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(xiǎn)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。1 強(qiáng)度儲(chǔ)備法，許用應(yīng)力，強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)（安全系數(shù)）按照傳統(tǒng)力學(xué)設(shè)計(jì)，只要求工作應(yīng)力小于許用應(yīng)力，即,就被認(rèn)為是安全的了。而，對塑性材料=s/n，對脆性材料=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(shí)會(huì)發(fā)生所謂低應(yīng)力脆斷的現(xiàn)象。2 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。3 裂紋體：傳統(tǒng)力學(xué)是把材料看成均勻的，沒有缺陷的，沒有裂紋的理想固體，但是實(shí)際

2、的工程材料，在制備、加工及使用過程中， 都會(huì)產(chǎn)生各種宏觀缺陷乃至宏觀裂紋。4 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(shí)，就會(huì)突然破裂。因?yàn)閭鹘y(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(gè)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。5 斷裂韌性，斷裂韌度4.1 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痕跡，可以應(yīng)用線

3、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。一、 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）。二、 應(yīng)力場強(qiáng)度因子KI及斷裂韌性KIC1 裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場分析 （平面應(yīng)力） （平面應(yīng)變）適用于rKIC。 sC臨界應(yīng)力，aC臨界裂紋尺寸。斷裂K判?。篕I=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1） 塑性區(qū)的尺寸屈服判劇 （平面應(yīng)力） （平面應(yīng)變）應(yīng)力松弛：R02r0 2） 等效裂紋及KI的修正。等效裂紋修正值ry為應(yīng)力松弛后塑性區(qū)寬度的一半。三、 裂紋擴(kuò)

4、展能量釋放率GI及斷裂韌性GIC1 裂紋擴(kuò)展時(shí)能量的轉(zhuǎn)化關(guān)系左端是裂紋擴(kuò)展動(dòng)力，右端是裂紋擴(kuò)展阻力。2 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(shí)，系統(tǒng)釋放的勢能數(shù)值，稱為裂紋擴(kuò)展能量釋放率，記為GI。 ，單位厚度時(shí)，表示使裂紋擴(kuò)展單位長度的原動(dòng)力。單位MPam。 （平面應(yīng)力） （平面應(yīng)變）3 斷裂韌性GIC和斷裂G判據(jù)GI達(dá)到臨界值時(shí)，裂紋進(jìn)入失穩(wěn)擴(kuò)展階段，這個(gè)臨界值，稱為斷裂韌性，記為GIC。裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展阻力（gp2gs）斷裂G判?。篏I=GIC 。4 GIC和KIC的關(guān)系平面應(yīng)變條件下，所以有 ，5 裂紋擴(kuò)展阻力曲線及斷裂判據(jù)裂紋擴(kuò)展阻力R=gp2gs R-a曲線

5、，阻力曲線。裂紋擴(kuò)展動(dòng)力GI=Y2s2a/E GI-a曲線，動(dòng)力曲線。裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的斷裂判劇：4.2 影響斷裂韌性的因素一、 材料成分、組織結(jié)構(gòu)的影響1. 細(xì)化晶粒的合金元素提高KIC2. 強(qiáng)烈固溶強(qiáng)化的合金元素降低KIC3. 以第二相析出的合金元素降低KIC二、 特殊熱處理的影響1. 高溫形變熱處理可細(xì)化奧氏體亞結(jié)構(gòu)、增加位錯(cuò)密度、促進(jìn)合金碳化物彌散沉淀而提高KIC。2. 亞溫淬火和超高溫淬火均可提高KIC。三、 外界因素的影響1. 溫度 溫度降低，韌性降低。2. 應(yīng)變速率 應(yīng)變速率增加，韌性降低。4.3 斷裂韌性的測試一、 試樣形狀、尺寸及制備三點(diǎn)彎曲試樣和緊湊拉伸（CT）試樣二、 測試方法4.4 斷裂韌性在工程中的應(yīng)用一、 高壓容器承載能力的計(jì)算二、 高壓殼體材料的正確選擇三、 大型轉(zhuǎn)軸斷裂分析四、