《材料物理性能》课程教学资源（PPT课件）第三章 无机材料的断裂及裂纹扩展

第三章无机材料的断裂及裂纹扩展 ■强度反映的是材料内部裂纹扩展的宏观结 果。而裂纹扩展过程的细节相对于裂纹扩 展的结果，更为重要。一一针对材料进行 有效的组成与结构设计。 ■研究裂纹扩展过程的理论工具是断裂力学

◼ 强度反映的是材料内部裂纹扩展的宏观结 果。而裂纹扩展过程的细节相对于裂纹扩 展的结果，更为重要。——针对材料进行 有效的组成与结构设计。 ◼ 研究裂纹扩展过程的理论工具是断裂力学。 第三章 无机材料的断裂及裂纹扩展

上世纪40年代起，发生了一系列重大脆性断裂事敌 1940-1945,近千艘全焊接“自由轮”1000多次脆性破 坏事故，238艘完全破坏；1950，北极星导弹固体燃料 发动机壳体爆炸；1952，ESS0公司原油罐脆性倒塌等 事实表明：结构件中不可避免地存在宏 观裂纹，在低应力下脆性破坏正是这些 裂纹扩展的结果。 发展出新学科：断裂力学

事实表明：结构件中不可避免地存在宏 观裂纹，在低应力下脆性破坏正是这些 裂纹扩展的结果。 发展出新学科：断裂力学 上世纪40年代起，发生了一系列重大脆性断裂事故 1940-1945，近千艘全焊接“自由轮”1000多次脆性破 坏事故，238艘完全破坏；1950，北极星导弹固体燃料 发动机壳体爆炸；1952，ESSO公司原油罐脆性倒塌等

断裂力学简介 ■断裂力学是研究含裂纹物体的强度与裂纹 扩展规律的科学。 ■意义-阐明了宏观裂纹降低断裂强度的作用， 突出了缺陷对材料性能的重要影响

◼ 断裂力学是研究含裂纹物体的强度与裂纹 扩展规律的科学。 ◼ 意义-阐明了宏观裂纹降低断裂强度的作用， 突出了缺陷对材料性能的重要影响。 断裂力学简介

3.1断裂力学基本知识 一、裂纹系统的机械能释放率 图3.1柔度试验样品 图3.1

一、裂纹系统的机械能释放率 3.1 断裂力学基本知识 图3.1

3.1断裂力学基本知识 一、 裂纹系统的机械能释放率 P50,图3.1 试样伸长量u,外加载荷P,则：u=P, )为试样的柔度。 系统的弹性变形能为： =Pwaw-p天= 图3.1柔度试验样品

一、裂纹系统的机械能释放率 P50,图3.1 试样伸长量u，外加载荷P,则： ， 为试样的柔度。 系统的弹性变形能为： 3.1 断裂力学基本知识 u P =  2 2 0 1 1 ( ) ( ) 2 2 u E u W P u du P   = = = 

当裂纹在外力作用下发生δc的扩展时： (1)常力加载时：裂纹扩展过程中，外加载荷P始终保持 不变 Wp=PSu=P2SA 6WE=5p26 则总机械能变化量为：6(W-形，)p=-，p' (2)常位移加载，又称固定边界加载，指在裂纹扩展时， 系统δu=0,则 6W。=0 于是： 6(WE-Wp)=-P28A 2

当裂纹在外力作用下发生c的扩展时： （1）常力加载时：裂纹扩展过程中，外加载荷P始终保持 不变 则总机械能变化量为： （2）常位移加载，又称固定边界加载，指在裂纹扩展时， 系统u=0，则 于是： 1 2 ( ) 2 W W P E P P   − = − 0 WP  = 1 1 2 2 ( ) 2 2 E u    W P  = − = − 1 2 ( ) 2 W W P E P u   − = − 2    W P u P P = = 1 2 2   W P E =

可见：不同加载条件时，裂纹扩展δc时系统所释 放的机械能δw。-W)与加载系统具体情况无关。 所以： 定义裂纹扩展单位长度时系统的机械能释放率为： d(Ws-Wp)》 2dc 或将G定义为系统释放的机械能对开裂面积A (A=2c×厚度，厚度设为1)的导数， G= d(Wr-Wp) dA G单位为：Nm-1

可见：不同加载条件时，裂纹扩展c时系统所释 放的机械能 与加载系统具体情况无关。 所以： 定义裂纹扩展单位长度时系统的机械能释放率为： 或将G定义为系统释放的机械能对开裂面积A （A=2c × 厚度，厚度设为1）的导数， ( ) W W E P  − ( ) 2 E P d W W G dc − = − ( ) E P d W W G dA − = − G单位为：Nm-1

采用恒位移加载，简化为： Irwin-Kies公式：G- G 贤

采用恒位移加载，简化为： Irwin-Kies公式：G-λ ( ) E dW G dA = − G = 1 2 ( ) 2 p d P dA  1 2 ( ) ( ) 2 u u d dA  

二、裂纹尖端应力场强度 1、裂纹的扩展方式 掰开型（工型） 错开型（Ⅱ型） 撕开型（Ⅱ型）

1、裂纹的扩展方式 二、裂纹尖端应力场强度

(1)掰开型（I型)：在与裂纹面正交的拉 应力作用下，裂纹面沿垂直于拉应力方向产生 张开位移。低应力断裂的主要原因，主要研究 对象 ,(2)错开型（Ⅱ型)：在平行于裂纹面与裂 纹尖端线垂直的剪应力作用下，裂纹面沿剪应 力作用方向产生相对滑动。 （3)撕开型（Ⅲ型）：在平行于裂纹面与裂 纹尖端线的剪应力作用下，裂纹面沿剪应力作 用方向产生相对滑动

◼ （1）掰开型（Ⅰ型）：在与裂纹面正交的拉 应力作用下，裂纹面沿垂直于拉应力方向产生 张开位移。低应力断裂的主要原因，主要研究 对象 ◼ （2）错开型（Ⅱ型）：在平行于裂纹面与裂 纹尖端线垂直的剪应力作用下，裂纹面沿剪应 力作用方向产生相对滑动。 ◼ （3）撕开型（Ⅲ型）：在平行于裂纹面与裂 纹尖端线的剪应力作用下，裂纹面沿剪应力作 用方向产生相对滑动