材料力學(xué)：第8章 材料的斷裂性能

1、第四章 材料的斷裂韌性 4-1線(xiàn)彈性條件下的斷裂韌性4-2彈塑性條件下的斷裂韌性(略)4-3影響材料斷裂韌度的因素4-4斷裂韌度在工程中的應(yīng)用1傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法和規(guī)范是把材料和構(gòu)件作為連續(xù)、均勻和各向同性的受載物體，進(jìn)行力學(xué)分析，確定危險(xiǎn)面的應(yīng)力和應(yīng)變，考慮安全系數(shù)后，對(duì)材料提出相應(yīng)的強(qiáng)度、塑性和韌度的要求，防止斷裂和其他失效形式的發(fā)生，這樣的設(shè)計(jì)應(yīng)該是安全的。但是，隨著現(xiàn)代生產(chǎn)的發(fā)展，新工藝、新材料的廣泛采用，結(jié)構(gòu)在超高溫、超高壓、超高速等極限條件下服役，以及大型結(jié)構(gòu)的日益增多，用傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了很多斷裂事故。引言 2如高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼的機(jī)件，中、低強(qiáng)度鋼的大型機(jī)件常

2、常在工作應(yīng)力并不高，甚至遠(yuǎn)低于屈服極限的情況下，發(fā)生脆性斷裂現(xiàn)象，這就是所謂的低應(yīng)力脆斷。低應(yīng)力脆斷是由于宏觀裂紋的存在引起的。但裂紋的存在是很難避免的，可以在材料的生產(chǎn)和機(jī)件的加工過(guò)程中產(chǎn)生，如冶金缺陷、鍛造裂紋、焊接裂紋、淬火裂紋等等，也可以在使用過(guò)程中產(chǎn)生，如疲勞裂紋、腐蝕裂紋等。正是裂紋的存在破壞了材料和構(gòu)件的連續(xù)性和均勻性，使得傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法無(wú)法定量計(jì)算裂紋體的應(yīng)力和應(yīng)變。3經(jīng)典的強(qiáng)度理論是在不考慮裂紋的萌生和擴(kuò)展的條件下進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算的，認(rèn)為斷裂是瞬時(shí)發(fā)生的。實(shí)際上無(wú)論哪種斷裂都有裂紋萌生、擴(kuò)展直至斷裂的過(guò)程，因此，斷裂在很大程度上決定于裂紋萌生抗力和擴(kuò)展抗力，而不是總決定于用斷面尺

3、寸計(jì)算的名義斷裂應(yīng)力和斷裂應(yīng)變。顯然，需要發(fā)展新的強(qiáng)度理論，解決低應(yīng)力脆斷的問(wèn)題。斷裂力學(xué)正是在這種背景下發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興斷裂強(qiáng)度科學(xué)。4斷裂力學(xué)研究裂紋尖端的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變能的分布情況，建立描述裂紋擴(kuò)展的新的力學(xué)參量、斷裂判據(jù)和對(duì)應(yīng)的材料力學(xué)性能指標(biāo)-斷裂韌度，以此對(duì)機(jī)件進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核。本章將以斷裂力學(xué)的基本原理為基礎(chǔ)，簡(jiǎn)要介紹材料斷裂韌度的意義、影響因素及應(yīng)用。5 4-1線(xiàn)彈性條件下的斷裂韌性線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)認(rèn)為在脆性斷裂過(guò)程中，裂紋體各部分的應(yīng)力和應(yīng)變處于線(xiàn)彈性階段，只有裂紋尖端極小區(qū)域處于塑性變形階段。它處理問(wèn)題有兩種方法：一種是應(yīng)力應(yīng)變分析方法，研究裂紋尖端附近的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，提出應(yīng)

4、力場(chǎng)強(qiáng)度因子及對(duì)應(yīng)的斷裂韌度和K判據(jù)；另一種是能量分析方法，研究裂紋擴(kuò)展時(shí)系統(tǒng)能量的變化，提出能量釋放率及對(duì)應(yīng)的斷裂韌度和G判據(jù)。6 4-1線(xiàn)彈性條件下的斷裂韌性一、裂紋擴(kuò)展的基本方式 根據(jù)外加應(yīng)力的類(lèi)型及其與裂紋擴(kuò)展面的取向關(guān)系，裂紋擴(kuò)展的基本方式有3種，如圖4-l所示。裂紋擴(kuò)展的基本方式（a）張開(kāi)型(I型) （b）滑開(kāi)型 (II型) （c）撕開(kāi)型（III型） 71張開(kāi)型(型)裂紋擴(kuò)展 拉應(yīng)力垂直作用于裂紋面，裂紋沿作用力方向張開(kāi)，沿裂紋面擴(kuò)展。2滑開(kāi)型(型)裂紋擴(kuò)展 切應(yīng)力平行作用于裂紋面，并且與裂紋前沿線(xiàn)垂直，裂紋沿裂紋面平行滑開(kāi)擴(kuò)展。3撕開(kāi)型(型)裂紋擴(kuò)展 切應(yīng)力平行作用于裂紋面，并且

5、與裂紋線(xiàn)平行，裂紋沿裂紋面撕開(kāi)擴(kuò)展。8實(shí)際裂紋的擴(kuò)展過(guò)程并不局限于這3種形式，往往是它們的組合，如I-、I-、-型的復(fù)合形式。在這些裂紋的不同擴(kuò)展形式中，以I型裂紋擴(kuò)展最危險(xiǎn)，最容易引起脆性斷裂。所以在研究裂紋體的脆性斷裂問(wèn)題時(shí)，總是以這種裂紋為對(duì)象。9 4-1線(xiàn)彈性條件下的斷裂韌性二、裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI 由于裂紋擴(kuò)展總是從其尖端開(kāi)始向前進(jìn)行的，所以應(yīng)該分析裂紋尖端的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，建立裂紋擴(kuò)展的力學(xué)條件。設(shè)有一承受均勻拉應(yīng)力的無(wú)限大板，含有長(zhǎng)為2a的I型穿透裂紋，如圖4-2所示。10 4-1線(xiàn)彈性條件下的斷裂韌性二、裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI 其尖端附近(r，)處應(yīng)

6、力、應(yīng)變和位移分量可以近似地表達(dá)如下。應(yīng)力分量為：11 4-1線(xiàn)彈性條件下的斷裂韌性二、裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K1 裂紋尖端任意一點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分量取決于該點(diǎn)的坐標(biāo)(r，)、材料的彈性模數(shù)以及參量KI 。KI可用下式表示。式中：Y為裂紋形狀系數(shù)，取決于裂紋的類(lèi)型。 KI的腳標(biāo)表示I型裂紋，同理，K、K表示型和型裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子。12三、斷裂韌度KIc和斷裂K判據(jù)K1 是描述裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的一個(gè)力學(xué)參量。單位為MPam1/2或KNm-3/2，當(dāng)應(yīng)力和裂紋尺寸a單獨(dú)或同時(shí)增大時(shí)，K和裂紋尖端的各應(yīng)力分量也隨之增大。當(dāng)應(yīng)力或裂紋尺寸a增大到臨界值時(shí)，也就是在裂紋尖端足夠大的范圍

7、內(nèi)，應(yīng)力達(dá)到了材料的斷裂強(qiáng)度，裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致材料的斷裂，這時(shí)K也達(dá)到了一個(gè)臨界值，這個(gè)臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的K記為Kc或KC，稱(chēng)之為斷裂韌度。13材料的KIC或Kc越高，則裂紋體斷裂時(shí)的應(yīng)力或裂紋尺寸就越大，表明越難斷裂。所以，KIC和Kc表示材料抵抗斷裂的能力。KIC為平面應(yīng)變斷裂韌度，表示材料在平面應(yīng)變狀態(tài)下抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力；而Kc為平面應(yīng)力斷裂韌度，表示材料在平面應(yīng)力狀態(tài)下抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。顯然，同一材料的KcKIc。14K和Kc是兩個(gè)不同的概念，K是一個(gè)力學(xué)參量，表示裂紋體中裂紋尖端的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度的大小，它決定于外加應(yīng)力、試樣尺寸和裂紋類(lèi)型，而和材料無(wú)關(guān)。但Kc是材料的力

8、學(xué)性能指標(biāo)，它決定于材料的成分、組織結(jié)構(gòu)等內(nèi)在因素，而與外加應(yīng)力及試樣尺寸等外在因素?zé)o關(guān)。15 根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K和斷裂韌度Kc的相對(duì)大小，可以建立裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展脆斷的斷裂K判據(jù)，即 KIK1c 裂紋體在受力時(shí)，只要滿(mǎn)足上述條件，就會(huì)發(fā)生脆性斷裂。反之，即使存在裂紋，也不會(huì)發(fā)生斷裂，這種情況稱(chēng)為破損安全。16四、裂紋擴(kuò)展能量釋放率GI驅(qū)使裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力是彈性能的釋放率，即令GI即為最早的斷裂力學(xué)參量，單位為J/mm2或kN/mm。稱(chēng)為裂紋擴(kuò)展的能量釋放率。上式是平面應(yīng)力的能量釋放率表達(dá)式。17 對(duì)于平面應(yīng)變，GI的表達(dá)式為：GI和KI相似，也是應(yīng)力和裂紋尺寸a的復(fù)合參量，是一個(gè)力學(xué)參量。18五

9、、斷裂韌度GIc和斷裂G判據(jù)隨著和a的單獨(dú)或共同增大，都會(huì)使G增大，當(dāng)G增大到某一臨界值Gc，滿(mǎn)足：時(shí)，裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展而斷裂。GIc也稱(chēng)為斷裂韌度，它表示材料阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)單位面積所消耗的能量。19根據(jù)G和Gc的大小，也可以建立裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的力學(xué)條件，即斷裂G判據(jù)：GGc20 4-3影響材料斷裂韌度的因素一、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂韌度的影響 對(duì)于金屬材料、非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料，化學(xué)成分、基體相的結(jié)構(gòu)和尺寸、第二相的大小和分布都將影響其斷裂韌度，并且影響的方式和結(jié)果既有共同點(diǎn)，也有差異之處。除金屬材料外，對(duì)其他材料的斷裂韌度的研究還比較少。 211化學(xué)成分的影響 對(duì)于金屬材料，

10、化學(xué)成分對(duì)斷裂韌度的影響類(lèi)似于對(duì)沖擊韌度的影響。其大致規(guī)律是：細(xì)化晶粒的合金元素因提高強(qiáng)度和塑性，可使斷裂韌度提高；強(qiáng)烈固溶強(qiáng)化的合金元素因大大降低塑性而使斷裂韌度降低，并且隨合金元素的濃度的提高，降低的作用更加明顯；22形成金屬間化合物并呈第二相析出的合金元素，因降低塑性有利于裂紋擴(kuò)展而使斷裂韌度降低。 對(duì)于陶瓷材料，提高材料強(qiáng)度的元素，都將提高斷裂韌度。 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。232基體相結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸的影響 基體相的晶體結(jié)構(gòu)不同，材料發(fā)生塑性變形的難易和斷裂的機(jī)理不同，斷裂韌度發(fā)生變化?；w相的晶體結(jié)構(gòu)易于發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生韌性斷裂機(jī)制，材料的斷裂韌度就高。2

11、4鋼鐵材料的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)較高，其斷裂韌度較高，奧氏體鋼的斷裂韌度高于鐵素體鋼和馬氏體鋼。對(duì)于陶瓷材料，可以通過(guò)改變晶體類(lèi)型，調(diào)整斷裂韌度的高低?；w的晶粒尺寸也是影響斷裂韌度的一個(gè)重要因素。一般來(lái)說(shuō)，細(xì)化晶粒既可以提高強(qiáng)度，又可以提高塑性，斷裂韌度也相應(yīng)的得到提高。253夾雜和第二相的影響 對(duì)于金屬材料，非金屬夾雜物和第二相的存在對(duì)斷裂韌度的影響可以歸納為：非金屬夾雜物往往使斷裂韌度降低；脆性第二相隨著體積分?jǐn)?shù)的增加，使得斷裂韌度降低；當(dāng)韌性第二相的形態(tài)和數(shù)量適當(dāng)時(shí)，可以提高材料的斷裂韌度

12、。26非金屬夾雜物和脆性第二相存在于裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)中時(shí)，本身的脆性使其容易形成微裂紋，而且它們易于在晶界或相界偏聚，降低界面結(jié)合能，使界面易于開(kāi)裂，這些微裂紋與主裂紋連接加速了裂紋的擴(kuò)展，或者使裂紋沿晶擴(kuò)展，導(dǎo)致沿晶斷裂，降低斷裂韌度，如圖4-11所示。27第二相的形貌、尺寸和分布不同，將導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展途徑不同、消耗的能量不同，從而影響斷裂韌度，如碳化物呈粒狀彌散分布時(shí)的斷裂韌度就高于呈網(wǎng)狀連續(xù)分布時(shí)。尤其是對(duì)于韌性第二相，其塑性變形可以松弛裂紋尖端的應(yīng)力集中，降低裂紋擴(kuò)展速率，提高斷裂韌度，所以，只要韌性第二相的形貌和數(shù)量合適，材料的斷裂韌度就可提高。 對(duì)于陶瓷材料和復(fù)合材料，目前常利用適

13、當(dāng)?shù)牡诙嗵岣咂鋽嗔秧g度，第二相可以是添加的，也可以是在成型時(shí)自蔓延生成的。如在SiC、SiN陶瓷中添加碳纖維，或加入非晶碳，燒結(jié)時(shí)自蔓延生成碳晶須，可以使斷裂韌度提高。28對(duì)于陶瓷材料和復(fù)合材料，目前常利用適當(dāng)?shù)牡诙嗵岣咂鋽嗔秧g度，第二相可以是添加的，也可以是在成型時(shí)自蔓延生成的。如在SiC、SiN陶瓷中添加碳纖維，或加入非晶碳，燒結(jié)時(shí)自蔓延生成碳晶須，可以使斷裂韌度提高。294顯微組織的影響顯微組織的類(lèi)型和亞結(jié)構(gòu)將影響材料的斷裂韌度。如鋼鐵材料中，相同強(qiáng)度條件下，低碳鋼中的回火馬氏體的斷裂韌度高于貝氏體，而在高碳鋼中，回火馬氏體的斷裂韌度高于上貝氏體，但低于下貝氏體。這是由于低碳鋼中，回

14、火馬氏體呈板條狀，而高碳鋼中，回火馬氏體呈針狀，上貝氏體由貝氏體鐵素體和片層間斷續(xù)分布的碳化物組成，下貝氏體由貝氏體鐵素體和其中彌散分布的碳化物組成。30板條馬氏體主要是位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)，具有較高的強(qiáng)度和塑性，裂紋擴(kuò)展阻力較大，呈韌性斷裂，因而斷裂韌度較高；針狀馬氏體主要是孿晶亞結(jié)構(gòu)，硬度高而脆性大，裂紋擴(kuò)展阻力小，呈準(zhǔn)解理或解理斷裂，因而斷裂韌度較低。31金屬材料通過(guò)一些特殊的熱處理工藝，可以改變其組織，從而提高斷裂韌度： 亞溫淬火 超高溫淬火 形變熱處理 4-3影響材料斷裂韌度的因素二、特殊改性處理對(duì)斷裂韌度的影響321. 亞溫淬火 亞溫淬火是指亞共析鋼在雙相區(qū)不完全奧氏體化后淬火的熱處理工藝，

15、通過(guò)控制預(yù)處理工藝和亞溫淬火的奧氏體化溫度可以獲得不同形態(tài)和數(shù)量的未溶鐵素體加馬氏體的復(fù)相組織，由于晶粒的細(xì)化、相界面積的增加、單位面積雜質(zhì)濃度的降低、鐵素體對(duì)裂紋尖端應(yīng)力集中的松弛作用、裂紋沿相界面擴(kuò)展途徑的延長(zhǎng)等，使得強(qiáng)度和韌性得到提高。332. 超高溫淬火 對(duì)于中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，采用超高溫淬火，雖然奧氏體晶粒顯著粗化，塑性和沖擊吸收功降低，但斷裂韌度提高。 超高溫淬火使KIc提高的原因可能是：馬氏體形態(tài)由孿晶型變?yōu)槲诲e(cuò)型，使斷裂機(jī)理由準(zhǔn)解理變?yōu)槲⒖拙奂?；在馬氏體板條束間存在10-20nm的殘余奧氏體薄膜，且很穩(wěn)定，可阻止裂紋擴(kuò)展；碳化物及夾雜物能溶入奧氏體，減少了微裂紋形成源。343.

16、形變熱處理形變熱處理根據(jù)其形變的溫度可以分為高溫形變熱處理和低溫形變熱處理，由于溫度的不同，材料的組織和結(jié)構(gòu)發(fā)生不同的變化，使得其性能不同。高溫形變熱處理由于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，可以細(xì)化奧氏體晶粒，因而細(xì)化了淬火后的馬氏體，使強(qiáng)度和韌性都提高。低溫形變熱處理除了細(xì)化奧氏體晶粒外，還可增加位錯(cuò)密度，促進(jìn)合金碳化物彌散沉淀，降低奧氏體含碳且和增加細(xì)小板條馬氏體的數(shù)量，因而提高強(qiáng)度和韌性。低溫形變熱處理除了細(xì)化奧氏體晶粒外，還可增加位錯(cuò)密度，促進(jìn)合金碳化物彌散沉淀，降低奧氏體含碳且和增加細(xì)小板條馬氏體的數(shù)量，因而提高強(qiáng)度和韌性。 351. 溫度對(duì)于大多數(shù)材料，溫度的降低通常會(huì)降低斷裂韌度，大多數(shù)結(jié)構(gòu)鋼就是如

17、此。但是，不同強(qiáng)度等級(jí)的鋼材，變化趨勢(shì)有所不同。一般中、低強(qiáng)度鋼都有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象：在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上，發(fā)生韌性斷裂，KIc較高；而在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下，發(fā)生脆性斷裂，KIc較低。隨著材料強(qiáng)度水平的提高，KIc隨溫度變化趨勢(shì)逐漸緩和，溫度對(duì)斷裂韌度的影響減弱。三、外界因素對(duì)斷裂韌度的影響36 2. 應(yīng)變速率應(yīng)變速率對(duì)斷裂韌度的影響類(lèi)似于溫度。增加應(yīng)變速率相當(dāng)于降低溫度，也可使KIc下降。一般認(rèn)為應(yīng)變速率每增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，KIc約降低l0。 三、外界因素對(duì)斷裂韌度的影響但是，當(dāng)應(yīng)變速率很大時(shí)，形變熱量來(lái)不及傳導(dǎo)，造成絕熱狀態(tài)，導(dǎo)致局部溫度升高，KIc又回升，如圖4-12所示。37斷裂力學(xué)就是把彈性力學(xué)、彈塑性力學(xué)的理論應(yīng)用到含有裂紋的實(shí)際材料中，從應(yīng)力和能量的角度，研究裂紋的擴(kuò)展過(guò)程，建立裂紋擴(kuò)展的判據(jù)，并因此而引出與之相對(duì)應(yīng)的一個(gè)材料力學(xué)性能指標(biāo)-斷裂韌度，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、載荷校核、安全性檢驗(yàn)等。所以，斷裂力學(xué)從其問(wèn)世起就與工程實(shí)際相結(jié)合，特別是線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)在工程中獲得了廣泛