3材料的斷裂.ppt

1、1，3材料的斷裂、2，Mg-Zn-Y合金軋制后的拉伸斷裂形態(tài)、3、不同AlTiC含量的鑄片ZW61合金的拉伸斷裂形態(tài)、4、ECAP不同路徑變形8道次后的合金的拉伸斷裂形態(tài)、5，6，7，8，27，28，29，30，31，32，33 為了防止構(gòu)件斷裂和變形故障，傳統(tǒng)的安全設(shè)置修正思想主要是從負(fù)荷和使用材料的強(qiáng)度水平的選擇出發(fā)，根據(jù)通常的強(qiáng)度理論，如果滿足構(gòu)件的服務(wù)應(yīng)力和材料強(qiáng)度：(低塑性材料)、(塑性材料)、三、斷裂強(qiáng)度、52， 隨著生產(chǎn)的發(fā)展，相繼報(bào)道了根據(jù)通常的設(shè)定修訂思想修訂的符合通常標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備零件的斷裂事故：例如，二戰(zhàn)中，建造了2500艘船舶，其中700艘發(fā)生了重大的破壞事故，145艘在非

2、軍事行為條件下被斷裂成兩半， 其中美國(guó)的T-2油輪在停泊港口時(shí)突然被分成兩段，甲板應(yīng)力僅為7kg/的另一個(gè)典型事例是1950年美國(guó)北極星導(dǎo)彈固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)箱在試驗(yàn)時(shí)爆炸，其使用材料為D6AC鋼，屈服強(qiáng)度為1400MPa，但爆炸時(shí)的53、斷裂力學(xué)最早的理論可以追溯到1920年，為了研究玻璃、陶瓷等脆性材料的實(shí)際強(qiáng)度低于理論強(qiáng)度的原因，Griffith提出了在固體材料中或材料運(yùn)行中是否存在裂紋的設(shè)想，當(dāng)裂紋存在時(shí)，板狀該理論非常成功地解釋了玻璃等脆性材料的裂紋現(xiàn)象，但由于在金屬材料上的應(yīng)用不成功，且當(dāng)時(shí)金屬材料的低應(yīng)力破壞事故不明顯，長(zhǎng)期以來(lái)沒(méi)有引起人們的重視。 54、1949年E.Orowan在

3、分析金屬構(gòu)件破壞現(xiàn)象后，對(duì)Griffith式提出了修正。 他認(rèn)為破壞釋放出的應(yīng)變能不僅應(yīng)該轉(zhuǎn)化為表面能，還應(yīng)該轉(zhuǎn)化為裂紋尖端的塑性應(yīng)變能。 而且塑性應(yīng)變能遠(yuǎn)大于表面能，所以可以不考慮表面能的影響，但是還沒(méi)有超過(guò)經(jīng)典的Griffith式的范圍，而且和表面能一樣，變形功u也很難測(cè)定，所以這個(gè)式子實(shí)現(xiàn)了工程上的應(yīng)用55、斷裂力學(xué)理論的重大突破取決于Irwin應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子概念的提出和隨后斷裂韌性概念的形成。 1957年，Irwin應(yīng)用H.M.Westergaard在1939年提出的求解平面問(wèn)題的應(yīng)力函數(shù)，解決了具有滲透性裂紋的空間大平板二相拉伸的應(yīng)力問(wèn)題，導(dǎo)入應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子k的概念，并在此基礎(chǔ)上形成

4、斷裂韌性的概念，提出了測(cè)定材料斷裂韌性的試驗(yàn)技術(shù)56、根據(jù)應(yīng)用力學(xué)，從宏觀現(xiàn)象研究材料的應(yīng)力應(yīng)變情況，進(jìn)行力學(xué)分析，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，作為修訂、使用材料的依據(jù)，這是力學(xué)工作者的任務(wù)。 從材料的微觀結(jié)構(gòu)研究材料的力學(xué)性狀，即研究材料的宏觀力學(xué)性能的微觀機(jī)理，找到改善材料性能的途徑，為工程修訂提供理論依據(jù)是材料科學(xué)的研究范圍。 57，1理論斷裂強(qiáng)度是分析材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)，想知道斷裂前材料能受到的最大應(yīng)力，即理論上材料的強(qiáng)度應(yīng)該有多高。 估計(jì)晶體材料理論強(qiáng)度的方法有好幾種，其中普遍應(yīng)用于雙原子作用力模型。 2原子作用力模型可知，為了使材料斷裂或使2原子分離，外力可以達(dá)到合力的最大值Fmax。 然后分析m

5、ax (即th的值)。58、原子間作用力根據(jù)原子距離而變化，以正弦曲線變化，對(duì)于其周期，施加應(yīng)力與原子間距離的增加值x的關(guān)系為，原子間約束力的曲線、59、正應(yīng)力僅引起材料的彈性變形和斷裂，設(shè)置于斷裂的脆性物體在斷裂時(shí)不發(fā)生塑性變形，因此沒(méi)有塑性變形的功當(dāng)外力拉動(dòng)物體時(shí)，物體中積蓄彈性應(yīng)變能，當(dāng)斷裂時(shí)，彈性應(yīng)變能釋放，變換為表面能，彈性應(yīng)變能僅在物體斷裂后產(chǎn)生新表面的表面能時(shí)才發(fā)生斷裂。 拉伸時(shí)兩原子間的彈性應(yīng)變能為應(yīng)力曲線以下的面積(圖中陰影部分)。 其應(yīng)變能密度為61，使能量與兩個(gè)新截面的表面能相等，作為每單位面積的表面能，由上式可知，理論斷裂強(qiáng)度與彈性模量、表面能、晶格常數(shù)等材料常數(shù)有關(guān)。

6、 可以獲得62，通常約，上式可以寫(xiě)為，更精確的修正指示上式的估計(jì)很高。 一般材料常數(shù)的典型數(shù)值，如果E=300GPa、的話，可進(jìn)行如下修正。 為了得到高強(qiáng)度的固體，要求e、大、a小。 實(shí)際材料中只有極細(xì)的纖維和晶須接近理論強(qiáng)度值，如：63，石英玻璃纖維強(qiáng)度達(dá)到24.1GPa，約為E/4。 碳化硅晶須的強(qiáng)度為6.47GPa，約為E/23。 氧化鋁晶須的強(qiáng)度為15.2GPa，約E/33。 但是，尺寸大的材料的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論值，在約E/100到E/1000的范圍內(nèi)，而且實(shí)際材料的強(qiáng)度總是在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，即使是相同材料在相同條件下制作的試驗(yàn)片，強(qiáng)度值也會(huì)變動(dòng)，試驗(yàn)片的尺寸大，強(qiáng)度低。 64、In

7、glis理論、英格蘭(Inglis )研究了有孔板的應(yīng)力集中問(wèn)題，一個(gè)重要結(jié)果是，孔的端部應(yīng)力與孔的形狀無(wú)關(guān)，基本取決于孔的長(zhǎng)度和端部的曲率半徑。 有孔的薄板應(yīng)力，65，在大薄板上，貫通孔，無(wú)論孔是橢圓還是菱形，只要孔的長(zhǎng)度(2C )和端部曲率半徑相同，a點(diǎn)的應(yīng)力差就不大。 他根據(jù)彈性理論求出a點(diǎn)的應(yīng)力a :發(fā)現(xiàn)c，即如果是扁平的尖裂紋，則C/大，此時(shí)可以省略式中括號(hào)內(nèi)的1，加上應(yīng)力，66，歐旺小時(shí)可以近似為與原子間距離a相同的級(jí)別。 裂紋擴(kuò)展的臨界條件是，即，68，Inglis僅考慮端部的微小應(yīng)力，而實(shí)際上裂紋端部的應(yīng)力狀態(tài)是復(fù)雜的。 Inglis理論的貢獻(xiàn)是看缺陷，說(shuō)明實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)

8、度的事實(shí)。 缺點(diǎn)：沿用傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論，引用現(xiàn)有的彈性力學(xué)應(yīng)力集中理論，將缺陷視為橢圓孔，不能討論裂紋型缺陷，因此用該破壞標(biāo)準(zhǔn)修正的結(jié)果不令人滿意。 69、Griffith微裂紋理論(1920年)，根據(jù)玻璃工業(yè)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，Griffith認(rèn)識(shí)到微裂紋對(duì)玻璃強(qiáng)度有很大的影響，從中得到啟發(fā)，材料的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度的原因是材料中微裂紋的1920年，Griffith稱：1)脆性材料存在微裂紋，由于外力，裂紋前端引起的應(yīng)力集中會(huì)使材料的斷裂強(qiáng)度大大降低；2 )對(duì)應(yīng)于一定尺寸的裂紋c，存在臨界應(yīng)力值c，施加應(yīng)力大于c時(shí)，裂紋迅速發(fā)展，材料斷裂；3 )裂紋Griffith分析了物體中存在的裂紋長(zhǎng)度對(duì)裂紋

9、應(yīng)力的影響，首次得到了脆性材料中的這種定量關(guān)系。70、臨界應(yīng)力、平面應(yīng)變狀態(tài)下的斷裂強(qiáng)度、上式2表示材料的抗斷裂能力，71、如果能控制裂紋長(zhǎng)度和原子間距離相同的量級(jí)，則可以使材料達(dá)到理論強(qiáng)度。 因此，制造高強(qiáng)度材料的措施是e大，裂紋尺寸c小。 相同材料大尺寸的材料比小尺寸的材料裂紋數(shù)多，因此大尺寸的材料的斷裂強(qiáng)度低，這就是材料強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)。 72、Griffith公式確立了工作應(yīng)力、裂紋長(zhǎng)度與材料性能常數(shù)的關(guān)系，說(shuō)明了脆性材料強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其理論強(qiáng)度的現(xiàn)象。 Griffith的裂紋脆性斷裂理論在陶瓷、玻璃等脆性材料上取得了很大的成功，但在用于金屬和非晶高分子化合物時(shí)存在新的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的斷裂強(qiáng)度比修正算大得多。 另外，在Griffith式的導(dǎo)出過(guò)程中，由于沒(méi)有考慮到物體在斷裂過(guò)程中塑性變形所消耗的塑性變形功，所以上述式只適用于脆性破壞和龜裂前端的塑性變形可以忽略的情況。 對(duì)于金屬材料來(lái)說(shuō)，斷裂時(shí)消耗的塑性變形功遠(yuǎn)大于材料斷裂時(shí)新表面的表面能(4-6位數(shù))，因此在Griffith公式提出30年后，Orowan對(duì)該公式進(jìn)行了修正。 73、Orowan理論(1949年)，Orowan在延性材料受力時(shí)產(chǎn)生塑性變形時(shí)消耗大量