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材料的斷裂韌度和速度之間的關系

來源：   日期：2014-10-13 14:19:31   瀏覽次數：

雖然材料的斷裂韌度和加載條件、試樣類型、試樣尺寸等條件無關，但是它和試驗的溫度和加載速度是有直接關系的。靜載下斷裂韌度和動載下斷裂韌度是完全不同的，動載時材料的斷裂韌度比靜載時的低很多，即材料趨于脆性。當相對沖擊速度很大時，材料的斷裂韌度只是靜載時的百分之一，甚至是萬分之一。例如，爆炸時產生的速度十分大，此時材料的斷裂韌度就相對于靜載時小很多。
并不是所有的材料對速度都具有敏感性，一般情況下，中、低強度鋼對速度的敏感性較大，而高強度材料的速度敏感性要小很多，即高強度材料的斷裂韌度隨速度變化而變化的幅度很小。
在沖擊載荷作用下，材料開始生成裂紋并進一步擴展，隨著裂紋的擴展，如果裂紋擴展的動力小于擴展的阻力(即材料的斷裂韌度)，裂紋就會停止擴展，這就是止裂。一些工程構件中，各部分的受力情況不同，材料的斷裂韌度也不一樣。當生成的裂紋從韌度低的元件擴展到韌度高的元件或者從韌度低的部分擴展到韌度高的部分時.由于阻力升高，又可能使裂紋停止擴展。另外一些構件由于結構剛度的影響，當裂紋擴展時，局部應力下降，擴展力隨之下降，小于阻力從而止裂。
裂紋擴展時消耗的能量就是裂紋擴展的阻力(斷裂韌度)。設裂紋擴展單位長度(或者單位面積)所需要克服的阻力為R，使裂紋擴展的動力來源于外力做功的增壁dW以及體內釋放出來的彈性應變能一dE，裂紋擴展單位長度(或單位面積)所需的能量為G，則有:
一般來說，隨著裂紋的擴展，阻力R會逐漸增大。為了簡化問題我們假設R和裂紋擴展量-無關。擴展動力G總是和裂紋長度有關的，如果在靜態條件下有:
當封切機剪切條件(即包裝的直徑和載荷力)確定后，封切機剪切作用力即可以確定。:可以認為是確定的，那么‘正比于a，它是經過原點的一條直線(a二0)。
隨著裂紋的擴展，如果動力增長率AG大于或等于阻力增長率AR，則裂紋就會因為失穩而擴展。所以，裂紋失穩擴展的臨界點為
即臨界點是‘曲線和R曲線的切點。當阻力(斷裂韌度)為常數時，在圖像上表現為一條水平線，G是過原點的一條直線。臨界點就是兩者的交點A點。在臨界點有:
R=G二G
我們可以發現，超過臨界點A后，隨著裂紋的進一步擴展，裂紋擴展的推動力G>R=G。這表明，經過臨界點A后，動力‘在克服阻力從而使裂紋穩定擴展外，還有剩余能量(G一R)。這部分能量將變成裂紋的動能，從而使裂紋加速擴展。阻力使裂紋前進。由此可知，材料的斷裂韌度(即裂紋擴展阻力R)也是和速度密切相關的。K}是材料在靜載作用時的斷裂韌度，但是在實際的加工中，高速時的斷裂韌度的實驗結果Kd遠比靜載時的斷裂韌度K.要小。Kd的值很難用理論方法確定，一般情況下它的fli由實驗確定，但由于封切機高速載荷作用時間比較短暫，給實驗的測魷增加了難度，所以，Kd值的精度也很差。 低碳鋼的一些實驗數據。從圖上我們可以看出，材料的動態斷裂韌度隨速度的增加而有所減小，但幅度不大。當速度達到某一值時，材料的動態斷裂韌度接近最低。隨后當速度進一步增加時，斷裂韌度反而逐漸增加，而且增加幅度很快。根據這些數據，封切機剪切速度大約在5m/s時，材料的斷裂韌度值最小，如果在此速度下進行封切機剪切，棒料的脆性斷裂程度加大，塑性斷裂減少，斷面質量應該較好。