金屬的斷裂韌性

1、第四章 金屬的斷裂韌性斷裂是工程構(gòu)件最危險的一種失效方式， 尤其是脆性斷裂， 它是突然發(fā)生的破壞， 斷 裂前沒有明顯的征兆， 這就常常引起災(zāi)難性的破壞事故。 自從四五十年代之后， 脆性 斷裂的事故明顯地增加。1 強度儲備法，許用應(yīng)力，強度儲備系數(shù)（安全系數(shù)）按照傳統(tǒng)力學(xué)設(shè)計，只要求工作應(yīng)力 6小于許用應(yīng)力刃即6 6就被認(rèn)為是安全的了。而6,對塑性材料6=s/n，對脆性材料6 =b/n,其中n為安全系數(shù)。經(jīng)典的強度理論無法解釋為什么工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料屈服強度時會發(fā)生所謂低應(yīng)力脆斷的現(xiàn)象。2 低應(yīng)力脆性斷裂（低應(yīng)力脆斷） ：高強度機(jī)件及中低強度大型件。3 裂紋體：傳統(tǒng)力學(xué)是把材料看成均勻的，沒有缺

2、陷的，沒有裂紋的理想固體，但 是實際的工程材料，在制備、加工及使用過程中，都會產(chǎn)生各種宏觀缺陷乃至宏觀裂紋。4 人們在隨后的研究中發(fā)現(xiàn)低應(yīng)力脆斷總是和材料內(nèi)部含有一定尺寸的裂紋相聯(lián) 系的，當(dāng)裂紋在給定的作用應(yīng)力下擴(kuò)展到一臨界尺寸時，就會突然破裂。因為傳 統(tǒng)力學(xué)或經(jīng)典的強度理論解決不了帶裂紋構(gòu)件的斷裂問題，斷裂力學(xué)就應(yīng)運而 生。可以說斷裂力學(xué)就是研究帶裂紋體的力學(xué)，它給出了含裂紋體的斷裂判據(jù)， 并提出一個材料固有性能的指標(biāo) 斷裂韌性，用它來比較各種材料的抗斷能 力。斷裂力學(xué)，建立了材料性質(zhì)、裂紋尺寸和工作應(yīng)力之間的關(guān)系。5 斷裂韌性，斷裂韌度4.1 線彈性條件下的斷裂韌性斷口分析表明， 金屬機(jī)件

3、的低應(yīng)力脆斷斷口沒有宏觀塑性變形痕跡， 可以應(yīng)用線彈性 斷裂力學(xué)。兩種分析方法： （1）應(yīng)力場強度分析方法； （2）能量分析方法。一、裂紋擴(kuò)展的基本形式 根據(jù)外加應(yīng)力與裂紋擴(kuò)展面間的取向關(guān)系，裂紋主要有三種基本形式： 張開型（ I 型），滑開型（ II 型）、撕開型（ III 型）。二、應(yīng)力場強度因子 KI 及斷裂韌性 K ICH3-2fl.圈 3處1.裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場分析K |日B3日, cos (1si nsin )i.eLJ1111L0.1 0.2 0.30.4 0.5 0.6 u/WI iiiiiii0. 1 0.2 聊 0.4 0. 5 0.6圖3-4 (e)0. 5 0. 7 L

4、0 L 52.02.5裂紋狀態(tài)系數(shù)Q圖3-4 (h)020.30.4 05 0.6 0.7a/圖(g)圖 34 Cj)圖3-4幾種形狀試樣的應(yīng)力強度因子3.斷裂韌性K ic及斷裂K判據(jù)Ki達(dá)到臨界值時，裂紋進(jìn)入失穩(wěn)擴(kuò)展階段，這個臨界值，稱為斷裂韌性，記為Kic 斷裂韌性的大小，表示材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。Kic，平面應(yīng)變條件，Kc,平面應(yīng)力條件。由于平面應(yīng)變條件是比平面應(yīng)力條件硬的應(yīng)力狀態(tài)，所以材料的KcKic K ic f aC 丸臨界應(yīng)力，ac臨界裂紋尺寸。斷裂K判劇：K|=K ic 三點應(yīng)用：4. 裂紋尖端塑性區(qū)及 Ki的修正小范圍屈服圖3-5應(yīng)力松弛后的塑性區(qū)1）塑性區(qū)的尺寸 屈服

5、判劇ro（平面應(yīng)力）ro（平面應(yīng)變）應(yīng)力松弛：Ro= 2ro2）等效裂紋及 Ki的修正。Ki =Y . a ry等效裂紋修正值ry為應(yīng)力松弛后塑性區(qū)寬度的一半。圖3-6塑枠區(qū)修正方法示意圖裂紋擴(kuò)展能量釋放率 Gi及斷裂韌性Gic1 裂紋擴(kuò)展時能量的轉(zhuǎn)化關(guān)系：Ue = （ p 2 s）-：A左端是裂紋擴(kuò)展動力，右端是裂紋擴(kuò)展阻力。2 裂紋擴(kuò)展能量釋放率 GiU=Ue-W，為系統(tǒng)勢能。裂紋擴(kuò)展單位面積時，系統(tǒng)釋放的勢能數(shù)值，稱為裂紋擴(kuò)展能量釋放率，記為Gi G|:A ，單位厚度時,G|.:U：a，表示使裂紋擴(kuò)展單位長度的原動力。單位MPa m Gi（平面應(yīng)力）Gi（平面應(yīng)變）3斷裂韌性Gic和斷裂

6、G判據(jù)Gi達(dá)到臨界值時，裂紋進(jìn)入失穩(wěn)擴(kuò)展階段，這個臨界值，稱為斷裂韌性，記為Gic 裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展阻力（p+ 2 s）斷裂G判?。篏 i=G ic 4 Gic和he的關(guān)系平面應(yīng)變條件下，KiGiGi所以有k2EGic21 2KicE5. 裂紋擴(kuò)展阻力曲線及斷裂判據(jù) 裂紋擴(kuò)展阻力R= p+ 2 s R-a曲線, 裂紋擴(kuò)展動力 G|=Y2；2a/EG卜a曲線，阻力曲線。動力曲線。裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的斷裂判劇:Gi；:Ri：a：a 4.2影響斷裂韌性的因素一、材料成分、組織結(jié)構(gòu)的影響1. 細(xì)化晶粒的合金元素提高Kic2. 強烈固溶強化的合金元素降低Kic3. 以第二相析出的合金元素降低Kic二、特殊熱處理的影響1. 高溫形變熱處理可細(xì)化奧氏體亞結(jié)構(gòu)、增加位錯密度、促進(jìn)合金碳化物彌散 沉淀而提咼kic。2. 亞溫淬火和超高溫淬火均可提高Kic。三、外界因素的影響1. 溫度溫度降低，韌性降低。2. 應(yīng)變速率應(yīng)變速率增加，韌性降低。 4.3斷裂韌性的測試一、試樣形狀、尺寸及制備三點彎曲試樣和緊湊拉伸（CT ）試樣二、測試方法 4.4斷裂韌性在工程中的應(yīng)用一、高壓容器承載能力的計算二、高壓殼體材料的正確