材料斷裂課件 第三章 工程材料的斷裂

第三章工程材料的斷裂

固體物質(zhì)在力的作用下分成若干部分的現(xiàn)象。斷裂是機(jī)械構(gòu)件三大失效形式之一。三大失效形式：斷裂磨損腐蝕3.1斷裂的類型一、從宏觀上分類：→失效分析，判斷受力情況，材料性質(zhì)1．根據(jù)宏觀塑性變形出現(xiàn)與否

類別宏觀塑性變形(微觀塑性變形是有的)吸收能量規(guī)定(拉伸)脆性斷裂無(wú)小塑性斷裂有大

≥5%2．根據(jù)斷裂面取向正斷：垂直于Smax或εmax方向發(fā)生斷裂，最終為正應(yīng)力致裂。脆性斷裂、韌性斷裂。→平面應(yīng)變狀態(tài)切斷：沿最大切應(yīng)力方向發(fā)生斷裂，最終為切應(yīng)力致裂。韌性斷裂?！矫鎽?yīng)力狀態(tài)3．根據(jù)應(yīng)力大小類別宏觀應(yīng)力彈性變形塑性變形

歸類低應(yīng)力斷裂<宏觀、微觀微觀（脆性）脆性斷裂高應(yīng)力斷裂>宏觀宏觀（韌性、脆性）韌性斷裂脆性斷裂二、從微觀上分類——失效分析——斷裂機(jī)制按斷裂機(jī)制（擴(kuò)展機(jī)制）分：穿晶斷裂：裂紋穿過(guò)晶粒內(nèi)部——脆性斷裂或韌性斷裂沿晶斷裂：裂紋沿晶界擴(kuò)展——多數(shù)屬脆性斷裂(少數(shù)韌性斷裂)

穿晶斷裂類型斷裂形貌：如冰糖塊狀、河流（骨狀）花樣、解理臺(tái)階+撕裂嶺、韌窩、蛇行滑移、漣波※宏觀，微觀上對(duì)斷裂分類，不能一一對(duì)應(yīng)解理斷裂與脆性斷裂→以宏觀塑性變形為依據(jù)。塑性大，韌性高斷裂的不同微觀機(jī)制，可以是脆性斷裂，可以是韌性斷裂，取決于耗能大小，解理斷裂不一定是脆性斷裂。3.2斷裂過(guò)程包括裂紋的萌生和裂紋的擴(kuò)展二個(gè)過(guò)程。1．裂紋的萌生裂紋有兩種類型：原始裂紋：已存在于材料中；在制造過(guò)程中產(chǎn)生的；萌生裂紋：加載后產(chǎn)生的；塑性變形或+原始缺陷（空洞夾雜，氣孔等）滑移誘導(dǎo)形核，提出一些位錯(cuò)形核模型：位錯(cuò)塞積、位錯(cuò)反應(yīng)（雙塞積）。2．裂紋的擴(kuò)展有如下三種方式脆性材料：陶瓷材料、低溫下（冷脆溫度以下）金屬塑性材料：（拉伸） 低應(yīng)力斷裂

斷裂性質(zhì) 高應(yīng)力脆斷（無(wú)塑性變形）－脆性材料高應(yīng)力韌斷（有塑性變形，亞臨界擴(kuò)展）－韌性材料 低應(yīng)力斷裂(疲勞和應(yīng)力腐蝕---亞臨界擴(kuò)展)

（裂紋→亞臨界擴(kuò)展→失穩(wěn)擴(kuò)展）－－－斷裂(2)原始裂紋C0

↑→C0→Cf失穩(wěn)（塑性變形強(qiáng)化）(3)原始裂紋C0 不增加,C0→Cf失穩(wěn)（亞臨界擴(kuò)展）3．對(duì)斷裂本質(zhì)的認(rèn)識(shí)斷裂過(guò)程（裂紋擴(kuò)展）局限于裂紋尖端及其周圍很小體積范圍內(nèi)。相當(dāng)于小體積成為試樣，原試樣其它部分成為加載系統(tǒng)，平面應(yīng)力（試樣表面）；平面應(yīng)變（后試樣內(nèi)部）(2)變形與斷裂是不可分割的，變形是斷裂的前驟，斷裂是變形最后階段和結(jié)果。

臨界狀態(tài)（σf,Cf）=K1c(1)原始裂紋C0 ↑→ C0不變失穩(wěn)3.3影響斷裂的因素切應(yīng)力——位錯(cuò)推動(dòng)力——引起塑性變形(對(duì)變形和裂紋萌生、擴(kuò)展均起作用)正應(yīng)力：拉應(yīng)力、壓應(yīng)力，只有拉應(yīng)力使裂紋擴(kuò)展。工業(yè)設(shè)計(jì)中要求構(gòu)件處于韌性狀態(tài)，而不出現(xiàn)危險(xiǎn)的脆性斷裂，材料是否處于脆性狀態(tài)不是絕對(duì)的，即不存在本質(zhì)上絕對(duì)塑性材料或絕對(duì)脆性材料。材料狀態(tài)取決于四個(gè)方面：材料本質(zhì) 主要因素應(yīng)力狀態(tài) 加載方式，機(jī)件形狀溫度工況條件加荷速度影響斷裂類型主要因素：1．材料本質(zhì)：極限應(yīng)力ts（屈服）tk（切斷）Sk（正斷）2．應(yīng)力狀態(tài) 應(yīng)力狀態(tài)軟化系數(shù)

松馳方式受力→位錯(cuò)產(chǎn)生→運(yùn)動(dòng)應(yīng)力集中形變；斷裂裂紋的萌生、擴(kuò)展塑性變形和斷裂的位錯(cuò)解釋：塑變：是位錯(cuò)不斷增殖，并沿整個(gè)滑移面運(yùn)動(dòng)的過(guò)程；斷裂：是位錯(cuò)不斷聚集和消失的過(guò)程。力學(xué)狀態(tài)圖（近似估計(jì)斷裂類型）從材料本質(zhì)（以拉伸為標(biāo)準(zhǔn)） 韌性材料；脆性材料應(yīng)力狀態(tài)三區(qū)：α<ts/Sk脆斷，正斷；ts/Sk≤α<tk/Sk

韌斷、正斷；α≥tk/Sk韌斷、切斷溫度和加載速度對(duì)斷裂的影響

（Sk近似為常數(shù)）脆性↑應(yīng)力狀態(tài)：降低。載荷類型→影響；構(gòu)件形狀→愈復(fù)雜，截面積變化愈劇烈在一定工況條件下選材：（避免脆性斷裂，使材料處于韌性狀態(tài)） 小采用一定塑性的調(diào)質(zhì)鋼 大用鑄鐵等低塑性材料綜合考慮合理選材。3.4應(yīng)力集中應(yīng)力集中產(chǎn)生位置：宏觀：截面改變、缺口處；微觀：裂紋處、晶界、夾雜、第二相處。應(yīng)力集中產(chǎn)生結(jié)果：（1）改變應(yīng)力分布，應(yīng)力狀態(tài)，趨于脆化→降低。

單向拉伸，缺口處處于三向拉伸。(2)使脆性材料弱化、塑性材料強(qiáng)化：

客觀上，相對(duì)的，微觀上，塑性區(qū)強(qiáng)化，耗能。(3)有利于裂紋的萌生和擴(kuò)展。

應(yīng)力集中系數(shù)

(最大應(yīng)力與平均應(yīng)力比值)

無(wú)限大板，橢園孔（裂紋長(zhǎng)度） （尖端曲率）Kt大小決定于裂紋長(zhǎng)度及尖部程度促進(jìn)材料脆化的因素：(1)內(nèi)因：脆化(2)外因：T↓↓↑→↑脆化 （(應(yīng)力狀態(tài))↓）脆化

第四章斷裂力學(xué)基礎(chǔ)及其在工程中的應(yīng)用

在實(shí)際機(jī)件設(shè)計(jì)中，考慮到缺口（或裂紋）的存在，形成多向應(yīng)力狀態(tài)，用Kt估算應(yīng)力集中程度，把復(fù)雜多向應(yīng)力狀態(tài)換算成單向位伸下的等效應(yīng)力或等效應(yīng)變，然后按單向拉伸性能計(jì)算：即許用應(yīng)力 n>1安全系數(shù) 設(shè)計(jì)強(qiáng)度條件：

該條件僅能保證機(jī)件不發(fā)生塑性變形及隨后的韌性斷裂，不能防止低應(yīng)力下的脆性斷裂。為了防止脆性斷裂，附以δ、Ф、、Tk等塑韌性指標(biāo)作為設(shè)計(jì)參考。不能計(jì)算，只能憑經(jīng)驗(yàn)確定塑韌性指標(biāo)，往往對(duì)于中、低強(qiáng)度下的中小件造成浪費(fèi)；而對(duì)高強(qiáng)度或中、低強(qiáng)度下的大件往往不能完全保證避免脆性斷裂。原因傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中只考慮了應(yīng)力集中導(dǎo)致應(yīng)力狀態(tài)的變化，即缺口或裂紋使應(yīng)力提高的倍數(shù)，而未考慮應(yīng)力狀態(tài)變化對(duì)變形和斷裂過(guò)程的影響（由于裂紋存在，斷裂應(yīng)力降低）。而實(shí)際構(gòu)件或材料中存在裂紋，屬于非連續(xù)力學(xué)。斷裂力學(xué)解決了含有裂紋構(gòu)件受力分析和強(qiáng)度計(jì)算，避免了低應(yīng)力脆斷。可分三種情況：應(yīng)力集中不嚴(yán)重，較大，裂紋不擴(kuò)展，無(wú)危害緩慢擴(kuò)展，并伴隨明顯塑性變形韌性斷裂機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)力集中嚴(yán)重，較小——低應(yīng)力脆性斷裂——斷裂力學(xué)4.1Griffith能量理論(顯微裂紋存在降低強(qiáng)度）無(wú)限大薄板（單位厚度），作用在均勻應(yīng)力，使其彈性伸長(zhǎng)，將兩端固定（無(wú)塑性變形）——適用于玻璃、陶瓷等脆性材料。

(1)由于裂紋存在，所釋放出彈性應(yīng)變能 →裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力(2)形成裂紋，產(chǎn)生表面能W=4aΓ（T單位面積表面能）——擴(kuò)展阻力。當(dāng)u≧w裂紋將自動(dòng)擴(kuò)展（失穩(wěn)擴(kuò)展）求得臨界值臨界應(yīng)力具有裂紋的物體,實(shí)際強(qiáng)度低于理論強(qiáng)度臨界裂紋長(zhǎng)度即，裂紋每擴(kuò)展單位面積時(shí)，彈性系統(tǒng)所能提供的能量，等于裂紋擴(kuò)展所需要能量。

G=為裂紋擴(kuò)展時(shí)能量釋放率→裂紋擴(kuò)展力可見：G與外加應(yīng)力，試樣和裂紋形狀、尺寸有關(guān)。裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則：G<Gc裂紋穩(wěn)定

G≥Gc裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展以上講的是脆性材料。對(duì)于塑性材料：裂紋尖端產(chǎn)生塑性變形，裂紋擴(kuò)展應(yīng)變能釋放率（驅(qū)動(dòng)力）不僅要滿足表面能還要支付裂紋尖端塑性變形功：即Gc=2(Γ+P)P裂紋擴(kuò)展單位面積所需塑性變形功。由于P與裂紋尖端應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)，獲得Gc準(zhǔn)確物理意義及測(cè)試值，必須對(duì)裂紋尖部進(jìn)行應(yīng)力分析。以上從能量角度得到裂紋擴(kuò)展；不能顯示裂紋擴(kuò)展具體過(guò)程。Irwin通過(guò)裂紋前沿應(yīng)力應(yīng)變分析得到應(yīng)力應(yīng)變近似式，其理論構(gòu)成線彈性斷裂力學(xué)基礎(chǔ)。4.2裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)線彈性斷裂力學(xué)就是利用彈性力學(xué)理論，研究含有裂紋材料應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律及裂紋擴(kuò)展規(guī)律。認(rèn)為：材料在脆斷前基本上是彈性變形、應(yīng)力應(yīng)變成線性關(guān)系；但實(shí)際上即使高強(qiáng)鋼，裂紋尖端也有小范圍屈服，可經(jīng)裂紋長(zhǎng)度修正，轉(zhuǎn)變成線彈性問題。裂紋擴(kuò)展方式有三種類型，I張開型，II滑開型，III撕開型張開型，I型是最常見，最危險(xiǎn)裂紋擴(kuò)展方式(一般以張開型為例)根據(jù)應(yīng)力集中，在裂紋缺口附近形成不均勻應(yīng)力分布，缺口頂端出現(xiàn)應(yīng)力高峰，且隨離裂紋尖端距離增加，應(yīng)力逐漸降低——定性規(guī)律。1957年Irwin研究受力裂紋體裂紋尖端附近應(yīng)力應(yīng)變分布情況，裂紋長(zhǎng)度為2a，無(wú)限大平板，得到裂紋尖端附近一點(diǎn)（r,θ）的應(yīng)力，位移：

要點(diǎn)：上式具有普遍意義：1.一個(gè)結(jié)構(gòu)中任何裂紋附近的應(yīng)力分布是相似的，并且只依賴于r和θ，不同裂紋構(gòu)件的差別在于K1（應(yīng)力強(qiáng)度因子）。2.r很小，裂紋尖端附近才成立（r→0）3.K↑

至Kc,σ

↑至σc→開裂K應(yīng)力強(qiáng)度因子，表示裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱:

K=Yσa1/2Y裂紋形狀因子——取決于形狀、大小、裂紋形狀及尺寸，載荷類型Kc=Yσcac1/2Kc隨應(yīng)力狀態(tài)變化而變。試樣厚度→增加平面應(yīng)力→平面應(yīng)變可見，在平面應(yīng)變下的Kc值（即K1c）保持穩(wěn)定的最低值→作為判斷依據(jù)

脆性斷裂發(fā)生的判據(jù)：（計(jì)算）K1≥Kc（測(cè)試）

G與K關(guān)系

能量分析 應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度分析 平面應(yīng)力平面應(yīng)變4.3裂紋尖端塑性區(qū)在裂紋尖端存在應(yīng)力奇異點(diǎn)。既使超高強(qiáng)度鋼，※①裂紋尖端總要有一定的屈服范圍；即塑性變形區(qū)?！谒苄詤^(qū)大小對(duì)裂紋擴(kuò)展、能量消耗、路徑選擇有影響。塑性區(qū)大小 平面應(yīng)力

平面應(yīng)變當(dāng)

平面應(yīng)力 平面應(yīng)變

③

平面應(yīng)變下三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)對(duì)裂紋尖端塑性變形產(chǎn)生約束，塑性區(qū)為平面應(yīng)力下1/6。實(shí)際塑性區(qū)大小要比以上分析要大，主要是由于塑性區(qū)應(yīng)力松馳的結(jié)果。④應(yīng)力松馳使塑性區(qū)擴(kuò)大一倍。平面應(yīng)力平面應(yīng)變由于屈服，OG區(qū)內(nèi)超過(guò)的應(yīng)力必須由鄰近的OG區(qū)域承擔(dān)，ABC面積=DBEF面積。計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果比較接近由于裂紋尖端塑性區(qū)的存在，實(shí)際線彈性應(yīng)力場(chǎng)分布從ABC移至EF，如應(yīng)按線彈性問題處理，可將塑性區(qū)出現(xiàn)看作相當(dāng)于裂紋尺寸稍微增加。(5)有效裂紋尺寸為裂紋尺寸加上塑性區(qū)半徑。不論平面應(yīng)力、平面應(yīng)變，有效裂紋尖端正好位于x軸的塑性區(qū)中心，使K1增大。(6)Keff實(shí)際比Kapplied所施加的要大。

（平面應(yīng)力）

（平面應(yīng)變）上述修正，適用于塑性區(qū)很小情況下。有三種情況：無(wú)屈服 r<<2a 適用線彈性斷裂力學(xué)小屈服 r<2a 經(jīng)修正適用線彈性斷裂力學(xué)大范圍、 r>2a(同一數(shù)量級(jí))適用于彈塑性斷裂的全面屈服屈服程度取決于，B（厚度）試樣尺寸和強(qiáng)度B↑塑性區(qū)↓↑塑性區(qū)↓一般B≥2.5為平面應(yīng)變狀態(tài)→用于測(cè)K1c。4.4彈塑性下的斷裂韌性線彈性斷裂力學(xué)適用于線彈性斷裂或小范圍屈服斷裂，其指標(biāo)K、G。研究彈塑性下斷裂韌性必要性：①實(shí)際要求：平面應(yīng)力狀態(tài)下強(qiáng)度低；薄板等斷裂②K1c測(cè)試：用小試樣代替大試樣，避免浪費(fèi)。

要求一個(gè)從線彈性到大范圍屈服以至全面屈服（裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜，無(wú)法精確計(jì)算），都始終適用的參數(shù)。單值決定裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度，達(dá)到破壞時(shí)，該參數(shù)達(dá)到極值，可作為斷裂判據(jù)COD，J積分。4.4.1COD（裂紋張開位移）線彈性下應(yīng)力變化快（敏感），彈塑性時(shí)，應(yīng)力變化小，應(yīng)變變化快（敏感），可用裂紋前（張開位移）來(lái)反映裂紋端部形變場(chǎng)強(qiáng)度，開裂時(shí)，達(dá)到一個(gè)與試樣尺寸無(wú)關(guān)的常數(shù)。斷裂準(zhǔn)則 ≥COD在線彈性與小范圍屈服下，與K1c，G1c同樣作為斷裂判據(jù)，并與其有對(duì)應(yīng)關(guān)系： 平面應(yīng)力平面應(yīng)變即當(dāng)K1=K1cG1=G1c=在大范圍屈服下 已知（測(cè)出）已知外載允許裂紋尺寸a

4.4.2J積分（從能量角度）彈塑性下，外力P對(duì)試樣做功U，形變功U轉(zhuǎn)變?yōu)樵嚇訌椥詰?yīng)變能和塑性功，并對(duì)裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)產(chǎn)生影響。形變功差率 彈性下 （用裂紋長(zhǎng)度略異，形狀于尺寸完全相同二個(gè)試樣，單調(diào)加荷到相同位移，所需形變功差率）斷裂判據(jù) J≥J1c在線彈性下 J=G（裂紋擴(kuò)展力）在彈塑性下

W應(yīng)變能密度。T邊界條件決定的應(yīng)力矢量U位移分量是一個(gè)圍繞裂紋尖端與積分路徑無(wú)關(guān)的線積分，積分值與路徑無(wú)關(guān)，避開求解彈塑性邊界值問題。J積分內(nèi)圍繞裂紋尖端口周圍地區(qū)應(yīng)力、應(yīng)變和位移場(chǎng)組成的線積分給出，J積分由場(chǎng)時(shí)度決定，反過(guò)來(lái)，J積分描述裂紋場(chǎng)的強(qiáng)度。J積分還可以通過(guò)外載對(duì)試樣所做的形變功來(lái)測(cè)得。第三、四章思考題1.闡述斷裂的類型分類、斷裂過(guò)程和擴(kuò)展方式。2.影響構(gòu)件產(chǎn)生脆性斷裂和韌性斷裂的因素是什么？3.試分析應(yīng)力集中系數(shù)Kt與應(yīng)力強(qiáng)度因子KI的異同點(diǎn)。4.為什么會(huì)出現(xiàn)低應(yīng)力脆斷，如何控制和避免。如何控制低應(yīng)力脆斷。5.試分析解理斷裂、晶間斷裂與脆性斷裂的關(guān)系和區(qū)別。6.Griffith理論的基本思路和適用范圍。7.何謂能量釋放率GC。8.裂紋尖端強(qiáng)度因子KI、KII、KIII各表示什么？9.何謂平面應(yīng)力狀態(tài)和平面應(yīng)變狀態(tài)？工程中如何判斷工程構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)。10.分析K1、K1C、KC關(guān)系；如何在工程中應(yīng)用。11.工程常用斷裂韌度指標(biāo)存哪些？分析它們的關(guān)系.12.論述裂紋尖端塑性區(qū)以作用以及尺寸和修正？第五章斷裂控制的轉(zhuǎn)變溫度方法5.1擺錘沖擊試驗(yàn)簡(jiǎn)單易行，成本低。重要性1．在科學(xué)研究及工程上應(yīng)用廣泛，除HRC，作為參考和對(duì)比。2．用于冷脆轉(zhuǎn)變溫度的確定（控制溫度—斷裂方式測(cè)試方法）3．概念及應(yīng)用上的模糊。應(yīng)用最廣的是缺口試樣擺錘沖擊彎曲試驗(yàn):載荷大小 30kg·m(294J)，15kgm(147J),10kg·m(98J)沖擊試樣瞬間速度5~7m/s缺口增加材料脆化傾向從以下四方面：(1)

產(chǎn)生高的應(yīng)力集中 (2)

產(chǎn)生多軸應(yīng)力狀態(tài)(3)

產(chǎn)生高的局部應(yīng)變硬化和裂紋(4)

引起高的應(yīng)變率。開缺口的目的：造成應(yīng)力集中和三軸應(yīng)力狀態(tài)，使沖擊能量和塑性變形集中在缺口附近不大的體積內(nèi)，以及缺口處應(yīng)變速率增大，可增加材料脆化趨勢(shì)。使材料韌、脆轉(zhuǎn)化溫度趨于室溫附近，使沖擊值對(duì)溫度更為敏感，有利于觀察。一、對(duì)沖擊韌性的誤解1．在沖擊韌性概念上認(rèn)為：在沖擊試驗(yàn)中①脆性是由沖擊引起的。

實(shí)際上光滑試樣在很高沖擊速度下，現(xiàn)為強(qiáng)度，塑性均提高。在常見機(jī)械中所受的載荷的速度范圍內(nèi)，沖擊因素本身造成的脆化是不大的。其脆化主要是由缺口導(dǎo)致的，因此，沖擊韌性——應(yīng)稱為缺口韌性或沖擊缺口的韌性。導(dǎo)致結(jié)果：②

在工程上，對(duì)帶有沖擊載荷的性質(zhì)，片面要求材料過(guò)高的沖擊值。③實(shí)際系列沖擊試驗(yàn)是集缺口，低溫，沖擊等三大脆化因素共同作用，與缺口，溫度相比，沖擊引起脆性傾向最小。

2．不同材料相同的沖擊值的物理意義上相差較大。沖擊試樣經(jīng)歷了彈性變形、塑性變形、裂紋萌生，裂紋擴(kuò)展。AI+AII裂紋萌生功、AIII裂紋擴(kuò)展功對(duì)于相同值可有以下三種情況：強(qiáng)度高、塑性低 (2)強(qiáng)度高，一定擴(kuò)展抗力 (3)強(qiáng)度低，較大擴(kuò)展抗力

3．對(duì)的要求上分兩種情況（1） 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)定沖擊韌性下限值→<將可能導(dǎo)致斷裂。（2）控制材質(zhì)，工藝過(guò)程，質(zhì)量所提出→穩(wěn)定性，質(zhì)量控制。二、的應(yīng)用1.反映材料對(duì)一次或少次較大能量沖擊破壞抗力。2.系列沖擊試驗(yàn)，估價(jià)材料低溫脆化趨勢(shì)。3.用于控制材質(zhì)冶金質(zhì)量、熱加工藝過(guò)程及質(zhì)量和穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。作為鋼材驗(yàn)收重要指標(biāo)之一。

對(duì)材料的冶金質(zhì)量，包括缺陷，顯微組織差異特別敏感。4.科研中，新材料，新工藝，對(duì)比試驗(yàn)。5.2材料的低溫脆性現(xiàn)象30%~40%的斷裂事故是由低溫造成的，即屬于低溫低應(yīng)力脆斷（在以下）。低溫是相對(duì)的：中、低強(qiáng)度鋼，脆斷發(fā)生在低溫，0℃以下。 高強(qiáng)度鋼或脆性材料，脆斷發(fā)生在高溫，0℃以上。規(guī)律：1.體心立方或某些密排六方的金屬或合金有明顯的低溫冷脆性現(xiàn)象。而面心立方金屬及合金，一般沒有低溫脆性（即大范圍內(nèi)）。2.高強(qiáng)度鋼不存在脆性轉(zhuǎn)變溫度。高強(qiáng)度鋼在某一溫度下發(fā)生脆斷，在所有溫度下均可發(fā)生。3.中、高強(qiáng)度鋼防止脆斷基本原則，阻止裂紋萌生，一旦萌生會(huì)在彈性應(yīng)力下失穩(wěn)擴(kuò)展導(dǎo)致脆斷。5.3冷脆斷轉(zhuǎn)變溫度的確定1．冷脆轉(zhuǎn)變特征溫度TK韌脆轉(zhuǎn)變溫度通常根據(jù)能量、塑性變形、斷口形貌等隨溫度變化來(lái)定義TK。(1)V15TT沖擊功AK=20.3N·m時(shí)作為TK。15ft.b用于低碳鋼船用鋼板抗脆設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。(2)NDT無(wú)塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫度。材料斷裂吸收能量不隨時(shí)間變化的低能區(qū)。<NDT100%解理區(qū)(3)FTP材料吸收能量不隨時(shí)的變化的高能區(qū)>FTP得到100%纖維狀斷口。(4)FTE低能階與高能階的平均值對(duì)應(yīng)溫度。(5)FATT斷口形貌轉(zhuǎn)變溫度。一般以脆斷面積占50%溫度為TK，記為FATT5015ft.b二、TK的測(cè)定1．落錘沖擊試驗(yàn)測(cè)NDT要求開裂前無(wú)塑性變形（實(shí)際上微量塑性變形）→測(cè)NDT

2．NDT與FTEFTP有近似關(guān)系FTE=NDT+33℃；FTP=NDT+67℃（板厚≤50mm）FTE=NDT+72℃；FTP=NDT+94℃（板厚>75mm）三、斷裂分析圖綜合應(yīng)力，缺陷和溫度之間關(guān)系分析開裂擴(kuò)展和止裂條件，防止脆斷和選擇材料.主要用于壓力容器的防脆設(shè)計(jì)。※依據(jù)斷裂分析圖的設(shè)計(jì)原則：選材時(shí)，使材料的冷脆轉(zhuǎn)化溫度低于結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用最低溫度，※局限性：1．①冷脆轉(zhuǎn)變溫度受試樣形狀、尺寸、缺口、應(yīng)力狀態(tài)，加載速度等方面影響。②受缺陷尺寸影響，初始缺陷急劇降低，當(dāng)脆斷。

沖擊試樣所得冷脆轉(zhuǎn)變溫度與實(shí)際構(gòu)件冷脆轉(zhuǎn)變溫度不同，只能說(shuō)冷脆溫度低的材料，具有較低冷脆傾向→不能進(jìn)行安全設(shè)計(jì)。2．從工程運(yùn)用的觀點(diǎn)，用K1c進(jìn)行完全設(shè)計(jì)，沒有必要去尋找冷脆轉(zhuǎn)化溫度，只要滿足K1<K1c即可保證脆斷。與斷裂力學(xué)方法相比，斷裂分析圖有些粗糙，往往偏于保守.但由于應(yīng)用多年，積累了大量事實(shí)的經(jīng)驗(yàn)，仍具有較高的實(shí)用價(jià)值，此外，斷裂力學(xué)在解決低強(qiáng)度材料脆斷問題上還尚需完善。第五章思考題1.增加材料脆化外界因素有哪些，并分析缺口如何導(dǎo)致脆化。2.對(duì)沖擊韌性容易產(chǎn)生的錯(cuò)誤觀念有哪些？3.沖擊韌性應(yīng)用如何？4.何謂V15TT、NDT、ETD、FTE、FATT，并畫圖示之。5.TK冷脆轉(zhuǎn)變溫度如何測(cè)定。6.試分析斷裂分析圖中應(yīng)力缺陷、溫度與斷裂方式的關(guān)系。7.工程上如何防止低應(yīng)力脆斷？斷裂分析圖方法局限性。

第六章環(huán)境加速開裂和冶金脆性6.1概述環(huán)境加速開裂的幾種類型：腐蝕開裂：應(yīng)力腐蝕，活性介質(zhì)中，靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力下的斷裂作為。腐蝕疲勞，活性介質(zhì)中，動(dòng)態(tài)應(yīng)力作用下的斷裂作為。

(2)氫破壞：由于溶入材料內(nèi)部的氫引起的材料脆性斷裂。

(3)接觸金屬脆化：與低熔點(diǎn)的液態(tài)或固態(tài)金屬長(zhǎng)期接觸，金屬原子擴(kuò)散入材料內(nèi)部產(chǎn)生脆性斷裂。6.2應(yīng)力腐蝕定義：在拉應(yīng)力和特定環(huán)境介質(zhì)作用下，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象。產(chǎn)生條件：(1)拉應(yīng)力（外載或殘余應(yīng)力）(2)特種介質(zhì)（合金與腐蝕環(huán)境的特殊配合）如低碳鋼的堿脆、硝脆，奧氏體不銹鋼的氯脆至今尚不能統(tǒng)一地確定什么材料，在什么典型介質(zhì)中產(chǎn)生或杜絕應(yīng)力腐蝕斷裂。(3)合金或含雜質(zhì)金屬（純金屬無(wú)應(yīng)力腐蝕）6.3應(yīng)力腐蝕機(jī)理及斷裂特征應(yīng)力腐蝕的基本類別：陽(yáng)極敏感型應(yīng)力腐蝕陰極敏感型應(yīng)力腐蝕→氫脆型應(yīng)力第I種機(jī)理：金屬進(jìn)入溶液變?yōu)殛?yáng)離子而被腐蝕，金屬離子進(jìn)入腐蝕介質(zhì)而溶解為裂紋。裂紋從蝕坑處萌生，裂紋擴(kuò)展速率取決于金屬的溶解速度。力的作用：a.破壞鈍化膜，成為不極化電極；b.應(yīng)力集中使陽(yáng)極電位降低，加速溶解。擴(kuò)展途徑：穿晶，應(yīng)力作用于局部微區(qū)產(chǎn)生滑移臺(tái)階使保護(hù)膜破壞，產(chǎn)生陽(yáng)極溶解，形成穿晶。沿晶，晶界處受到浸蝕，力破壞保護(hù)膜，沿晶擴(kuò)展。斷裂過(guò)程與斷口形貌與疲勞相近。存在亞臨界擴(kuò)展和最終斷裂區(qū)→腐蝕、氧化，使之呈黑色，灰黑色。6.3應(yīng)力腐蝕力學(xué)性能指標(biāo)1．——類似于σ－1不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂時(shí)的臨界應(yīng)力。采用光滑試樣在應(yīng)力和介質(zhì)共同作用下（斷裂時(shí)間）曲線。

局限性：實(shí)際構(gòu)件一般不可避免存在裂紋或類似裂紋的缺陷。因此，用光滑試樣測(cè)定不能反映實(shí)際構(gòu)件應(yīng)力腐蝕抗力。2．KISCC和（da/dt）II，作為應(yīng)力腐蝕指標(biāo)——從斷裂力學(xué)角度，KISCC應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展門檻值。K<KISCC長(zhǎng)期處于腐蝕環(huán)境下，不開裂。KISCC<K<K1C亞臨界擴(kuò)展最終斷裂，用（da/dt）II預(yù)測(cè)壽命。K＞K1C立刻斷裂（無(wú)介質(zhì)作用）

※

高強(qiáng)度合金鋼、鈦合金，K1SCC有確定極限值※

鋁合金、鈦合金，K1SCC沒有確定極限值3．應(yīng)力腐蝕斷裂時(shí)間tT=ttr+tinc+ts（瞬態(tài)裂紋擴(kuò)展時(shí)間、潛伏時(shí)間、穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展時(shí)間）

?tinc+ts隨著K增加，潛伏時(shí)間迅速減少；對(duì)KISCC附近測(cè)量KISCC，注意有較長(zhǎng)的潛伏時(shí)間（類似于疲勞過(guò)載遲滯現(xiàn)象）否則得到較高的KISCC（不準(zhǔn)確）6.4氫脆和氫脆型應(yīng)力腐蝕一、氫脆機(jī)理：氫通過(guò)不同機(jī)制使金屬脆化(1)

氫蝕：氫與金屬中第二相作用產(chǎn)生高壓氣體，使晶界結(jié)合力減弱而脆化。

如碳鋼在高壓氫氣中，H與碳化物作用產(chǎn)生高壓CH4氣泡。(2)

白點(diǎn)：熔煉中過(guò)量氫隨T↓未擴(kuò)散外逸而富集在位錯(cuò)附近使晶格伸長(zhǎng)，產(chǎn)生較大應(yīng)力，足以使材料撕裂而形成白點(diǎn)。(3)

氫化物致脆：在純Ti，V，Zr，Nb及其合金中，易形成氫化物，使塑性韌性降低產(chǎn)生脆化。(4)

氫致延滯斷裂，高強(qiáng)度鋼或（）Ti合金中，固溶態(tài)的氫在低于屈服強(qiáng)度應(yīng)力持續(xù)作用下經(jīng)一段孕育期，在三向拉應(yīng)力區(qū)形成裂紋并擴(kuò)展發(fā)生脆斷——常指的氫脆。二、氫脆型應(yīng)力腐蝕——陰極類型應(yīng)力腐蝕

當(dāng)金屬表面和環(huán)境介質(zhì)接觸，由于陰極反應(yīng)產(chǎn)生了原子態(tài)氫，如果結(jié)合成氫原子過(guò)程受到阻滯，一部分氫原子將溶解在金屬內(nèi)部，造成金屬脆性；在受力情況下，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展。斷裂包括三個(gè)階段：孕育期、穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)、快速斷裂區(qū)。第六章思考題1.環(huán)境加速開裂的幾種類型。2.何謂應(yīng)力腐蝕，產(chǎn)生的條件、機(jī)理。3.試述應(yīng)力腐蝕力學(xué)性能指標(biāo)。4.試述氫脆及氫脆型應(yīng)力腐蝕及機(jī)理。5.金屬冶金脆性有哪幾種。何謂中子輻射脆性，如何消除。

第七章疲勞及疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展7.1概況1．疲勞：材料在變動(dòng)載荷下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象。斷裂失效中80%是由疲勞破壞引起的。原因：1）波動(dòng)載荷普通存在(超載現(xiàn)象)；2）強(qiáng)度設(shè)計(jì)。2．疲勞失效特點(diǎn)：(循環(huán)應(yīng)力下行為與靜載不同)——指高周疲勞(最早開始研究)。(1)失效應(yīng)力低，(2)不論靜載下為韌斷還是脆斷，循環(huán)應(yīng)力下均無(wú)明顯塑性變形的突然脆斷。(3)裂紋萌生于材料薄弱環(huán)節(jié)，材料構(gòu)件表面及本身缺陷敏感。(4)變形的高度局部性和不均勻性(經(jīng)彈、塑、斷三個(gè)階段)。宏觀局部3．疲勞研究歷史1858年whole第一個(gè)曲線。早期研究集中在高周疲勞破壞的宏觀規(guī)律上。疲勞機(jī)理通過(guò)金相顯微鏡發(fā)現(xiàn)滑移過(guò)程、滑移帶、擠入擠出。二十世紀(jì)五十年代，電子顯微鏡等先進(jìn)測(cè)試手段出現(xiàn)，機(jī)理研究更深入。并引入位錯(cuò)理論，成為疲勞微觀機(jī)理依據(jù)。六十年代，斷裂力學(xué)的應(yīng)用，得到疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律。近幾十年，開始研究應(yīng)變疲勞、、短裂紋擴(kuò)展等。7.2疲勞的分類疲勞，直接由載荷波動(dòng)造成的。最常見分類：高周疲勞（應(yīng)力疲勞）和低周疲勞（應(yīng)變疲勞）還受其它環(huán)境因素影響溫度

環(huán)境——腐蝕疲勞完整的疲勞曲線

從高周疲勞到低周疲勞過(guò)渡區(qū)，曲線不連續(xù)。試驗(yàn)結(jié)果波動(dòng)性：一般情況下，高周疲勞曲線。通常為50%破壞幾率。

P--N疲勞數(shù)據(jù)波動(dòng)大，測(cè)一組試樣的統(tǒng)計(jì)平均值。高周疲勞與低周疲勞的差別：

（應(yīng)力）f（頻率）Nf（壽命）變形高周疲勞低（<）高>106彈性應(yīng)變?yōu)橹鲗?dǎo)低周疲勞高（近于或高于）低102-103塑性應(yīng)變?yōu)橹鲗?dǎo)應(yīng)用安全壽命及（無(wú)限壽命）飛機(jī)零部件按有限壽命設(shè)計(jì)，如果按無(wú)限壽命設(shè)計(jì)量的無(wú)法起飛有限壽命疲勞設(shè)計(jì)方法，更合理，更經(jīng)濟(jì)7.3應(yīng)變疲勞（低周疲勞）每一周期應(yīng)力一應(yīng)變曲線構(gòu)成閉合滯后曲線。

總應(yīng)變彈性應(yīng)變塑性應(yīng)變?cè)诘椭芷诔跗?，由于交變?yīng)力作用（周期應(yīng)變）對(duì)材料性能產(chǎn)生影響。經(jīng)過(guò)一定循環(huán)次數(shù)（壽命10-50%），形變抗力達(dá)到恒定數(shù)值，滯后回線穩(wěn)定不變，將不同應(yīng)變幅度下滯后回線的頂點(diǎn)連在一起，得到周期應(yīng)力——應(yīng)變曲線。與單次拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線比較，可得到周期應(yīng)變對(duì)材料性質(zhì)影響。退火金屬σb/σ0.2>1.4;——循環(huán)硬化循環(huán)穩(wěn)定冷加工金屬σb/σ0.2<1.2;——循環(huán)軟化σb/σ0.21.2~1.4形變強(qiáng)化系數(shù)n>0.1循環(huán)軟化形變強(qiáng)化系數(shù)n<0.1循環(huán)穩(wěn)定因此：在承受大應(yīng)力疲勞時(shí)，應(yīng)選用循環(huán)穩(wěn)定或循環(huán)硬化材料，否則，易出現(xiàn)變形失效。在低周或高周疲勞中材料選取是不同的。

高周低應(yīng)力疲勞-N曲線

強(qiáng)度系數(shù)，b強(qiáng)度指數(shù)（負(fù)值）真實(shí)應(yīng)力幅值壽命決定于循環(huán)應(yīng)力選擇高強(qiáng)度材料。低周高應(yīng)力疲勞曲線

C材料常數(shù)（負(fù)值）塑性應(yīng)變幅疲勞延性系數(shù)壽命決定于循環(huán)應(yīng)變選擇高塑性材料和循環(huán)應(yīng)變系數(shù)高的材料。(滿足強(qiáng)度前提下)可見，材料疲勞性能的好壞不是絕對(duì)的，是相對(duì)一定應(yīng)變范圍而定，低應(yīng)變疲勞和高應(yīng)變疲勞對(duì)材料強(qiáng)度和塑性有相反的要求。7.4疲勞裂紋萌生承受疲勞載荷構(gòu)件壽命Nf=Ni+Ns+Ne即：萌生壽命+擴(kuò)展壽命（短裂紋+長(zhǎng)裂紋）載荷越低Ni占比重越大。裂紋萌生尺寸按分辨能力來(lái)區(qū)分：-10-4mm電鏡下工程需要工程裂紋尺寸0.076mm，或0.1,0.5mm （疲勞裂紋萌生+早期擴(kuò)展）萌生機(jī)理：局部周期滑移(表面晶粒不受約束易于滑移)→擠入擠出(滑移強(qiáng)烈之處)，晶界，孿晶界，夾雜物，第二相→應(yīng)力集中(局部達(dá)到)→裂紋萌生7.5疲勞裂紋尖端塑性區(qū)從裂紋萌生（材料中產(chǎn)生微小局部分離）開始，交變載荷所產(chǎn)生變形就由整體轉(zhuǎn)移到裂紋尖端的局部地區(qū)——塑性區(qū)。塑性區(qū)大小形狀及其內(nèi)部和周圍應(yīng)力場(chǎng)的組織、位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)變化，對(duì)疲勞過(guò)程產(chǎn)生重大影響。周期加載導(dǎo)致裂紋尖端塑性區(qū)特點(diǎn)：裂紋尖端存在兩個(gè)不同塑性區(qū)：最大應(yīng)力對(duì)應(yīng)的單調(diào)塑性區(qū)應(yīng)力幅Δσ

對(duì)應(yīng)反向塑性區(qū)

—反復(fù)承受拉抻和壓縮變形。平面應(yīng)力—平面應(yīng)變—

大約為(2)裂紋尖端存在殘余壓應(yīng)力裂紋的閉合。7.6長(zhǎng)裂紋的擴(kuò)展規(guī)律196