知識(shí)資料斷裂韌度KIC的測(cè)試和影響因素、應(yīng)用舉例

第四章金屬的斷裂韌度

戴光澤教授西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院第四節(jié)斷裂韌度的測(cè)試實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、試樣的形狀、尺寸及制備所用標(biāo)準(zhǔn)：（1）GB4161-84《金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度試驗(yàn)方法》，適用于厚度≥1.6mm帶材疲勞裂紋的三點(diǎn)彎曲、緊湊拉伸、C型拉伸和圓形緊湊拉伸試樣，測(cè)定金屬材料的平面應(yīng)變斷裂韌度。當(dāng)試驗(yàn)無效時(shí)，還可按本方法規(guī)定測(cè)定試樣強(qiáng)度比；（2）GB7732-87《金屬板材表面裂紋斷裂韌度試驗(yàn)方法》，適用于具有半橢圓表面裂紋的矩形截面拉伸試樣，在室溫（15-35℃）和大氣環(huán)境下測(cè)定金屬板材表面裂紋斷裂韌度；（3）GB/T2038-1991《利用阻力曲線確定金屬材料延性斷裂韌度的試驗(yàn)方法》，適用于帶有疲勞預(yù)制裂紋的小試樣，利用阻力曲線確定金屬材料延性斷裂韌度，用于評(píng)定材料的斷裂韌度；（4）GB/T2358-1994《裂紋張開位移（COD）試驗(yàn)方法》，適用于帶有疲勞預(yù)制裂紋的三點(diǎn)彎曲試樣，對(duì)于鋼材進(jìn)行室溫及低溫裂紋張開位移（COD）試驗(yàn)，主要用于線彈性斷裂力學(xué)失效的延性斷裂情況；（5）國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)：美國(guó)ASTME399/英國(guó)BS5447（平面應(yīng)變狀態(tài)斷裂韌度試驗(yàn)）；英國(guó)BS5762（CTOD(COD)試驗(yàn)）；美國(guó)ASTME561（裂紋擴(kuò)展阻力曲線，曲線試驗(yàn)），美國(guó)ASTME338（薄板試驗(yàn)片）/ASTME602（圓柱形試驗(yàn)片）（缺口拉伸試驗(yàn)）。試樣的取樣規(guī)定

美國(guó)ASTME399取樣標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定某型動(dòng)車組車輪取樣規(guī)定

試樣的形狀、尺寸及制備

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)種規(guī)定了四種試樣：標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試樣、緊湊拉伸試樣、C型拉伸試樣和圓形緊湊拉伸試樣。常用的三點(diǎn)彎曲和緊湊拉伸兩種試樣如下圖4-7：為了保證裂紋尖端附近小規(guī)模屈服，尺寸規(guī)定如下，在確定試樣尺寸時(shí)，應(yīng)該首先知道材料的屈服強(qiáng)度和的估算值，才能定出試樣的最小厚度B，然后再按上圖確定寬度W和長(zhǎng)度L，如果值無法估算，可以根據(jù)材料的（表4-3）進(jìn)行確定缺口形式二、測(cè)試方法

三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和緊湊拉伸試驗(yàn)如下圖所示

三點(diǎn)彎曲測(cè)量曲線：

（載荷F—裂紋張開位移V曲線的三種類型）

斜率減少5%，裂紋擴(kuò)展2%時(shí)載荷值FQ條件裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展載荷Ⅰ：材料韌性較好或者試樣較薄時(shí)（不能保證小范圍屈服），由于裂紋尖端處產(chǎn)生或大或小的塑性區(qū)以及這個(gè)區(qū)域變形強(qiáng)化，使得裂紋擴(kuò)展要經(jīng)歷一個(gè)載荷上升過程，所以，這種情況下的最后失穩(wěn)斷裂的最大載荷已經(jīng)不能代表裂紋開始擴(kuò)展的臨界載荷。這時(shí)只能仿照拉伸試樣中規(guī)定的方法，即在中規(guī)定：把裂紋擴(kuò)展量（包括裂紋的真實(shí)擴(kuò)展和由裂紋尖端產(chǎn)生的塑性區(qū)所造成的等效擴(kuò)展在內(nèi)）達(dá)到裂紋原始長(zhǎng)度a的2%（即）時(shí)的載荷作為條件臨界載荷；Ⅱ：當(dāng)材料韌性和尺寸居中時(shí)，有一個(gè)類似于屈服平臺(tái)的臺(tái)階，同樣，越過這個(gè)平臺(tái)載荷有一個(gè)上升段，這時(shí)開始屈服的點(diǎn)作為條件臨界載荷；Ⅲ：材料很脆或者尺寸很大（裂紋前端處于平面應(yīng)變的強(qiáng)約束狀態(tài)），則裂紋一開始擴(kuò)展即呈失穩(wěn)態(tài)而很快導(dǎo)致試樣斷裂，這時(shí)最大裂紋載荷既是裂紋開始擴(kuò)展的臨界載荷；三、試驗(yàn)結(jié)果的處理

三點(diǎn)彎曲的實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過Eq.(4-30)進(jìn)行計(jì)算Eq.(4-30)是計(jì)算三點(diǎn)彎曲KQ的斷裂韌度有效性判斷（1）厚度判據(jù)：（2）載荷比判據(jù)：

滿足上述條件的話，否則，應(yīng)該加大試樣的尺寸重做試驗(yàn)，新試樣尺寸至少應(yīng)為原試樣的1.5倍，直到滿足上述條件。幾種金屬材料在室溫下的值尺寸對(duì)各種測(cè)量結(jié)果影響如下圖所示第五節(jié)影響斷裂韌度的因素一、斷裂韌度與常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)之間的關(guān)系（一）、斷裂韌度與強(qiáng)度、塑性之間的關(guān)系1、裂紋跨越第二相的斷裂（僅適用于彈性體）

E：材料楊氏模量，

n：應(yīng)變硬化指數(shù)，：結(jié)構(gòu)參量；裂紋跨越第二相的斷裂（僅適用于彈性體）

2、解理斷裂（脆性斷裂）：

Ritchie等（高含氮量低碳鋼、穿晶解理斷裂）(4-32)——解理斷裂應(yīng)力；——屈服斷裂應(yīng)力；——應(yīng)變硬化指數(shù)；——特征距離，對(duì)于低碳鋼為2~3個(gè)晶粒尺寸。3、韌性斷裂——拉伸彈性模量；——屈服強(qiáng)度；——臨界斷裂應(yīng)變；——特征距離，第二相質(zhì)點(diǎn)間的平均距離。（4-33）

（二）斷裂韌度與沖擊吸收功之間的關(guān)系S.T.RolfeRelation（英制單位）Eq.(4-34)Eq.(4-35)國(guó)際單位只有在和的溫度范圍內(nèi)，兩條曲線平行時(shí)才能建立兩者的相對(duì)關(guān)系。二、影響斷裂韌度的因素（一）材料成分、組織對(duì)的影響為材料自身的力學(xué)性能指標(biāo)，只取決于材料本身，主要有以下一些因素：1、化學(xué)成分的影響：細(xì)化晶粒的合金元素因提高材料的強(qiáng)度和塑性，可以使提高；強(qiáng)烈固溶強(qiáng)化的合金元素因降低塑性而使降低；形成金屬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的擴(kuò)展，也使降低。2、基體相結(jié)構(gòu)和晶粒大小的影響從滑移塑性變形和解理斷裂的角度考察，面心立方結(jié)構(gòu)由于易產(chǎn)生滑移塑性變形而不產(chǎn)生解理斷裂，因此提高。因此，奧氏體鋼的較鐵素體鋼、馬氏體鋼高。如果奧氏體在裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)作用下發(fā)生馬氏體相變，則因?yàn)橄母郊幽芰繒?huì)使進(jìn)一步提高。另外，基體晶粒越細(xì)則越高（但是也不是絕對(duì)的）。3、雜質(zhì)及第二相的影響鋼中的非金屬夾雜物和第二相如果為脆性，則會(huì)在應(yīng)力的作用下造成相界面的開裂形成裂紋，造成下降；第二相的形狀也有影響，例如球狀碳化物比板條狀和網(wǎng)狀碳化物造成的下降要小一些（如鑄鐵）。4、顯微組織的影響（1）板條馬氏體是位錯(cuò)型亞結(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，較高；（2）針狀馬氏體是孿晶亞結(jié)構(gòu)，硬而脆，裂紋擴(kuò)展阻力小，呈準(zhǔn)解理或解理斷裂，很低；（3）回火索氏體的基體具有較高的塑性，第二相是粒狀碳化物，分布間距較大，裂紋擴(kuò)展阻力較大，因而較高；（4）回火馬氏體基體塑性差，第二相質(zhì)點(diǎn)小且彌散分布，裂紋擴(kuò)展阻力較小，因而較低；（5）回火托氏體的居于上述（3）和（4）之間；（6）亞共析鋼中，無碳貝氏體常因熱加工工藝不當(dāng)而形成魏氏體組織，使得下降；（7）上貝氏體鋼因在鐵素體片層間分布有斷續(xù)碳化物，裂紋擴(kuò)展阻力較小，較低；（8）下貝氏體因在過飽和鐵素體中分布有彌散細(xì)小的碳化物，裂紋擴(kuò)展阻力增大，與板條馬氏體相似，較高，（9）調(diào)質(zhì)鋼下貝氏體組織與同硬度的回火馬氏體組織相比，其較高；（10）殘余奧氏體是一種韌性第二相，分布于馬氏體中，可以松弛裂紋尖端的應(yīng)力峰，增大裂紋擴(kuò)展阻力，因此較高；（11）低碳馬氏體鋼中，存在位錯(cuò)型亞結(jié)構(gòu)的馬氏體板條，板條間還存在塑性很好的殘余奧氏體薄膜，裂紋擴(kuò)展阻力大，較高。（二）影響的外界因素1、溫度的影響材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度作為判斷的依據(jù)。在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下，主要表現(xiàn)為解理型脆性斷裂，一般很低；在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上，主要表現(xiàn)為微孔聚集型韌性斷裂，一般較高；一般大多數(shù)結(jié)構(gòu)鋼隨溫度降低而下降；隨著材料強(qiáng)度的增加，隨溫度的變化趨勢(shì)趨于緩和。2、應(yīng)變速率的影響應(yīng)變速率具有與溫度相似的效應(yīng)。增加應(yīng)變速率相當(dāng)于降低溫度，下降；一般認(rèn)為應(yīng)變率每上升一個(gè)數(shù)量級(jí)，降低約10%；但是，如果應(yīng)變率很大使得散熱不好造成絕熱過程，會(huì)導(dǎo)致局部升溫軟化致使升高。第六節(jié)斷裂K判據(jù)的應(yīng)用案例解：根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的定義：根據(jù)強(qiáng)度安全系數(shù)1.4計(jì)算鋼材的許用應(yīng)力應(yīng)該為可以選用第二組1200/85.25的鋼材；根據(jù)強(qiáng)度安全系數(shù)1.7計(jì)算鋼材的許用應(yīng)力應(yīng)該為上述的材料在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)，難以滿足韌性要求；解：考慮到塑性區(qū)對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響（4-14）將塑性區(qū)修正值（4-15）代入上式，我們可以得到（4-17）如下