零件在静载和冲击载荷下的断裂 第3讲

第一章机械零件失效形式及其抗力指标

第2节零件在静载和冲击载荷下的断裂第3讲断裂韧性

一断裂韧性及其指标

1 传统抗断裂设计遇到的挑战！对于特定构件和材料，高的安全系数不一定安全！

近代多起重大工程事故表明什么原因？

实际使用的材料存在缺陷/微裂纹受到外力，裂纹尖端产生应力集中

研究零构件裂纹存在时应力状态以及对断裂的影响

断裂力学的主要

内容

σmax > σ

应力集中导致裂纹尖端的应力远高于外加应力

（1）裂纹尖端应力场强度因子（K I ）

2 脆性断裂的判据

K I : 称为应力场强度因子，反映裂纹尖端应力场强度大小的参数。

a

Y K I ⋅=σσ是外加应力，a 是裂纹半长，Y 是零件中裂纹的几何形状因子

3=σ)(213σσνσ+=)

2

sin

1(2

cos

211θ

θ

πσ+=

r K )

2

sin

1(2

cos

21

2θ

θ

πσ−=

r

K （平面应力）

（平面应变）

裂纹尖端

r

θ

裂纹

P

对于裂纹尖端附近任一点P,应力参数计算如下

如果P 点的位置确定，决定P 点应力值大小的只有参数K I ，计算公式如下：

张开型裂纹（I 型裂纹）工程上最危险的裂纹

应力场强度因子存在一个临界值，当外力作用下裂纹尖端的应力场强度因子K 大于这个临界值时，构件发生脆性断裂。

这个临界值称为断裂韧度，记为K IC ，衡量材料断裂韧性的指标。

a

Y K I ⋅=σ裂纹尖端

r

θ

裂纹

P

裂纹尖端应力场强度因子K I ,反映裂纹尖端应力场强弱程度

对于给定形状的零件，形状因子Y 确定，裂纹尖端某一确定位置的应力场强度因子取决于外加应力值和裂纹长度。

裂纹在外力作用下不断扩展，外力恒定，但是裂纹长度增加，裂纹尖端应力场强度因子增加。显然，裂纹尖端应力场强度因子不能无限增加。

(2) 断裂韧性及衡量指标：断裂韧度K IC

断裂韧度含义：是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，反映材料断裂韧性的优劣。单位：MPa·m 1/2 或者MN · m -3/2。

脆性断裂判据

思考问题：零件中存在裂纹，是否可以安全使用？

断裂韧度用于零构件抵抗脆性断裂的设计。Ic

I K K <零构件安全

断裂韧性：材料抵抗脆性断裂（裂纹失稳扩展）的能力。

安全判据

IC

I K K ≥零构件发生脆性断裂

断裂韧度K IC 在零件设计中的应用

第一种情况：确定零件的安全性

情况：为零件选择了某种材料，材料的断裂韧度为K IC ,经过检测，发现零件中有微裂纹，最大尺寸为2a ，构件的工作应力σ，此构件是否安全?IC I K K ≥Ic I K K <零构件发生脆性断裂

零构件安全

a

Y K I ⋅=σ计算裂纹尖端应力场强度因子

满足满足

第二种情况：确定构件安全工作的应力

情况：为零件选择了某种材料，断裂韧性为K IC ,经过检测，发现零件中有微裂纹，最大尺寸为2a ，请确定构件安全工作应力σ范围?

Ic

I K K

Y K Ic

⋅<

σ零件安全工作允许承受的应力范围小于这个值

a

Y K Ic ⋅计算裂纹尖端应力场强度因子，带入安全判据安全判据Ic

K

Y K I ⋅⋅=σ安全工作的应力范围

第三种情况：零件中允许的最大缺陷尺寸

实际情况：已知零件所选择材料的断裂韧性K IC，零件承受的工作应力 ，在保证零件不发生脆性断裂的情况下，请确定构件中允许的裂纹尺寸？

课后独立完成

（3）断裂韧性应用场合

断裂韧度K IC主要用于高强度钢或者超高强度钢制造的飞机、导弹和火箭的零件，或者是用中低强度钢制造的大型气轮机转子、大型发电机转子等情况。断裂韧度K IC可以通过热处理和加入合金元素改变。

常用工程材料的断裂韧度K IC用这个表给出

合金

纯金属复合材料高分子

陶瓷材料