材料性能學-第4章

材料性能學向道平(博士/副教授)海南大學材料與化工學院材料系TEL-mail：dpxiang@1第四章材料的斷裂韌性4.1前言4.2線彈性條件下的斷裂韌性4.3彈塑性條件下的斷裂韌性4.4影響材料斷裂韌度的因素4.5斷裂韌度在工程中的應用24.1前言

傳統設計思想:工作應力小于或等于許用應力。

即σ≤σs/n(塑性材料)，σ≤σb/n

(脆性材料)，其中n為安全系數，n>1。

隨著高強度材料的使用，尤其在經過焊接的大型構件中常發(fā)生斷裂應力低于屈服強度的低應力脆斷，如列車、輪船、橋梁和飛機等的意外事故。

從大量災難性事故分析中發(fā)現，這種低應力脆性破壞主要是由宏觀尺寸的裂紋擴展而引起的，這些裂紋源可能是因焊接質量不高、內部有夾雜或存在應力集中等原因而引起的。3傳統設計思想沒有考慮實際材料不可避免存在宏觀裂紋的事實，顯然與工程結構的實際情況不相符合。為了保證結構的安全工作，需要研究帶裂紋物體的力學行為(斷裂力學)。斷裂力學的研究內容，包括斷裂強度、裂紋尖端的應力應變場、斷裂判據、裂紋尖端的塑性區(qū)及其修正、斷裂韌性的實驗測定、斷裂機制和提高材料斷裂韌性的途徑等。44.2線彈性條件下的斷裂韌性4.2.1裂紋擴展的能量判據

在Griffith或Orowan的斷裂理論中，裂紋擴展的阻力為2γs或者2(γs+γp)。設裂紋擴展單位面積所耗費的能量為R，則R=2(γs+γp)。裂紋擴展的動力，對于Griffith試驗情況來說，只來自系統彈性應變能的釋放。定義G表示彈性應變能的釋放率或者為裂紋擴展力。5圖4-1a固定邊界的Griffith準則能量關系恒位移條件：當載荷加到A點，位移為OB，隨后板的兩端固定，平板中貯存的彈性能以面積OAB表示。如裂紋擴展da，引起平板剛度下降，平板內貯存的彈性能下降到面積OCB，三角形OAC相當于由于裂紋擴展釋放出的彈性能。6圖4-1b恒載荷的Griffith準則能量關系恒載荷條件：

OA線為裂紋尺寸為a時試樣的載荷位移線。當裂紋尺寸為a+da時，在恒定載荷為P1時，試樣的位移由C點增加到F點，這時外載荷做功相當于面積AEFC。平板內貯存的彈性能從OAC增加到OEF，由于面積AEFC為OAE的兩倍，當略去三角形AEB，可知在外力作功的情況下，其作功的一半用于增加平板的彈性能，一半用于裂紋的擴展，擴展所需的能量為OAB面積。7比較圖4-1a和圖4-1b，可知不管是恒位移的情況還是恒載荷的情況，裂紋擴展可利用的能量是相同的。只不過，對于前者裂紋擴展造成系統彈性能的下降，對于后者由于外力做功，系統的彈性能并不下降，裂紋擴展所需能量來自外力作功，兩者的數值仍舊相同。8

G是裂紋擴展的動力，當G達到怎樣的數值時，裂紋就開始失穩(wěn)擴展呢？按照Griffith斷裂條件：G≥R，R=2γs

按照Orowan修正公式：G≥R，R=2(γs+γp)

因為表面能γs和塑性變形功γp都是材料常數，是材料的固有性能。令GIC=2γs

或者GIC=2(γs+γp)，則有：這就是斷裂的能量判據。因此可以從能量平衡的角度研究材料的斷裂是否發(fā)生。

臨界值GIC也稱為斷裂韌度，表示材料阻止裂紋失穩(wěn)擴展時單位面積所消耗的能量。94.2.2裂紋尖端的應力場裂紋類型由裂紋體所受載荷與裂紋面的關系，可分為

張開型(或稱拉伸型)：外加拉應力垂直于裂紋面，使裂紋頂端張開，裂紋張開方向與拉應力垂直。張開型通常簡稱Ⅰ型。如Griffith裂紋和壓力筒中的軸向裂紋。圖4-2張開型(Ⅰ型)裂紋(a)張開式(b)拉伸式(c)壓力筒的軸向裂紋10

滑開型(或稱剪切型)：外加切應力平行于裂紋面并垂直于裂紋前緣線。滑開型通常簡稱Ⅱ型。

如，齒輪或花鍵根部沿切線方向的裂紋，或者受扭轉的薄壁圓筒上的環(huán)形裂紋都屬于這種情形。圖4-3滑開型(Ⅱ型)裂紋(a)滑開式(b)齒輪根部裂紋(c)圓筒的環(huán)形裂紋11

撕開型：外加切應力既平行于裂紋面又平行于裂紋前緣線，即為撕開型，也簡稱Ⅲ型。如，圓軸上有一環(huán)形切槽，受到扭轉作用引起的斷裂形式即屬此類。圖4-4撕開型(Ⅲ型)裂紋(a)撕開式(b)圓軸的環(huán)形切槽

當裂紋同時受正應力和剪應力時，稱為復合型裂紋。

實際工程構件中裂紋形式大多屬于I型裂紋，其處于三向拉伸應力狀態(tài)，這是最危險的一種裂紋形式。12

按裂紋在構件中的位置，可分為

穿透裂紋：貫穿構件厚度的裂紋，可簡化為尖裂紋。

表面裂紋：裂紋位于構件表面，常簡化為半橢圓裂紋。

深埋裂紋：裂紋深埋于構件內部，可簡化為橢圓片狀裂紋或圓片裂紋。

按裂紋的形狀分類，可分為

圓形，橢圓形，表面半圓形，表面半橢圓形以及貫穿直裂紋等。

按裂紋的方向，可分為

直裂紋、斜裂紋和曲裂紋。13斷裂力學概述分類

線彈性斷裂力學帶裂紋的線彈性體(Irwin，1957年)

適用領域：脆性材料；對塑性材料，要求裂紋頂端的塑性區(qū)與裂紋長度相比很小，如,

屈服強度大于1200MPa的高強鋼；或厚截面的中強鋼(500~1200MPa)及低溫下的中、低強度鋼等。

彈塑性斷裂力學(Rice，1968年)

塑性區(qū)不可忽略，有J積分和COD法等。研究方法

能量方法：Griffith，Orowan，J積分法等。

應力應變場方法：Irwin的應力強度因子理論。14

I型裂紋尖端的應力場設一無限大平板中心含有一長為2a的穿透裂紋，在垂直裂紋面方向受均勻的拉應力σ作用(圖4-5)。

1957年Irwin求出裂紋尖端附近(r,θ)處的應力場為：對于圖4-5所示情況：其中KI稱為I型裂紋的應力強度因子，其適用范圍是r<<a。另外，由虎克定律，可求出裂紋尖端的各應變分量；然后積分，求得各方向的位移分量。15圖4-5裂紋尖端附近的應力場(a)無限大平板中心的穿透裂紋(b)裂紋尖端附近P處的應力分析16若為薄板，裂紋尖端處于平面應力狀態(tài)：σz=0；若為厚板，裂紋尖端處于平面應變狀態(tài)：σz=ν(σx+σy)

兩個特例：

裂紋延長線上，θ=0°σy=σx=KI/(2πr)1/2

（max）

τxy=0

裂紋最易沿x軸方向擴展。

裂紋內表面，θ=180°σy

，σx

，τxy=0

裂紋內表面不受力。17應力場強度因子KI

應力場強度因子K是衡量裂紋頂端應力場強烈程度的函數，決定于應力水平、裂紋尺寸、形狀和加載方式。

對于I型應力場中的給定點(r,θ)，其應力強度只決定于KI，其應力場方程一般式可寫成通式:

根據彈性力學，裂紋頂端的應力為：式中，ρ為曲率半徑(b2/a)。因為對裂紋，a/ρ》1。18當r《a，θ→0°時，σij=σ0，fij(θ)=1，故有：式中Y為裂紋形狀系數，它和裂紋形式、試件幾何形狀有關。求KI的關鍵，在于求Y。式(4-7)表明，應力σ和裂紋尺寸a都是加劇應力場的因素。在應力增大或裂紋尺寸增大或應力與裂紋尺寸同時增大時，KI因子增高，即應力場強度加劇。當KI因子達到某一臨界值時，裂紋開始失穩(wěn)擴展。可以用應力場強度因子這個狀態(tài)參量來建立裂紋體的破壞準則。19斷裂判據隨著應力σ或裂紋尺寸a的增大，KI因子不斷增大。當KI因子增大到臨界值KIC時，裂紋開始失穩(wěn)擴展，用KIC表示材料對裂紋擴展的阻力，稱為平面應變斷裂韌度。因此，斷裂判據可表示為：該斷裂判據可以直接應用于工程設計。

平面應力下的斷裂韌度為KC，因同一材料KC>KIC，故用KIC設計較為安全，且符合大型工程構件的實際情況。

KIC和KC是材料本身固有的性能。20

KC和KIC不同點在于:

KC是平面應力狀態(tài)下的斷裂韌度，它和板材或試樣厚度有關，而當板材厚度增加到達到平面應變狀態(tài)時斷裂韌度就趨于一穩(wěn)定的最低值，這時便與板材或試樣的厚度無關了，稱為KIC，或平面應變的斷裂韌度，它才真正是一材料常數，反映了材料阻止裂紋擴展的能力。通常測定的材料斷裂韌度，就是平面應變的斷裂韌度KIC。而建立的斷裂判據也是以KIC為標準的，因為它反映了最危險的平面應變斷裂情況。

從平面應力向平面應變過渡的板材厚度取決于材料的強度，材料的屈服強度越高，達到平面應變狀態(tài)的板材厚度越小。

21如對含有中心穿透裂紋的無限寬板，Y=π1/2，其斷裂判據為：其中KIC為材料的平面應變斷裂韌度值，是可以測定的材料常數[(2Eγ)1/2]。材料中的裂紋尺寸可以用探傷手段確定，于是可求出裂紋體失穩(wěn)斷裂時的應力值：反之，當工作應力已知時，可求失穩(wěn)時的裂紋尺寸：22幾種常見裂紋的應力強度因子斷裂判據K=KIC建立之后，要確定零構件所允許的工作應力和裂紋尺寸，必須從力學上計算應力強度因子和實驗上測定材料的斷裂韌性。因為應力強度因子值除與工作應力有關外，還與裂紋的形狀和位置有關。一般地說，應力強度因子KI可表為，式中Y為裂紋形狀和位置的函數。23

無限大中心裂紋圖4-6無限大中心裂紋的KI24

無限大單邊裂紋圖4-7無限大單邊裂紋的KI25

有限寬板中心(或兩側)穿透裂紋圖4-8有限寬板中心(或兩側)穿透裂紋的KI26

圓柱形上環(huán)形裂紋圖4-9圓柱形上環(huán)形裂紋的KI注：圓柱試樣帶環(huán)形裂紋，在裂紋頂端附近存在三向應力，不存在無應力的自由表面。即使試樣尺寸較小，也能滿足平面應變條件，因此可用這種試樣測定材料的斷裂韌度。27

三點彎曲試樣圖4-10三點彎曲試樣缺口尖端疲勞裂紋的KI注：三點彎曲試樣是測定材料斷裂韌度的簡便方法。28

有限寬板單邊裂紋圖4-11有限寬板單邊裂紋的KI29

無限大體內的橢圓裂紋圖4-12無限大體內橢圓裂紋的KI304.2.3應力強度因子的塑性區(qū)修正裂紋頂端的塑性區(qū)由公式(4-3)，當r→0，σij→∞，此時裂紋尖端處的應力趨于無窮大。但實際上對一般金屬材料，當應力超過材料的屈服強度，將發(fā)生塑性變形，在裂紋頂端將出現塑性區(qū)。

塑性區(qū)帶來的問題：斷裂是裂紋的擴展過程，裂紋擴展所需的能量主要支付塑性變形功，材料的塑性區(qū)尺寸越大，消耗的塑性變形功也越大，材料的斷裂韌性KIC也就越大。由于前面的理論是根據線彈性斷裂力學來討論裂紋頂端的應力應變場的；當塑性區(qū)尺寸增大時，線彈性斷裂理論是否適用就成了問題。31

由Mises屈服判據式中σ1、σ2、σ3為主應力。對裂紋尖端的主應力，可由材料力學求得32將Irwin應力場代入上式得：把主應力代入到Mises屈服判據中，可計算得到裂紋頂端塑性區(qū)的邊界方程為：33將上式用圖形表示，塑性區(qū)的形狀如下圖：圖4-6實際試樣的塑性區(qū)大小(a)立體圖(b)側面圖34

可知平面應變條件下的塑性區(qū)比平面應力下的塑性區(qū)小得多。對于厚板，表面是平面應力狀態(tài)，而心部則為平面應變狀態(tài)。如取θ=0，即在裂紋的前方：

平面應變的塑性區(qū)只有平面應力的16%。這是因為在平面應變狀態(tài)下，沿板厚方向有較強的彈性約束，使材料處于三向拉伸狀態(tài)，材料不易塑性變形的緣故。這實際上反映了這兩種不同的應力狀態(tài)，在裂紋頂端屈服強度的不同。35由Tresca屈服判據

于是有裂紋尖端的塑性區(qū)為：平面應力下(θ=0°)：36于是有平面應變下(θ=0°)：因σ3=2νσ1，按σ1?σ3=σs，可計算出兩種屈服判據得到的塑性區(qū)邊界方程不同，因而塑性區(qū)形狀和大小亦不同，但在θ=0°時的尺寸r0則完全相同，所以可用塑性區(qū)在裂紋延長線的尺寸r0作為表示裂紋尖端塑性區(qū)大小的參數，稱為塑性區(qū)特征尺寸。37有效屈服應力

通常將引起塑性變形的最大主應力，稱為有效屈服應力，以σys

記之。

有效屈服強度與單向拉伸屈服強度之比，稱為塑性約束系數。根據最大切應力理論：平面應力狀態(tài)時：

σ3=0，則有平面應變狀態(tài)時，因σ3=2νσ1，按σ1?σ3=σs，故有

如以ν=1/3代入，可得在平面應變狀態(tài)下，σys=3σs。38實際上平面應變狀態(tài)下的有效屈服強度并沒有這么大，對具有環(huán)形缺口的圓柱形試樣進行拉伸試驗，所得到的σys為：用其他試驗方法測得的塑性約束系數(σys/σs)也大致為1.5～2.0。因此，最常用塑性區(qū)的表達式為：

須記住塑性區(qū)尺寸r0正比于KI的平方，當KI增加r0也增加，但反比于材料屈服強度的平方，材料的屈服強度越高，塑性區(qū)的尺寸越小，從而其斷裂韌性也越低.39應力強度因子的塑性區(qū)修正如圖4-7，按照線彈性斷裂力學，其應力分布為曲線DC。當彈性應力超過材料的有效屈服強度σys，便產生塑性變形，使應力重新分布。其原始塑性區(qū)就是上面公式所表示的r0。

在塑性區(qū)r0

范圍內如不考慮形變強化，其應力可視為恒定的，則高出σys的部分勢必要發(fā)生應力松馳。應力松馳的結果，使原屈服區(qū)外的周圍彈性區(qū)的應力升高，相當于BC線向外推移到EF位置。圖4-7應力松弛后的塑性區(qū)40

應力松馳的結果使塑性區(qū)從r0擴大到R0。擴大后的塑性區(qū)R0如何計算呢？從能量角度直觀地看，陰影線面積DBA=矩形面積BGHE，或者用積分表示為：平面應力狀態(tài)下，把(4-24)中r0代入上式得平面應變狀態(tài)下，未考慮應力松馳時，塑性區(qū)尺寸由式(4-24)決定?？紤]應力松馳后，也同樣可得到擴大后的塑性尺寸R0

為：41由此可知：

對于理想彈塑性材料，考慮應力松馳后，塑性區(qū)尺寸在x軸上擴大了一倍。對于常用金屬材料，大都有強化現象，裂紋尖端塑性區(qū)尺寸比上面的結果要小。當塑性區(qū)一經產生并且修正之后，原來裂紋頂端的應力分布已經改變。原來的應力分布為DBC線，現改變?yōu)锳BEF線。此時便產生了如下的問題：線彈性力學是否還適用？在什么條件下才能近似地運用？此時的應力強度因子該如何計算？42

Irwin認為，如果裂紋頂端塑性區(qū)尺寸遠小于裂紋尺寸(r0/a<1/10)

，這時稱為小范圍屈服。在這種情況下，只要將線彈性斷裂力學得出的公式稍加修正，就可以獲得工程上可以接受的結果?；诖讼敕?，Irwin提出了等效裂紋的概念。裂紋頂端的彈性應力超過材料的屈服強度后，會產生應力松弛。應力松馳可以有兩種方式，一種是通過塑性變形，塑性區(qū)擴大便是這種方式；另一種方式則是通過裂紋擴展，裂紋擴展了一小段距離后，同樣可使裂紋尖端的應力集中得以松弛。43圖4-8KI因子的塑性區(qū)修正既然兩種應力松馳的方式是等效的。因此為計算K值，可以設想裂紋的長度增加了，由原來的長度a增加到a′=a+ry，而裂紋頂端的原點由O點移動了ry的距離達到了O′點。這一模型就稱為Irwin等效裂紋模型，a′=a+ry稱為等效裂紋長度。

O′點以外的彈性應力分布曲線為GEH，與線彈性斷裂力學分析結果符合。而EF段，則與實際應力分布曲線重合。這樣一來，線彈性斷裂力學的分析仍然有效。44對等效裂紋來說，如仍以無限寬板含中心穿透裂紋問題為例，其應力強度因子應成為：計算表明，修正量ry等于應力松馳以后的塑性區(qū)寬度R0的一半，即：45對裂紋應力強度因子進行修正后得：可以看出，修正后的比未修正時的KI稍大。當工作應力低于0.5σs時，應力強度因子的誤差在7%以內，是工程精度所允許的，可不進行修正。工作應力高于0.5σs時，應力強度因子要進行修正。但如果應力水平過高，以致r0/a>1/10時，線彈性斷裂力學已不適用了。464.2.4GI和KI的關系

兩種斷裂判據，GI≥GIc和KI≥KIc，前者從能量平衡的觀點來討論斷裂，而后者則從裂紋尖端應力場的角度來討論斷裂。公式右端都是反映固有性能的材料常數，是材料的斷裂韌度值。經過推導，可得：

斷裂G判據和斷裂K判據完全是等效的，且有可互相換算的關系。在應用中K判據更方便一些。但G判據的物理意義更加明確，便于接受，所以兩者既是統一的，又各有利弊。474.3彈塑性條件下的斷裂韌性4.3.1J積分的概念圖4-9J積分的定義設有一單位厚度(B=1)的I型裂紋體，逆時針取一回路Γ，其所包圍的體積內應變能密度為ω，?；芈飞先我稽c作用應力為T。48在彈性狀態(tài)下，Γ所包圍體積的系統勢能，等于彈性應變能和外力功之差：U=Ue?W。因B=1，故裂紋尖端的G為：

Γ內總應變能為：外力在該點所做的功：可以證明：這就是線彈性條件下G的能量線積分的表達式。49在彈塑性條件下，如將應變能密度ω定義為彈塑性應變能密度，也存在該式等號右端的能量線積分，Rice將其定義為J積分。

JI為I型裂紋的能量線積分。

在線彈性條件下

50可證明，在彈塑性小應變條件下，也是成立的。還可證明，在小應變條件下，J積分和路徑Γ無關，即J的守恒性。在裂紋表面的應力T=0，則因此，J積分反映了裂紋尖端區(qū)的應變能，即應力應變的集中程度。51

J積分也可用能量率的形式來表達，即在彈塑性小應變條件下這是用試驗方法測定JIC的理論根據。4.3.2J積分的能量率表達式52圖4-10J積分的形變功率差的意義(a)試樣(b)載荷—位移曲線J積分的能量率表達式：兩個相同試樣，裂紋長度分別為a和a+Δa。加載到相同位移δ時，形變功差ΔU為曲線(b)中陰影部分面積。53

J積分的斷裂判據就是G判據的延伸，或將線彈性條件下G延伸到彈塑性斷裂時的J。

在彈性條件下，J=G。

在彈塑性條件下，表達式相同，但物理概念有所不同。

G：線彈性條件下，G是一個含有裂紋尺寸為a的試樣，當裂紋尺寸擴展為a+Δa時系統能量的釋放率。

J：彈塑性條件下，J是裂紋相差單位長度的兩個等同試樣，加載到等同位移時，勢能差值與裂紋面積差值的比率，即所謂形變功差率。54注意：由于塑性變形不可逆，因而求J值時必須是單調加載，不允許卸載情況發(fā)生。

J積分不能處理裂紋的連續(xù)擴張問題，其臨界值只是開裂點，不一定是失穩(wěn)斷裂點。554.3.3斷裂韌度JIC及斷裂J判據

在彈塑性小應變條件下，可以建立以JIC為準則的斷裂判據，即斷裂J判據:

只要滿足上式，裂紋就會開始擴展，但不能判斷其是否失穩(wěn)斷裂。

臨界值JIC也稱為平面應變斷裂韌度，表示材料抵抗裂紋開始擴展的能力。

目前，JI判據及JIC測試目的，主要期望用小試樣測出JIC，換算成大試樣的KIC，然后再按KI判據去解決中、低強度鋼大型件的斷裂問題。564.3.4裂紋尖端張開位移(COD)的概念

裂紋尖端張開位移CTOD(又稱COD)(CrackTipOpeningDisplacement)的概念：裂紋體受載后，在裂紋尖端沿垂直方向所產生的位移，用δ表示。

COD可間接表示應變量的大小；用臨界裂紋張開位移δc來表征材料的斷裂韌度。57圖4-11裂紋尖端張開位移裂紋尖端由O點虛移到O’點，裂紋長度由a變?yōu)閍+ry。由圖看出，原裂紋尖端O處要張開，張開位移量為2v，這個張開位移就是COD，即δ。

在線彈性和平面應力條件下，I型裂紋頂端的張開位移為：58可見，δ與KI，GI可以定量換算。在小范圍屈服，KI≥KIC，GI≥GIC既然可以作為斷裂判據，則δ≥δc亦可作為斷裂判據。

判據：臨界張開位移δc，表示材料的斷裂韌度，即材料阻止裂紋開始擴展的能力。

δ判據和J判據都是裂紋開始擴展的斷裂判據，而不是裂紋失穩(wěn)擴展的斷裂判據.

顯然，按這種設計是偏于保守的。裂紋先進入穩(wěn)態(tài)擴展階段，再失穩(wěn)擴展斷裂。594.3.5彈塑性條件下的COD表達式

對大范圍屈服，KI與GI已不適用，但COD仍不失其使用價值。對壓力容器和管道壁的長穿透裂紋所引起的平面應力斷裂，Dugdale提出一簡化帶狀屈服模型(DM模型)，從而求出了彈塑性條件下的COD表達式。60圖4-12帶狀屈服模型(DM模型)假設無限大薄板中有長為2a的I型裂紋，在遠處作用平均應力σ，塑性區(qū)為長度為ρ的尖劈形。假設一新(虛擬)裂紋，長度包括塑性區(qū)，即2c=2(a+ρ)。假設塑性區(qū)無加工硬化，在塑性區(qū)作用有與σ方向相反的σs，力圖使塑性區(qū)這段假想裂紋閉合。

因而該彈塑性問題可視為一個線彈性問題。61有人計算出AB兩點(±a)處的張開位移：因而臨界張開位移：根據上式可對中、低強度鋼板、壓力容器進行設計、選材和斷裂分析。624.4影響材料斷裂韌度的因素4.4.1化學成分、組織結構的影響

對金屬材料的斷裂韌度研究較多，對其他材料的研究較少?；瘜W成分化學成分對金屬材料的斷裂韌度影響與對沖擊韌度的影響類似。

大致規(guī)律：合金元素細晶強化提高斷裂韌度、合金元素固溶強化和第二相強化降低斷裂韌度。63基體相結構和晶粒尺寸

基體相晶體結構(如fcc)易發(fā)生塑性變形，產生韌性斷裂，材料的斷裂韌度就高。細化晶粒(細晶強化)同時提高材料的強度和塑性，因而斷裂韌度也可得到提高。

原因：晶粒愈細，晶界總面積愈大，裂紋頂端附近從產生一定尺寸的塑性區(qū)到裂紋擴展所消耗的能量也愈大，因此KIC

也愈高。

但是，有時粗晶粒的KIC反而較高，也即基體晶粒大小對KIC的影響與對常規(guī)力學性能的影響不一定相同。64夾雜和第二相對于金屬材料，非金屬夾雜和第二相對斷裂韌度的影響

非金屬夾雜往往降低斷裂韌度

夾雜物往往偏析于晶界，導致晶界弱化，增大沿晶斷裂的傾向性，而在晶內分布的夾雜物則常常起著缺陷源的作用。所有這些都使材料的KIC值下降。材料的斷裂韌度隨脆性第二相體積分數增加而降低當形態(tài)和數量適當時，韌性第二相可提高斷裂韌度

對于陶瓷材料，常利用第二相在基體中形成吸收裂紋擴展能量的機制的設計，提高陶瓷材料的斷裂韌性。65顯微組織

顯微組織的類型和亞結構影響材料的斷裂韌度。

不同的組織(如馬氏體、貝氏體、奧氏體、珠光體等)其斷裂韌度也不一樣。如：低碳鋼—回火馬氏體(板條狀)>貝氏體高碳鋼—下貝氏體>回火馬氏體(針狀)>上貝氏體裂紋尺寸一般而言，斷裂韌度對材料中的裂紋尺寸不敏感，這一點與強度存在很大不同。66

A和B是取自同種材料的試件，分別進行σ和KIC測試。

A試件首先沿裂紋最長的bb面斷裂，其次是cc，接下來為dd，最后為ee。而且，σb<σc

<σd

<σe。

然而，B試件測KIC，卻得到彼此相當的結果?！?/p>

強度是材料內部最大缺陷所控制的材料性質參數，對試件的形狀和尺寸相當敏感。斷裂韌度是與試件內裂紋尺度無關的材料特征參數。圖4-13斷裂韌性與強度的比較674.4.2特殊改性處理的影響

亞溫淬火

亞溫淬火可以獲得未溶鐵素體和馬氏體的復相組織，由于晶粒細化、相界面增加、雜質濃度降低等，使得亞共析鋼的強度和韌性提高。超高溫淬火

對中碳合金鋼進行高溫淬火，盡管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。

原因見教材P77。68形變熱處理

高溫形變熱處理由于動態(tài)再結晶細化奧氏體晶粒，因而細化淬火后的馬氏體，使強度和韌性都提高。

低溫形變熱處理在細化奧氏體晶粒的同時，還可增加位錯密度，促進合金碳化物彌散沉淀，降低奧氏體含碳量和增加細小馬氏體的含量，因而提高強度和韌性。694.4.3外界因素的影響板厚圖4-14試樣厚度對臨界應力強度因子和斷口形貌的影響

材料的斷裂韌度隨板材厚度或構件截面尺寸的增加而減小，最終趨于一個穩(wěn)定的最低值，即平面應變斷裂韌度KIC。隨板厚增加，應力狀態(tài)變硬，試樣由平面應力狀態(tài)向平面應變狀態(tài)過渡。在平面應力條件時，形成斜斷口，相當于薄板的斷裂情況；而在平面應變條件下，變形約束充分大，形成平斷口，相當于厚板的情況；介于上述二者之間，形成混合斷口。70

溫度金屬材料斷裂韌度隨著溫度的降低，有一急劇降低的溫度范圍(?200~200℃)，低于此溫度范圍，斷裂韌度保持在一個穩(wěn)定的水平(下平臺)。從各種結構鋼測得的數據表明，KIC隨溫度降低而減小的這種轉變溫度特性，與試樣幾何尺寸無關，是材料的固有特性。圖4-15斷裂韌性KIC與溫度的關系71應變速率應變速率對斷裂韌性的影響與溫度相似，增加應變速率和降低溫度都增加材料的脆化傾向。實驗證實，應變速率每提高一個數量級，斷裂韌度將降低10%。圖4-16應變速率和溫度對斷裂韌度的影響724.4.4KIC與靜載力學性能指標的關系圖4-17Kraft模型Krafft模型：假