金屬材料的斷裂韌度課件

1、金屬材料的斷裂韌度一、斷裂韌度kic與常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)之間的關(guān)系 1030250060 二、影響斷裂韌度kic的因素 1030250047 三、高壓容器承載能力計(jì)算 1030250043 四、高壓殼體的熱處理工藝選擇 1030250050 五、大型轉(zhuǎn)軸斷裂分析 1030250038 六、超高強(qiáng)度和中低強(qiáng)度鋼的脆斷傾向分析 1030250033 七、高強(qiáng)度鋼和球墨鑄鐵的脆斷傾向分析 1030250057 八、j積分及斷裂韌度jic 1030250001 九、裂紋尖端張開(kāi)位移（ctod）及斷裂韌度c 1030250056 金屬的裂韌度金屬的裂韌度k kicic金屬材料的斷裂韌度斷裂韌度與常規(guī)力學(xué)性

2、能指標(biāo)之間斷裂韌度與常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)之間的關(guān)系的關(guān)系章新洋章新洋 10 10材料科學(xué)（材料科學(xué)（2 2班）班）學(xué)號(hào)：學(xué)號(hào)：10302500601030250060金屬材料的斷裂韌度3（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 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(diǎn)而又均勻分布的兩相合金，裂紋在基體相中擴(kuò)展時(shí)，將要受到第二相質(zhì)點(diǎn)間距( dt)的影響。ysdtrkiy2塑性區(qū)應(yīng)變?yōu)閑y金屬材料的斷裂韌度rekeeiyy2r=dt時(shí)dtekeiy2ey=eb=n時(shí)k = kcdtenkic2鋼中夾雜物對(duì)kc影響.夾雜物越多,間距越小,

3、kc越小.ysdtrkiy2塑性區(qū)應(yīng)變?yōu)閑y21*)(cfysicxek金屬材料的斷裂韌度52/1*)(cfsyicxekn-應(yīng)變硬化指數(shù)xc-特征距離,第二相質(zhì)點(diǎn)間的平均距離ys-屈服強(qiáng)度*f-臨界斷裂應(yīng)變金屬材料的斷裂韌度62 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: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,裂紋就失穩(wěn)擴(kuò)展,產(chǎn)生脆性斷裂.取特征距離為晶粒直徑的兩倍(2d)2/102/1 1) 1exp(9 . 2scsick0 裂紋尖端曲率半徑2/12/ )1 (2/ )1 ()/()(cnsyncicxkn-應(yīng)變硬化指數(shù)xc-特征距離,23個(gè)晶粒尺寸金屬材料

4、的斷裂韌度7（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)、加載速率金屬材料的斷裂韌度8tk1tk2t0takvkicakvkic茹爾夫?qū)χ?、高?qiáng)度鋼試驗(yàn)得到：茹爾夫?qū)χ?、高?qiáng)度鋼試驗(yàn)得到：)01. 0(79. 02/12 . 02 . 0kvicakmpa.m1/2金屬材料的斷裂韌度影響斷裂韌度kic的因素10材科（2）班 1030250047 盛振棟 金屬材料的斷裂韌度(一)材料的成分，組織對(duì)kic的影響(內(nèi)因)1、化學(xué)成分的影響(1) c% ， kic 。(2) 細(xì)化晶粒的合金元素，kic提高。 晶

5、粒細(xì)化 強(qiáng)度提高，塑性提高 kic提高(3) 強(qiáng)烈固溶強(qiáng)化元素明顯降低kic。 強(qiáng)烈固溶 強(qiáng)度增加，塑性降低 kic降低（綜合影響）(4) 形成金屬間化合物并呈第二相析出的元素，降低kic。 金屬間化合物(相和loves相) 降低塑性 kic降低影響斷裂韌度kic的因素 金屬材料的斷裂韌度2、基體相結(jié)構(gòu)和晶粒大小的影響(1)基體相結(jié)構(gòu) 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)n較高，其斷裂韌度較高。 影響斷裂韌度kic的因素 （

6、4）瓷材料，提高材料強(qiáng)度的組元，都將提高斷裂韌度。（5）對(duì)于高分子材料，增強(qiáng)結(jié)合鍵的元素都將提高斷裂韌度。a鋼kic p鋼kic 、m鋼kic金屬材料的斷裂韌度a鋼kic p鋼kic 、m鋼kic應(yīng)用實(shí)例：超高強(qiáng)度奧氏體鋼又稱相變誘發(fā)塑性鋼斷裂韌性極高斷裂韌性極高 添加大量ni、mn元素獲得奧氏體鋼。 *室溫溫加工后產(chǎn)生大量的位錯(cuò)和沉淀，強(qiáng)度大大提高。 *裂紋前端存在應(yīng)力集中，可誘發(fā)馬氏體，切變中消耗大量能量提高斷裂韌性提高斷裂韌性影響斷裂韌度kic的因素 金屬材料的斷裂韌度(2)晶粒大小 一般而言，晶粒越細(xì)，kic越高。 晶粒細(xì)小 n和c越大 kic提高 措施：措施：合金化(加入al，ti，

7、v，zr，nb)；冷熱加工(如控制軋制)；熱處理(如循環(huán)熱處理)，均可使晶粒細(xì)化，從而提高強(qiáng)韌性。 例外：例外：如超高溫淬火。盡管組織粗大，但由于在超高溫淬火時(shí)，組織中含有較多的殘余奧氏體，對(duì)韌性有利，在兩者的聯(lián)合作用下，使kic提高。 影響斷裂韌度kic的因素 金屬材料的斷裂韌度3、鋼中夾雜物和第二相對(duì)kic的影響。 鋼中夾雜物和某些第二相，其韌性比基體材料要差，稱脆性相。由于其本身脆裂或再相界面開(kāi)裂而形成微孔，微孔和主裂紋連接使裂紋擴(kuò)展，從而降低kic。影響斷裂韌度kic的因素 影響程度與夾雜物或第二相的類型，形狀，大小，數(shù)量及分布有關(guān)。一般可歸納如下： 第一，非金屬夾雜物往往使斷裂韌度降

8、低。 第二，脆性第二相隨著體積分?jǐn)?shù)的增加，使得斷裂韌度降低。 第三，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。金屬材料的斷裂韌度4、顯微組織對(duì)的影響 (1) 板條m的kic孿晶m的kic。 (2) kic(回火索氏體)kic(回火屈氏體)kic(回火馬氏體) (3) 上b：kic ；下b：kic 。 kic(b下)kic(m板條)kic(b上) (4) a的kicm的kic，所以殘余a為韌性相，使kic。 要求：少，小，勻，圓（球）。 措施：冶金質(zhì)量的控制、添加稀土改性?shī)A雜物、合理選擇熱處理工藝。影響斷裂韌度kic的因素 金屬材料的斷裂韌度影響斷裂韌度kic的因素 總的來(lái)說(shuō)，使材

9、料的強(qiáng)度強(qiáng)度、塑性塑性提高的或者使裂紋擴(kuò)展阻力增加的因素都能使材料的kic提高。 要注意的是要考慮某個(gè)因素對(duì)kic綜合影響，不能僅考慮因素的片面作用。 如強(qiáng)烈固溶強(qiáng)化的元素si、p，雖然能夠增強(qiáng)材料的強(qiáng)度，但是嚴(yán)重降低材料的塑性。兩個(gè)因素的綜合結(jié)果使kic下降。金屬材料的斷裂韌度高壓容器承載能力計(jì)算 10材科（2）班1030250043 韓敏 金屬材料的斷裂韌度斷裂k判據(jù)應(yīng)用案例第一是設(shè)計(jì)：包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和第一是設(shè)計(jì)：包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇材料選擇 根據(jù)材料的斷裂韌度，計(jì)算結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力，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；針對(duì)要求的承載量，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

10、的形狀和尺寸； 根據(jù)結(jié)構(gòu)的承載要求、可能出現(xiàn)的裂紋類型，計(jì)算最根據(jù)結(jié)構(gòu)的承載要求、可能出現(xiàn)的裂紋類型，計(jì)算最大應(yīng)力強(qiáng)度因子，依據(jù)材料的斷裂韌度進(jìn)行選材。大應(yīng)力強(qiáng)度因子，依據(jù)材料的斷裂韌度進(jìn)行選材。金屬材料的斷裂韌度第二是校核：第二是校核：根據(jù)結(jié)構(gòu)要求的承載能力、材料的斷裂韌度，計(jì)算材料根據(jù)結(jié)構(gòu)要求的承載能力、材料的斷裂韌度，計(jì)算材料的的臨界裂紋尺寸臨界裂紋尺寸，與實(shí)測(cè)的裂紋尺寸相比較，校核結(jié)構(gòu)，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。的安全性，判斷材料的脆斷傾向。第三是材料開(kāi)發(fā)：第三是材料開(kāi)發(fā)：根據(jù)對(duì)斷裂韌度的影響因素，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)材料的組根據(jù)對(duì)斷裂韌度的影響因素，有針

11、對(duì)性地設(shè)計(jì)材料的組織結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)新材料織結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)新材料金屬材料的斷裂韌度20安全校核 例例1 1：有一大型圓筒式容器由高強(qiáng)度鋼焊接而成，如圖有一大型圓筒式容器由高強(qiáng)度鋼焊接而成，如圖4-16所示。鋼板厚度所示。鋼板厚度t=5mm，圓筒內(nèi)徑，圓筒內(nèi)徑d=1500mm；所用；所用材料的材料的0.2=1800mpa，kic=62mpam1/2。焊接后發(fā)現(xiàn)焊縫表面有縱向半焊接后發(fā)現(xiàn)焊縫表面有縱向半橢圓裂紋，尺寸為橢圓裂紋，尺寸為2c=6mm，a=0.9mm。試問(wèn)該容器能否在。試問(wèn)該容器能否在p=6mpa的壓力下正常工作？的壓力下正常工作？金屬材料的斷裂韌度根據(jù)材料力學(xué)，裂紋所受垂直拉應(yīng)力為：根據(jù)材料力

12、學(xué)，裂紋所受垂直拉應(yīng)力為：將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式得將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式得5 . 018009002 . 0由于不必考慮塑性區(qū)的修正不必考慮塑性區(qū)的修正金屬材料的斷裂韌度22還可以用什么方法進(jìn)行計(jì)算？還可以用什么方法進(jìn)行計(jì)算？顯然，顯然， c，不會(huì)發(fā)生爆破，可以正常工作。，不會(huì)發(fā)生爆破，可以正常工作。對(duì)于表面半橢圓裂紋，對(duì)于表面半橢圓裂紋，當(dāng)當(dāng)a/c=0.9/3=0.3時(shí)，查附錄表得時(shí)，查附錄表得=1.10，將有數(shù)值代，將有數(shù)值代入上式得入上式得akyicc1/1.1y金屬材料的斷裂韌度23高壓殼體的熱處理工藝選擇高壓殼體的熱處理工藝選擇 10材科（2）班1030250050 姬天亮金屬材料的斷裂韌度

13、斷裂k判據(jù)應(yīng)用案例 一、高壓容器承載能力的計(jì)算 二、高壓殼體的熱處理工藝選擇 三、高強(qiáng)鋼容器水爆斷裂失效分析 金屬材料的斷裂韌度25高壓殼體的熱處理工藝選擇高壓殼體的熱處理工藝選擇 有一火箭殼體承受很高的工作壓力，其周向工有一火箭殼體承受很高的工作壓力，其周向工作拉應(yīng)力作拉應(yīng)力=1400mpa=1400mpa。采用超高強(qiáng)度鋼制造，焊接后往。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往發(fā)現(xiàn)有縱向表面半橢圓裂紋 ( (a a=lmm,a=lmm,a/ /c=0.6) c=0.6) 。現(xiàn)?，F(xiàn)有兩種材料，其性能如下有兩種材料，其性能如下: : (a) (a) =1700mpa, =1700

14、mpa, ； (b) (b) =2100mpa, =2100mpa, 。 問(wèn)從斷裂力學(xué)角度考慮，應(yīng)選用哪種材料為妥問(wèn)從斷裂力學(xué)角度考慮，應(yīng)選用哪種材料為妥? ? 2 . 02 . 02178mmpakc2147mmpakc金屬材料的斷裂韌度26現(xiàn)分別求得兩種材料的斷裂應(yīng)力現(xiàn)分別求得兩種材料的斷裂應(yīng)力 和和 。 對(duì)于材料對(duì)于材料a: 由于由于 =1400/1700=0.82，所以必須考慮塑性區(qū)修，所以必須考慮塑性區(qū)修正問(wèn)題。正問(wèn)題。 因因 將其代入（將其代入（4-16），可得），可得 的修正值的修正值:cacb2 . 01.1yk22212. 01 . 1sak根據(jù)此式，求得斷裂應(yīng)力根據(jù)此式，求

15、得斷裂應(yīng)力 的計(jì)算式為的計(jì)算式為因因 a/c =0.6，查表得，查表得 父愛(ài)父愛(ài)=1.28。將有關(guān)數(shù)值代入上式。將有關(guān)數(shù)值代入上式后，得后，得:22 . 0212. 08 . 3ccckakmpampaca1532170078212. 0001. 08 . 37828. 12金屬材料的斷裂韌度27對(duì)于材料對(duì)于材料b:b:由于由于 =1400/2100=0.67 =1400/2100=0.67，不必考慮塑性區(qū)的修正，則，不必考慮塑性區(qū)的修正，則有有: :說(shuō)明會(huì)產(chǎn)生脆性斷裂，因而不安全。說(shuō)明會(huì)產(chǎn)生脆性斷裂，因而不安全。2 . 02 . 0mpampaakakycccb976001. 01 . 14

16、728. 11 . 11下面比較下面比較k ki i與來(lái)選擇材料與來(lái)選擇材料k kicic金屬材料的斷裂韌度對(duì)于材料對(duì)于材料a：82.0170014002.0由于22.02i)/(212.0a1.1k)(71)1700/1400(212. 062. 1001. 014. 314001 . 1k212immpa當(dāng)當(dāng)a/c=0.6時(shí)，查表可得時(shí)，查表可得2=1.62，將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式，得：，將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式，得：說(shuō)明使用材料說(shuō)明使用材料a不會(huì)發(fā)生脆性斷裂，可以選用。不會(huì)發(fā)生脆性斷裂，可以選用。必需考慮塑性區(qū)的修正必需考慮塑性區(qū)的修正kikic金屬材料的斷裂韌度67. 0210014002 .

17、0由于a1.1ki)(6862. 1001. 014. 314001 . 1k21immpa同樣查表可得同樣查表可得2=1.62，將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式，得：，將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式，得：由此可見(jiàn)，由此可見(jiàn)，kikic，說(shuō)明使用材料，說(shuō)明使用材料b會(huì)發(fā)生脆性斷裂，不會(huì)發(fā)生脆性斷裂，不可選用。可選用。不必考慮塑性區(qū)的修正不必考慮塑性區(qū)的修正對(duì)于材料對(duì)于材料b：金屬材料的斷裂韌度高強(qiáng)鋼容器水爆斷裂失效分析高強(qiáng)鋼容器水爆斷裂失效分析 解題思路簡(jiǎn)介解題思路簡(jiǎn)介 1、確定裂紋處的應(yīng)力狀態(tài) 2、根據(jù)k判據(jù)估算裂紋處的脆斷應(yīng)力 3、是否要對(duì)塑性區(qū)修正 4、仿前例做出判斷金屬材料的斷裂韌度31 例例3 3：有一化工合

18、成塔，直徑為有一化工合成塔，直徑為d=3200mm ，工作壓力，工作壓力p=6mpa，選用材料為，選用材料為0.2=1200mpa，kic=58mpam1/2，厚，厚度度t=16mm。制作過(guò)程中，經(jīng)探傷發(fā)現(xiàn)在縱焊縫中，存在一。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，縱向橢圓裂紋，2a=4mm， 2c=6mm。試校核該合成塔能否。試校核該合成塔能否安全運(yùn)行。安全運(yùn)行。金屬材料的斷裂韌度)(4490cos003. 0002. 090sin74. 1002. 014. 36002/ 14/ 12222mmpakikikic，說(shuō)明不會(huì)發(fā)生脆性斷裂，該合成塔可以安全使用。，說(shuō)明不會(huì)發(fā)生脆性

19、斷裂，該合成塔可以安全使用。金屬材料的斷裂韌度33大型轉(zhuǎn)軸斷裂分析大型轉(zhuǎn)軸斷裂分析 1010材科材科2 2 阮冬祥阮冬祥 1030250038 1030250038金屬材料的斷裂韌度34失效分析 例例4 4：某冶金廠大型純氧頂吹轉(zhuǎn)爐的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械主軸，在工作某冶金廠大型純氧頂吹轉(zhuǎn)爐的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械主軸，在工作時(shí)經(jīng)時(shí)經(jīng)61次搖爐煉鋼后發(fā)生低應(yīng)力脆斷。其斷口示意圖如圖次搖爐煉鋼后發(fā)生低應(yīng)力脆斷。其斷口示意圖如圖4-14所示，該軸材料為所示，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，標(biāo)完全合格，0.2=600mpa，b=860 mpa，aku=38j，=8%?，F(xiàn)

20、用斷裂力學(xué)分析其失效原因。現(xiàn)用斷裂力學(xué)分析其失效原因。金屬材料的斷裂韌度35斷口分析：斷口分析： 該軸為疲勞斷裂，裂紋源在圓該軸為疲勞斷裂，裂紋源在圓角處，形成深度達(dá)角處，形成深度達(dá)185mm185mm的疲勞擴(kuò)展的疲勞擴(kuò)展區(qū)，區(qū)，相當(dāng)于一個(gè)相當(dāng)于一個(gè)c c185mm185mm的表面環(huán)的表面環(huán)狀裂紋狀裂紋。金屬材料的斷裂韌度 金相分析：金相分析： 疲勞裂紋源處的疲勞裂紋源處的硫化物夾雜硫化物夾雜級(jí)別較高，該處是薄級(jí)別較高，該處是薄弱區(qū)。弱區(qū)。 受力分析：受力分析： =外外+內(nèi)內(nèi)=25mpa+120mpa=145mpa=25mpa+120mpa=145mpa 表面環(huán)狀裂紋為表面環(huán)狀裂紋為淺長(zhǎng)表面半

21、橢圓裂紋淺長(zhǎng)表面半橢圓裂紋， c c185mm185mm；金屬材料的斷裂韌度)(180)(180.014512095.1122mmmackic=120mpam1/2y1.95221cicckya這就是按斷裂力學(xué)算得的轉(zhuǎn)軸低應(yīng)力脆斷的臨界裂紋這就是按斷裂力學(xué)算得的轉(zhuǎn)軸低應(yīng)力脆斷的臨界裂紋尺寸。和實(shí)際斷口分析的尺寸。和實(shí)際斷口分析的185mm相比，比較吻合，相比，比較吻合，說(shuō)明分析正確。說(shuō)明分析正確。金屬材料的斷裂韌度 由此可見(jiàn)，對(duì)于中、低強(qiáng)度鋼，盡管其臨界裂紋由此可見(jiàn)，對(duì)于中、低強(qiáng)度鋼，盡管其臨界裂紋尺寸很大，但對(duì)于大型機(jī)件來(lái)說(shuō)，這樣大的裂紋尺寸很大，但對(duì)于大型機(jī)件來(lái)說(shuō)，這樣大的裂紋（如疲勞裂紋

22、）仍然可以容納得下，因而會(huì)產(chǎn)生（如疲勞裂紋）仍然可以容納得下，因而會(huì)產(chǎn)生低應(yīng)力脆斷，而且斷裂應(yīng)力很低，遠(yuǎn)低于材料的低應(yīng)力脆斷，而且斷裂應(yīng)力很低，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度。金屬材料的斷裂韌度39評(píng)定鋼鐵材料的韌脆性評(píng)定鋼鐵材料的韌脆性103025003310302500331010材科材科2 2班班鄧雄文鄧雄文金屬材料的斷裂韌度40表面半橢圓裂紋表面半橢圓裂紋y=2評(píng)定鋼鐵材料的韌脆性評(píng)定鋼鐵材料的韌脆性 斷裂韌度斷裂韌度k kicic 斷裂應(yīng)力斷裂應(yīng)力c c 臨界裂紋尺寸臨界裂紋尺寸a ac cayki 225. 0iccka金屬材料的斷裂韌度1. 1. 超高強(qiáng)度鋼的脆斷傾向超高強(qiáng)度鋼的

23、脆斷傾向 這類剛強(qiáng)度很高， 0.20.21400mpa 主要用于宇航事業(yè)，典型材料有d6ac超高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼 、18ni、40crnimo等 超高強(qiáng)度鋼，材料的斷裂韌度往往較低。如 18ni 馬氏體時(shí)效鋼，當(dāng)0.2=1700mpa時(shí)kic=78mpam1/2 金屬材料的斷裂韌度)( 11250/7825. 02mmac選材原則：選材原則：kic較高而較高而0.2較低材料較低材料若殼體的工作應(yīng)力=1250mpa這類鋼的高壓殼體中只要有1mm深的表面裂紋，就會(huì)引起殼體爆破。這樣小的裂紋在殼體焊接時(shí)很容易產(chǎn)生，極易漏檢，所以脆斷幾率很大。金屬材料的斷裂韌度2. 2. 中、低強(qiáng)度鋼的脆斷傾向中、低強(qiáng)

24、度鋼的脆斷傾向 這類鋼強(qiáng)度不高（ 0.2700mpa ）在低溫下發(fā)生韌脆韌脆轉(zhuǎn)變。 一般bcc類型的中、低碳結(jié)構(gòu)鋼，在正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)下多屬這類強(qiáng)度 等級(jí)。 具有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象 在韌性區(qū)，kic=150mpam1/2, 在脆性區(qū)，kic=3040mpam1/2 甚至更低。金屬材料的斷裂韌度 這類鋼的設(shè)計(jì)工作應(yīng)力很低，往往在200 mpa以下。取工作應(yīng)力為200 mpa，則在韌性區(qū)kic=150mpam1/2 ，ac0.25(150/200)2=140 mm。 因用中低強(qiáng)度鋼制造構(gòu)件，在韌性區(qū)不會(huì)發(fā)生脆斷；即使出現(xiàn)裂紋，也易于檢測(cè)和修理。而在脆性區(qū)ac=0.25(30/200)2=5.6 mm

25、。所以中低強(qiáng)度鋼在脆性區(qū)仍有脆斷的可能。以韌脆轉(zhuǎn)變溫度為界，在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上，中小型機(jī)件不存在脆斷問(wèn)題，在此溫度下，則會(huì)發(fā)生脆斷。金屬材料的斷裂韌度45高強(qiáng)度鋼和球墨鑄鐵的脆斷傾向高強(qiáng)度鋼和球墨鑄鐵的脆斷傾向1010材科材科2 2班班 李天杭李天杭 學(xué)號(hào)：學(xué)號(hào)：1030250057 1030250057 金屬材料的斷裂韌度高強(qiáng)度剛的脆斷傾向 這類鋼強(qiáng)度較高0.2 =8001200mpa，韌度也適當(dāng)，具有較好的強(qiáng)度韌度配合，所以用于制造中小截面機(jī)件。 如何使鋼具有較好強(qiáng)度和韌度的綜合性能：一是淬火及低溫回火后可獲得低碳馬氏體組織；二是用中碳鋼等溫淬火后獲得下貝氏體組織。金屬材料的斷裂韌度球墨鑄

26、鐵球墨鑄鐵的脆斷傾向的脆斷傾向 球墨鑄鐵（簡(jiǎn)稱球鐵）是一種加工工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉的材料，常用來(lái)代替某些結(jié)構(gòu)鋼制造機(jī)器零件。但是，它是一種脆性材料。 球鐵的aku0金屬材料的斷裂韌度球墨鑄鐵球墨鑄鐵的的化學(xué)成分化學(xué)成分 球墨鑄鐵的大致化學(xué)成分范圍是：球墨鑄鐵的大致化學(xué)成分范圍是：3.63.63.9%c3.9%c，2.02.03.2%si3.2%si，0.30.30.8%mn0.8%mn，0.1%p0.1%p，0.07%s0.07%s，0.030.030.08%mg0.08%mg殘殘。由于球化劑。由于球化劑的加入將阻礙石墨化，并使共晶點(diǎn)右移造成流動(dòng)性下降，所以必的加入將阻礙石墨化，并使共晶點(diǎn)右移造

27、成流動(dòng)性下降，所以必須嚴(yán)格控制其含量。須嚴(yán)格控制其含量。 球墨鑄鐵的顯微組織由球形石墨和金屬基體兩部分組成。隨球墨鑄鐵的顯微組織由球形石墨和金屬基體兩部分組成。隨著成分和冷卻速度的不同，球鐵在鑄態(tài)下的金屬基體可分為鐵素著成分和冷卻速度的不同，球鐵在鑄態(tài)下的金屬基體可分為鐵素體、鐵素體加珠光體、珠光體三種。體、鐵素體加珠光體、珠光體三種。金屬材料的斷裂韌度可切屑加工性能好耐磨性強(qiáng)抗氧化性高耐蝕性強(qiáng)球墨鑄鐵的優(yōu)點(diǎn)金屬材料的斷裂韌度球墨鑄鐵主要缺陷飛邊脹砂氣孔縮孔、疏松球化不良和球化衰退主要缺陷裂紋冷隔偏芯砂眼金屬材料的斷裂韌度球墨鑄鐵主要缺陷特征球墨鑄鐵主要缺陷特征金屬材料的斷裂韌度球墨鑄鐵球墨鑄

28、鐵的的顯微組織顯微組織金屬材料的斷裂韌度 10材科（材科（1）1030250001 賈金斗賈金斗j積分原理及斷裂韌度積分原理及斷裂韌度jic 金屬材料的斷裂韌度kic可作為斷裂判據(jù)，但有適用條件。 (1) 裂紋前端無(wú)塑性區(qū) 彈塑性條件下金屬斷裂韌度彈塑性條件下金屬斷裂韌度 (2) 裂紋前端小范圍屈服，且塑性區(qū)只有裂紋尺寸的幾十分之一，此時(shí)采用有效裂紋長(zhǎng)度方式進(jìn)行修正。 kic斷裂判據(jù)適用的材料：高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度材料。金屬材料的斷裂韌度 發(fā)展目前常用的方法有目前常用的方法有j j積分法積分法和和codcod法法。j積分法是由gi延伸出來(lái)的一種斷裂能量判據(jù);cod法是由ki延伸出來(lái)的一種斷裂應(yīng)變判

29、據(jù)。金屬材料的斷裂韌度一、j積分原理及斷裂韌度jic 1、j積分的概定義 (1) 來(lái)源：由裂紋擴(kuò)展能量釋放率gi延伸出來(lái)。 (2) 定義：它由圍繞裂紋尖端周圍區(qū)域的應(yīng)力、應(yīng)變和位移組成的線積分來(lái)定義。應(yīng)力矢量應(yīng)力矢量)(dstxudyj系統(tǒng)應(yīng)變能密度系統(tǒng)應(yīng)變能密度位移矢量位移矢量弧長(zhǎng)增量弧長(zhǎng)增量金屬材料的斷裂韌度 (3) j積分的表達(dá)式來(lái)源(見(jiàn)圖4-5) 有一單位厚度（b=1）的i型裂紋體； 逆時(shí)針取一回路，上任一點(diǎn)的作用力為t，該點(diǎn)的位移矢量為du； 包圍體積內(nèi)的應(yīng)變能密度為； 線彈性條件下有：(1)iuuugbab aa 金屬材料的斷裂韌度圖4-5 j積分的定義金屬材料的斷裂韌度 將g的能

30、量表達(dá)式用線積分方式表達(dá)，可推導(dǎo)出在線彈性線彈性條件下： 在彈塑性彈塑性條件下，上式右端的能量線積分仍然存在，但為彈塑性應(yīng)變能密度為彈塑性應(yīng)變能密度。此時(shí)定義為j積分積分。 ()iuugdytdsax )(dstxudyj金屬材料的斷裂韌度1.1.線彈性條件下線彈性條件下 j ji i=g=gi i 在小應(yīng)變條件下，在小應(yīng)變條件下，j j積分和積分路線無(wú)關(guān)，積分和積分路線無(wú)關(guān)， j j積分反映了裂紋尖端區(qū)的應(yīng)變能，即應(yīng)力集中程積分反映了裂紋尖端區(qū)的應(yīng)變能，即應(yīng)力集中程度。度。2.2.彈塑性條件下彈塑性條件下 由于塑性變形是不可逆的，只有在單調(diào)加載，不由于塑性變形是不可逆的，只有在單調(diào)加載，不發(fā)

31、生卸載時(shí)，才存在積分與路徑無(wú)關(guān)。發(fā)生卸載時(shí)，才存在積分與路徑無(wú)關(guān)。所以，通常所以，通常j j積分不能處理裂紋的連續(xù)擴(kuò)展問(wèn)題積分不能處理裂紋的連續(xù)擴(kuò)展問(wèn)題( (連連續(xù)擴(kuò)展時(shí)裂紋長(zhǎng)度的變化應(yīng)該為續(xù)擴(kuò)展時(shí)裂紋長(zhǎng)度的變化應(yīng)該為dada，而此處是，而此處是a a) )，其臨界值對(duì)應(yīng)點(diǎn)只是其臨界值對(duì)應(yīng)點(diǎn)只是開(kāi)裂點(diǎn)開(kāi)裂點(diǎn)，而，而不一定是最后失穩(wěn)斷不一定是最后失穩(wěn)斷裂點(diǎn)裂點(diǎn)。金屬材料的斷裂韌度61彈塑性，彈塑性， 表示裂紋尺寸分表示裂紋尺寸分別為別為a a 和和(a+(a+a )a )的兩個(gè)等的兩個(gè)等同試樣，在加載過(guò)程中的勢(shì)同試樣，在加載過(guò)程中的勢(shì)能差值能差值u u與裂紋長(zhǎng)度差值與裂紋長(zhǎng)度差值a a的比率的比率形變功差率。形變功差率。v j積分的臨界值積分的臨界值jic也稱斷也稱斷裂韌度，表示材料抵抗裂裂韌度，表示材料抵抗裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的能力。紋開(kāi)始擴(kuò)展的能力。j積分的能量率表達(dá)積分的能量率表達(dá) 線彈性：線彈性： 表示含有裂紋表示含有裂紋尺寸尺寸a a的試樣，擴(kuò)展為的試樣，擴(kuò)展為a+a+a a后系統(tǒng)勢(shì)能的釋放率。后系統(tǒng)勢(shì)能的釋放率。au au 金屬材料的斷裂韌度62 3、斷裂韌度jic、斷裂j判據(jù) 斷裂判據(jù)：jijic j判據(jù)及jic測(cè)試的