金屬的斷裂韌性

1、第四章 金屬的斷裂韌性斷裂是工程構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。 強度儲備法，許用應力，強度儲備系數(shù)（安全系數(shù)）按照傳統(tǒng)力學設計，只要求工作應力b小于許用應力bj即bb就被認為是安全的了。而Z對塑性材料打=孫，對脆性材料b=b/n,其中n為安全系數(shù)。經典的 強度理論無法解釋為什么工作應力遠低于材料屈服強度時會發(fā)生所謂低應力脆斷的 現(xiàn)象。 低應力脆性斷裂（低應力脆斷） ：高強度機件及中低強度大型件。 裂紋體：傳統(tǒng)力學是把材料看成均勻的，沒有缺陷的，沒有裂

2、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， 都會產生各種宏觀缺陷乃至 宏觀裂紋。 人們在隨后的研究中發(fā)現(xiàn)低應力脆斷總是和材料內部含有一定尺寸的裂紋相聯(lián)系的，當裂紋在給定的作用應力下擴展到一臨界尺寸時，就會突然破裂。因為傳統(tǒng)力學或經典的強度理論解決不了帶裂紋構件的斷裂問題，斷裂力學就應運而生。可以說斷裂力學就是研究帶裂紋體的力學，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 斷裂韌性，用它來比較各種材料的抗斷能力。斷裂力學，建立了材料性質、裂紋尺寸和工作應力之間的關系。 斷裂韌性，斷裂韌度線彈性條件下的斷裂韌性斷口分析表明， 金屬機件的低應力脆斷斷口沒有宏觀塑性變形

3、痕跡， 可以應用線彈性斷裂力學。兩種分析方法： （ 1 ）應力場強度分析方法； （ 2）能量分析方法。裂紋擴展的基本形式根據(jù)外加應力與裂紋擴展面間的取向關系，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） 。應力場強度因子KI 及斷裂韌性KIC TOC o 1-5 h z KI.二33fct x = , cos (1sin sin ).2T222KI.二.二3口cos (1 sinsin)2 二r222KI二r3i- xv = sin cos cos2：r222仃z =0 （平面應力）0z =Y（DX +by）（平面應變）適用于rKic。KIC二Y

4、OcJac0c臨界應力，a臨界裂紋尺寸。斷裂K判劇:Ki=Kic 。三點應用：4.裂紋尖端塑性區(qū)及Ki的修正小范圍屈服圖35應力松弛后的塑性區(qū)1）塑性區(qū)的尺寸 屈服判劇r。（平面應力）r。12 二（平面應變）應力松弛：Ro=2ro2）等效裂紋及 Ki的修正。Ki =丫二.a %等效裂紋修正值ry為應力松弛后塑性區(qū)寬度的一半。圖3 6塑性區(qū)修正方法示意圖裂紋擴展能量釋放率 Gi及斷裂韌性Gic.裂紋擴展時能量的轉化關系:W-fUe = （ p 2 s）：A左端是裂紋擴展動力，右端是裂紋擴展阻力。.裂紋擴展能量釋放率 GiU=Ue-W ,為系統(tǒng)勢能。裂紋擴展單位面積時，系統(tǒng)釋放的勢能數(shù)值，稱為裂紋

5、擴展能量釋放率，記為Gi。.:U船，單位厚度時,Gi =.:U:a ,表示使裂紋擴展單位長度的原動力。單位MPa m。Gi二二 2aE（平面應力）Gi（平面應變）.斷裂韌性Gic和斷裂G判據(jù)Gi達到臨界值時，裂紋進入失穩(wěn)擴展階段，這個臨界值，稱為斷裂韌性，記為Gic 裂紋失穩(wěn)擴展阻力（p+2 s）斷裂G判居U: Gi=G ic 。. Gic和Kic的關系平面應變條件下，1 - 2 二。2aE TOC o 1-5 h z -2,2Gi所以有1 -2-1 -2K Gic =K icEE5.裂紋擴展阻力曲線及斷裂判據(jù)裂紋擴展阻力 R= p+2 s R-a曲線，阻力曲線。裂紋擴展動力 G尸Y2o2a/E，Gi-a曲線，動力曲線。-：G|裂紋失穩(wěn)擴展的斷裂判劇:fa響斷裂韌性的因素材料成分、組織結構的影響 TOC o 1-5 h z .細化晶粒的合金元素提高Kic.強烈固溶強化的合金元素降低Kic.以第二相析出的合金元素降低Kic特殊熱處理的影響.高溫形變熱處理可細化奧氏體亞結構、增加位錯密度、促進合金碳化物彌散 沉淀而提高KIC。.亞溫淬火和超高溫淬火均可提高Kic。外界因素的影響.溫度溫度降低，韌性降低。.應變速率應變速率增加，韌性降低。裂韌性的測試試樣形狀、尺寸及制備三點彎曲試樣和緊湊拉伸（CT ）試樣測試方法裂韌性在工程中的應用高壓容器承載能力的計算高壓殼體材