陶瓷材料的機(jī)械性能-斷裂韌性

四、斷裂韌性材料的斷裂現(xiàn)象1940年美國(guó)塔柯姆大橋共振被毀

/v_show/id_XMTc1MDEyMjg0.html材料的斷裂現(xiàn)象1999年1月4日晚6時(shí)50分左右，彩虹橋整體垮塌，包括18名年輕武警戰(zhàn)士在內(nèi)的40人遇難。

四、斷裂韌性四、斷裂韌性巴哈馬籍油輪“威望號(hào)”斷裂沉沒(méi)過(guò)程材料的斷裂現(xiàn)象1988,aBoeing737failedafter19yearsofservice.Thefailurewascausedbyfatigue(multi-sitedamage).2009年12月22日，美國(guó)航空客機(jī)在牙買加金斯敦國(guó)際機(jī)場(chǎng)客機(jī)降落時(shí)沖出跑道后機(jī)身斷裂。四、斷裂韌性四、斷裂韌性19世紀(jì)30-40年代，英國(guó)鐵路車輛輪軸在軸肩處（應(yīng)力僅為0.4

ys）多次發(fā)生破壞；1954年1月,英國(guó)慧星(Comet)號(hào)噴氣客機(jī)墜入地中海（機(jī)身艙門拐角處開裂）；四、斷裂韌性1967年12月15日，美國(guó)西弗吉尼亞的PointPleasant橋倒塌，46人死亡；1980年3月27日，英國(guó)北海油田Kielland號(hào)鉆井平臺(tái)傾復(fù)；127人落水只救起89人；二次大戰(zhàn)期間，400余艘全焊接艦船斷裂。四、斷裂韌性四、斷裂韌性主要原因是由缺陷或裂紋導(dǎo)致的斷裂。因此，斷裂韌度是衡量脆性材料能否工程應(yīng)用的一個(gè)重要指標(biāo)。四、斷裂韌性低應(yīng)力斷裂：在靜強(qiáng)度足夠的情況下發(fā)生的斷裂。低應(yīng)力斷裂是由缺陷引起的，缺陷的最嚴(yán)重形式是裂紋。裂紋來(lái)源于材料本身的冶金缺陷或加工、制造、裝配及使用等過(guò)程的損傷。中心裂紋工程常見(jiàn)裂紋2asWBs邊裂紋ass表面裂紋2catss四、斷裂韌性思考：3.臨界裂紋尺寸如何確定？結(jié)構(gòu)中可以允許多大的初始裂紋？

有裂紋的構(gòu)件擴(kuò)展到發(fā)生破壞的少剩余壽命？1.裂紋是如何擴(kuò)展的？2.控制含裂紋結(jié)構(gòu)破壞與否的參量是什么？如何建立破壞（斷裂）判據(jù)？四、斷裂韌性斷裂力學(xué)就是在這種背景下發(fā)展起來(lái)的一門新型斷裂強(qiáng)度科學(xué)，是在承認(rèn)機(jī)件存在宏觀裂紋的前提下，建立了裂紋擴(kuò)展的各種新的力學(xué)參量，并提出了含裂紋體的斷裂判據(jù)和材料斷裂韌度。

四、斷裂韌性斷裂力學(xué)的研究?jī)?nèi)容包括:

裂紋尖端的應(yīng)力和應(yīng)變分析；建立新的斷裂判據(jù)；斷裂力學(xué)參量的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)定;

斷裂機(jī)制;

提高材料斷裂韌性的途徑等。四、斷裂韌性根據(jù)裂紋擴(kuò)展前裂紋根部是否有塑性變形，斷裂力學(xué)可分為:a)線彈性斷裂力學(xué)帶裂紋的線彈性體（Irwin,1957年）適用領(lǐng)域：脆性材料；*對(duì)塑性材料，要求裂紋頂端的塑性區(qū)與裂紋長(zhǎng)度相比很小，如屈服強(qiáng)度大于1200MPa的高強(qiáng)鋼；或厚截面的中強(qiáng)鋼(500~1200MPa)及低溫下的中、低強(qiáng)度鋼等。b)彈塑性斷裂力學(xué)（Rice，1968年）

塑性區(qū)不可忽略，有J積分和COD法等。本節(jié)在簡(jiǎn)要介紹斷裂力學(xué)基本原理的基礎(chǔ)上，著重討論線彈性條件下金屬斷裂韌性的意義、測(cè)試原理和影響因素。四、斷裂韌性4.0裂紋擴(kuò)展的臨界條件英國(guó)科學(xué)家葛里菲斯(A.A.Griffith)對(duì)玻璃等材料進(jìn)行了一系列試驗(yàn)后，于1920年提出脆性材料的斷裂理論。他指出：脆性材料的斷裂破壞是由于已經(jīng)存在的裂紋擴(kuò)展的結(jié)果，斷裂強(qiáng)度取決于施加載荷前就存在于材料中的裂紋的大小，或者說(shuō)斷裂強(qiáng)度取決于使其中的裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的應(yīng)力。當(dāng)外力所作的功（應(yīng)變能）剛剛大于裂紋擴(kuò)展形成新表面所需的表面能時(shí)，裂紋將自動(dòng)擴(kuò)展而斷裂。據(jù)此，他對(duì)一個(gè)受均勻拉伸的無(wú)限大彈性板中的一個(gè)貫穿橢圓裂紋，導(dǎo)出如下公式：式中:σc----斷裂應(yīng)力，E----彈性模量，a----裂紋長(zhǎng)度之半，r----表面能。這個(gè)公式稱為葛里菲斯公式。它成功地解釋了為什么實(shí)際晶體的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度。四、斷裂韌性4.0裂紋擴(kuò)展的臨界條件由于許多表觀脆性材料在斷裂前裂紋頂端均已產(chǎn)生了顯著的塑性變形，而為此所消耗的功遠(yuǎn)大于裂紋產(chǎn)生新表面需要的表面能，于是歐文和奧萬(wàn)對(duì)葛氏公式進(jìn)行了修正，各自獨(dú)立提出：式中：rp——裂紋擴(kuò)展單位面積所需的塑性變形功。這個(gè)理論稱為歐文-奧羅萬(wàn)理論。某些材料（如中強(qiáng)度鋼）之P值比值大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)這些材料?？珊雎圆挥?jì)。葛里菲斯、歐文-奧羅萬(wàn)理論是斷裂力學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。四、斷裂韌性4.0裂紋擴(kuò)展的臨界條件從能量角度去理解四、斷裂韌性4.0裂紋擴(kuò)展的臨界條件a.將一單位厚度的薄板拉長(zhǎng)到，此時(shí)板中儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能為:b.人為地在板上割出一條長(zhǎng)度為2c的裂紋，產(chǎn)生兩個(gè)新表面，此時(shí)，板內(nèi)儲(chǔ)存的應(yīng)變能為:從能量角度去理解四、斷裂韌性4.0裂紋擴(kuò)展的臨界條件d.欲使裂紋擴(kuò)展，應(yīng)變能降低的數(shù)量應(yīng)等于形成新表面所需的表面能。

由彈性理論，人為割開長(zhǎng)2c的裂紋時(shí)，平面應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)變能的降低為：c.應(yīng)變能降低從能量角度去理解四、斷裂韌性4.0裂紋擴(kuò)展的臨界條件如為厚板，則屬于平面應(yīng)變狀態(tài)，則，產(chǎn)生長(zhǎng)度為2c，厚度為1的兩個(gè)新斷面所需的表面能為：式中為單位面積上的斷裂表面能，單位為。從能量角度去理解四、斷裂韌性4.0裂紋擴(kuò)展的臨界條件

裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，單位面積所釋放的能量為，形成新的單位表面積所需的表面能為，因此，

當(dāng)＜時(shí)，為穩(wěn)定狀態(tài)，裂紋不會(huì)擴(kuò)展；

當(dāng)＞時(shí)，裂紋失穩(wěn)，擴(kuò)展;四、斷裂韌性4.0裂紋擴(kuò)展的臨界條件四、斷裂韌性4.1裂紋的應(yīng)力分析4.1.1裂紋體的三種變形模式(1)Ⅰ型或張開型外加拉應(yīng)力與裂紋面垂直，使裂紋張開，即為Ⅰ型或張開型(壓力筒中的軸向裂紋）。四、斷裂韌性4.1裂紋的應(yīng)力分析4.1.1裂紋體的三種變形模式(2)Ⅱ型或滑開型外加切應(yīng)力平行于裂紋面并垂直于裂紋前緣線，即為Ⅱ型或滑開型（輪齒或花鍵根部沿切線方向的裂紋，或受扭轉(zhuǎn)的薄壁圓筒上的環(huán)形裂紋）。四、斷裂韌性4.1裂紋的應(yīng)力分析4.1.1裂紋體的三種變形模式(3)Ⅲ型或撕開型外加切應(yīng)力既平行于裂紋面又平行于裂紋前緣線，即為Ⅲ型或撕開型（圓軸上有一環(huán)形切槽，受到扭轉(zhuǎn)作用引起的斷裂形式）四、斷裂韌性4.1裂紋的應(yīng)力分析4.1.1裂紋體的三種變形模式

工程中最常見(jiàn)的、危害最大的是I型裂紋。四、斷裂韌性4.1.2裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)分布crackxyZ

r

yy

xx

xy4.1裂紋的應(yīng)力分析1957年lrwin應(yīng)用彈性力學(xué)的應(yīng)力場(chǎng)理論對(duì)裂紋尖端附近的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了分析，對(duì)Ⅰ型裂紋得到如下結(jié)果。四、斷裂韌性KI為與外加應(yīng)力、裂紋長(zhǎng)度c、裂紋種類和受力狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)，稱為應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，其下標(biāo)I表示裂紋擴(kuò)展類型為I型；單位為4.1.2裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)分布4.1裂紋的應(yīng)力分析應(yīng)力強(qiáng)度因子：反映裂紋尖端彈性應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量它綜合反映了外加應(yīng)力、裂紋長(zhǎng)度對(duì)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的影響。四、斷裂韌性4.1.2裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)分布4.1裂紋的應(yīng)力分析兩個(gè)特例：1）裂紋延長(zhǎng)線上，θ=0

σy=σx=KI/(2πr)1/2（max）

τxy=0

裂紋最易沿x軸方向擴(kuò)展。2）裂紋內(nèi)表面，θ=180

σy，σx，τxy=0

裂紋內(nèi)表面不受力。四、斷裂韌性裂紋尖端附近的應(yīng)力分布由兩大因素決定①P點(diǎn)的位置(γ,θ)：②包括試樣的形狀、尺寸，裂紋的形狀、尺寸及位置，加荷方式及大小影響的參量KI，斷裂力學(xué)推出：4.1.2裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)分布4.1裂紋的應(yīng)力分析Y為幾何形狀因子，它和裂紋型式，試件幾何形狀有關(guān)。

四、斷裂韌性4.1.3應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KⅠ

4.1裂紋的應(yīng)力分析注：①KⅠ為與外加應(yīng)力大小、裂紋性質(zhì)(位置、長(zhǎng)度)等有關(guān)的復(fù)合力學(xué)參量，外應(yīng)力σ越大，裂紋寬度a越大，KⅠ越大——但并非力性指標(biāo)②裂紋尖端附近各固定點(diǎn)P(γ，θ)的應(yīng)力分量取決于KI，所以可把KI看成引起裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力。四、斷裂韌性4.1裂紋的應(yīng)力分析若干常用的應(yīng)力強(qiáng)度因子表達(dá)式4.1.3應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KⅠ

四、斷裂韌性4.2.1斷裂韌度KIC

4.2斷裂韌度KIc和斷裂K判據(jù)KI是決定應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱的一個(gè)復(fù)合力學(xué)參量，就可將它看作是推動(dòng)裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力，以建立裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的力學(xué)判據(jù)與斷裂韌度。當(dāng)σ和a單獨(dú)或共同增大時(shí)，KI和裂紋尖端的各應(yīng)力分量隨之增大。當(dāng)KI增大到臨界值時(shí)，也就是說(shuō)裂紋尖端足夠大的范圍內(nèi)應(yīng)力達(dá)到了材料的斷裂強(qiáng)度，裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂。這個(gè)臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的KI值就記作KIC或KC，稱為斷裂韌度。四、斷裂韌性4.2.1斷裂韌度KIC

4.2斷裂韌度KIc和斷裂K判據(jù)KIC：平面應(yīng)變下的斷裂韌度，表示在平面應(yīng)變條件下材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。KC：平面應(yīng)力斷裂韌度，表示平面應(yīng)力條件材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。但KC值與試樣厚度有關(guān)，當(dāng)試樣厚度增加，使裂紋尖端達(dá)到平面應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，斷裂韌度趨于一個(gè)穩(wěn)定的最低值，就是KIC，與試樣厚度無(wú)關(guān)。在臨界狀態(tài)下所對(duì)應(yīng)的平均應(yīng)力，稱為斷裂應(yīng)力或裂紋體斷裂強(qiáng)度，記為σc，對(duì)應(yīng)的裂紋尺寸稱為臨界裂紋尺寸，記作ac。KIC和KC的區(qū)別四、斷裂韌性4.2.1斷裂韌度KIC

4.2斷裂韌度KIc和斷裂K判據(jù)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI增大到臨界值KIC時(shí)，材料發(fā)生斷裂，這個(gè)臨界值KIC稱為斷裂韌度。KI是力學(xué)參量，與載荷、試樣尺寸有關(guān)，而和材料本身無(wú)關(guān)。KIC是力學(xué)性能指標(biāo)，只與材料組織結(jié)構(gòu)、成分有關(guān)，與試樣尺寸和載荷無(wú)關(guān)。根據(jù)KI和KIC的相對(duì)大小，可以建立裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展脆斷的斷裂K判據(jù)，由于平面應(yīng)變斷裂最危險(xiǎn)，通常以KIC為標(biāo)準(zhǔn)建立：KIC和KC的區(qū)別四、斷裂韌性4.2.2裂紋尖端的塑性區(qū)及小范圍屈服的修正4.2斷裂韌度KIc和斷裂K判據(jù)當(dāng)r→0(越靠近裂紋尖端)，r→∞；而實(shí)際上，σ→∞是不可能的，為什么？金屬材料都有一定的塑性，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到σs

時(shí)，材料因屈服而塑性變形。發(fā)生塑性變形的區(qū)域即塑性區(qū)。裂紋尖端的高應(yīng)力是塑性區(qū)產(chǎn)生和擴(kuò)大的真正原因。張開型裂紋端部的塑性區(qū)大小表達(dá)式四、斷裂韌性4.2.2裂紋尖端的塑性區(qū)及小范圍屈服的修正4.2斷裂韌度KIc和斷裂K判據(jù)裂紋尖端塑性區(qū)的大小和形狀實(shí)際上，構(gòu)件從表面到中心的約束不一樣，即使內(nèi)部呈平面應(yīng)變狀態(tài)，其表面也總是處于平面應(yīng)力狀態(tài)。厚板在平面應(yīng)變條件下，塑性區(qū)是一個(gè)啞鈴形的立體形狀。中心是平面應(yīng)變狀態(tài)，兩個(gè)表面都處于平面應(yīng)力狀態(tài)，所以y向有效屈服應(yīng)力σys小于2.5σs，取：四、斷裂韌性4.2.2裂紋尖端的塑性區(qū)及小范圍屈服的修正4.2斷裂韌度KIc和斷裂K判據(jù)裂紋尖端塑性區(qū)的大小和形狀為了說(shuō)明塑性區(qū)對(duì)裂紋在x方向擴(kuò)展的影響，就將沿x方向的塑性區(qū)尺寸定義為塑性區(qū)寬度，取θ=0，就可以得到塑性區(qū)寬度：四、斷裂韌性4.2.2裂紋尖端的塑性區(qū)及小范圍屈服的修正4.2斷裂韌度KIc和斷裂K判據(jù)裂紋尖端塑性區(qū)的修正當(dāng)彈性應(yīng)力超過(guò)材料有效屈服強(qiáng)度σys，產(chǎn)生塑性變形，使應(yīng)力重新分布。其原始塑性區(qū)就是上式所表示的r0。在塑性區(qū)r0范圍內(nèi)如不考慮形變強(qiáng)化，其應(yīng)力可視為恒定，則高出σys的部分勢(shì)必要發(fā)生應(yīng)力松馳。應(yīng)力松馳的結(jié)果，使原屈服區(qū)外的周圍彈性區(qū)的應(yīng)力升高，相當(dāng)于BC線向外推移到EF位置。四、斷裂韌性4.2.2裂紋尖端的塑性區(qū)及小范圍屈服的修正4.2斷裂韌度KIc和斷裂K判據(jù)裂紋尖端塑性區(qū)的修正應(yīng)力松馳的結(jié)果使塑性區(qū)從r0

擴(kuò)大到R0。當(dāng)塑性區(qū)一經(jīng)產(chǎn)生并且修正之后，原來(lái)裂紋頂端的應(yīng)力分布已經(jīng)改變。原來(lái)的應(yīng)力分布為DBC線，現(xiàn)改變?yōu)锳BEF線。此時(shí)便產(chǎn)生了如下的問(wèn)題：（1）線彈性力學(xué)是否還適用？（2）在什么條件下才能近似地運(yùn)用？（3）此時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度因子該如何計(jì)算？四、斷裂韌性4.2.2裂紋尖端的塑性區(qū)及小范圍屈服的修正4.2斷裂韌度KIc和斷裂K判據(jù)裂紋尖端塑性區(qū)的修正Irwin認(rèn)為：若裂紋頂端塑性區(qū)尺寸遠(yuǎn)小于裂紋尺寸(r0/a<1/10)，這時(shí)稱為小范圍屈服。在這種情況下，只要將線彈性斷裂力學(xué)得出的公式稍加修正，就可以獲得工程上可以接受的結(jié)果?；诖讼敕ǎ琁rwin提出了等效裂紋的概念。四、斷裂韌性4.2.2裂紋尖端的塑性區(qū)及小范圍屈服的修正4.2斷裂韌度KIc和斷裂K判據(jù)裂紋尖端塑性區(qū)的修正裂紋頂端的彈性應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度后，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力松弛。應(yīng)力松馳可以有兩種方式：一種是通過(guò)塑性變形一種是通過(guò)裂紋擴(kuò)展四、斷裂韌性4.2.2裂紋尖端的塑性區(qū)及小范圍屈服的修正4.2斷裂韌度KIc和斷裂K判據(jù)裂紋尖端塑性區(qū)的修正若認(rèn)為這兩種應(yīng)力松馳的方式等效，可設(shè)想裂紋的長(zhǎng)度增加了，由原來(lái)的長(zhǎng)度a增加到a’=a+ry，而裂紋頂端的原點(diǎn)由O點(diǎn)移動(dòng)了ry的距離到達(dá)O’點(diǎn)。這一模型就稱為Irwin等效裂紋模型。

a’=a+ry——等效裂紋長(zhǎng)度四、斷裂韌性4.2.2裂紋尖端的塑性區(qū)及小范圍屈服的修正4.2斷裂韌度KIc和斷裂K判據(jù)裂紋尖端塑性區(qū)的修正O’點(diǎn)以外的彈性應(yīng)力分布曲線為GEH，與線彈性斷裂力學(xué)分析結(jié)果符合。而EF段則與實(shí)際應(yīng)力分布曲線重合。因此，線彈性斷裂力學(xué)的分析仍然有效。四、斷裂韌性4.2.2裂紋尖端的塑性區(qū)及小范圍屈服的修正4.2斷裂韌度KIc和斷裂K判據(jù)裂紋尖端塑性區(qū)的修正對(duì)等效裂紋來(lái)說(shuō)，仍以無(wú)限寬板含中心穿透裂紋問(wèn)題為例，其應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)成為：計(jì)算表明，修正量ry等于應(yīng)力松馳以后的塑性區(qū)寬度R0的一半，即：四、斷裂韌性4.2.2裂紋尖端的塑性區(qū)及小范圍屈服的修正4.2斷裂韌度KIc和斷裂K判據(jù)裂紋尖端塑性區(qū)的修正四、斷裂韌性4.3平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測(cè)定平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測(cè)定具有更嚴(yán)格的技術(shù)規(guī)定。這些規(guī)定是根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)的理論提出的。

在臨界狀態(tài)下，塑性區(qū)尺寸正比于(KIC/σ0.2)2。KIC值越高，則臨界塑性區(qū)尺寸越大。

測(cè)定KIC時(shí)，為保證裂紋尖端塑性區(qū)尺寸遠(yuǎn)小于周圍彈性區(qū)的尺寸，即小范圍屈服并處于平面應(yīng)變狀態(tài)，故對(duì)試件的尺寸作了嚴(yán)格的規(guī)定。四、斷裂韌性4.3平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測(cè)定4.3.1測(cè)試原理斷裂韌度KIC是金屬材料在平面應(yīng)變和小范圍屈服條件下裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI的臨界值，它表征金屬材料抵抗斷裂的能力，是度量材料韌性好壞的一個(gè)定量指標(biāo)。斷裂韌度KIC的測(cè)試過(guò)程，就是把試驗(yàn)材料制成一定形狀的試樣，并預(yù)制出相當(dāng)于缺陷的裂紋，然后把試樣加載。加載過(guò)程中，連續(xù)記錄載荷P與相應(yīng)的裂紋尖端張開位移V。裂紋尖端張開位移V的變化表示了裂紋尚未起裂、已經(jīng)起裂、穩(wěn)定擴(kuò)展或失穩(wěn)擴(kuò)展的情況。四、斷裂韌性4.3平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測(cè)定4.3.1測(cè)試原理當(dāng)裂紋起裂失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)，記錄下載荷PQ，再將試樣壓斷，測(cè)得預(yù)制裂紋長(zhǎng)度a，代入裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子K的表達(dá)式中得到臨界值，記做KQ，然后按一些規(guī)定判斷KQ是不是真正的KIC；如果不符合判別要求，則KQ仍不是KIC，需要重做。四、斷裂韌性4.3平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測(cè)定4.3.1測(cè)試原理根據(jù)“GB4161-84金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度試驗(yàn)方法”的規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試樣的KQ表達(dá)式為：—臨界荷載，B—試樣厚度，S—跨距，W—試樣寬度，

a—裂紋長(zhǎng)度。四、斷裂韌性4.3平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測(cè)定4.3.1測(cè)試原理—臨界荷載，B—試樣厚度，W—試樣寬度，a—裂紋長(zhǎng)度。這兩種試樣的值，都是用邊界配位方法計(jì)算得到的。

GB4161—84中還給出了C形拉伸試樣和圓形緊湊拉伸試樣的表達(dá)式。標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸試樣的表達(dá)式為：四、斷裂韌性4.3平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測(cè)定4.3.1測(cè)試原理標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，測(cè)得的KQ是否有效，要看是否滿足以下兩個(gè)條件：如果符合上述兩項(xiàng)條件，KQ即KIC；如不符合，則KQ不是KIC，須加大試樣尺寸，重新實(shí)驗(yàn)。試樣厚度B：

估計(jì)值四、斷裂韌性4.3平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測(cè)定4.3.2樣品尺寸KK1cBKc

平面應(yīng)變區(qū)四、斷裂韌性4.3平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測(cè)定4.3.2樣品尺寸裂紋尖端附近的材料處于三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)下。如果試樣足夠厚，在厚度方向上平面應(yīng)力區(qū)所占比例很小，裂紋前緣較大地區(qū)處于平面應(yīng)變狀態(tài)，這時(shí)可近似認(rèn)為試樣處在平面應(yīng)變條件下，才可能測(cè)出穩(wěn)定的值。如果試樣很薄，表面的平面應(yīng)力層占了主導(dǎo)地位，試樣就處于平面應(yīng)力條件下了。這時(shí)測(cè)不出穩(wěn)定正確的值。四、斷裂韌性4.3平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測(cè)定4.3.2樣品尺寸三點(diǎn)彎曲試樣緊湊拉伸試樣按標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(如GB4161-84)四、斷裂韌性4.3平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測(cè)定4.3.2樣品尺寸試樣制備切出試樣：線切割或?qū)Ｓ玫镀?/p>

開缺口：80-100um

預(yù)制裂紋：試樣表面上的裂紋長(zhǎng)度應(yīng)不小于0.25w或1.3mm，取其中之較大值。a/w應(yīng)控制在0.45~0.55范圍內(nèi)。預(yù)制疲勞裂紋時(shí)，先在試樣的兩個(gè)側(cè)面上垂直于裂紋擴(kuò)展方向用鉛筆或其他工具畫兩條標(biāo)線，其中標(biāo)線AB與0.5w相對(duì)應(yīng)，標(biāo)線CD在靠近缺口一側(cè)，兩條標(biāo)線間的距離應(yīng)不小于缺口加疲勞裂紋總長(zhǎng)度的2.5%，即0.0125w。緊湊拉伸按標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(如GB4161-84)四、斷裂韌性4.3平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測(cè)定4.3.3實(shí)驗(yàn)方法X-Y記錄儀PVPP試件試驗(yàn)機(jī)放大器力傳感器輸出P引伸計(jì)輸出V

監(jiān)測(cè)載荷P、裂紋張開位移V，得到試驗(yàn)P-V曲線，確定裂紋開始擴(kuò)展時(shí)的載荷PQ和裂紋尺寸a，代入應(yīng)力強(qiáng)度因子表達(dá)式，即可確定KIC。四、斷裂韌性4.3平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測(cè)定4.3.3實(shí)驗(yàn)方法四、斷裂韌性4.3平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測(cè)定4.3.3實(shí)驗(yàn)方法(1)

σc的確定:利用載荷－施力點(diǎn)位移曲線確定破斷時(shí)的最大載荷Ⅰ：韌性試樣或尺寸較??；Ⅱ：試樣較韌或尺寸中等；Ⅲ：試樣較脆或尺寸較大；四、斷裂韌性4.3平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測(cè)定4.3.4結(jié)果分析——需確定σc、acⅠ：表面塑性變形層較大，曲線無(wú)亞臨界擴(kuò)展平臺(tái)Ⅱ：裂紋尖端先失穩(wěn)擴(kuò)展，而表面層塑性變形，拖曳住心部裂紋的擴(kuò)展，需加大載荷才能斷裂Ⅲ：滿足線彈性條件，最大破斷載荷對(duì)應(yīng)于裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的σc

亞臨界擴(kuò)展平臺(tái)四、斷裂韌性4.3平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測(cè)定4.3.4結(jié)果分析——需確定σc、ac比照屈服強(qiáng)度測(cè)定方法引入FQ(條件裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展載荷)裂紋有效擴(kuò)張相對(duì)增量△a/a0為2％時(shí)的載荷值——FQ

存在亞臨界擴(kuò)展平臺(tái)時(shí)作比F-V線性部分斜率小5%的直線，交F-V于F5。若在F5前無(wú)載荷大于F5，則取FQ=F5；若在F5前有載荷大于F5，則取該載荷為FQ。四、斷裂韌性4.3平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測(cè)定4.3.4結(jié)果分析——需確定σc、ac——需確定σc、ac這時(shí)曲線最大載荷就是計(jì)算KIC的PQ標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定從坐標(biāo)原點(diǎn)做比試驗(yàn)曲線斜率小5％的斜線與試驗(yàn)曲線相交，得一點(diǎn)F5，如F5以左曲線上有載荷點(diǎn)高于F5的，即以F5以左得最高載荷為PQ；如F5以左無(wú)載荷點(diǎn)高于F5，即以F5為PQ，以計(jì)算KQ四、斷裂韌性4.3平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測(cè)定4.3.4結(jié)果分析裂紋尺寸a的確定:顯微鏡測(cè)量機(jī)械切口疲勞裂紋斷裂區(qū)四等分厚度，用工具顯微鏡量取五個(gè)處裂紋尺寸，取

a=(a2+a3+a4)/3;為保證裂紋的平直度，還要求滿足：[a-(a1+a5)/2]

0.1a四、斷裂韌性4.3平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測(cè)定4.3.4結(jié)果分析標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，測(cè)得的KQ是否有效，要看是否滿足以下兩個(gè)條件：如果符合上述兩項(xiàng)條件，KQ即KIC；如不符合，則KQ不是KIC，須加大試樣尺寸，重新實(shí)驗(yàn)。四、斷裂韌性4.3平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測(cè)定4.3.4結(jié)果分析四、斷裂韌性思考題：

用B=30mm的標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試件測(cè)斷裂韌性，線切割尺寸為a’=30mm。試驗(yàn)測(cè)得PQ=56kN,Pmax=60.5kN；裂紋尺寸測(cè)量結(jié)果為31.8mm,31.9mm,32.15mm,31.95mm,31.9mm；若已知材料的

0.2=905MPa,試確定其K1c。作業(yè)：10陶瓷的燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力；11陶瓷燒結(jié)過(guò)程中的物質(zhì)傳遞方式及特點(diǎn)；12影響陶瓷燒結(jié)的參數(shù)及影響機(jī)理；13提高燒結(jié)致密度的途徑及機(jī)理；14幾種特色燒結(jié)方法及機(jī)理；三、斷裂韌性3.3裂紋擴(kuò)展能量釋放率G及斷裂韌度GIC從能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，研究裂紋擴(kuò)展力學(xué)條件及斷裂韌度。3.3.1裂擴(kuò)展時(shí)能量轉(zhuǎn)換關(guān)系裂紋擴(kuò)展阻力：塑性功＋表面能裂紋擴(kuò)展動(dòng)力，為系統(tǒng)提供能量三、斷裂韌性3.3裂紋擴(kuò)展能量釋放率G及斷裂韌度GIC從能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，研究裂紋擴(kuò)展力學(xué)條件及斷裂韌度。3.3.2裂紋擴(kuò)展能量釋放率GIU=Ue-W系統(tǒng)能量量綱為能量的量綱MJ·m-2

當(dāng)裂紋長(zhǎng)度為a，裂紋體的厚度為B時(shí)令B=1物理意義：GI為裂紋擴(kuò)展單位長(zhǎng)度時(shí)系統(tǒng)勢(shì)能的變化率。又稱，GI為裂紋擴(kuò)展力。MN·m-1。三、斷裂韌性3.3裂紋擴(kuò)展能量釋放率G及斷裂韌度GIC從能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，研究裂紋擴(kuò)展力學(xué)條件及斷裂韌度。3.3.3斷裂韌度GIC和斷裂GI判據(jù)即將因失穩(wěn)擴(kuò)展而斷裂，所對(duì)應(yīng)的平均應(yīng)力為σc；對(duì)應(yīng)的裂紋尺寸為ac

GI≥GIC

裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展條件三、斷裂韌性3.3裂紋擴(kuò)展能量釋放率G及斷裂韌度GIC從能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，研究裂紋擴(kuò)展力學(xué)條件及斷裂韌度。3.3.4GIC與KIC的關(guān)系

同KI和KIC的區(qū)別一樣，GIC也是材料的性能指標(biāo)，只和材料成分、組織結(jié)構(gòu)有關(guān)；而GI則是力學(xué)參量，主要決定于外應(yīng)力和裂紋尺寸。三、斷裂韌性只要滿足小范圍屈服和平面應(yīng)變條件，斷裂韌度就不再與試樣或結(jié)構(gòu)的幾何形狀有關(guān)，而僅為材料的常數(shù)。它表征材料所固有的平面應(yīng)變裂紋擴(kuò)展抗力。由于它代表了實(shí)際結(jié)構(gòu)中最常見(jiàn)和最危險(xiǎn)的裂紋頂端約束情況，所以平面應(yīng)變斷裂韌度（PlaneStrainFractureToughness）在安全設(shè)計(jì)中有重要地位。斷裂力學(xué)設(shè)計(jì)條件：常規(guī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)條件：三、斷裂韌性裂紋尖端附近的材料處于三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)下。但是在試樣表面處，，處于平面應(yīng)力狀態(tài)。三、斷裂韌性裂紋尖端附近的材料處于三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)下。如果試樣足夠厚，在厚度方向上平面應(yīng)力區(qū)所占比例很小，裂紋前緣較大地區(qū)處于平面應(yīng)變狀態(tài)，這時(shí)可近似認(rèn)為試樣處在平面應(yīng)變條件下，才可能測(cè)出穩(wěn)定的值。如果試樣很薄，表面的平面應(yīng)力層占了主導(dǎo)地位，試樣就處于平面應(yīng)力條件下了。這時(shí)測(cè)不出穩(wěn)定正確的值。三、斷裂韌性因此，并非任何尺寸試樣破斷時(shí)的KⅠ都是KⅠC

實(shí)驗(yàn)