力远低于材料屈服强度时会发生所谓低应力脆断的现象。
2.低应力脆性断裂(低应力脆断):高强度机件及中低强度大型件。
3.裂纹体: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。
4.人们在随后的研究中发现低应力脆断总是和材料内部含有一定尺寸的裂纹相联系的,当裂纹在给定的作用应力下扩展到一临界尺寸时,就会突然破裂。因为传统力学或经典的强度理论解决不了带裂纹构件的断裂问题,断裂力学就应运而生。可以说断裂力学就是研究带裂纹体的力学,它给出了含裂纹体的断裂判据,并提出一个材料固有性能的指标——断裂韧性,用它来比较各种材料的抗断能力。断裂力学,建立了材料性质、裂纹尺寸和工作应力之间的关系。
5.断裂韧性,断裂韧度
§4.1 线弹性条件下的断裂韧性
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,可以应用线弹性断裂力学。两种分析方法:(1)应力场强度分析方法;(2)能量分析方法。
一、裂纹扩展的基本形式
根据外加应力与裂纹扩展面间的取向关系,裂纹主要有三种基本形式:
张开型(I型),滑开型(II型)、撕开型(III型)。
二、应力场强度因子K I及断裂韧性K IC
1. 裂纹尖端应力应变场分析
)23sin 2sin 1(2cos 2θθθπσ-=r
K I x )23sin 2sin 1(2cos 2θθθπσ+=r
K I y 23cos 2cos 2sin 2θθθπτr K I
xy = 0=z σ (平面应力)
)(y x z σσνσ+= (平面应变)