1、第六章金属材料的断裂韧性,主要内容1.应力场强度因子2.断裂韧性的影响因素3.裂纹尖端塑性区及其修正4.裂纹扩展的能量释放率5.平面应变断裂韧性KIC的测定,张开型I型,正应力垂直于裂纹面扩展方向与正应力垂直,压力容器,一、应力场强度因子1、裂纹体的三种断裂模式 （1）张开型 I型（2）滑开型II型（3）撕开型III型,滑开型II型,切应力平行于裂纹面扩展方向与切应力平行,撕开型III型,切应力平行于裂纹前缘扩展方向与切应力垂直,I型裂纹最危险：缺口根部为三向应力状态,2、裂纹尖端应力场,应力场强度因子,Y 裂纹形状因子,用线弹性断裂力学分析,3、应力场强度因子KI的物理意义 KI是衡量裂纹顶
2、端应力场强烈程度的参量，决定于应力水平、裂纹尺寸和形状，是各因素在裂纹顶端产生效果的综合体现临界应力场强度因子KC或KIC断裂韧性： 裂纹失稳扩展的临界状态所对应的应力场强度因子，表示对裂纹扩展的阻力，是材料本身固有的性能 KC：平面应力状态断裂韧性 KIC：平面应变状态断裂韧性 断裂判据：KI KIC,KI和KIC的区别： KI：裂纹前端应力场强度的度量 与裂纹大小、形状和外加应力有关 （1）含中心穿透裂纹的有限宽板 （2）紧凑拉伸试样 （3）单边裂纹弯曲试样 （4）体内椭圆裂纹 （5）表面半椭圆裂纹 KIC：材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量 与裂纹大小、形状和外加应力无关 与材料成分、热
3、处理工艺等有关，是材料特性参数,二、断裂韧性的影响因素 KIC一定，则ac，允许存在更长裂纹 KIC a一定，则c，可提高使用应力 1、杂质 夹杂物： n应变硬化指数；d夹杂物间距 d（夹杂物数量）KIC 杂质晶界偏聚：晶界结合力KIC,2、晶粒尺寸 晶粒尺寸：1）晶界面积裂纹扩展阻力KIC 2）晶界面积单位面积杂质含量KIC3、组织结构 回火马氏体：回火温度塑性与韧性 残余奥氏体： KIC 应力诱发相变： KIC4、热处理制度,三、裂纹尖端塑性区及其修正,弹性应力场计算存在的问题：r0时，x、y、xy 线弹性力学不适用,实际情况： 应力超过屈服强度后，材料产生塑性变形公式修正： 塑性区很小时
4、，修正后线弹性力学仍有效,1、裂纹尖端塑性区大小,平面应变状态,= 0时,平面应力状态,= 0时,表面塑性区大，平面应力状态中心塑性区小，平面应变状态,米赛斯屈服判据,2、应力松弛对塑性区的影响,应力松弛效应： y达到ys以后，把高出的应力部分传递给r r0的区域，使r0前方区域发生屈服应力松弛结果： 屈服区域从r0扩大到R,能量分析：ABD等于BEHG,平面应力状态,平面应变状态,应力松弛使得塑性区扩大1倍,3、线弹性理论公式的修正,修正方法：有效裂纹长度修正思路：塑性区松弛弹性应力的作用等同于裂纹长度增加后松弛弹性应力的作用,有效裂纹长度,平面应力状态,平面应变状态,应力场强度因子,有效裂
5、纹与真实裂纹塑性区之外（rR）的应力场分布相同,四、裂纹扩展的能量释放率,裂纹的扩展过程,裂纹前端塑性变形,裂纹新表面的形成,消耗能量,包围尖端塑性区的弹性集中应力做功提供,从能量角度考察断裂韧性,裂纹扩展的能量释放率GI（裂纹扩展力）： 裂纹扩展单位面积时，弹性系统所能提供的能量,平面应力,平面应变,临界条件下,断裂判据：GI GIC,GIC裂纹扩展需要的能量 材料抵抗裂纹扩展的能力,GIC的物理意义：材料抵抗裂纹扩展能力的度量,GIC的单位：MPam,K与G的关系：,讨论：,GI GIC,KI KIC,都可做断裂判据,KIC易测,GIC难测,1）K、G都有明确物理意义，G的意义更明确,2）
6、,五、平面应变断裂韧性KIC的测定,1、试样制备,制备要求：1）预制疲劳裂纹 2）试样有足够厚度,试样类型,试样厚度,裂纹长度,韧带宽度,KIC为材料断裂韧性的估算值或类似材料的断裂韧性值,2、测试方法,试验装置,载荷裂纹口张开位移曲线,条件断裂韧性KQ的计算公式,三点弯曲试样,紧凑拉伸试样,PQ试样断裂或裂纹失稳扩展时的载荷,临界载荷PQ的确定,裂纹长度a的确定,有效性检验：,（1）,（2）,KQ = KIC,a = (a2 + a3 + a4) / 3注：a与(a1 + a5) / 2的差小于10,金属材料的断裂韧性 小 结,一、应力场强度因子 1. 裂纹体的三种断裂模式 2. 裂纹尖端应力场 3. 应力场强度因子KI的物理意义二、断裂韧性的影响因素 1. 杂质 2. 晶粒尺寸 3. 组织结构 4. 热处理三、裂纹尖端塑性区及其修正 1. 裂纹尖端塑性区大小 2. 应力松弛对塑性区的影响 3. 线弹性理论公式的修正,四、裂纹扩展的能量释放率 裂纹扩展的能量释放率GI（裂纹扩展力）及其物理意义； GIC的物理意义；K与G的关系；五、平面应变断裂韧性KIC的测定 1. 试样制备 2. 测试方法,本章完,
