金屬的斷裂韌性

1、第四章 金屬的斷裂韌性斷裂是工程構(gòu)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(zāi)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(qiáng)度儲備法，許用應(yīng)力，強(qiáng)度儲備系數(shù)（安全系數(shù)）按照傳統(tǒng)力學(xué)設(shè)計，只要求工作應(yīng)力b小于許用應(yīng)力bj即bb就被認(rèn)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(jīng)典的 強(qiáng)度理論無法解釋為什么工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度時會發(fā)生所謂低應(yīng)力脆斷的 現(xiàn)象。 低應(yīng)力脆性斷裂（低應(yīng)力脆斷） ：高強(qiáng)度機(jī)件及中低強(qiáng)度大型件。 裂紋體：傳統(tǒng)力學(xué)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(chǎn)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(yīng)力脆斷總是和材料內(nèi)部含有一定尺寸的裂紋相聯(lián)系的，當(dāng)裂紋在給定的作用應(yīng)力下擴(kuò)展到一臨界尺寸時，就會突然破裂。因為傳統(tǒng)力學(xué)或經(jīng)典的強(qiáng)度理論解決不了帶裂紋構(gòu)件的斷裂問題，斷裂力學(xué)就應(yīng)運(yùn)而生?？梢哉f斷裂力學(xué)就是研究帶裂紋體的力學(xué)，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(biāo) 斷裂韌性，用它來比較各種材料的抗斷能力。斷裂力學(xué)，建立了材料性質(zhì)、裂紋尺寸和工作應(yīng)力之間的關(guān)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(jī)件的低應(yīng)力脆斷斷口沒有宏觀塑性變形

3、痕跡， 可以應(yīng)用線彈性斷裂力學(xué)。兩種分析方法： （ 1 ）應(yīng)力場強(qiáng)度分析方法； （ 2）能量分析方法。裂紋擴(kuò)展的基本形式根據(jù)外加應(yīng)力與裂紋擴(kuò)展面間的取向關(guān)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(yīng)力場強(qiáng)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(yīng)力）0z =Y（DX +by）（平面應(yīng)變）適用于rKic。KIC二Y

4、OcJac0c臨界應(yīng)力，a臨界裂紋尺寸。斷裂K判劇:Ki=Kic 。三點(diǎn)應(yīng)用：4.裂紋尖端塑性區(qū)及Ki的修正小范圍屈服圖35應(yīng)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(yīng)力）r。12 二（平面應(yīng)變）應(yīng)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(yīng)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(kuò)展能量釋放率 Gi及斷裂韌性Gic.裂紋擴(kuò)展時能量的轉(zhuǎn)化關(guān)系:W-fUe = （ p 2 s）：A左端是裂紋擴(kuò)展動力，右端是裂紋擴(kuò)展阻力。.裂紋擴(kuò)展能量釋放率 GiU=Ue-W ,為系統(tǒng)勢能。裂紋擴(kuò)展單位面積時，系統(tǒng)釋放的勢能數(shù)值，稱為裂紋

5、擴(kuò)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(kuò)展單位長度的原動力。單位MPa m。Gi二二 2aE（平面應(yīng)力）Gi（平面應(yīng)變）.斷裂韌性Gic和斷裂G判據(jù)Gi達(dá)到臨界值時，裂紋進(jìn)入失穩(wěn)擴(kuò)展階段，這個臨界值，稱為斷裂韌性，記為Gic 裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展阻力（p+2 s）斷裂G判居U: Gi=G ic 。. Gic和Kic的關(guān)系平面應(yīng)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(kuò)展阻力曲線及斷裂判據(jù)裂紋擴(kuò)展阻力 R= p+2 s R-a曲線，阻力曲線。裂紋擴(kuò)展動力 G尸Y2o2a/E，Gi-a曲線，動力曲線。-：G|裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的斷裂判劇:fa響斷裂韌性的因素材料成分、組織結(jié)構(gòu)的影響 TOC o 1-5 h z .細(xì)化晶粒的合金元素提高Kic.強(qiáng)烈固溶強(qiáng)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(xì)化奧氏體亞結(jié)構(gòu)、增加位錯密度、促進(jìn)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(yīng)變速率應(yīng)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(diǎn)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(yīng)用高壓容器承載能力的計算高壓殼體材