材料力學(xué)性能 第五章 缺口試樣的力學(xué)性能

1、5.1 缺口頂端應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)材料力學(xué)性能 第五章 缺口試樣的力學(xué)性能 缺口產(chǎn)生的影響，最顯而易見的，是應(yīng)力集中。由于缺口部分不能承受外力，這一部分外力要由缺口前方的部分材料來承擔(dān)，因而缺口根部的應(yīng)力最大，離開缺口根部，應(yīng)力逐漸減小，一直減小到某一恒定數(shù)值，這時缺口的影響便消失了。ntKmax1 應(yīng)力集中Kt的數(shù)值取決于缺口的幾何形狀與尺寸2、缺口根部三向應(yīng)力分析材料力學(xué)性能 第五章 缺口試樣的力學(xué)性能xyyxxzyzxyr薄板彈性變形（平面應(yīng)力）厚板彈性變（三向應(yīng)力）平面應(yīng)變局部屈服后的應(yīng)力分布5.2 缺口試樣靜載力學(xué)性能材料力學(xué)性能 第五章 缺口試樣的力學(xué)性能5.2.1 缺口試樣靜拉伸試驗(yàn)

2、bbneq5.2.2 缺口偏斜拉伸試驗(yàn)材料力學(xué)性能 第五章 缺口試樣的力學(xué)性能 缺口偏斜拉伸試驗(yàn)就是在更苛刻的應(yīng)力狀態(tài)和試驗(yàn)條件下，來檢驗(yàn)與對比不同材料或不同工藝所表現(xiàn)出的性能差異。只要改變墊圈了的角度即可改變試樣的偏斜角度。最常用偏斜角度為 4或8，相應(yīng)的缺口拉伸強(qiáng)度以 bn表示。5.2.3 缺口試樣靜彎曲曲線下所包圍的面積表示試樣從變形到斷裂的總功?？偣τ扇糠纸M成： (1)只發(fā)生彈性變形的彈性功; (2)發(fā)生塑性變形的變形功以面積表示； (3)在達(dá)到最大載荷Pmax時試樣即出現(xiàn)裂紋，如果裂紋是緩慢擴(kuò)展至斷裂，則靜彎曲線沿圖中虛線變化，如果裂紋到截荷P點(diǎn)時開始迅速擴(kuò)展，則引起載荷急劇降低，

3、隨后相繼有一些小的臺階出現(xiàn)，直至試樣完全破斷。這一部分功以面積表示，一般叫作撕裂功。材料力學(xué)性能 第五章 缺口試樣的力學(xué)性能在這3部分功中以撕裂功最為重要，通常以撕裂功的大小或者以Pmax/P的大小來表示裂紋敏感度。5.3 缺口試樣在沖擊載荷下的力學(xué)性能材料力學(xué)性能 第五章 缺口試樣的力學(xué)性能 沖擊載荷與靜載荷的主要區(qū)別在于加載速率不同；前者加載速率很高，而后者加載速率低。 彈性交形以介質(zhì)中的聲速傳播。在彈性變形速率高于加載變形速率時，則加載速率對金屬的彈性性能沒有影響。但是，塑性變形發(fā)展緩慢，若加載速率較大，則塑性交形不能充分進(jìn)行。因此加載速率將對于塑性交形和斷裂有關(guān)的件能發(fā)生重大影響。 因

4、此，在沖擊載荷下，常按能量守恒定律并假定沖擊能全部轉(zhuǎn)化為物體內(nèi)的彈性能，進(jìn)而計(jì)算沖擊功和應(yīng)力。當(dāng)超出彈性范圍時，用能量轉(zhuǎn)化法精確計(jì)算沖擊力和應(yīng)力極為困難。因此，在力學(xué)性能試驗(yàn)中，直接用能量定性地表示材料的力學(xué)件能特征，沖擊韌性即屬于這一類的力學(xué)性能。5.3.1 缺口試樣沖擊試驗(yàn)材料力學(xué)性能 第五章 缺口試樣的力學(xué)性能21mgHmgHAkNkukvkukvFAAaa)()(夏氏試樣梅氏試樣缺口處截面積沖擊功標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣及支座材料力學(xué)性能 第五章 缺口試樣的力學(xué)性能5.3.2 缺口沖擊韌性的意義材料力學(xué)性能 第五章 缺口試樣的力學(xué)性能GyPmaxPFpDPcAPAdA簡單的沖擊試驗(yàn)測出的沖擊韌性是

5、一個混合性能指標(biāo)。借助于監(jiān)測系統(tǒng)可以記錄如左圖的信息。這三部分能量在總能量中所占的比例和絕對值取決于材料的性質(zhì)及試件的幾何尺寸。5.3.3 缺口沖擊試樣斷口的形貌特征材料力學(xué)性能 第五章 缺口試樣的力學(xué)性能5.3.4 缺口沖擊韌性的應(yīng)用材料力學(xué)性能 第五章 缺口試樣的力學(xué)性能 將沖擊功除以試件截面積定義為沖擊韌性是經(jīng)驗(yàn)性的，并不反映缺口試件在沖擊載荷下的失效過程和實(shí)質(zhì)。但脆性、低塑性材料斷裂時所需的能量少。而高塑性材料所需的能量多，則可由沖擊韌性值定性地得到反映。 然而，由于缺口沖擊韌性對材料內(nèi)部組織的變化十分敏感，而且實(shí)驗(yàn)測定又很簡便，故在生產(chǎn)和研究工作中仍被廣泛地采用。具體應(yīng)用材料力學(xué)性能

6、 第五章 缺口試樣的力學(xué)性能1、評定原材料的冶金質(zhì)量和熱加工后的半成品質(zhì)量 通過測定沖擊韌性和對沖擊試件的斷口分析，可揭示原材料中夾渣、氣泡、偏析、嚴(yán)重分層等冶金缺陷和過熱、過燒、回火脆性等鍛造以及熱處理缺陷；2、確定結(jié)構(gòu)鋼的冷脆傾向及韌脆轉(zhuǎn)變溫度，供低溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時選用材料和抗脆斷作參考。3、沖擊韌性反映著材料對次和少數(shù)次大能量沖擊斷裂抗力，因而對某些在特殊條件下服役的零件，如彈殼、防彈甲板等，具有參考價值。4、評定低合金高強(qiáng)鋼及其焊縫金屬的應(yīng)變時效敏感性。5.4 低溫脆性及其評定材料力學(xué)性能 第五章 缺口試樣的力學(xué)性能定義：隨溫度降低金屬材料由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔训默F(xiàn)象。冷脆：材料因溫度的

7、降低導(dǎo)致沖擊韌性的急劇下降并引起脆性破壞的現(xiàn)象 5.4.1 系列溫度沖擊試驗(yàn)材料力學(xué)性能 第五章 缺口試樣的力學(xué)性能試驗(yàn)表明：隨著溫度降低，沖擊功由高階能轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗A能，材料由韌性斷裂過渡到脆性斷裂，斷口形式也由纖維狀斷口經(jīng)過混合斷口過渡為結(jié)晶狀斷口，斷裂性質(zhì)由微孔聚集型斷裂過渡為解理斷裂。 5.4.2 低溫脆性評定 材料力學(xué)性能 第五章 缺口試樣的力學(xué)性能1、能量準(zhǔn)則2、斷口形貌準(zhǔn)則3、斷口變形特征準(zhǔn)則5.4.3 冶金因素低溫脆性的影響材料力學(xué)性能 第五章 缺口試樣的力學(xué)性能成分的影響：成分的影響： 含碳量、合金配比晶粒尺寸：晶粒尺寸：細(xì)化晶粒是重要的強(qiáng)韌化手段。顯微組織：顯微組織：脆性轉(zhuǎn)變溫

8、度由高到低依次為：珠光體 上貝氏體 鐵素體 下貝氏體 回火馬氏體5.5 抗脆斷設(shè)計(jì)及其試驗(yàn)材料力學(xué)性能 第五章 缺口試樣的力學(xué)性能! ! 采用夏氏沖擊試樣所確定的脆化溫度對厚的實(shí)物構(gòu) 件不是安全可靠的。5.5.1 落錘試驗(yàn)材料力學(xué)性能 第五章 缺口試樣的力學(xué)性能落錘試驗(yàn)示意圖試驗(yàn)時選用不同的試驗(yàn)溫度進(jìn)行系列試驗(yàn)，就可以測出試樣開裂的最高溫度（NDT）。 NDT，無塑性轉(zhuǎn)變溫度，即產(chǎn)生無塑性破壞的最高溫度。該方法已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。5.5.2 NDT判據(jù)及斷裂分析圖材料力學(xué)性能 第五章 缺口試樣的力學(xué)性能常用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（根據(jù)工作應(yīng)力）：（1）工作應(yīng)力小于3555MPa，可選擇實(shí)物的最低工作溫度大于等于N

9、DT的材料。（2）工作應(yīng)力小于等于0.5屈服強(qiáng)度，可選擇實(shí)物的最低工作溫度大于等于NDT17的材料，壓力容器多采用此標(biāo)準(zhǔn)。（3）工作應(yīng)力小于等于屈服強(qiáng)度，可選擇實(shí)物的最低工作溫度大于等于NDT33的材料，核反應(yīng)堆材料多采用此標(biāo)準(zhǔn)。（4）工作應(yīng)力小于抗拉強(qiáng)度，要求其不產(chǎn)生脆斷而完全是剪切破壞，可選擇實(shí)物的最低工作溫度大于等于NDT67的材料，潛艇材料多采用此標(biāo)準(zhǔn)。minT6.1 概述材料力學(xué)性能 第六章 斷裂韌性基礎(chǔ) 斷裂是工程構(gòu)件最危險(xiǎn)的一種失效方式，尤其是脆性斷裂，它是突然發(fā)生的破壞，斷裂前沒有明顯的征兆，這就常常引起災(zāi)難性的破壞事故。隨著工程構(gòu)件尺寸越來越大、應(yīng)用材料的強(qiáng)度越來越高、焊接工

10、藝普遍使用，脆性斷裂事故明顯增加了。事故1：美二戰(zhàn)期間5000艘全焊接的“自由輪”中238艘完全破壞。事故2：美發(fā)射北極星導(dǎo)彈，固體燃料發(fā)動機(jī)殼體發(fā)射點(diǎn)火后不久發(fā)生了爆炸。傳統(tǒng)的力學(xué)設(shè)計(jì)無法解釋？傳統(tǒng)力學(xué)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：材料力學(xué)性能 第六章 斷裂韌性基礎(chǔ), 而，對塑性材料=s/n，對脆性材料=b/n，其中n為安全系數(shù)。傳統(tǒng)力學(xué)設(shè)計(jì)的缺陷：把材料看成均勻的，沒有缺陷的，沒有裂紋的理想固體，但是實(shí)際的工程材料，在制備、加工及使用過程中， 都會產(chǎn)生各種宏觀缺陷乃至宏觀裂紋。斷裂力學(xué)的提出： 斷裂力學(xué)就是研究帶裂紋體的力學(xué)，它給出了含裂紋體的斷裂判據(jù)，并提出一個材料固有性能的指標(biāo)斷裂韌性，用它來比較各種材料

11、的抗斷能力。研究中發(fā)現(xiàn)低應(yīng)力脆斷總是和材料內(nèi)部含有一定尺寸的裂紋相聯(lián)系的，當(dāng)裂紋在給定的作用應(yīng)力下擴(kuò)展到一臨界尺寸時，就會突然破裂。6.1 格里菲斯格里菲斯(Griffith)斷裂理論斷裂理論 材料力學(xué)性能 第六章 斷裂韌性基礎(chǔ)xm2sin22sin20mmdxx2m6.1.1 完整晶體的理論斷裂強(qiáng)度斷裂時外力做的功表面能材料力學(xué)性能 第六章 斷裂韌性基礎(chǔ)當(dāng)位移很小時，xx sinxm2又由虎克定律：bxEEmmEbbE222m21bEm將金屬材料的典型E、b、數(shù)據(jù)帶入，金屬材料的理論斷裂強(qiáng)度為：)103(1014MPaEm與金屬實(shí)際強(qiáng)度有很大差別6.1.2 格里菲斯(Griffith)斷裂理

12、論材料力學(xué)性能 第六章 斷裂韌性基礎(chǔ)sEuuu系統(tǒng)總能彈性應(yīng)變能表面能設(shè)想有一單位厚度的無限寬形板，對其施加一拉應(yīng)力后，與外界隔絕能源。在板內(nèi)制造一穿透裂紋，裂紋的擴(kuò)張來自與系統(tǒng)內(nèi)部的彈性能釋放。當(dāng)裂紋擴(kuò)張時，其表面能增加了。材料力學(xué)性能 第六章 斷裂韌性基礎(chǔ)Earau2240)2()2()2(adduadduadudEs2121, 12aEsuEuEusu系統(tǒng)總能量：由左圖知：0)2(,)2()2(adudadduaddusE當(dāng)彈性應(yīng)變能釋放速率表面能增長速率，裂紋自行擴(kuò)展。222EacaE2則，極限裂紋尺寸以a代替Griffith 公式公式6.1.3 奧羅萬(Orowan)的修正材料力學(xué)性

13、能 第六章 斷裂韌性基礎(chǔ) Griffith研究的對象主要是玻璃這類很脆的材料，對于大多數(shù)金屬材料，雖然裂紋尖端由于應(yīng)力集中作用，局部應(yīng)力很高，但是一旦超過材料的屈服強(qiáng)度，就會發(fā)生塑性變形。在裂紋尖端有一塑性區(qū)，材料的塑性越好強(qiáng)度越低，產(chǎn)生的塑性區(qū)尺寸就越大。裂紋擴(kuò)展必須首先通過塑性區(qū)，裂紋擴(kuò)展功主要耗費(fèi)在塑性變形上，金屬材料和陶瓷的斷裂過程不同，主要區(qū)別也在這里。由此，奧羅萬修正了格里菲斯的斷裂公式，得出：2121)1 (22psppsfaEaEsp0ps212aEpf因?yàn)椋?.2 裂紋擴(kuò)展的能量判據(jù)裂紋擴(kuò)展的能量判據(jù)材料力學(xué)性能 第六章 斷裂韌性基礎(chǔ) 在Griffith或Orowan的斷裂理

14、論中，裂紋擴(kuò)展的阻力為 或者為2s或2（ s p）。設(shè)裂紋擴(kuò)展單位面積所耗費(fèi)的能量為R，則R= 2（ s p） 。而裂紋擴(kuò)展的動力，對于上述的Griffith試驗(yàn)情況來說，只來自系統(tǒng)彈性應(yīng)變能的釋放。EaEaaauG222)()2 ()2 (定義：G是彈性應(yīng)變能的釋放率或者裂紋擴(kuò)展力。材料力學(xué)性能 第六章 斷裂韌性基礎(chǔ)恒位移條件：裂紋擴(kuò)展釋放出的彈性能是三角形OAC的面積。恒載荷條件：外力做的功一半用于彈性能的增加，一半用于裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展釋所需的彈性能是三角形OAC的面積。兩種情況下，裂紋擴(kuò)展可利用的能量相同兩種情況下，裂紋擴(kuò)展可利用的能量相同。 G是裂紋擴(kuò)展的動力，當(dāng)G達(dá)到怎樣的數(shù)值時，裂

15、紋就開始失穩(wěn)擴(kuò)展呢?材料力學(xué)性能 第六章 斷裂韌性基礎(chǔ) 按照Orowan修正公式：按照Griffith斷裂條件：sRRG2,)(2,psRRG 這就是斷裂的能量判據(jù)。原則上講，對不同形狀的裂紋，其G1是可以計(jì)算的，而材料的性能G1c是可以測定的。因此可以從能量平衡的角度研究材料的斷裂是否發(fā)生。因?yàn)楸砻婺?和塑性變形功 都是材料常數(shù)，它們是材料固有的性能，令)( 2,2PSICSICGG則有ICGG 16.3 裂紋頂端的應(yīng)力場裂紋頂端的應(yīng)力場材料力學(xué)性能 第六章 斷裂韌性基礎(chǔ)6.3.1 三種斷裂類型 (1)張開型(或稱拉伸型)裂紋(2)滑開型(或稱剪切型)裂紋(3)撕開型裂紋 實(shí)際工程構(gòu)件中裂紋

16、形式大多屬于I型裂紋，也是最危險(xiǎn)的一種裂紋形式，最容易引起低應(yīng)力脆斷。所以我們重點(diǎn)討論I型裂紋。6.3.1 I型裂紋頂端應(yīng)力場材料力學(xué)性能 第六章 斷裂韌性基礎(chǔ)設(shè)一無限大平板中心含有一長為 2a的穿透裂紋，垂直裂紋面方向平板受均勻的拉伸載荷作用。1957年Irwin得出離裂紋尖端為(r ， )的一點(diǎn)的應(yīng)力為：23cos2cos2sin2)23sin2sin1 (2cos2)23sin2sin1 (2cos2rKrKrKxyyx對于薄板平面應(yīng)力狀態(tài)，材料力學(xué)性能 第六章 斷裂韌性基礎(chǔ)00yzxzz對于厚板平面應(yīng)變狀態(tài)，0)(yzxzyxzKI稱為I型裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子，它是衡量裂紋頂端應(yīng)力場強(qiáng)烈

17、程度的函數(shù)，決定于應(yīng)力水平、裂紋尺寸和形狀。6.3.3 應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)力強(qiáng)度因子 KI材料力學(xué)性能 第六章 斷裂韌性基礎(chǔ))(2ijIijfrKaYKIY裂紋形狀系數(shù)。KI反映了外加應(yīng)力、裂紋長度對裂紋應(yīng)力場強(qiáng)度的影響。試件和裂紋的幾何形狀、加載方式不同， KI的表達(dá)式不同。6.3.3 斷裂韌性與斷裂判據(jù)斷裂韌性與斷裂判據(jù)材料力學(xué)性能 第六章 斷裂韌性基礎(chǔ)斷裂韌性的定義：對于受載的裂紋體，應(yīng)力強(qiáng)度因子K1是描寫 裂紋尖端應(yīng)力場強(qiáng)弱程度的力學(xué)參量， 可以推斷當(dāng)應(yīng)力增大時，K1也逐漸增加，當(dāng)K1達(dá)到某一臨界值時，帶裂紋的構(gòu)件就斷裂了。這一臨界值便稱為斷裂韌性Kc或K1c。注意：KI和 KC、 KIC

18、之間的差別當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子增大到一臨界值，這一臨界值在數(shù)值上等于材料的平面應(yīng)變斷裂韌性K1c時，裂紋就立即失穩(wěn)擴(kuò)展，構(gòu)件就發(fā)生脆斷。于是，斷裂判據(jù)便可表達(dá)為：ICIKK 對于無限大平板中心含有尺寸為2a穿透裂紋時：材料力學(xué)性能 第六章 斷裂韌性基礎(chǔ)ICIKaK21)(如已知裂紋尺寸，并通過試驗(yàn)測出KIC，則最大工作應(yīng)力為：aKIC如已知最大工作應(yīng)力，并通過試驗(yàn)測出KIC，則可求出允許的最大裂紋尺寸為：22ICcKa 補(bǔ)充：G判據(jù)與K判據(jù)的比較6.4 裂紋頂端的塑性區(qū)裂紋頂端的塑性區(qū) 材料力學(xué)性能 第六章 斷裂韌性基礎(chǔ))(2ijIijfrKijr, 022132322212)()()(sVon M

19、ises屈服判據(jù)213321222121; 02222xyyxyxxyyxyx2cos22; 02sin12cos22sin12cos22133212211rKrKrKIII平面應(yīng)力平面應(yīng)變平面應(yīng)力平面應(yīng)變材料 力學(xué)經(jīng)計(jì)算，塑性區(qū)域的表達(dá)式為：經(jīng)計(jì)算，塑性區(qū)域的表達(dá)式為：材料力學(xué)性能 第六章 斷裂韌性基礎(chǔ)2sin3212cos212sin312cos212222222sIsIkrkr平面應(yīng)力平面應(yīng)變2220202116. 022121sIsIsIKKrKr03 . 01 定義：將引起塑性變形的最大主應(yīng)力，稱為有效屈服應(yīng)力ys。2 定義：有效屈服強(qiáng)度與單向拉伸屈服強(qiáng)度之比，稱為塑性約束系數(shù)L。材

20、料力學(xué)性能 第六章 斷裂韌性基礎(chǔ)211syssys在平面應(yīng)變狀態(tài)時：在平面應(yīng)力狀態(tài)時：2111LL實(shí)際上平面應(yīng)變狀態(tài)下的有效屈服強(qiáng)度并沒有這么大，塑性約束系數(shù)也大致為1.52.0，因此，最常用的塑性區(qū)公式，其尺寸的表達(dá)式為：22102024121sIsIKrKr平面應(yīng)力平面應(yīng)變6.5 應(yīng)力強(qiáng)度因子的應(yīng)力強(qiáng)度因子的塑性區(qū)塑性區(qū)修正修正 材料力學(xué)性能 第六章 斷裂韌性基礎(chǔ)松弛前后的內(nèi)力之和相等，有曲線DBC下的面積等于曲線ABEF下的面積。drrKdrrRrIryys000210020 .201ysIKR002rR 實(shí)驗(yàn)表明：考慮材料的應(yīng)變強(qiáng)化，實(shí)際塑性區(qū)尺寸要比計(jì)算值小。等效裂紋模型及等效應(yīng)力強(qiáng)

21、度因子等效裂紋模型及等效應(yīng)力強(qiáng)度因子材料力學(xué)性能 第六章 斷裂韌性基礎(chǔ)等效裂紋模型提出的原因：塑性區(qū)的存在，用線彈性力學(xué)計(jì)算出的KI值是否還能使用？等效裂紋模型的原理：在小范圍屈服把由于塑性區(qū)存在造成的剛度下降，看成裂紋的擴(kuò)展。等效應(yīng)力強(qiáng)度因子：yIraK等效裂紋長度計(jì)算表明：修正量計(jì)算表明：修正量ry等于應(yīng)力松弛后塑性區(qū)等于應(yīng)力松弛后塑性區(qū)R0的一半。的一半。材料力學(xué)性能 第六章 斷裂韌性基礎(chǔ)無限寬平板中心有穿透裂紋的等效應(yīng)力強(qiáng)度因子的表達(dá)式：21221212212411211sIsIaKaK平面應(yīng)力平面應(yīng)變6.6 金屬材料斷裂韌性金屬材料斷裂韌性K1c的測定的測定 材料力學(xué)性能 第六章 斷

22、裂韌性基礎(chǔ)6.6.1 試樣制備 試樣的尺寸必須滿足小范圍屈服和平面應(yīng)變兩個條件：aWBa25 . 2yICK裂紋長度試樣厚度韌帶尺寸s;2 . 0K1c測試方法測試方法 材料力學(xué)性能 第六章 斷裂韌性基礎(chǔ)載荷P由載荷傳感器測量，裂紋嘴張開位移V由跨接于試樣切口兩側(cè)的夾式引伸計(jì)測量，載荷與位移訊號經(jīng)放大后，再輸入X-Y記錄儀，描繪出PV曲線。根據(jù)PV曲線，可求出裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時的臨界載荷PQ。PQ的確定、裂紋長度的確定的確定、裂紋長度的確定材料力學(xué)性能 第六章 斷裂韌性基礎(chǔ)3321aaaaMAXQQPPPP)3(),2() 1 (56.6.3 試驗(yàn)結(jié)果的處理試驗(yàn)結(jié)果的處理材料力學(xué)性能 第六章 斷裂韌性基礎(chǔ)WaYBWPSKI123根據(jù)求出KQ1 . 1)2(5 . 2) 1 (max2QsQPPKB如KQ滿足則KQ有效， KQ KIC如KQ不滿足，加大試樣尺寸重新作試驗(yàn)。6.7 影響斷