4-3影響斷裂韌度的因素.ppt

1、第三節(jié)第三節(jié) 影響斷裂韌度的因素影響斷裂韌度的因素一、斷裂韌度與常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)之間的關(guān)系一、斷裂韌度與常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)之間的關(guān)系（一）斷裂韌度與強(qiáng)度、塑性之間的關(guān)系（一）斷裂韌度與強(qiáng)度、塑性之間的關(guān)系1、韌性斷裂模型、韌性斷裂模型克拉夫特提出韌斷模型：認(rèn)為具有第二相質(zhì)點而又均勻分布克拉夫特提出韌斷模型：認(rèn)為具有第二相質(zhì)點而又均勻分布的兩相合金，裂紋在基體相中擴(kuò)展時，將要受到第二相質(zhì)點的兩相合金，裂紋在基體相中擴(kuò)展時，將要受到第二相質(zhì)點間距間距( dT)的影響。的影響。ySdTrKIy2塑性區(qū)應(yīng)變?yōu)樗苄詤^(qū)應(yīng)變?yōu)閑yrEKEeIyy2r=dT時時dTEKeIy2ey=eb=n時時K = KCdT

2、EnKIC2鋼中夾雜物對鋼中夾雜物對KC影響影響.夾雜物越多夾雜物越多,間距越小間距越小, KC越小越小.ySdTrKIy2塑性區(qū)應(yīng)變?yōu)樗苄詤^(qū)應(yīng)變?yōu)閑y21*)(CfysICXEK2/1*)(cfsyICXEKn-應(yīng)變硬化指數(shù)應(yīng)變硬化指數(shù)Xc-特征距離特征距離,第二相質(zhì)點間的平均距離第二相質(zhì)點間的平均距離ys-屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度*f-臨界斷裂應(yīng)變臨界斷裂應(yīng)變2、解理或沿晶脆性斷裂、解理或沿晶脆性斷裂特爾曼等人提出特爾曼等人提出:當(dāng)裂紋尖端某一特征距離內(nèi)的應(yīng)力達(dá)到當(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)度材料解理斷裂強(qiáng)度C,裂紋就失穩(wěn)擴(kuò)展裂紋就失穩(wěn)擴(kuò)展,產(chǎn)生脆性斷裂產(chǎn)生脆性斷裂.取特征距離

3、為晶粒直徑的兩倍取特征距離為晶粒直徑的兩倍(2d)2/102/1 1) 1exp(9 . 2SCSICK0 0 裂紋尖端曲率半徑裂紋尖端曲率半徑2/12/ )1 (2/ )1 ()/()(cnsyncICXKn-應(yīng)變硬化指數(shù)應(yīng)變硬化指數(shù)Xc-特征距離特征距離,23個晶粒尺寸個晶粒尺寸（二）斷裂韌度與沖擊韌度之間的關(guān)系（二）斷裂韌度與沖擊韌度之間的關(guān)系靜力韌度、沖擊韌度、斷裂韌度靜力韌度、沖擊韌度、斷裂韌度度量材料韌性的指標(biāo)度量材料韌性的指標(biāo)應(yīng)力集中程度、應(yīng)力狀態(tài)、加載速率應(yīng)力集中程度、應(yīng)力狀態(tài)、加載速率tK1tK2t0tAKVKICAKVKIC茹爾夫?qū)χ?、高?qiáng)度鋼試驗得到：茹爾夫?qū)χ小⒏邚?qiáng)度鋼

4、試驗得到：)01. 0(79. 02/12 . 02 . 0KVICAKMPa.m1/2二、影響斷裂韌度的因素二、影響斷裂韌度的因素內(nèi)因：成分、組織內(nèi)因：成分、組織外因：溫度、應(yīng)變速率外因：溫度、應(yīng)變速率（一）、成分、組織的影響（一）、成分、組織的影響1、化學(xué)成分的影響、化學(xué)成分的影響細(xì)化晶粒元素細(xì)化晶粒元素 KIC KIC固溶強(qiáng)化元素固溶強(qiáng)化元素形成第二相元素形成第二相元素 KIC雜質(zhì)元素雜質(zhì)元素 KIC2 2、組織的影響、組織的影響鋼鋼基體組織基體組織的影響的影響M M、F F、晶粒大小晶粒大小細(xì)化晶粒細(xì)化晶粒 KIC第二相第二相和夾雜物的影響和夾雜物的影響 純凈度純凈度 KIC第二相第二

5、相: :少、圓、小、均少、圓、小、均碳化物粒狀碳化物粒狀 KIC回火組織的影響回火組織的影響回火回火TT KIC（二）、特殊熱處理的影響（二）、特殊熱處理的影響1 1、形變熱處理、形變熱處理A1A3MSTt高溫形變高溫形變低溫形變低溫形變高溫形變熱處理高溫形變熱處理低溫形變熱處理低溫形變熱處理A A好好33CrNiSiMnMo, 20%33CrNiSiMnMo, 20%KIC,16%16%0.20.230CrNi4Mo, 18%30CrNi4Mo, 18%KIC,26%26%0.20.22 2、亞溫淬火、亞溫淬火淬火加熱溫度在淬火加熱溫度在A A1 1-A-A3 3之間之間3 3、超高溫淬火、

6、超高溫淬火淬火加熱溫度遠(yuǎn)高于正常的加熱溫度淬火加熱溫度遠(yuǎn)高于正常的加熱溫度( (三三) )溫度和應(yīng)變速率的影響溫度和應(yīng)變速率的影響1 1、溫度的影響、溫度的影響T T KIC2 2、應(yīng)變速率的影響、應(yīng)變速率的影響應(yīng)變速率應(yīng)變速率 KICA+FA+F晶界晶界，晶界雜質(zhì)濃度晶界雜質(zhì)濃度F F溶解雜質(zhì)溶解雜質(zhì)第四節(jié)第四節(jié) 斷裂韌度在工程中的應(yīng)用斷裂韌度在工程中的應(yīng)用一、承載能力的計算一、承載能力的計算已知材料的已知材料的KIC和裂紋長度，計算允許的應(yīng)力和裂紋長度，計算允許的應(yīng)力二、材料的脆性評定和選材二、材料的脆性評定和選材KIC的高低的高低臨界裂紋的長度臨界裂紋的長度acaYKI三、材料的失效分析

7、三、材料的失效分析裂紋體的斷裂強(qiáng)度裂紋體的斷裂強(qiáng)度cK KCC第五節(jié)第五節(jié) 彈塑性條件下金屬的斷裂韌度彈塑性條件下金屬的斷裂韌度1、大范圍屈服構(gòu)件的斷裂問題、大范圍屈服構(gòu)件的斷裂問題中、低強(qiáng)度鋼，中小截面尺寸的構(gòu)件中、低強(qiáng)度鋼，中小截面尺寸的構(gòu)件210)(sckR2、中低強(qiáng)度鋼的斷裂韌度、中低強(qiáng)度鋼的斷裂韌度K1c的測試的測試21)(5 . 2yCKBy y /EB(mm)0.0050-0.0057750.0057-0.0062630.0062-0.0065500.0065-0.006844取取E=200GPa， s s=1000MPa=1000MPa則則B=75mm一、一、J積分原理及斷裂韌

8、度積分原理及斷裂韌度JC（一）（一）J積分的概念積分的概念裂紋擴(kuò)展時的能量釋放率裂紋擴(kuò)展時的能量釋放率AUG裂紋擴(kuò)展時的能量釋放率的積分表達(dá)式為裂紋擴(kuò)展時的能量釋放率的積分表達(dá)式為TdsxuwdyG BdsTuxyO 在單位厚度（在單位厚度（B=1）的）的型裂紋體型裂紋體應(yīng)變能密度應(yīng)變能密度w， 上任一點的作用力為上任一點的作用力為T在彈性狀態(tài)下在彈性狀態(tài)下U=Ue-WaWUGe)(dUe=wdV=wdA =wdA= =wdxdydUe=wdV=wdA =wdA= =wdxdydW=u.TBdswdxdydUUeeTdsudwW.TdsuwdxdyWUe.TdsxuwdyGTdsxuwdyG在

9、彈塑性條件下在彈塑性條件下,W表示彈塑性應(yīng)變能密度表示彈塑性應(yīng)變能密度TdsxuwdyJ在線彈性條件下在線彈性條件下,G =J 小應(yīng)變條件下小應(yīng)變條件下, J 積分與路徑無關(guān)積分與路徑無關(guān)BdsTuxyO wdyJJ 積分值反映了裂紋尖端區(qū)的應(yīng)變能積分值反映了裂紋尖端區(qū)的應(yīng)變能,即應(yīng)力應(yīng)變集中程度即應(yīng)力應(yīng)變集中程度（二）（二）J積分的能量率表達(dá)式積分的能量率表達(dá)式在線彈性條件下在線彈性條件下,G =J )(1aUBGJ)(1aUBJ在彈塑性小應(yīng)變條件下在彈塑性小應(yīng)變條件下G G：裂紋尺寸為：裂紋尺寸為a a的試樣，擴(kuò)展為的試樣，擴(kuò)展為a+da a+da 時系統(tǒng)時系統(tǒng)能量的釋放率能量的釋放率。J

10、：兩個試樣，一個：兩個試樣，一個a,a,另一另一個為個為 a+daa+da加載過程中加載過程中形變功之差與裂紋形變功之差與裂紋面積之差的比值面積之差的比值( (形變功差率形變功差率) )。（三）斷裂韌度（三）斷裂韌度J C及斷裂及斷裂J判據(jù)判據(jù)J 積分值反映了裂紋尖端區(qū)的應(yīng)變能積分值反映了裂紋尖端區(qū)的應(yīng)變能,即應(yīng)力應(yīng)變集中程度即應(yīng)力應(yīng)變集中程度wdyJ平面應(yīng)變條件下平面應(yīng)變條件下,外力達(dá)到破壞載荷時外力達(dá)到破壞載荷時,J 積分值積分值也達(dá)到相應(yīng)的臨界值也達(dá)到相應(yīng)的臨界值JCC JC:C:斷裂韌度斷裂韌度表示材料抵抗裂紋表示材料抵抗裂紋開始擴(kuò)展開始擴(kuò)展的能力的能力斷裂斷裂J判據(jù)判據(jù)J JCC裂紋就會開裂裂紋就會開裂在平面應(yīng)變線彈性條件下在平面應(yīng)變線彈性條件下（四）斷裂韌度（四）斷裂韌度J C和和KC、G C的關(guān)系的關(guān)系EKGJICICC22)1 (EKJICC22)1 (在彈塑性條件下在彈塑性條件下計算的計算的KC與實測的與實測的KC基本一致基本一致取取=0.25,E=200000MPaICICJK460二、裂紋尖端張開位移二、裂紋尖端張開位移(COD)及斷裂韌度及斷裂韌度 C裂紋尖端的應(yīng)變量達(dá)到某一臨界值時裂紋尖端的應(yīng)變量達(dá)到某一臨界值時,材料便會發(fā)生材料便會發(fā)生斷裂斷裂,因此因此應(yīng)變量應(yīng)變量也可作為材料斷裂的判據(jù)也可作為材料斷裂的判據(jù)