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1、第4讲:断裂准则及其应用作业1、什么是材料的断裂韧性，其影响因素有哪些？2、某圆筒形压力容器壁厚t=5mm,直径D= 1500mm, 若结构查岀含有aX2b=0.9X6mm的半椭圆表面裂纹 （应力强度因子计算公式）,问该容器能否承受住6MPa 的压力？已知材料性能如下：屈服极限:込=17658MPa断裂韧性:心=62MPa-岛3、线弹性断裂力学适用范围？这个范围如何确定？4本讲内容1断裂准则0断裂韧性及其影响因素IIIIIIIIIIIIIIII断裂准则的工程应用线弹性断裂力学的适用范围对应于材料力学中的失效准则和强度理论。学科材料破坏的推材料破坏的抗力 或阻力失效准则aK准则2准则材料力学(T
2、bb 或 bysb > bb 或 bys线弹性 断裂力学(KjKi > (kJGGcG>GCK与G之间有确定的关系，所以K准则和G准则等价。断裂力学解决问题的思路研究裂纹尖端附近的应力场和位移场，确定裂纹扩展 的“推动力”，寻找表征裂纹尖端场强的特征参量； 通过试验和分析，测量材料抵抗裂纹扩展的阻力；建立裂纹扩展而导致结构失效的条件，即断裂准则。本讲内容n断裂准则IIIIIIIIII31断裂韧性及其影响因素断裂准则的工程应用IIIIIIIIIII线弹性断裂力学的适用范围断裂韧度材料抵抗裂纹扩展的抗力Kc或Gc称为材料的断裂韧度。经典丨型裂纹断裂时临界裂纹长度1 £b
3、丿断裂韧度反映了材料抵抗裂纹扩展的能力。断裂韧性 越高，材料断裂时所允许的裂纹尺寸越长。断裂韧性的影响因素“试件厚度屈服应力的影响强度和韧性是金属材料普遍存在的矛盾。一般情况：断 裂韧性随着屈服应力的提高而降低。K/c(MN m-s/2>I 丄I 4i_丄0.511.52% (GPa)设计工程师如何选材?权衡各方面要求具体情况分析温度的影响温度升高时，屈服极限下降，裂纹尖端的塑性区尺寸相应增大, 断裂韧性提高，抵抗裂纹扩展的能力增强。-100 0 100 200温度（y）低温下，材料的屈服应力提高，塑性区尺寸减小。材料由平面应 力向平面应变状态转化，断裂韧性降低。11项新的科学研究回答了
4、 80年未解之谜由于早年的Titanic号采用了含硫高的钢板，韧性很差,特别是在低溫呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断 近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。近代船用钢板Titanic号钢板冲击试验结果加载速率的彩响中低强度钢：断裂韧性随加载速率的提高而降低。高强度的钛合金、铝合金、合金钢加载速率对断裂韧性影响不明显。腐蚀环境的影响航空结构：电化学腐蚀最严重应力腐蚀开裂：应力和腐蚀介质的联合作用下引起的裂纹扩展和断裂应力腐蚀临界应力强度因子&SCC来表示抵抗腐蚀开裂的能力。KsccKc反映了腐蚀介质中应力腐蚀敏感性。其值越小，则说明材料对该介质的腐蚀越敏感。13厚度对断裂韧性的影
5、响断裂韧性随试件厚度的增加而以一定的速率减少，超过一定的厚度后，断裂韧性趋于一个下限值而保持不变。0510152025 B(mm)实验表明，断裂韧性的下限值基本上是材料常数，称为 材料的平面应变断裂韧hKICKIC的测量是断裂力学的 重要任务之一。IK、及Kic的区别Ki是受外界条件影响的反映裂纹尖端应力场强弱程度的力学度量，它不仅随外加应力和裂纹长度的变化而变化，也和裂纹的形状类型，以及加载方式有关，但它和材料本身的固有性 能无关。断裂韧性Kc和Kg反映材料阻止裂纹扩展的能力，是材料本 身的特性。Kc和Kic不同点在于,Kc是平面应力状态下的断裂韧 性，它和板材或试样厚度有关。当板材厚度增加
6、到达到平面应变状态时断裂韧性就趋于一稳定的最低值，这时便与板材或试样的厚度无关，我们称为平面 应变的断裂韧性Kg16本讲内容断裂准则断裂韧性及其影响因素断裂准则的工程应用线弹性断裂力学的适用范围18断裂准则的19断裂准则G准则7汽等价K准则专尺岸（心）丿K : I型裂纹的应力强度因子K1C:平面应变断裂韧度应用断裂准则的步骤步骤：计算裂纹尖端区域的应力强度因子K、=r查手册计算方法Y数值计算其他方法应力强度因子手册共包含了上百种裂纹形式。因 此，如何将实际的缺陷模型化，然后按给定的载荷、 结构形式查手册是计算应力强度因子的关键问题。20应用断裂准则的步骤按相关的标准进行测试小范围屈服注意问题J
7、平面应变L瓦I圣维南原理9仁儿何判据汽载荷比判据忑的意义计工作者：拉断设计的主要据I材料和一艺人员：改进材质和制定工艺的依据应用断裂准则的步骤K、=步骤应用断裂准则三种基本问题，一、已知工作应力和断裂韧性，确定临界裂纹尺寸二、已知裂纹尺寸和断裂韧性，确定临界工作应力，三、已知裂纹类型尺寸和工作应力，选择构件材料裂纹几何、工作应力竟'戯裂刼性是控制断裂 是否发生的三个基本因素。试分析美国北极星号导弹外壳发生低应力脆断事故(1950)的原因该导弹外壳用高强度钢(D6AC)制成，材料特性如下:b =13734MPa , Kxc = 55.8 62MPa 陌导弹壳体设计压力9.09MPa,安全
8、系数取1.2。半径与 厚度之比为110,假设内壁存在表面半椭圆裂纹，其 应力强度因子可用下式计算：Ky =1.12crV225523r=i对于高强度钢，如果相应断裂韧度较低，允许临界裂纹长 度很短，除应进行常规强度校核外，必须严格检查与控制构 件含裂纹长度，利用断裂准则进行安全校核。因而对结构材 料，高强度不是追求的唯一目标，还应提高其断裂韧性。对于中、低强度钢，相应断裂韧度较高，允许临界裂纹 长度较长，因而对中、小型零件不会出现裂纹导致的脆断问 题，主要考虑常规强度问题。表面半椭圆裂纹的应力强度因子K严1.13亟a裂纹深度，b裂纹半宽度,0的值由下表查得%a/b00.10,2r0. 30.4
9、050. 60.70. 80.91.001.01.0161.0511. 097L 151L2111.27713451.4181. 493KT26本讲内容1断裂准则断裂韧性及其影响因素4断裂准则的工程应用线弹性断裂力学的适用范围28线弹性断裂力学的应用范围线弹性断裂力学基于线弹性理论建立大多数金属材料在裂纹尖端发生屈服，并不完全服从线弹性理论在什么情况下可以应用线弹性断裂力学? 求解精度限制 破坏机理的限制求解精度要求31#K只适用于描述裂纹尖端的应力应变场强度，即只适用于厂TO 的情况。误差随ria的增大而增大。近似解与精确解之比e随ria的变化关系（经典I型）#r/a0.20.1e0.870.930.070.050.020.950.960.9832jor其他裂纹形式综合各种情况， 为了保证求解精 度，一般要求：< 0.02 2a -L 5-w一 20Or 02h 5R型拉韩试件2 三点弯曲衆也单边製纹板拉伸4.中心裂竝无限大板的拉伸线弹性断裂力学只能适应于塑性区以外的区域由于的G形状和大小均由的一应力场决定。所以在小 范围屈服的前提下，将乙内的区域称为K主导区，在这 个区域内线弹性断裂力学的结果是可用的。线弹性断裂力学适用的前提条件5 / 。0力29
第04讲：断裂准则及其应用
