金屬材料的斷裂韌

一、斷裂韌度KIC與常規(guī)力學性能指標之間的關系1030250060章新洋

二、影響斷裂韌度KIC的因素1030250047盛振棟三、高壓容器承載能力計算1030250043韓敏四、高壓殼體的熱處理工藝選擇1030250050姬天亮五、大型轉軸斷裂分析1030250038阮冬祥六、超高強度和中低強度鋼的脆斷傾向分析1030250033鄧雄文七、高強度鋼和球墨鑄鐵的脆斷傾向分析1030250057李天杭八、J積分及斷裂韌度JIC1030250001賈金斗九、裂紋尖端張開位移（CTOD）及斷裂韌度δc

1030250056邵利超金屬的裂韌度KIC現在是1頁\一共有70頁\編輯于星期四斷裂韌度與常規(guī)力學性能指標之間的關系章新洋10材料科學（2班）學號：1030250060現在是2頁\一共有70頁\編輯于星期四（一）斷裂韌度與強度、塑性之間的關系1、韌性斷裂模型克拉夫特提出韌斷模型：認為具有第二相質點而又均勻分布的兩相合金，裂紋在基體相中擴展時，將要受到第二相質點間距(dT)的影響。σyσSdT塑性區(qū)應變?yōu)閑y現在是3頁\一共有70頁\編輯于星期四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)應變?yōu)閑y現在是4頁\一共有70頁\編輯于星期四n-應變硬化指數Xc-特征距離,第二相質點間的平均距離σys-屈服強度-臨界斷裂應變現在是5頁\一共有70頁\編輯于星期四2、解理或沿晶脆性斷裂特爾曼等人提出:當裂紋尖端某一特征距離內的應力達到材料解理斷裂強度σC,裂紋就失穩(wěn)擴展,產生脆性斷裂.取特征距離為晶粒直徑的兩倍(2d)ρ0裂紋尖端曲率半徑n-應變硬化指數Xc-特征距離,2~3個晶粒尺寸現在是6頁\一共有70頁\編輯于星期四（二）斷裂韌度與沖擊韌度之間的關系靜力韌度、沖擊韌度、斷裂韌度度量材料韌性的指標應力集中程度、應力狀態(tài)、加載速率現在是7頁\一共有70頁\編輯于星期四tK1tK2t0tAKVKICAKVKIC茹爾夫對中、高強度鋼試驗得到：MPa.m1/2現在是8頁\一共有70頁\編輯于星期四影響斷裂韌度KIC的因素10材科（2）班1030250047盛振棟現在是9頁\一共有70頁\編輯于星期四(一)材料的成分，組織對KIC的影響(內因)1、化學成分的影響(1)C%↑，KIC↓。(2)細化晶粒的合金元素，KIC提高。晶粒細化強度提高，塑性提高KIC提高(3)強烈固溶強化元素明顯降低KIC。強烈固溶強度增加，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

現在是10頁\一共有70頁\編輯于星期四2、基體相結構和晶粒大小的影響(1)基體相結構一般來說，基體相晶體結構易于發(fā)生塑性變形，產生韌性斷裂，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生解理斷裂，并且形變硬化指數n較高，其斷裂韌度較高。

影響斷裂韌度KIC的因素（4）瓷材料，提高材料強度的組元，都將提高斷裂韌度。（5）對于高分子材料，增強結合鍵的元素都將提高斷裂韌度。A鋼KIC>

P鋼KIC、M鋼KIC現在是11頁\一共有70頁\編輯于星期四A鋼KIC>

P鋼KIC、M鋼KIC應用實例：超高強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。*室溫溫加工后產生大量的位錯和沉淀，強度大大提高。*裂紋前端存在應力集中，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的因素現在是12頁\一共有70頁\編輯于星期四(2)晶粒大小一般而言，晶粒越細，KIC越高。晶粒細小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)，均可使晶粒細化，從而提高強韌性。

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的因素現在是13頁\一共有70頁\編輯于星期四3、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，數量及分布有關。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數的增加，使得斷裂韌度降低。第三，韌性第二相當其形態(tài)和數量適當時，可以提高材料的斷裂韌度。現在是14頁\一共有70頁\編輯于星期四4、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的因素現在是15頁\一共有70頁\編輯于星期四影響斷裂韌度KIC的因素總的來說，使材料的強度、塑性提高的或者使裂紋擴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。

如強烈固溶強化的元素Si、P，雖然能夠增強材料的強度，但是嚴重降低材料的塑性。兩個因素的綜合結果使KIC下降?，F在是16頁\一共有70頁\編輯于星期四高壓容器承載能力計算10材科（2）班1030250043韓敏現在是17頁\一共有70頁\編輯于星期四斷裂K判據應用案例第一是設計：包括結構設計和材料選擇．根據材料的斷裂韌度，計算結構的許用應力，針對要求的承載量，設計結構的形狀和尺寸；根據結構的承載要求、可能出現的裂紋類型，計算最大應力強度因子，依據材料的斷裂韌度進行選材。現在是18頁\一共有70頁\編輯于星期四第二是校核：根據結構要求的承載能力、材料的斷裂韌度，計算材料的臨界裂紋尺寸，與實測的裂紋尺寸相比較，校核結構的安全性，判斷材料的脆斷傾向。第三是材料開發(fā)：根據對斷裂韌度的影響因素，有針對性地設計材料的組織結構，開發(fā)新材料現在是19頁\一共有70頁\編輯于星期四安全校核

例1：有一大型圓筒式容器由高強度鋼焊接而成，如圖4-16所示。鋼板厚度t=5mm，圓筒內徑D=1500mm；所用材料的σ0.2=1800MPa，KIC=62MPa·m1/2。焊接后發(fā)現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？現在是20頁\一共有70頁\編輯于星期四根據材料力學，裂紋所受垂直拉應力為：將有關數據代入上式得不必考慮塑性區(qū)的修正現在是21頁\一共有70頁\編輯于星期四還可以用什么方法進行計算？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a/c=0.9/3=0.3時，查附錄表得Φ=1.10，將有數值代入上式得現在是22頁\一共有70頁\編輯于星期四高壓殼體的熱處理工藝選擇10材科（2）班1030250050姬天亮現在是23頁\一共有70頁\編輯于星期四斷裂K判據應用案例

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、高強鋼容器水爆斷裂失效分析

現在是24頁\一共有70頁\編輯于星期四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，其周向工作拉應力σ=1400MPa。采用超高強度鋼制造，焊接后往往發(fā)現有縱向表面半橢圓裂紋(a=lmm,a/c=0.6)。現有兩種材料，其性能如下:(A)=1700MPa,；(B)=2100MPa,。

問從斷裂力學角度考慮，應選用哪種材料為妥?

現在是25頁\一共有70頁\編輯于星期四現分別求得兩種材料的斷裂應力和。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。因將其代入（4-16），可得的修正值:根據此式，求得斷裂應力的計算式為因a/c=0.6，查表得父愛=1.28。將有關數值代入上式后，得:現在是26頁\一共有70頁\編輯于星期四對于材料B:由于=1400/2100=0.67，不必考慮塑性區(qū)的修正，則有:說明會產生脆性斷裂，因而不安全。下面比較KI與來選擇材料KIC現在是27頁\一共有70頁\編輯于星期四對于材料A：當a/c=0.6時，查表可得Φ2=1.62，將有關數據代入上式，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現在是28頁\一共有70頁\編輯于星期四同樣查表可得Φ2=1.62，將有關數據代入上式，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：現在是29頁\一共有70頁\編輯于星期四高強鋼容器水爆斷裂失效分析解題思路簡介

1、確定裂紋處的應力狀態(tài)2、根據K判據估算裂紋處的脆斷應力3、是否要對塑性區(qū)修正4、仿前例做出判斷現在是30頁\一共有70頁\編輯于星期四例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，經探傷發(fā)現在縱焊縫中，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行。現在是31頁\一共有70頁\編輯于星期四KI＜KIC，說明不會發(fā)生脆性斷裂，該合成塔可以安全使用?，F在是32頁\一共有70頁\編輯于星期四大型轉軸斷裂分析

10材科2阮冬祥1030250038

現在是33頁\一共有70頁\編輯于星期四失效分析

例4：某冶金廠大型純氧頂吹轉爐的轉動機械主軸，在工作時經61次搖爐煉鋼后發(fā)生低應力脆斷。其斷口示意圖如圖4-14所示，該軸材料為40Cr鋼，經調質處理后常規(guī)力學性能指標完全合格，σ0.2=600MPa，σb=860MPa，AKU=38J，δ=8%。現用斷裂力學分析其失效原因?，F在是34頁\一共有70頁\編輯于星期四斷口分析：

該軸為疲勞斷裂，裂紋源在圓角處，形成深度達185mm的疲勞擴展區(qū)，相當于一個αc＝185mm的表面環(huán)狀裂紋?，F在是35頁\一共有70頁\編輯于星期四金相分析：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=25MPa+120MPa=145MPa表面環(huán)狀裂紋為淺長表面半橢圓裂紋，αc＝185mm；現在是36頁\一共有70頁\編輯于星期四KIC=120MPa·m1/2Y≈1.95這就是按斷裂力學算得的轉軸低應力脆斷的臨界裂紋尺寸。和實際斷口分析的185mm相比，比較吻合，說明分析正確。現在是37頁\一共有70頁\編輯于星期四由此可見，對于中、低強度鋼，盡管其臨界裂紋尺寸很大，但對于大型機件來說，這樣大的裂紋（如疲勞裂紋）仍然可以容納得下，因而會產生低應力脆斷，而且斷裂應力很低，遠低于材料的屈服強度?，F在是38頁\一共有70頁\編輯于星期四評定鋼鐵材料的韌脆性103025003310材科2班鄧雄文現在是39頁\一共有70頁\編輯于星期四表面半橢圓裂紋Y=2評定鋼鐵材料的韌脆性斷裂韌度KIC斷裂應力σc臨界裂紋尺寸ac現在是40頁\一共有70頁\編輯于星期四1.超高強度鋼的脆斷傾向這類剛強度很高，σ0.2≥1400MPa主要用于宇航事業(yè)，典型材料有D6AC超高強度合金結構鋼、18Ni、40CrNiMo等

超高強度鋼，材料的斷裂韌度往往較低。如18Ni馬氏體時效鋼，當σ0.2=1700MPa時KIC=78MPa·m1/2

現在是41頁\一共有70頁\編輯于星期四選材原則：KIC較高而σ0.2較低材料若殼體的工作應力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生，極易漏檢，所以脆斷幾率很大?，F在是42頁\一共有70頁\編輯于星期四2.中、低強度鋼的脆斷傾向

這類鋼強度不高（σ0.2≤700MPa）在低溫下發(fā)生韌脆轉變。一般bcc類型的中、低碳結構鋼，在正火或調質狀態(tài)下多屬這類強度等級。具有明顯的韌脆轉變現象在韌性區(qū)，KIC=150MPa·m1/2,在脆性區(qū)，KIC=30~40MPa·m1/2甚至更低。現在是43頁\一共有70頁\編輯于星期四

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

因用中低強度鋼制造構件，在韌性區(qū)不會發(fā)生脆斷；即使出現裂紋，也易于檢測和修理。而在脆性區(qū)ac=0.25(30/200)2=5.6mm。所以中低強度鋼在脆性區(qū)仍有脆斷的可能。以韌脆轉變溫度為界，在韌脆轉變溫度以上，中小型機件不存在脆斷問題，在此溫度下，則會發(fā)生脆斷。現在是44頁\一共有70頁\編輯于星期四高強度鋼和球墨鑄鐵的脆斷傾向10材科2班李天杭學號：1030250057現在是45頁\一共有70頁\編輯于星期四高強度剛的脆斷傾向這類鋼強度較高?0.2

=800~1200MPa，韌度也適當，具有較好的強度韌度配合，所以用于制造中小截面機件。如何使鋼具有較好強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?，F在是46頁\一共有70頁\編輯于星期四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，常用來代替某些結構鋼制造機器零件。但是，它是一種脆性材料。球鐵的aKU→0現在是47頁\一共有70頁\編輯于星期四球墨鑄鐵的化學成分球墨鑄鐵的大致化學成分范圍是：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，并使共晶點右移造成流動性下降，所以必須嚴格控制其含量。

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。現在是48頁\一共有70頁\編輯于星期四可切屑加工性能好耐磨性強抗氧化性高耐蝕性強球墨鑄鐵的優(yōu)點現在是49頁\一共有70頁\編輯于星期四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現在是50頁\一共有70頁\編輯于星期四球墨鑄鐵主要缺陷特征現在是51頁\一共有70頁\編輯于星期四球墨鑄鐵的顯微組織現在是52頁\一共有70頁\編輯于星期四10材科（1）1030250001賈金斗J積分原理及斷裂韌度JIc

現在是53頁\一共有70頁\編輯于星期四KIC可作為斷裂判據，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行修正。

KIc斷裂判據適用的材料：高強度、超高強度材料?，F在是54頁\一共有70頁\編輯于星期四發(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;COD法是由KI延伸出來的一種斷裂應變判據?，F在是55頁\一共有70頁\編輯于星期四一、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)域的應力、應變和位移組成的線積分來定義。應力矢量系統(tǒng)應變能密度位移矢量弧長增量現在是56頁\一共有70頁\編輯于星期四(3)J積分的表達式來源(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上任一點的作用力為T，該點的位移矢量為du；③包圍體積內的應變能密度為ω；④線彈性條件下有：現在是57頁\一共有70頁\編輯于星期四圖4-5J積分的定義現在是58頁\一共有70頁\編輯于星期四將GⅠ的能量表達式用線積分方式表達，可推導出在線彈性條件下：

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

現在是59頁\一共有70頁\編輯于星期四1.線彈性條件下JI=GI在小應變條件下，J積分和積分路線無關，J積分反映了裂紋尖端區(qū)的應變能，即應力集中程度。2.彈塑性條件下由于塑性變形是不可逆的，只有在單調加載，不發(fā)生卸載時，才存在積分與路徑無關。所以，通常J積分不能處理裂紋的連續(xù)擴展問題(連續(xù)擴展時裂紋長度的變化應該為da，而此處是△a)，其臨界值對應點只是開裂點，而不一定是最后失穩(wěn)斷裂點。現在是60頁\一共有70頁\編輯于星期四彈塑性，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△U與裂紋長度差值△a的比率—形變功差率。J積分的