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1、Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties 第四章 材料的断裂韧性1Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties 本本 章章 内内 容容 本章将以断裂力学的基本原理为基础，介绍材料本章将以断裂力学的基本原理为基础，介绍材料断裂韧度的意义、影响因素及应用。断裂韧度的意义、影响因素及应用。主要内容主要内容:1)1)线弹性条件下的断裂韧性；线弹性条件下的断裂韧性；2)2)弹塑性条件下的断裂韧性；弹塑性
2、条件下的断裂韧性；3)3)影响材料断裂韧度的因素；影响材料断裂韧度的因素；4)4)断裂韧度在工程中的应用断裂韧度在工程中的应用.2Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties 重点：了解概念重点：了解概念 GriffithGriffith断裂理论、断裂韧度、低应力脆断、断裂理论、断裂韧度、低应力脆断、应力场强因子、应力场强因子、J J积分、断裂韧度的几个判据（积分、断裂韧度的几个判据（K K、G G、J J和和CODCOD判据）、断裂韧度影响因素。判据）、断裂韧度影响因素。难点：难点：裂纹尖端的
3、应力场及应力场强因子裂纹尖端的应力场及应力场强因子K KI I3Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties 前前 言言20092009年年8 8月月2828日日一艘巴拿马油轮一艘巴拿马油轮在埃及苏伊士港在埃及苏伊士港断裂为两段断裂为两段传统的强度理论：材料为连续、均匀的、各向同性的传统的强度理论：材料为连续、均匀的、各向同性的受载体，断裂是瞬时发生的。受载体，断裂是瞬时发生的。断裂的准则是断裂的准则是maxmaxs s/n/n，n1n14Introductions of Material Pr
4、opertiesIntroductions of Material Properties 低应力脆断低应力脆断 低应力脆断：低应力脆断：工程材料和构件，特别是高强度钢、工程材料和构件，特别是高强度钢、超高强度钢的机件，中、低强度钢的大型超高强度钢的机件，中、低强度钢的大型机件在工作应力远低于屈服极限的情况下发生机件在工作应力远低于屈服极限的情况下发生脆性断裂的现象。脆性断裂的现象。为什么？如何防止？为什么？如何防止？断裂力学断裂力学5Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties 断裂力学的研究内
5、容包括断裂力学的研究内容包括:裂纹尖端的应力、应变和应变能的分析；裂纹尖端的应力、应变和应变能的分析；提出描述裂纹体应力场强的力学参量及计算方法；提出描述裂纹体应力场强的力学参量及计算方法；建立新的断裂判据；建立新的断裂判据；研究断裂机制和提高材料断裂韧性的途径等。研究断裂机制和提高材料断裂韧性的途径等。6Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties 韧韧 度度韧度韧度：衡量材料韧性大小的力学性能指标，可分为静：衡量材料韧性大小的力学性能指标，可分为静力韧度、冲击韧度、力韧度、冲击韧度、断裂韧度
6、断裂韧度韧性韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力(1)静力韧度静力韧度()(2)(2)冲击韧度或冲击值冲击韧度或冲击值KUKU(KVKV):):7Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties 金属材料理论断裂强度金属材料理论断裂强度实际强度仅为实际强度仅为m的的1/101/10008Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties 高分子材料理论断裂强度高
7、分子材料理论断裂强度实际上高分子材料的实际上高分子材料的强度仅为几个到强度仅为几个到几十个几十个MPaMPa9Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties 19211921年年GriffithGriffith为了解释玻璃的理论强度与实为了解释玻璃的理论强度与实际强度的巨大差异，提出了微裂纹理论，后来逐渐际强度的巨大差异，提出了微裂纹理论，后来逐渐成为脆性断裂的主要理论基础。成为脆性断裂的主要理论基础。1 1 理论的提出理论的提出 Griffith Griffith 认为实际材料中总是存在许多细小
8、的认为实际材料中总是存在许多细小的微裂纹或缺陷，在外力作用下产生应力集中现象，微裂纹或缺陷，在外力作用下产生应力集中现象，当应力达到一定程度时，裂纹开始扩展当应力达到一定程度时，裂纹开始扩展,导致断裂。导致断裂。Griffith断裂理论断裂理论10Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties Griffith断裂理论断裂理论11Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties Griffith公式公式
9、Griffith裂纹裂纹12Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties 奥罗万（奥罗万（E.Orowan)修正修正裂纹尖端由于应力集中，局部区域发生塑性变形，裂纹尖端由于应力集中，局部区域发生塑性变形，消耗塑性功消耗塑性功p p13Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties 陶瓷：陶瓷：E E=3=310101111 Pa Pa，=1 J/m=1 J/m2 2，裂纹长度裂纹长度a=1a=1m
10、m则则=4=410108 8 Pa Pa高强度钢：高强度钢：陶瓷材料在微观尺度裂纹时便会发生低应力断裂；陶瓷材料在微观尺度裂纹时便会发生低应力断裂；金属材料在宏观尺度裂纹时才发生低应力断裂金属材料在宏观尺度裂纹时才发生低应力断裂14Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties 4.1 4.1 线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性 线弹性断裂力学认为在脆性断裂过程中，裂纹线弹性断裂力学认为在脆性断裂过程中，裂纹体各部分的应力和应变处于线弹性阶段，只有裂纹体各部分的应力和应变处于线弹性阶段，
11、只有裂纹尖端极小区域处于塑性变形阶段尖端极小区域处于塑性变形阶段.两种方法：两种方法：应力应变分析方法，研究裂纹尖端附近的应力应变应力应变分析方法，研究裂纹尖端附近的应力应变场，提出应力场强度因子及对应的断裂韧度和场，提出应力场强度因子及对应的断裂韧度和K K判据判据 能量分析方法，研究裂纹扩展时系统能量的变化，能量分析方法，研究裂纹扩展时系统能量的变化，提出能量释放率及对应的断裂韧度和提出能量释放率及对应的断裂韧度和G G判据判据 15Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties 一、裂纹扩展
12、的基本方式一、裂纹扩展的基本方式1.1.张开型（张开型（I I型）裂纹扩展型）裂纹扩展正应力垂直于裂纹面正应力垂直于裂纹面扩展方向与扩展方向与正应力垂直正应力垂直16Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties 2.2.滑开型（滑开型（IIII型）裂纹扩展型）裂纹扩展剪切应力平行于裂纹面，裂纹滑开扩展剪切应力平行于裂纹面，裂纹滑开扩展17Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties 3.3.撕开型
13、（撕开型（IIIIII型）裂纹扩展型）裂纹扩展切应力平行于裂纹面，裂纹沿裂纹面撕开扩展切应力平行于裂纹面，裂纹沿裂纹面撕开扩展18Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties 设有一承受均匀拉应力设有一承受均匀拉应力的无限大板，中心含有长的无限大板，中心含有长为为2a的的I型穿透裂纹。型穿透裂纹。二、裂纹尖端的应力场及应力场强度因子二、裂纹尖端的应力场及应力场强度因子K K19Introductions of Material PropertiesIntroductions of Materia
14、l Properties 应力分量：应力分量：20Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties 平面应力与平面应变状态平面应力与平面应变状态平面应力平面应力21Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties 平面应变平面应变22Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties 平面应力与平面应变状态区别平
15、面应力与平面应变状态区别Z Z轴方向上的应力轴方向上的应力z z或应变或应变z z是否为零是否为零区分标准区分标准平面应力平面应力平面应变平面应变应力应力z z=0=0应变应变z z=0=023Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties 平面应变状态应变分量为：平面应变状态应变分量为：24Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties 平面应变状态位移分量为：平面应变状态位移分量为：25Intro
16、ductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties 裂纹尖端任意一点的应力、应变和位移分量取决于裂纹尖端任意一点的应力、应变和位移分量取决于该点的坐标该点的坐标(r(r，)、材料的弹性模数以及参量、材料的弹性模数以及参量K KI I 应力强度因子应力强度因子K KI I 应力强度因子应力强度因子K K反映了裂纹尖端区域应力场的强度。反映了裂纹尖端区域应力场的强度。26Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties
17、若裂纹体的材料一定，且裂纹尖端附近某一点的若裂纹体的材料一定，且裂纹尖端附近某一点的位置位置(r(r，)给定，则该点的各应力、应变和位移分给定，则该点的各应力、应变和位移分量唯一决定于量唯一决定于K KI I值值K KI I值愈大，则该点各应力、应变和位移分量之值愈大，则该点各应力、应变和位移分量之值愈高值愈高K KI I综合反映了外加应力和裂纹位置、长度对裂纹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度的影响，其一般表达式为尖端应力场强度的影响，其一般表达式为27Introductions of Material PropertiesIntroductions of Materia
18、l Properties a一定时，存在临界的应力一定时，存在临界的应力值值c，只有，只有 c裂纹才裂纹才能扩展，造成破断能扩展，造成破断一定时，存在临界的裂纹一定时，存在临界的裂纹深度深度ac，当当a5mc.粒子的形态结构与交联粒子的形态结构与交联d.基体塑料的结构基体塑料的结构e.相界面黏结相界面黏结85Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties(3)非弹性体增韧塑料非弹性体增韧塑料a.有机刚性粒子增韧有机刚性粒子增韧PMMAPMMA、PSPS、SANSAN粒子粒子基体的弹性模量（基体的弹
19、性模量（E1）和泊松比（）和泊松比（v1）与刚性粒子的模）与刚性粒子的模量（量（E2）和泊松比（）和泊松比（v2）的关系：）的关系：E2E1，v2v1冷拉机理：增韧共混物在拉伸过程中，由于有机刚冷拉机理：增韧共混物在拉伸过程中，由于有机刚性粒子与基体间模量和泊松比不同，在分散相的赤性粒子与基体间模量和泊松比不同，在分散相的赤道面产生较高的静拉力，当达到一定值时，刚性分道面产生较高的静拉力，当达到一定值时，刚性分散相粒子屈服而产生冷拉，发生较大的塑性变形，散相粒子屈服而产生冷拉，发生较大的塑性变形，消耗能量使韧性提高消耗能量使韧性提高86Introductions of Material Pro
20、pertiesIntroductions of Material Properties b.无机刚性粒子（无机刚性粒子（RIF）增韧）增韧玻璃微珠，碳酸钙微粒玻璃微珠，碳酸钙微粒机理：机理：当基体材料受到冲击时容易引发当基体材料受到冲击时容易引发RIFRIF粒子周粒子周围的基体产生微裂纹，围的基体产生微裂纹，RIFRIF粒子的存在使这些微裂粒子的存在使这些微裂纹的扩展受阻或钝化，或纹的扩展受阻或钝化，或RIFRIF粒子表面脱黏产生新粒子表面脱黏产生新的微裂纹，从而消耗大量能量而增韧。的微裂纹，从而消耗大量能量而增韧。RIFRIF粒子粒径越小，粒子比表面积增大，粒子与基体接触面粒子粒径越小，粒子
21、比表面积增大，粒子与基体接触面积增大，材料在受冲击时会引发更多的微裂纹，从而消耗更积增大，材料在受冲击时会引发更多的微裂纹，从而消耗更多的能量，增韧效果更好。多的能量，增韧效果更好。87Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties 4.44.4 断裂韧度在工程中的应用断裂韧度在工程中的应用断裂韧度在工程中的应用可以概括为三方面：断裂韧度在工程中的应用可以概括为三方面：第一、设计第一、设计，包括结构设计和材料选择，包括结构设计和材料选择第二、校核第二、校核，校核结构的安全性，判断材料的脆断，校核结
22、构的安全性，判断材料的脆断趋向趋向 第三、材料开发第三、材料开发，根据对断裂韧度的影响因素，根据对断裂韧度的影响因素，有针对性地设计材料的组织结构，开发新材料。有针对性地设计材料的组织结构，开发新材料。88Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties 一、材料选择一、材料选择89Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties 二、安全校核二、安全校核90Introductions of Materi
23、al PropertiesIntroductions of Material Properties 三、失效分析三、失效分析91Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties 四、评价材料脆性四、评价材料脆性一般构件中常见是表面半椭圆裂纹，从安全角度一般构件中常见是表面半椭圆裂纹，从安全角度Y=2Y=2，不考虑塑性区修正时，裂纹临界尺寸可估算：不考虑塑性区修正时，裂纹临界尺寸可估算：92Introductions of Materials PropertiesIntroductions of Materials Properties 五、材料开发五、材料开发 在材料中设置裂纹扩展过程中的附加能量耗损机制，在材料中设置裂纹扩展过程中的附加能量耗损机制，或设置裂纹扩展的势垒等，提高断裂韧度。或设置裂纹扩展的势垒等，提高断裂韧度。Introductions of Material PropertiesIntroductions of Material Properties 作作 业业P37 第16题P84 第1、2、10题94