力學(xué)性能2013-4

1、第4章材料的斷裂韌性引言：在長(zhǎng)期實(shí)踐和大量研究的基礎(chǔ)上，人們建立了各種機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法和規(guī)范 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和規(guī)范 ：工作應(yīng)力滿足其中n為安全系數(shù)。根據(jù)材料經(jīng)驗(yàn)，要求具有一定的塑性(,)，韌性(aKV，aKU, TK)，缺口敏感度qe 但是，高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)度鋼零件，中、低強(qiáng)度鋼的大型、重型機(jī)件如火箭、船舶、橋梁、壓力容器等，常常在工作應(yīng)力并不高，甚至遠(yuǎn)低于屈服極限的情況下，發(fā)生脆性斷裂現(xiàn)象，這就是所謂的低應(yīng)力脆斷 0.2nbnebq大量斷裂事例表明，低應(yīng)力脆斷是由于宏觀裂紋低應(yīng)力脆斷是由于宏觀裂紋的存在引起的的存在引起的但裂紋的存在是很難避免的，它可以在材料的生產(chǎn)和機(jī)件的加工過(guò)程中產(chǎn)生，如冶

2、金缺陷、鍛造裂紋、焊接裂紋、淬火裂紋、機(jī)械加工裂紋等，也可以在使用過(guò)程中產(chǎn)生，如疲勞裂紋、腐蝕裂紋等正是裂紋的存在破壞了材料相構(gòu)件的連續(xù)性和均勻性，使得傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法無(wú)法定量計(jì)算裂紋體的應(yīng)力和應(yīng)變因此，斷裂在很大程度上決定于裂紋萌生抗力和擴(kuò)展抗力， 斷裂韌性概念在斷裂力學(xué)理論中被提出，并提出來(lái)裂紋體的斷裂判據(jù)。 第1節(jié) 線彈性條件下的斷裂韌性斷裂韌性：材料阻礙裂紋擴(kuò)展的能力。1. 裂紋擴(kuò)展的基本方式 ：(1)張開(kāi)型(I型)裂紋擴(kuò)展拉應(yīng)力垂直作用于裂紋面，裂紋沿作用力方向張開(kāi)，沿裂紋面擴(kuò)展容器縱向裂紋在內(nèi)應(yīng)力作用下的擴(kuò)展 (2)滑開(kāi)型(II型)裂紋擴(kuò)展切應(yīng)力平行作用于裂紋面，并且與裂紋前沿線垂直

3、，裂紋沿裂紋面平行滑開(kāi)擴(kuò)展花鍵根部裂紋沿切應(yīng)力方向的擴(kuò)展(3)撕開(kāi)型(III型)裂紋擴(kuò)展切應(yīng)力平行作用于裂紋面，并且與裂紋線平行，裂紋沿裂紋面撕開(kāi)擴(kuò)展軸類零件的橫裂紋在扭矩作用下的擴(kuò)展這些裂紋的不同擴(kuò)展形式中，以這些裂紋的不同擴(kuò)展形式中，以I型裂紋擴(kuò)展最危險(xiǎn)，型裂紋擴(kuò)展最危險(xiǎn)，最容易引起脆性斷裂所以，在研究裂紋體的脆性最容易引起脆性斷裂所以，在研究裂紋體的脆性斷裂問(wèn)題時(shí)，總是以這種裂紋為對(duì)象斷裂問(wèn)題時(shí)，總是以這種裂紋為對(duì)象 2.裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI 由于裂紋擴(kuò)展總是從其尖端開(kāi)始向前進(jìn)行的，所以應(yīng)該分析裂紋尖端的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，建立裂紋擴(kuò)展的力學(xué)條件. Irwin等人運(yùn)用線彈性理論

4、得出，其尖端附近(r，)處應(yīng)力、應(yīng)變和位移分量可以近似地表達(dá)如下： 3cos1 sinsin2222IxKr3cos1 sinsin2222IyKr3sincoscos2222IxyKr平面應(yīng)變狀態(tài)應(yīng)變分量為 :13cos1 2sinsin2222IxKEr13cos1 2sinsin2222IxKEr2 13sincoscos2222IxyKEr平面應(yīng)變狀態(tài)位移應(yīng)變分量為 :式中，泊松比，E為拉伸彈性模量。可以看出，裂紋尖端任意一點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分量取決于該點(diǎn)的坐標(biāo)（r，）、材料的彈性模量以及參量KI。KI可用下式表示。 212cos1 2sin22IKruE212cos22cos22I

5、KrvEIKa若裂紋體的材料一定，且裂紋尖端附近某一點(diǎn)的位置（r，）給定，則該點(diǎn)的各應(yīng)力、應(yīng)變和位移分量唯一決定KI，KI值越大，則該點(diǎn)各應(yīng)力、應(yīng)變和位移分量之值越高。因此，KI反映了裂紋尖端區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度，故稱為應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)力強(qiáng)度因子因子，它綜合反映了外加應(yīng)力和裂紋的位置、長(zhǎng)度對(duì)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的影響，其一般表達(dá)式為 :式中Y為裂紋形狀系數(shù)，取決于裂紋的類型。對(duì)于不同類型的裂紋，KI和Y的表達(dá)式不同。常見(jiàn)： YIKYa無(wú)窮大板穿透裂紋 1.10YY表面半橢圓裂紋 3.斷裂韌度KIC和斷裂K判據(jù) KI是描述裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的一個(gè)力學(xué)參數(shù)，當(dāng)應(yīng)力和裂紋尺寸a增大到臨界值時(shí)，也就是裂紋尖端足夠大

6、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)致材料的斷裂，這時(shí)KI也達(dá)到了一個(gè)臨界值，這個(gè)臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的KI記為KIC或KC，稱之為斷裂韌度，單位為MPam1/2或則KNm-3/2。由此可見(jiàn)，材料的KIC或KC越高，則裂紋體斷裂時(shí)的應(yīng)力或裂紋尺寸就越大，表明越難斷裂所以，KIC或或KC表示材料抵抗斷裂的能力表示材料抵抗斷裂的能力 K IC為平面應(yīng)變斷裂韌度，表示材料在平面應(yīng)變狀態(tài)下抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力；而KC為平面應(yīng)力斷裂韌度表爾材料在平面應(yīng)力狀態(tài)下抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力顯然，同一材料的KCKIC. 裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的平均應(yīng)力，稱為斷裂應(yīng)力或裂紋體的斷裂強(qiáng)度，記為c；

7、對(duì)應(yīng)的裂紋尺寸稱為臨界裂紋尺寸，記為ac，三者的關(guān)系為 ：建立裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展脆斷的斷裂尺判據(jù)建立裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展脆斷的斷裂尺判據(jù)： KIKICICCCKYaK判據(jù)的意義：a)已知材料的KIC和工作應(yīng)力，求臨界裂紋尺寸aC，為材料探傷提供裂紋尺寸標(biāo)準(zhǔn)。b)已知材料的KIC和存在的裂紋尺寸，求臨界應(yīng)力，確定材料使用中的最高應(yīng)力。c)已知臨界應(yīng)力及臨界裂紋尺寸，測(cè)定材料的斷裂韌性。ICCCKYa4.裂紋尖端塑性區(qū)及KI的修正 當(dāng)r=0時(shí)，x、y、xy等各應(yīng)力分量均趨向于無(wú)窮大，這實(shí)際上是不可能的對(duì)于實(shí)際金屬，當(dāng)裂紋尖端附近的應(yīng)力等于或大于屈服強(qiáng)度時(shí)，金屬就要發(fā)生塑性變形，改變了裂紋尖端的應(yīng)力分布Irwin

8、根據(jù) Mises屈服判據(jù)，計(jì)算出裂紋尖端塑性區(qū)的形狀和尺寸Mises判據(jù)的表達(dá)式如下：式中，1、2、3是3個(gè)主應(yīng)力。 22221213232s根據(jù)材料力學(xué)可求得 ：求得裂紋尖端各主應(yīng)力為 ：22122xyxyxy22222xyxyxy312 1cos1 sin222IKr2cos1 sin222IKr32cos22IKr30（平面應(yīng)變） （平面應(yīng)力） 將各主應(yīng)力代入 Mises判據(jù)式，化簡(jiǎn)后得 ：在x軸上，=0，塑性區(qū)的寬度r 為： 2221cos1 3sin222IsKr （平面應(yīng)力） 22221312cossin2242IsKr（平面應(yīng)變） 2012IsKr（平面應(yīng)力） 22011 22I

9、sKr（平面應(yīng)變） 若取=0.3，則可知，在平面應(yīng)變狀態(tài)下，裂紋尖端塑性區(qū)比平面應(yīng)力狀態(tài)下的要小得多，前者僅為后者的16左右 上述估算僅指在X軸上裂紋尖端應(yīng)力分量的距離，而沒(méi)有考慮圖中影線部分面積內(nèi) 應(yīng) 力 松 弛 的 影響這種應(yīng)力松弛可以使塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，從能量上考慮，影線部分的面積應(yīng)該等于矩形BDEC的面積 yys或是陰影面積+矩形面積ABDO，等于面積ACEO即積分的把平面應(yīng)力的r0值代入，且得故可見(jiàn)考慮應(yīng)力松弛后，平面應(yīng)力塑性區(qū)寬度為未考慮的2倍。0002rIysKdrRr002IysrKR20012IsKRryss20212IIssKKR厚板件平面應(yīng)變狀態(tài)，由于表面的自由收縮，表面

10、是平面應(yīng)力狀態(tài)，心部是平面應(yīng)變狀態(tài)，兩者之間有一過(guò)渡區(qū)，塑性區(qū)是一個(gè)啞鈴形的立體形狀 注意：上面公式中ys是在y方向發(fā)生屈服時(shí)的應(yīng)力，稱為有效屈服應(yīng)力。平面應(yīng)力狀態(tài)：平面應(yīng)力狀態(tài)：實(shí)際上，在平面應(yīng)變狀態(tài)下受厚度方向表面自由變形， ys沒(méi)有那么大， Irwin建議： 代入得考慮松弛后，平面應(yīng)變的塑性區(qū)寬度：yss2.5(0.3)1 2syss2 2yss2014 2IsKr2012 2IsKR影響塑性區(qū)寬度的因素：a)應(yīng)力狀態(tài)；平面應(yīng)力的R0大于平面應(yīng)變的R0。b)材料的KI；材料的KI越大，R0值越大。c)材料的s；材料的s越大，R0值越小。注意：臨界值臨界值，201()ICsKR 平面應(yīng)力2

11、01()2 2ICsKR 平面應(yīng)變有效裂紋及KI的修正：由于裂紋尖端區(qū)域發(fā)生塑性變形，改變了應(yīng)力分布為使線彈性斷裂力學(xué)的分析仍然適用，必須對(duì)塑性區(qū)的影響進(jìn)行修正裂紋尖端存在塑性區(qū)，降低裂紋體的剛度，相當(dāng)于裂紋長(zhǎng)度增加。用虛擬裂紋長(zhǎng)度a+ry代替 a；IyKYar計(jì)算表明：修正后的KI表達(dá)式：22010.16()2IIyssKKrr 平面應(yīng)力22010.056()4 2IIyssKKrr 平面應(yīng)變22()1 0.16(/)IsYaKY 平面應(yīng)力22()1 0.056(/)IsYaKY 平面應(yīng)變3.裂紋擴(kuò)展能量釋放率GI及斷裂韌度GICa)裂紋擴(kuò)展時(shí)的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系：b)裂紋擴(kuò)展能量釋放率GI 厚度

12、為B,單位厚度B=1, 單位：MJ.m-2(2)epsWUA (2)epsWUAeUUWIUGA 1IUGBa IUGa 在彈性條件下：對(duì)于無(wú)限大板單位厚度B=1，中心穿透裂紋2a，恒位移1()eIUGBa 恒位移1()eIUGBa 恒載荷22=()eaUE彈性應(yīng)變能平面應(yīng)力222=()1eaUE彈性應(yīng)變能平面應(yīng)變2()(2 )eIUaGaE 平面應(yīng)力22()(2 )1eIUaGEa 平面應(yīng)變c)斷裂韌度GIC 及斷裂G判據(jù)由于GI是以能量釋放率表示的應(yīng)力和裂紋尺寸a的復(fù)合力學(xué)參量，是裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力。隨著應(yīng)力和裂紋尺寸a的單獨(dú)或共同增大，都會(huì)使GI增大，當(dāng)GI增大到某一臨界值GIC，裂紋便失穩(wěn)

13、擴(kuò)展而斷裂GIC也稱為斷裂韌度，單位為MJ/mm2，它表示材料阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)單位面積所消耗的能量 GIC也是材料的參數(shù)，與受力大小無(wú)關(guān)。存在臨界應(yīng)力c和臨界裂紋尺寸acGIICG d) GIC 與KIC的關(guān)系221()EIIGK 平面應(yīng)變221()EICICGK 平面應(yīng)變2()EIIKG 平面應(yīng)力2()ECCKG 平面應(yīng)力第節(jié) 彈塑性條件下的斷裂韌度1. J積分及斷裂韌度JICa)J積分的概念 Rice對(duì)受載裂紋體的裂紋周圍的系統(tǒng)系能U進(jìn)行積分，得：eeUdUwdVwdxdyWdWu TdseUUWwdxdyu Tds可以證明：w為彈塑性應(yīng)變能密度。在線彈性條件下，JI=GI，JI為I型裂

14、紋線積分。Rice還證明，在小應(yīng)變下J積分與路徑無(wú)關(guān)，因此路徑僅包括裂紋尖端，則T=0，所以J積分值反應(yīng)裂紋尖端區(qū)應(yīng)變能，即應(yīng)力應(yīng)變集中程度。單位：MJ/m2IUuGwdyTdsax ()IUGwdya J積分的能量率表達(dá)式：裂紋相差單位長(zhǎng)度的兩個(gè)等同試樣，加載到等同位移時(shí)，勢(shì)能差值與裂紋面積差值的比率，即所謂形變功差率。正因?yàn)槿绱?，通常J積分不能處理裂紋的連續(xù)擴(kuò)展問(wèn)題，其臨界值只是開(kāi)裂點(diǎn)，不一定是失穩(wěn)斷裂點(diǎn) 1UOAC面積2BUO C面積2OABU1U=U -面積11limIUUJBaBa b) 斷裂韌度JIC 及斷裂J判據(jù)與GI和KI一樣，既然JI也是一個(gè)力學(xué)參量，可以表示裂紋尖端附近應(yīng)力

15、應(yīng)變場(chǎng)的強(qiáng)度，那么在平面應(yīng)變條件下，當(dāng)外力達(dá)到破壞載荷時(shí)，即應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的能量達(dá)到使裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的臨界狀態(tài)時(shí)，則JI積分值也達(dá)到相應(yīng)的臨界值JIC，這個(gè)JIC也稱為斷裂韌度，但它表示材料抵抗裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的能力JI和JIC的單位同GI和GIC。 根據(jù)JI和JIC的相互關(guān)系，可以建立斷裂J判據(jù)，即 JIJIC只要滿足上式，裂紋就會(huì)開(kāi)裂 實(shí)際生產(chǎn)中很少用J積分判據(jù)計(jì)算裂紋體的承載能力，主要原因是：各種實(shí)用的J積分?jǐn)?shù)學(xué)表達(dá)式并不清楚，即使知道材料的JIC值，也無(wú)法用來(lái)計(jì)算；中、低強(qiáng)度鋼的斷裂機(jī)件大多是韌性斷裂，裂紋往往有較長(zhǎng)的亞穩(wěn)擴(kuò)展階段，JIC對(duì)應(yīng)的點(diǎn)只是開(kāi)裂點(diǎn)用J判據(jù)分析裂紋擴(kuò)展的最終斷裂，需要建立

16、裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展的R阻力曲線，即建立用J積分表示的裂紋擴(kuò)展阻力人與裂紋擴(kuò)展量a之間的關(guān)系曲線，這種曲線能描述裂紋體從開(kāi)裂到亞穩(wěn)擴(kuò)展以至失穩(wěn)斷裂的全過(guò)程，因此近幾年來(lái)得到了發(fā)展目前，J判據(jù)及JIC的測(cè)試目的主要是期望用小試樣測(cè)出JIC，以代替大試樣的KIC，然后再按K判據(jù)去解決中、低強(qiáng)度鋼大型件的斷裂問(wèn)題 c) JIC積分與其它斷裂韌度的關(guān)系在線彈性條件下：在彈塑性條件下：近似：IIbKGEIJ2();()1bEEE平面應(yīng)力平面應(yīng)變2(1)ICICKGEICJ2(1)ICICKGEICJ2.裂紋尖端張開(kāi)位移(COD) a)概念：裂紋體受載后，在不改變裂紋長(zhǎng)度的前提下，在裂紋尖端沿垂直裂紋方向所產(chǎn)生的

17、位移，用表示。 b) COD的表達(dá)式： 在小范圍屈服條件下時(shí)，裂紋尖端的張開(kāi)位移就是O點(diǎn)在y軸張開(kāi)位移，即2u在平面應(yīng)變條件下，將 和=0代入得對(duì)于I型裂紋， ，則 212IysKr242IsKuE 212IysKr24saEIKa對(duì)于大范圍屈服，KI和GI已不適用，但COD仍不失其使用價(jià)值Dugdale應(yīng)用了帶狀屈服模型(或稱DM模型)，導(dǎo)出了彈塑性條件下的COD表達(dá)式上式展開(kāi)成級(jí)數(shù)，若/s較小略去高次項(xiàng)得 8lnsec2ssaaE2saE設(shè)塑性材料無(wú)限大薄板中有長(zhǎng)為2a的I型穿透裂紋，在遠(yuǎn)處作用有平均應(yīng)力。裂紋尖端的塑性區(qū)呈尖劈形。假設(shè)沿x軸將塑性區(qū)割開(kāi)，使裂紋長(zhǎng)度由2a變?yōu)?c，在割面的

18、上下方代之以應(yīng)力s，以阻止裂紋張開(kāi)，于是該模型就變?yōu)樵?a，c)和(-a，-c)區(qū)間作用有s，無(wú)限遠(yuǎn)處有均勻應(yīng)力的線彈性問(wèn)題 c) 斷裂韌度c及斷裂 判據(jù)：材料的值隨應(yīng)力及裂紋尺寸增大而增加，當(dāng)達(dá)到臨界值c值時(shí)，材料在裂紋尖端開(kāi)裂，裂紋開(kāi)始擴(kuò)展，建立斷裂判據(jù)。判據(jù)和J判據(jù)一樣，都是裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的斷裂判據(jù)，而不是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的斷裂判據(jù)，顯然，按這種判據(jù)設(shè)計(jì)構(gòu)件是偏于保守的 小范圍屈服臨界值：大范圍屈服臨界值：C2cccsaE24CCCsaEd) c與其它斷裂韌度的關(guān)系在平面應(yīng)力條件下，在平面應(yīng)變條件下，由于裂紋尖端材料的硬化作用，以及裂紋尖端存在一定的三向應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)對(duì)上式修正，修正式為 式中，

19、1n1.52.0 2ccccsssKGJE221IcIcIccsssKGJnEnn第3節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素：斷裂韌度作為評(píng)價(jià)材料抵抗斷裂的能力的力學(xué)性能指標(biāo)。它取決于材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)等內(nèi)在因素，同時(shí)也受到溫度、應(yīng)變速率等外部因素的影響1.化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂韌度的影響 a)化學(xué)成分 對(duì)于金屬材料，化學(xué)成分對(duì)斷裂韌度的影響類似于對(duì)沖擊韌度的影響其大致規(guī)律是：細(xì)化晶粒曲合金元素提高強(qiáng)度和塑性，可使斷裂韌度提高；強(qiáng)烈固溶強(qiáng)化的合金元素因大大降低塑性而使斷裂韌度降低，并且隨合金元素的濃度的提高，降低的作用更加明顯；形成金屬間化合物并呈第二相析出的合金元素，因降低塑性有利于裂紋擴(kuò)展而使

20、斷裂韌度降低。 b) 基體相結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸 基體相的晶體結(jié)構(gòu)不同材料發(fā)生塑性變形的難易和斷裂的機(jī)理不同，斷裂韌度發(fā)生變化一般來(lái)說(shuō)，基體相晶體結(jié)構(gòu)易于發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生韌性斷裂，材料的斷裂韌度就高如鋼鐵材料，基體可以是面心立方固溶體，也可以是體心立方固溶體，面心立方固溶體容易發(fā)生滑移塑性變形而不產(chǎn)生解理斷裂，并且形變硬化指數(shù)較高，其斷裂韌度較高，奧氏體鋼的斷裂韌度高于鐵索體鋼和馬氏體綱 .基體的晶粒尺寸也是影響斷裂韌度的一個(gè)重要因素一般來(lái)說(shuō)，細(xì)化晶粒既可以提高強(qiáng)度又可以提高塑性，那么斷裂韌度也可以得到提高 。但是，在某些情況在某些情況下，粗晶粒的下，粗晶粒的KIC反而較高反而較高如40CrNiM

21、o鋼 。 c) 夾雜和第二相(1)非金屬夾雜物往往使斷裂韌度降低；(2)脆性第二相隨著體積分?jǐn)?shù)的增加，使得斷裂韌度降低；(3)韌性第二相當(dāng)其形態(tài)和數(shù)量適當(dāng)時(shí)，可以提高材料的斷裂韌度非金屬夾雜物和脆性第二相存在于裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)中時(shí)，本身的脆性使其容易形成微裂紋，而且它們易于在晶界或相界偏聚，降低界面結(jié)合能，使界面易于開(kāi)裂，這些微裂紋與主裂紋連接加速了裂紋的擴(kuò)展，或者使裂紋沿晶擴(kuò)展，導(dǎo)致沿晶斷裂，降低斷裂韌度. 第二相和夾雜物的形狀及其在鋼中的分布形式對(duì)KIC也有影響，如鋼中的碳化物呈球狀時(shí)，其KIC就比呈片狀的高；碳化物沿晶界呈網(wǎng)狀分布時(shí)，裂紋易于在此擴(kuò)展，導(dǎo)致沿晶斷裂，而使KIC降低。 鋼中

22、某些微量雜質(zhì)元素(如銻、錫、磷、砷等)容易偏聚于奧氏體晶界，降低晶間結(jié)合力，使裂紋沿晶界擴(kuò)展并斷裂，使KIC降低。如一些合金結(jié)構(gòu)鋼的調(diào)質(zhì)回火脆性就是這種情況。 d) 顯微組織的影響顯微組織的類型和亞結(jié)構(gòu)將影響材料的斷裂韌度。如鋼鐵材料中，相同強(qiáng)度條件下，低碳鋼中的回火馬氏體的斷裂韌度高于貝氏體，而在高碳鋼中，回火馬氏體的斷裂韌度高于上貝氏體，但低于下貝氏體。這時(shí)由于低碳鋼中，回火馬氏體呈板條狀，而高碳鋼中，回火馬氏體呈針狀，上貝氏體由貝氏體鐵素體和片層間斷續(xù)分布的碳化物組成，下貝氏體由貝氏體鐵素體和其中彌散分布的碳化物組成，可見(jiàn)組織類型的不同導(dǎo)致材料的斷裂韌度不同。板條馬氏體主要是位錯(cuò)業(yè)結(jié)構(gòu)，

23、具有較高的強(qiáng)度和塑性，裂紋擴(kuò)展阻力較大，呈韌性斷裂，因而斷裂韌度較高；針狀馬氏體主要是孿晶亞結(jié)構(gòu)，硬度高而脆性大，裂紋擴(kuò)展阻力小，呈準(zhǔn)解理或解理斷裂，因而斷裂韌度較低 2. 特殊改性處理對(duì)斷裂韌度的影響金屬材料通過(guò)一些特殊的熱處理工藝，可以改變其組織，從而提高斷裂韌度.a) 亞溫淬火亞溫淬火是指亞共析鋼在雙相區(qū)不完全奧氏體化后淬火的熱處理工藝，通過(guò)控制預(yù)處理工藝和亞溫淬火的奧氏體化溫度可以獲得不同形態(tài)和數(shù)量的未溶鐵素體加馬氏體的復(fù)相組織，由于晶粒的細(xì)化、相界面積的增加、單位面積雜質(zhì)濃度的降低、鐵素體對(duì)裂紋尖端應(yīng)力集中的松弛作用、裂紋沿相界面擴(kuò)展途徑的延長(zhǎng)等，使得強(qiáng)度和韌性得到提高如20MnVB

24、鋼以淬火馬氏體為預(yù)備組織，經(jīng)雙相區(qū)奧氏體化后，獲得約20的針狀鐵素體+馬氏體的復(fù)相組織，可以使強(qiáng)度和韌度提高10一20。 d) 超高溫淬火對(duì)于中碳合金結(jié)構(gòu)鋼采用超高溫淬火，雖然奧氏體晶粒顯著粗化，塑性和沖擊吸收功降低，但斷裂韌度提高如前已述及的40Cr從Mo鋼，l 200超高溫淬火，KIC可提高56，再如42CrMo鋼，淬火溫度由850提高到1170，KIC可由52.8 MPam1/2提高到69.3 MPam1/2。超高溫淬火使KIC提高的原因可能是：馬氏體形態(tài)由孿晶型變?yōu)槲诲e(cuò)型，使斷裂機(jī)理由準(zhǔn)解理變?yōu)槲⒖拙奂?；在馬氏體板條束間存在1020 nm的殘余奧氏體薄膜，且很穩(wěn)定，可阻止裂紋擴(kuò)展；碳

25、化物及夾雜物能溶入奧氏體，減少了微裂紋形成源 e) 形變熱處理 形變熱處理根據(jù)其形變的溫度可以分為高溫形變熱處理和低溫形變熱處理，由于溫度的不同，材料的組織和結(jié)構(gòu)發(fā)生不同的變化，使得其性能不同高溫形變熱處理由于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，可以細(xì)化奧氏體晶粒，因而細(xì)化了淬火后的馬氏體，使強(qiáng)度和韌性都提高如33CrNiSiMnMo鋼經(jīng)高溫形變熱處理后，其0.2可達(dá)1680MPa，KIC可達(dá)113 MPam1/2，與常規(guī)的淬火加低溫回火相比，0.2 提高16，KIC提高20 低溫形變熱處理除了細(xì)化奧氏體晶粒外，還可增加位錯(cuò)密度，促進(jìn)合金碳化物彌散沉淀，降低奧氏體含碳量和增加細(xì)小板條馬氏體的數(shù)量，因而提高強(qiáng)度和韌性如

26、30CrNi4Mo鋼低溫形變熱處理后，其0.2 可達(dá)l 700MPa，KIC可達(dá)98 MPam1/2，與一般熱處理組織相比，0.2 提高26，KIC提高183. 外界因索對(duì)斷裂韌廢的影響a)溫度 對(duì)于大多數(shù)材料，溫度的降低通常會(huì)降低斷裂韌度，大多數(shù)結(jié)構(gòu)鋼就是如此，但是，不同強(qiáng)度等級(jí)的鋼材，變化趨勢(shì)有所不同一般中、低強(qiáng)度鋼都有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上，材料主要是微孔聚集型的斷裂機(jī)制，發(fā)生韌性斷裂，KIC較高；而在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下，材料主要是解理型斷裂機(jī)制，發(fā)生脆性斷裂，KIC較低隨著材料強(qiáng)度水平的提高，KIC隨溫度的變化趨勢(shì)逐漸緩和，斷裂機(jī)理不再發(fā)生變化，溫度對(duì)斷裂韌度的影響減弱b

27、) 應(yīng)變速率 應(yīng)變速率對(duì)斷裂韌度的 影 響 類 似 于 溫度增加應(yīng)變速率相當(dāng)于降低溫度，也可使KIC下降一般認(rèn)為應(yīng)變速率每增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，KIC約降低10但是當(dāng)應(yīng)變速率很大時(shí)，形變熱量來(lái)不及傳導(dǎo)，造成絕熱狀態(tài)，導(dǎo)致局部溫度升高，KIC又回升 4. 斷裂韌度與強(qiáng)度、塑性和沖擊韌度的關(guān)系 a) 韌斷模型 Kraft針對(duì)微孔聚集型斷裂機(jī)制，提出了韌斷模型其要點(diǎn)是；加載時(shí)，裂紋尖端鈍化并在裂紋前方的三向拉應(yīng)力區(qū)形成微孔，于是在裂紋尖端和微孔之間形成韌帶，當(dāng)韌帶中的應(yīng)變達(dá)到臨界值時(shí)，韌帶將發(fā)生斷裂，裂紋體即處于臨界狀態(tài)式中：dT為塑性區(qū)的尺寸，可以認(rèn)為是材料中不均勻區(qū)或夾雜物的平均間距 2yIyTKeE

28、EdKraft假設(shè)塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)變規(guī)律和單向拉仲應(yīng)變規(guī)律相同，也服從Hollomon關(guān)系：SKen，ebn當(dāng)ey達(dá)到頸縮臨界值b時(shí)，裂紋尖端的應(yīng)力集中使韌帶前端開(kāi)裂，形成微孔微孔長(zhǎng)大和主裂紋聯(lián)接形成宏觀裂紋并擴(kuò)展而斷裂此時(shí)，KIKIC，eyebn因而可得Kraft的模型可以很好地解釋鋼中第二相和夾雜物對(duì)KIC 的影響，但是，該模型把線彈性應(yīng)變公式外推到大變形的頸縮階段，有些脫離實(shí)際2ICTKEndHahn和Rosenfile根據(jù)對(duì)裂紋尖端塑性區(qū)的金相觀察和對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，提出了下列公式： Schwalbe根據(jù)對(duì)Al-Zn-Mg-Cu合金斷裂韌度的分析推導(dǎo)出： 以上各式都得到了一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支持

29、，但都不能普遍適用。0.2253ICfKnE10.20.211 2nfICTEKdnb) 脆性斷裂模型Tetelman等通過(guò)對(duì)脆性斷裂的實(shí)驗(yàn)分析認(rèn)為，當(dāng)裂紋尖端某一特征距離內(nèi)的應(yīng)力達(dá)到材料解理斷裂強(qiáng)度c時(shí)，裂紋就失穩(wěn)擴(kuò)展，產(chǎn)生脆性斷裂如取特征距離為晶粒直徑的2倍，則由此導(dǎo)出KIC與材料的強(qiáng)度性能及裂紋尖端曲率半徑0之間的關(guān)系為 1/21/202.9exp11cICssKc) 其它模型Rolfe等人研究了10余種中、高強(qiáng)度鋼（0.2770-l 680MPa，KIC93一266 MPam1/2，AKV=22120J）的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)(KICy)2與AKVy 呈線性關(guān)系，總結(jié)出下列經(jīng)驗(yàn)公式(采用英制

30、單位)：式中：AKV為夏氏試樣沖擊吸收功；y為材料有效屈服強(qiáng)度 2520yIcKVyyKA提高材料斷裂韌性的的方法：提高材料斷裂韌性的的方法：斷裂韌性表征材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。裂紋擴(kuò)展需要消耗的能量主要是塑性變形功和斷裂功。塑性變形與應(yīng)力狀態(tài)、材料的強(qiáng)度和塑性，以及裂紋尖端塑性區(qū)尺寸有關(guān)。材料強(qiáng)度高、塑性好，塑性變形功大，材料的斷裂韌度就高；在強(qiáng)度值相近時(shí)，提高塑性，增加塑性區(qū)尺寸，塑性變形功也增加。實(shí)踐中，在保證材料強(qiáng)度要求的前提下，提高材料的塑性（特別是微塑性，微觀塑性改善有利于增加塑性區(qū)尺寸，降低裂紋擴(kuò)展速率）是金屬材料（超高強(qiáng)度鋼和高強(qiáng)鋼）增韌的努力方向。方法：采用真空熔煉技術(shù)，

31、降低鋼種非金屬夾雜物；控制微量的有害元素騙聚于晶界；用壓力加工和熱處理技術(shù)控制晶粒尺寸；優(yōu)化熱處理工藝，改變基體組織和第二相質(zhì)點(diǎn)的尺寸及分布等，防止脆性解理斷裂或沿晶斷裂，提高材料的斷裂韌度。 第4節(jié) 材料斷裂韌性KIC的1. 試樣的形狀、尺寸及制備 國(guó)家標(biāo)淮中規(guī)定丁四種試樣：標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試樣、緊湊拉伸試樣、C型拉仲試樣和圓形緊湊拉伸試樣. 由于KIC是材料在平面應(yīng)變和小范圍屈服條件下的KI臨界值，因此，測(cè)定KIC時(shí)用的試樣尺寸必須保證裂紋尖端處于平面應(yīng)變和小范圍屈服狀態(tài)。為此，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定試樣厚度B裂紋長(zhǎng)度a，及韌帶寬度(w-a)尺寸如下： 200.11ICyKR22.5ICyKB22.5IC

32、yKa2()2.5ICyKWa由于這些尺寸比塑性區(qū)寬度R0大一個(gè)數(shù)量級(jí)，因而可以保證裂紋尖端是平面應(yīng)變和小范圍屈服狀態(tài)。 試樣尺寸要求：2. 測(cè)試原理13/2()()IFSaKYBWW 三點(diǎn)彎曲試樣21/2()()IFaKYBWW 緊湊拉伸試樣12()()aaYYWW和為與試樣形狀有關(guān)的函數(shù)3.臨界值得確定a)臨界載荷的確定載荷F與裂紋張開(kāi)裂紋F-V曲線有典型三種形式斜率減小5%的割線，對(duì)應(yīng)裂紋擴(kuò)展2%。如果F5之前沒(méi)有比之大的 高 峰 載 荷 ， 則FQ=F5 ，如果F5之前有比之大的高峰載荷，則FQ為高峰載荷。b)臨界裂紋尺寸的確定試樣加載至預(yù)定載荷后卸載，將試樣加熱氧化著色或二次疲勞加載

33、，留下裂紋擴(kuò)展邊界線，然后壓斷，用顯微鏡測(cè)量斷口的裂紋長(zhǎng)度a。a=(a2+a3+a4)/34.試驗(yàn)結(jié)果處理檢查KQ的有效性若滿足，則若不滿足，則用大試樣重新測(cè)定KIC，試樣尺寸至少為原來(lái)的1.5倍。maxQF1.10F2, ,()2.5QyKB a WaQICKK第5節(jié) 斷裂韌度在工程中的應(yīng)用 斷裂韌度在工程中的應(yīng)用可以概括為三方面1)工程設(shè)計(jì)，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇可以根據(jù)材料的斷裂韌度，計(jì)算結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力，針對(duì)要求的承載量，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸；可以根據(jù)結(jié)構(gòu)和承載要求、可能出現(xiàn)的裂紋類型，計(jì)算可能的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子，依據(jù)材料的斷裂韌度進(jìn)行選材。2)結(jié)構(gòu)件校核，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)要求的承載能力、材

34、料的斷裂韌度，計(jì)算材料的臨界裂紋尺寸，與實(shí)測(cè)的裂紋尺寸相比較校核結(jié)構(gòu)的安全性，判斷材料的脆斷傾向。3）新材料開(kāi)發(fā)，可以根據(jù)對(duì)斷裂韌度的影響因素，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)材料的組織結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)新材料 1. 材料選擇：例1 有一火箭殼體承受很高的工作壓力，其周向最大工作拉應(yīng)力l 400MPa。采用超高強(qiáng)度鋼制造，焊接后往往發(fā)現(xiàn)有縱向表面半橢圓裂紋、尺寸為a1.0mm，a/2c=0.3?，F(xiàn)有兩種材料，其性能如下： A0.2l 700 MPa，KIC78MPm1/2； B0.22800MPa，KIC 47 MPm1/2；從斷裂力學(xué)角度考慮，選用哪種材料較為合適?解：根據(jù)要求，本題可采用斷裂K判據(jù)來(lái)解對(duì)于材料A：由

35、于/0.2=1400/17000.82，所以必須考慮塑性區(qū)的修正問(wèn)題。采用下列公式計(jì)算KI：對(duì)于大件表面半橢圓裂紋， 當(dāng) 查表得=1.28。將有關(guān)數(shù)值代入上式得：KI=71 MPm1/2 由此可見(jiàn)，KIKIC。說(shuō)明使用材料A不會(huì)發(fā)生脆性斷裂，可以選用221 0.056IsYaKY對(duì)于材料B：由于/0.2= 1400/2800=0.5，不必考慮塑性區(qū)的修正，可以采用下列公式計(jì)算KI同樣，代入數(shù)值得：KI=68 MPm1/2由此可見(jiàn)，KIKIC，說(shuō)明使用材料B會(huì)發(fā)生脆性斷裂，不可選用 1.10IaK 2.安全校核例2 有一化工合成塔，直徑為D1500 mm，工作壓力p6MPa，選用材料為0.2l8

36、00 MPa，KIC62 MPm1/2，厚度t5mm制作過(guò)程中，經(jīng)探傷發(fā)現(xiàn)在縱焊縫中，存在一縱向橢圓裂紋，2a=1.8mm，2c=6mm試校核該合成塔能否安全運(yùn)行解：可以利用斷裂K判據(jù)校核這一問(wèn)題。據(jù)材料力學(xué)可知，該裂紋所受的最大拉應(yīng)力為 6 1.590022 0.05pDMPat由于/0.2=600/12000.5，所以不需要進(jìn)行塑性區(qū)修正，橢圓裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子KI的表達(dá)式為 當(dāng) 查表得=1.28。代入數(shù)值得：c=1166（MPa）由此可見(jiàn)，c ，說(shuō)明不會(huì)發(fā)生脆性斷裂，該合成塔可以安全使用。 1.10IaK由此得 1.10ICcKa0.67ac3.失效分析某冶金廠大型純氧頂吹轉(zhuǎn)爐的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主軸，在工作時(shí)經(jīng)61次搖爐煉鋼后發(fā)生低應(yīng)力脆斷該軸材料為40Cr鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)完全合格，0.2600MPa，b=860MPa，AKU38J，8現(xiàn)用斷裂力學(xué)分析其失效原因 斷口宏觀分析表明，該軸為疲勞斷裂，裂紋源在因角處在一定循環(huán)應(yīng)力作用F，裂紋發(fā)生亞穩(wěn)擴(kuò)展，形成深度達(dá)185mm疲勞擴(kuò)展區(qū)，相當(dāng)于一個(gè)ac185mm的表面環(huán)狀裂紋。 金相分析表明，疲勞裂紋源處的硫化物夾雜級(jí)別較高，達(dá)33.5級(jí)，