金屬材料的斷裂韌演示文稿

金屬材料的斷裂韌度演示文稿第一頁，共六十九頁。金屬材料的斷裂韌度第二頁，共六十九頁。斷裂韌度與常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)之間的關(guān)系章新洋10材料科學(xué)（2班）學(xué)號：1030250060第三頁，共六十九頁。（一）斷裂韌度與強(qiáng)度、塑性之間的關(guān)系1、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，將要受到第二相質(zhì)點(diǎn)間距(dT)的影響。σyσSdT塑性區(qū)應(yīng)變?yōu)閑y第四頁，共六十九頁。r=dT時ey=eb=n時KⅠ=KⅠC鋼中夾雜物對KⅠC影響.夾雜物越多,間距越小,KⅠC越小.σyσSdT塑性區(qū)應(yīng)變?yōu)閑y第五頁，共六十九頁。n-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σys-屈服強(qiáng)度-臨界斷裂應(yīng)變第六頁，共六十九頁。2、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σC,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)ρ0裂紋尖端曲率半徑n-應(yīng)變硬化指數(shù)Xc-特征距離,2~3個晶粒尺寸第七頁，共六十九頁。（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)、加載速率第八頁，共六十九頁。tK1tK2t0tAKVKICAKVKIC茹爾夫?qū)χ?、高?qiáng)度鋼試驗(yàn)得到：MPa.m1/2第九頁，共六十九頁。影響斷裂韌度KIC的因素10材科（2）班1030250047盛振棟第十頁，共六十九頁。(一)材料的成分，組織對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(σ相和Loves相)降低塑性KIC降低影響斷裂韌度KIC的因素

第十一頁，共六十九頁。2、基體相結(jié)構(gòu)和晶粒大小的影響(1)基體相結(jié)構(gòu)一般來說，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（4）瓷材料，提高材料強(qiáng)度的組元，都將提高斷裂韌度。（5）對于高分子材料，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第十二頁，共六十九頁。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——提高斷裂韌性影響斷裂韌度KIC的因素第十三頁，共六十九頁。(2)晶粒大小一般而言，晶粒越細(xì)，KIC越高。晶粒細(xì)小n和σc越大KIC提高

措施：合金化(加入Al，Ti，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：如超高溫淬火。盡管組織粗大，但由于在超高溫淬火時，組織中含有較多的殘余奧氏體，對韌性有利，在兩者的聯(lián)合作用下，使KIC提高。影響斷裂韌度KIC的因素第十四頁，共六十九頁。3、鋼中夾雜物和第二相對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，可以提高材料的斷裂韌度。第十五頁，共六十九頁。4、顯微組織對的影響(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KIC>M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、添加稀土改性夾雜物、合理選擇熱處理工藝。影響斷裂韌度KIC的因素第十六頁，共六十九頁。影響斷裂韌度KIC的因素總的來說，使材料的強(qiáng)度、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因素對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。兩個因素的綜合結(jié)果使KIC下降。第十七頁，共六十九頁。高壓容器承載能力計算10材科（2）班1030250043韓敏第十八頁，共六十九頁。斷裂K判據(jù)應(yīng)用案例第一是設(shè)計：包括結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇．根據(jù)材料的斷裂韌度，計算結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力，針對要求的承載量，設(shè)計結(jié)構(gòu)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。第十九頁，共六十九頁。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，計算材料的臨界裂紋尺寸，與實(shí)測的裂紋尺寸相比較，校核結(jié)構(gòu)的安全性，判斷材料的脆斷傾向。第三是材料開發(fā)：根據(jù)對斷裂韌度的影響因素，有針對性地設(shè)計材料的組織結(jié)構(gòu)，開發(fā)新材料第二十頁，共六十九頁。安全校核

例1：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t=5mm，圓筒內(nèi)徑D=1500mm；所用材料的σ0.2=1800MPa，KIC=62MPa·m1/2。焊接后發(fā)現(xiàn)焊縫表面有縱向半橢圓裂紋，尺寸為2c=6mm，a=0.9mm。試問該容器能否在p=6MPa的壓力下正常工作？第二十一頁，共六十九頁。根據(jù)材料力學(xué)，裂紋所受垂直拉應(yīng)力為：將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式得不必考慮塑性區(qū)的修正第二十二頁，共六十九頁。還可以用什么方法進(jìn)行計算？顯然，σ＜σc，不會發(fā)生爆破，可以正常工作。對于表面半橢圓裂紋，當(dāng)a/c=0.9/3=0.3時，查附錄表得Φ=1.10，將有數(shù)值代入上式得第二十三頁，共六十九頁。高壓殼體的熱處理工藝選擇10材科（2）班1030250050姬天亮第二十四頁，共六十九頁。斷裂K判據(jù)應(yīng)用案例

一、高壓容器承載能力的計算

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

第二十五頁，共六十九頁。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，其周向工作拉應(yīng)力σ=1400MPa。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(a=lmm,a/c=0.6)。現(xiàn)有兩種材料，其性能如下:(A)=1700MPa,；(B)=2100MPa,。

問從斷裂力學(xué)角度考慮，應(yīng)選用哪種材料為妥?

第二十六頁，共六十九頁?，F(xiàn)分別求得兩種材料的斷裂應(yīng)力和。對于材料A:由于=1400/1700=0.82，所以必須考慮塑性區(qū)修正問題。因?qū)⑵浯耄?-16），可得的修正值:根據(jù)此式，求得斷裂應(yīng)力的計算式為因a/c=0.6，查表得父愛=1.28。將有關(guān)數(shù)值代入上式后，得:第二十七頁，共六十九頁。對于材料B:由于=1400/2100=0.67，不必考慮塑性區(qū)的修正，則有:說明會產(chǎn)生脆性斷裂，因而不安全。下面比較KI與來選擇材料KIC第二十八頁，共六十九頁。對于材料A：當(dāng)a/c=0.6時，查表可得Φ2=1.62，將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式，得：說明使用材料A不會發(fā)生脆性斷裂，可以選用。必需考慮塑性區(qū)的修正KI＜KIC第二十九頁，共六十九頁。同樣查表可得Φ2=1.62，將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式，得：由此可見，KI＞KIC，說明使用材料B會發(fā)生脆性斷裂，不可選用。不必考慮塑性區(qū)的修正對于材料B：第三十頁，共六十九頁。高強(qiáng)鋼容器水爆斷裂失效分析解題思路簡介

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、是否要對塑性區(qū)修正

4、仿前例做出判斷第三十一頁，共六十九頁。例3：有一化工合成塔，直徑為D=3200mm，工作壓力p=6MPa，選用材料為σ0.2=1200MPa，KIC=58MPa·m1/2，厚度t=16mm。制作過程中，經(jīng)探傷發(fā)現(xiàn)在縱焊縫中，存在一縱向橢圓裂紋，2a=4mm，2c=6mm。試校核該合成塔能否安全運(yùn)行。第三十二頁，共六十九頁。KI＜KIC，說明不會發(fā)生脆性斷裂，該合成塔可以安全使用。第三十三頁，共六十九頁。大型轉(zhuǎn)軸斷裂分析

10材科2阮冬祥1030250038

第三十四頁，共六十九頁。失效分析

例4：某冶金廠大型純氧頂吹轉(zhuǎn)爐的轉(zhuǎn)動機(jī)械主軸，在工作時經(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4-14所示，該軸材料為40Cr鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)完全合格，σ0.2=600MPa，σb=860MPa，AKU=38J，δ=8%。現(xiàn)用斷裂力學(xué)分析其失效原因。第三十五頁，共六十九頁。斷口分析：

該軸為疲勞斷裂，裂紋源在圓角處，形成深度達(dá)185mm的疲勞擴(kuò)展區(qū)，相當(dāng)于一個αc＝185mm的表面環(huán)狀裂紋。第三十六頁，共六十九頁。金相分析：疲勞裂紋源處的硫化物夾雜級別較高，該處是薄弱區(qū)。受力分析：

σ=σ外+σ內(nèi)=25MPa+120MPa=145MPa表面環(huán)狀裂紋為淺長表面半橢圓裂紋，αc＝185mm；第三十七頁，共六十九頁。KIC=120MPa·m1/2Y≈1.95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185mm相比，比較吻合，說明分析正確。第三十八頁，共六十九頁。由此可見，對于中、低強(qiáng)度鋼，盡管其臨界裂紋尺寸很大，但對于大型機(jī)件來說，這樣大的裂紋（如疲勞裂紋）仍然可以容納得下，因而會產(chǎn)生低應(yīng)力脆斷，而且斷裂應(yīng)力很低，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度。第三十九頁，共六十九頁。評定鋼鐵材料的韌脆性103025003310材科2班鄧雄文第四十頁，共六十九頁。表面半橢圓裂紋Y=2評定鋼鐵材料的韌脆性斷裂韌度KIC斷裂應(yīng)力σc臨界裂紋尺寸ac第四十一頁，共六十九頁。1.超高強(qiáng)度鋼的脆斷傾向這類剛強(qiáng)度很高，σ0.2≥1400MPa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馬氏體時效鋼，當(dāng)σ0.2=1700MPa時KIC=78MPa·m1/2

第四十二頁，共六十九頁。選材原則：KIC較高而σ0.2較低材料若殼體的工作應(yīng)力σ=1250MPa這類鋼的高壓殼體中只要有1mm深的表面裂紋，就會引起殼體爆破。這樣小的裂紋在殼體焊接時很容易產(chǎn)生，極易漏檢，所以脆斷幾率很大。第四十三頁，共六十九頁。2.中、低強(qiáng)度鋼的脆斷傾向

這類鋼強(qiáng)度不高（σ0.2≤700MPa）在低溫下發(fā)生韌脆轉(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。具有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象在韌性區(qū)，KIC=150MPa·m1/2,在脆性區(qū)，KIC=30~40MPa·m1/2甚至更低。第四十四頁，共六十九頁。

這類鋼的設(shè)計工作應(yīng)力很低，往往在200MPa以下。取工作應(yīng)力為200MPa，則在韌性區(qū)KIC=150MPa·m1/2，ac＝0.25(150/200)2=140mm。

因用中低強(qiáng)度鋼制造構(gòu)件，在韌性區(qū)不會發(fā)生脆斷；即使出現(xiàn)裂紋，也易于檢測和修理。而在脆性區(qū)ac=0.25(30/200)2=5.6mm。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)件不存在脆斷問題，在此溫度下，則會發(fā)生脆斷。第四十五頁，共六十九頁。高強(qiáng)度鋼和球墨鑄鐵的脆斷傾向10材科2班李天杭學(xué)號：1030250057第四十六頁，共六十九頁。高強(qiáng)度剛的脆斷傾向這類鋼強(qiáng)度較高?0.2

=800~1200MPa，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。第四十七頁，共六十九頁。球墨鑄鐵的脆斷傾向球墨鑄鐵（簡稱球鐵）是一種加工工藝簡單，價格低廉的材料，常用來代替某些結(jié)構(gòu)鋼制造機(jī)器零件。但是，它是一種脆性材料。球鐵的aKU→0第四十八頁，共六十九頁。球墨鑄鐵的化學(xué)成分球墨鑄鐵的大致化學(xué)成分范圍是：3.6～3.9%C，2.0～3.2%Si，0.3～0.8%Mn，<0.1%P，<0.07%S，0.03～0.08%Mg殘。由于球化劑的加入將阻礙石墨化，并使共晶點(diǎn)右移造成流動性下降，所以必須嚴(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。第四十九頁，共六十九頁?？汕行技庸ば阅芎媚湍バ詮?qiáng)抗氧化性高耐蝕性強(qiáng)球墨鑄鐵的優(yōu)點(diǎn)第五十頁，共六十九頁。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第五十一頁，共六十九頁。名稱特征飛邊產(chǎn)生在分型面、分芯面處厚度不均勻薄片狀金屬突起物。脹砂鑄件表面局部脹大，形成不規(guī)則瘤狀金屬突起物。氣孔氣孔出現(xiàn)在鑄件內(nèi)部或表層截面呈圓形、壁較光滑?？s孔、疏松形狀不規(guī)則，表面粗糙，斷口呈海綿狀。冷隔冷隔：穿透或不穿透的縫隙，邊緣呈圓角狀，充型時熔合不良造成。球化不良和球化衰退球化不良：球化劑加入不足以使鑄鐵石墨充分球化。球化衰退：球化處理后鐵液停留、澆注、凝固時間過長引起球化率低。偏芯砂芯使鑄件內(nèi)孔發(fā)生偏錯，一側(cè)壁厚減少，另一側(cè)增厚，內(nèi)腔形狀不變。砂眼鑄件內(nèi)部或表面包裹有沙粒的孔洞裂紋冷裂：擴(kuò)展到整個截面，寬度均勻，斷口有金屬光澤或輕微氧化色澤。熱裂：斷口嚴(yán)重氧化，無氧化光澤，寬度不均勻。球墨鑄鐵主要缺陷特征第五十二頁，共六十九頁。球墨鑄鐵的顯微組織第五十三頁，共六十九頁。10材科（1）1030250001賈金斗J積分原理及斷裂韌度JIc

第五十四頁，共六十九頁。KIC可作為斷裂判據(jù)，但有適用條件。(1)裂紋前端無塑性區(qū)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，此時采用有效裂紋長度方式進(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。第五十五頁，共六十九頁。發(fā)展目前常用的方法有J積分法和COD法。J積分法是由GI延伸出來的一種斷裂能量判據(jù);COD法是由KI延伸出來的一種斷裂應(yīng)變判據(jù)。第五十六頁，共六十九頁。一、J積分原理及斷裂韌度JIc

1、J積分的概定義(1)來源：由裂紋擴(kuò)展能量釋放率GI延伸出來。(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定義。應(yīng)力矢量系統(tǒng)應(yīng)變能密度位移矢量弧長增量第五十七頁，共六十九頁。(3)J積分的表達(dá)式來源(見圖4-5)①有一單位厚度（B=1）的I型裂紋體；②逆時針取一回路Γ，Γ上任一點(diǎn)的作用力為T，該點(diǎn)的位移矢量為du；③包圍體積內(nèi)的應(yīng)變能密度為ω；④線彈性條件下有：第五十八頁，共六十九頁。圖4-5J積分的定義第五十九頁，共六十九頁。將GⅠ的能量表達(dá)式用線積分方式表達(dá)，可推導(dǎo)出在線彈性條件下：

在彈塑性條件下，上式右端的能量線積分仍然存在，但ω為彈塑性應(yīng)變能密度。此時定義為J積分。

第六十頁，共六十九頁。1.線彈性條件下JI=GI在小應(yīng)變條件下，J積分和積分路線無關(guān)，J積分反映了裂紋尖端區(qū)的應(yīng)變能，即應(yīng)力集中程度。2.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，不發(fā)生卸載時，才存在積分與路徑無關(guān)。所以，通常J積分不能處理裂紋的連續(xù)擴(kuò)展問題(連續(xù)擴(kuò)展時裂紋長度的變化應(yīng)該為da，而此處是△a)，其臨界值對應(yīng)點(diǎn)只是開裂點(diǎn)，而不一定是最后失穩(wěn)斷裂點(diǎn)。第六十一頁，共六十九頁。彈塑性，表示裂紋尺寸分別為a和(a+△a)的兩個等同試樣，在加載過程中的勢能差值△