第三章金屬的斷裂韌度

金屬力學(xué)行為材料科學(xué)與工程學(xué)院重慶理工大學(xué)ChongQing

InstitueofTechnologyMechanicalBehaviourof

Metal傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法①依據(jù)材料的拉伸力學(xué)性能以及構(gòu)件的工作狀況來(lái)選擇材料和進(jìn)行設(shè)計(jì)，即根據(jù)工作條件選擇力學(xué)性能指標(biāo)σs，高于工作應(yīng)力的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，[σs]≥σ。③強(qiáng)度儲(chǔ)備方法＋輔助技術(shù)要求在②基礎(chǔ)之上，考慮機(jī)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及環(huán)境的影響，根據(jù)材料的使用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)塑性、韌度及缺口敏感性等重要指標(biāo)提出技術(shù)要求。②強(qiáng)度儲(chǔ)備的設(shè)計(jì)方法依據(jù)構(gòu)件受力確定危險(xiǎn)面的應(yīng)力和應(yīng)變，考慮一項(xiàng)安全系數(shù)n，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，強(qiáng)度儲(chǔ)備的原則：σ≤[σ0.2]/n不足：低應(yīng)力斷裂斷裂韌度重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象新材料、新工藝大量的使用，結(jié)構(gòu)在高溫、高壓、高速等極限條件下服役，采用傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)導(dǎo)致較多的斷裂事故發(fā)生，特別是才高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼中經(jīng)常出現(xiàn)。低應(yīng)力脆斷原因——裂紋冶金缺陷，鍛造裂紋，焊接裂紋，淬火裂紋，機(jī)加工裂紋，疲勞裂紋，腐蝕裂紋。由于裂紋破壞了構(gòu)件的機(jī)體連續(xù)性和均勻性重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院斷裂韌度斷裂力學(xué)發(fā)展1921，Griffith提出了脆性斷裂理論，建立了脆性材料的裂紋尺寸和強(qiáng)度的關(guān)系。1948，Iwin發(fā)表經(jīng)典論文《fracturedynamics》,標(biāo)志斷裂力學(xué)成為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科。（線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)）1958，ASTM和NASA成立了專(zhuān)門(mén)的研究小組。1964，首屆斷裂力學(xué)國(guó)際會(huì)議召開(kāi)。1968，Rice提出了J積分，此后逐步發(fā)展處理彈塑性斷裂力學(xué)。重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院理論斷裂強(qiáng)度經(jīng)典脆斷強(qiáng)度理論晶體的理論強(qiáng)度應(yīng)由原子間結(jié)合力決定，現(xiàn)估算如下：一完整晶體在拉應(yīng)力作用下，會(huì)產(chǎn)生位移。重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院理論斷裂強(qiáng)度理想晶體解理斷裂的理論斷裂強(qiáng)度?？梢?jiàn)，在E，a0一定時(shí)，σm與表面能γ有關(guān)，解理面往往是表面能最小的面。重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院Griffith模型Griffith理論假設(shè)：實(shí)際結(jié)構(gòu)中存在裂紋，名義應(yīng)力還很低時(shí)，裂紋尖端的局部應(yīng)力已達(dá)到很高的數(shù)值，從而使裂紋快速擴(kuò)展，并導(dǎo)致脆性斷裂模型：?jiǎn)挝缓穸鹊臒o(wú)限寬形板，對(duì)其施加一拉應(yīng)力后，與外界隔絕能源，形成2a長(zhǎng)度裂紋重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院Griffith模型條件：?jiǎn)挝粦?yīng)變能密度σ2/2E

；釋放出來(lái)的彈性能為Ue=-πσ2a2/E表面能:W=4aγ系統(tǒng)的能量變化為Ue+W=4aγ-πσ2a2/E重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2acaUWUe+WWUe臨界狀態(tài)為:(Ue+W)/a=4γ-2πσ2a/E=0裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界應(yīng)力為:σc=(2Eγ/πa)1/2臨界裂紋半-Griffith公式ac=(2Eγ/πσ)1/2σc是含裂紋板材的實(shí)際斷裂強(qiáng)度它與裂紋半長(zhǎng)的平方根成反比a<ac,裂紋擴(kuò)展須由外界提供能量，即增大外力;裂紋不能自發(fā)擴(kuò)展重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院兩個(gè)方程對(duì)比Griffith方程理論斷裂強(qiáng)度重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院Griffith公式適用于陶瓷、玻璃這類(lèi)脆性材料。Griffith-Orowan-Irwin公式實(shí)際金屬材料在紋尖端處發(fā)生塑性變形，需要塑性變形功Wp，Wp比表面能大幾個(gè)量級(jí)，是裂紋擴(kuò)展需要克服的主要阻力。Griffith公式修正為:重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院斷裂問(wèn)題線(xiàn)彈性斷裂彈塑性斷裂斷裂前沒(méi)有塑性變形或者小范圍內(nèi)出現(xiàn)塑性變形斷裂韌性重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院I型裂紋最危險(xiǎn)，因此是主要的研究對(duì)象重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院模型：無(wú)限大板，含有一長(zhǎng)為2a的中心穿透裂紋在無(wú)限遠(yuǎn)處作用有均布的雙向拉應(yīng)力重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院平面應(yīng)變厚板危險(xiǎn)σz=ν(σx+σy)平面應(yīng)力薄板σz=0重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院平面應(yīng)變狀態(tài)中，I型裂紋尖端處于三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力狀態(tài)柔度系數(shù)很小，因而是危險(xiǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。平面應(yīng)變狀態(tài)的應(yīng)變?nèi)缦拢簓方向位移分量V重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院KI之值愈大，應(yīng)力、位移分量之值愈高。KI反映了裂紋尖端區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)度，故稱(chēng)為應(yīng)力強(qiáng)度因子。KI綜合反映了外加應(yīng)力裂紋長(zhǎng)度對(duì)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的影響。Y——裂紋形狀系數(shù)不同的裂紋不同。重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院斷裂K判據(jù)斷裂韌度的類(lèi)型：Kc：平面應(yīng)力斷裂韌度，材料在平面應(yīng)力狀態(tài)下抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。KIc:平面應(yīng)變斷裂韌度，材料在平面應(yīng)變狀態(tài)下抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。通常KIc<Kc

，KIc更苛刻。重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院KIc為定值，則C

越大，aC越?。籥C

越大，C越小臨界裂紋長(zhǎng)度aC臨界應(yīng)力CC

和aC與KIc不同，不是定值。已知(一定)時(shí)，發(fā)生斷裂需要的裂紋長(zhǎng)度aC。a已知(一定)時(shí)，發(fā)生斷裂需要的應(yīng)力C

。重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院KI反映裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱程度的力學(xué)度量，它不僅隨外加應(yīng)力和裂紋長(zhǎng)度的變化而變化，也和裂紋的形狀類(lèi)型、加載方式有關(guān)，和材料本身的固有性能無(wú)關(guān)K(I)C斷裂韌性Kc和KIC—反映材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是材料本身的特性。KIC平面應(yīng)變的斷裂韌性.Kc是平面應(yīng)力狀態(tài)下的斷裂韌性，和板材或試樣厚度有關(guān)，當(dāng)板材厚度增加到達(dá)到平面應(yīng)變狀態(tài)時(shí)斷裂韌性就趨于一穩(wěn)定的最低值，這時(shí)便與板材或試樣的厚度無(wú)關(guān)。重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院KICKC板厚δKICKC臨界板厚δc是否存在臨界板厚KI≤KIC時(shí)，即使存在裂紋體也不會(huì)擴(kuò)展—構(gòu)件破損安全KI≥KIC時(shí)，裂紋體處于臨界狀態(tài)，即將斷裂K判據(jù)重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院裂紋尖端塑性區(qū)修正塑性區(qū)的形狀和尺寸問(wèn)題提出：據(jù)線(xiàn)彈性力學(xué)，當(dāng)r→0時(shí)，σx,σy,σz,τxy等各應(yīng)力分量均趨于無(wú)窮大。但實(shí)際上對(duì)一般金屬材料，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，將發(fā)生塑性變形，在裂紋尖端將出現(xiàn)塑性區(qū)。塑性區(qū)的意義：材料的塑性區(qū)尺寸大，消耗的塑性變形功也越大，材料的斷裂韌性KIC相應(yīng)地也就越大。當(dāng)塑性區(qū)尺寸過(guò)大時(shí)，線(xiàn)彈性斷裂理論是否適用成為問(wèn)題。重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院vonMises判據(jù)Irwin依據(jù)vonMises判據(jù)，得出裂紋尖端塑性區(qū)的邊界方程計(jì)算出裂紋尖端塑性區(qū)的形狀和尺寸平面應(yīng)力平面應(yīng)變裂紋尖端塑性區(qū)修正重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院薄板的屈服應(yīng)力對(duì)于平面應(yīng)力狀態(tài)：θ＝0，σ3＝0，代入vonMises判據(jù)，整理后可以得到σys=σs

厚板的屈服應(yīng)力對(duì)于平面應(yīng)變狀態(tài)：θ＝0，v=1/3σys=σs

尖端塑性區(qū)修正重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院XY平面應(yīng)力平面應(yīng)變平面應(yīng)變平面應(yīng)力裂紋尖端塑性區(qū)修正①θ＝0，塑性區(qū)寬度為重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院裂紋尖端塑性區(qū)修正②平面應(yīng)力塑性區(qū)修正塑性屈服而松弛的應(yīng)力(圖中的陰影面積)，將使塑性區(qū)前方(x＞r0)的材料所受的應(yīng)力升高，直到屈服強(qiáng)度．屈服區(qū)內(nèi)應(yīng)力松弛的結(jié)果導(dǎo)致塑性區(qū)的進(jìn)一步擴(kuò)大，由r0

擴(kuò)大到R重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院③塑性區(qū)修正等效裂紋歐文(Irwin)認(rèn)為裂紋尖端塑性區(qū)尺寸遠(yuǎn)小于裂紋尺寸，大致說(shuō)來(lái)(r/a)<(1/10),——小范圍屈服。將線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)得出的公式稍加修正，獲得工程上小范圍屈服問(wèn)題的求解。歐文(Irwin)提出等效模型概念。裂紋尖端塑性區(qū)修正重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院裂紋原長(zhǎng)a，塑性區(qū)寬度r0裂紋原長(zhǎng)a，塑性區(qū)寬度R0裂紋長(zhǎng)度a’(a+r0)，塑性區(qū)寬度r0BCAry，正好等于應(yīng)力松馳后的塑性區(qū)寬度R0的一半，即ry=r0,虛擬的裂紋頂點(diǎn)在修正后塑性區(qū)中心。裂紋尖端塑性區(qū)修正重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院裂紋擴(kuò)展能量釋放率G判據(jù)模型：含有單邊穿透裂紋的板，受拉力P，厚度B=1設(shè)：裂紋擴(kuò)展，裂紋前緣線(xiàn)的單位長(zhǎng)度上有一作用力GI，GI稱(chēng)為裂紋擴(kuò)展力。材料有抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，即阻力RGI≥R時(shí)，裂紋擴(kuò)展。PGIa重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院條件：?jiǎn)挝粦?yīng)變能密度σ2/2E

；裂紋向前擴(kuò)展△a動(dòng)力做功W1=GI·△a·B=GI·△a

設(shè)外力做功W=

W1+△Ue△Ue=儲(chǔ)存于裂紋體內(nèi),提高了彈性體的內(nèi)能若外力之功W＝0，則有GI=-ΔUe/Δa=-?

Ue/?a內(nèi)能Ue=-πσ2a2/E若裂紋長(zhǎng)度2aGI=-?

Ue/?(2a)=πσ2a/EGI-裂紋擴(kuò)展的能量釋放率。外力之功為零的情況下,裂紋擴(kuò)展所需之功，要依靠裂紋體內(nèi)彈性能的釋放來(lái)補(bǔ)償。重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院裂紋擴(kuò)展的能量變化示意圖a)受拉的中心裂紋板b)伸長(zhǎng)δ后固定邊界使裂紋擴(kuò)展Δa,c)彈性能的變化重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院GI的概念:緩慢地加載,裂紋不擴(kuò)展。外力與加載點(diǎn)位移δ之間呈線(xiàn)性關(guān)系。外力所做之功為Pδ/2。部分釋放的能量即作為裂紋擴(kuò)展所需之功。平面應(yīng)力狀態(tài)下GI=KI2/E平面應(yīng)變狀態(tài)下GI=(1-ν2)KI2/E重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院斷裂韌性G的意義GI達(dá)到臨界值GIC，裂紋體發(fā)生斷裂，故裂紋體的斷裂應(yīng)力σc可由下式求得二者之間的關(guān)系脆性材料，有GIC=2γ塑性較好的金屬，斷裂前消耗一部分塑性功Wp，則GIC=2(γ十Wp)重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院表面能或塑性功Wp都是材料的性能常數(shù)—GIC也是材料的性能常數(shù)。GIC的單位為J／mm2，與沖擊韌性的相同，故GIC稱(chēng)為斷裂韌性。比較KI、KIC、GI、GIC的區(qū)別G判據(jù)GI≥GIC，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展工程中常用KIC進(jìn)行構(gòu)件的安全性評(píng)估，KI的臨界值由下式給出重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)應(yīng)用已知構(gòu)件中的裂紋長(zhǎng)度a和材料的KIC值，則可由下式求其剩余強(qiáng)度σr已知:KIC和構(gòu)件的工作應(yīng)力σr，則可由下式求得構(gòu)件的臨界裂紋尺寸，即允許的最大的裂紋尺寸aC重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院在線(xiàn)性彈性或小范圍屈服的裂紋體斷裂時(shí)，存在G判據(jù)和K判據(jù)，兩種斷裂判據(jù)是等效的。J積分的斷裂判據(jù)就是G判據(jù)的延伸，或者是更廣義地將線(xiàn)彈性條件下的G延伸到彈塑性斷裂時(shí)的J，J的表達(dá)式或定義類(lèi)似于G。J積分J積分重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院模型：?jiǎn)挝缓穸?B=1)的I型裂紋體；逆時(shí)針取一回路Γ；體積內(nèi)應(yīng)變能密度ω?；芈飞先我稽c(diǎn)作用應(yīng)力T設(shè)：彈性狀態(tài)，Γ所包圍體積的系統(tǒng)勢(shì)能等于彈性應(yīng)變能Ue與外力功W之差J積分重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院求解Ue和W：

?；芈穬?nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)變能密度為ω，并且dV=BdA=dxdy，（V和A分別是Γ回路內(nèi)的體積和面積),故?；芈穬?nèi)微小體積的彈性應(yīng)變能為dUe=ωdV=ωdxdy；故總應(yīng)變能為：U=∫∫ωdxdyΓ回路外面對(duì)里面部分作用的應(yīng)力為T(mén)，該點(diǎn)外側(cè)面積dF＝Bds(s為Γ周界弧長(zhǎng))，作用在dF上的外力為P=dF=Tds。設(shè)該點(diǎn)的位移矢量為u,則外力在該點(diǎn)所做的功為dW=uTds。整個(gè)外圍邊界上外力作功為：W=∫uTds重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院彈塑性條件下，ω-定義為彈塑性應(yīng)變能密度

JI為I型裂紋的能量線(xiàn)積分。在線(xiàn)彈性條件下JI=GI=KI2/E,或JI=GI在彈塑性小應(yīng)變條件下，上式成立。J積分和路徑Γ無(wú)關(guān)，即J的守恒性。重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院積分的能量率表達(dá)式模型：尺寸：兩個(gè)外形尺寸相同而裂紋長(zhǎng)度(a,a+Δa)載荷：P和P+ΔP力的作用下產(chǎn)生相同的位移δ形變功之差為ΔU=U1-U2=OABO，即陰影面積。將ΔU除以BΔa,在Δa→0的情況下，就可獲得加載到（P,δ）的JI值重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院J積分的形變功差率的意義：只要測(cè)出陰影面積OABO和Δa，便可計(jì)算JI值。重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院J積分的含義J值必須單調(diào)加載，不能有卸載現(xiàn)象。裂紋擴(kuò)展意味著有部分區(qū)域卸載在彈塑性條件下，JI不能象GI那樣理解為裂紋擴(kuò)展時(shí)系統(tǒng)勢(shì)能的釋放率，應(yīng)理解為：裂紋相差單位長(zhǎng)度的兩個(gè)等同試樣，加載到等同位移時(shí)，勢(shì)能差值與裂紋面積差值的比率，即所謂形變功差率重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院通常J積分不能處理裂紋的連續(xù)擴(kuò)張問(wèn)題，其臨界值只是開(kāi)裂點(diǎn)，不一定是失穩(wěn)斷裂點(diǎn)。重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院JI≥JIC，裂紋開(kāi)始擴(kuò)展，但不能判斷是否失穩(wěn)斷裂，J積分處理開(kāi)裂點(diǎn)位置JIC及判據(jù)JI判據(jù)及JIC測(cè)試目的，主要期望用小試樣測(cè)出JIC，換算成大試樣的KIC，然后按KI判據(jù)去解決中、低強(qiáng)度鋼大型件的斷裂問(wèn)題JIC的應(yīng)用重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院裂紋尖端張開(kāi)位移-線(xiàn)彈性問(wèn)題δ=2vOO’XY條件：裂紋長(zhǎng)度由a變?yōu)閍*＝a+ry原裂紋尖端O處要張開(kāi)，張開(kāi)位移量為2V.張開(kāi)位移就是CTOD，即δ。δ=2V=作為工程估算，Wells建議δ=GI/σsCTOD重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院可見(jiàn)，δ與KI，GI可以定量換算。在小幅范圍內(nèi)，KI≥KIC，GI≥GIC則δ≥δC亦可作為斷裂判據(jù)。對(duì)I型裂紋,KI=σ√πa，有

δ=4σ2a/Eσs在臨界條件下δC=4σC2a/Eσs重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院裂紋尖端張開(kāi)位移-彈塑性問(wèn)題對(duì)大范圍屈服，KI與GI已不適用，但CTOD仍不失其使用價(jià)值.Dugdale應(yīng)用Muskhelishvili復(fù)變函數(shù)解彈性問(wèn)題的方法，提出帶狀屈服模型(或稱(chēng)DM模型)，導(dǎo)出了彈塑性條件下的CTOD表達(dá)式。重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院模型：沿x軸將塑性區(qū)割開(kāi)，裂紋長(zhǎng)度由2a變?yōu)?c,在剖面的上下方代之以應(yīng)力σs，以阻止裂紋張開(kāi)應(yīng)力條件：在(a,c)和(-a,-c),σs，無(wú)限遠(yuǎn)處有均勻應(yīng)力σ可將彈塑性問(wèn)題處理成線(xiàn)彈性問(wèn)題當(dāng)σ／σs

較大，即大范圍屈服時(shí)重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院①可展開(kāi)成級(jí)數(shù)。若σ/σs較小，略去高次項(xiàng)②臨界條件下③由于KI=σ√πa，GE＝KI2得④平面應(yīng)變條件下,以及尖端存在一定的三軸應(yīng)力狀態(tài)，上式修正為式中1＜n<1.5-2.0，完全平面應(yīng)力狀態(tài)n=1；完全平面應(yīng)變狀態(tài)，n=2。重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院①提高冶金質(zhì)量

脆性第二相降低韌性。第二相質(zhì)點(diǎn)的類(lèi)型和形狀對(duì)斷裂延性有不同的影響。在同一體積分?jǐn)?shù)下，硫化物對(duì)斷裂延性的影響更差；片狀比粒狀更壞。提高純度可提高KIC之值。（航空航天器的重要構(gòu)件用鋼，需要采用昂貴的冶煉工藝，如電渣重熔、真空或氬氣保護(hù)熔煉)影響斷裂韌性的因素重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院②控制鋼的成分和組織馬氏體的組織含碳量較低（<0.3%C）時(shí)，鋼的組織板條馬氏體組織，具有良好的塑性和韌性超細(xì)化晶粒處理也可提高KIC之值

En24鋼的晶粒度由5_6級(jí)細(xì)化到12-13級(jí)，可使KIC值由43.8提高到82.6MPa√m。這是因?yàn)榫ЯＳ?xì)，塑性變形和裂紋擴(kuò)展要消耗更多的能量重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院以鎳基超合金為例，自1941年在英國(guó)研制成功后，經(jīng)過(guò)幾十年的改進(jìn)，現(xiàn)已發(fā)展成100多種合金系，用鎳基超合金制作的燃?xì)廨啓C(jī)葉片的工作溫度由750℃提高到850℃，在870℃經(jīng)10000小時(shí)的斷裂應(yīng)力從35MPa提高到210MPa以上。

鎳基超合金——以鎳為基體加入少量的Al、Ti、Co還有Cr、Mo等合金元素。(1)加入的合金元素Al、Co、Cr等是降低鎳的層錯(cuò)能元素，使得擴(kuò)展位錯(cuò)加寬,不易交滑移也不易攀移。(2)單純用單相固溶體的強(qiáng)化效果是不夠的。在高溫強(qiáng)化的合金中必須形成尺寸很小但又十分穩(wěn)定的，即不易溶解和長(zhǎng)大的第二相，這在彌散強(qiáng)化的合金中更容易實(shí)現(xiàn)重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院②控制鋼的熱處理工藝臨界區(qū)淬火

形變熱處理在同一強(qiáng)度水平下，經(jīng)形變熱處理后鋼的斷裂韌性(圖中曲線(xiàn)A)不僅比經(jīng)淬火回火鋼的斷裂韌性(圖中曲線(xiàn)D)要高，而且也高于18Ni馬氏體時(shí)效鋼等高合金鋼的斷裂韌性高溫形變熱處理重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬材料斷裂韌性KIC的測(cè)定試樣：測(cè)試KIC的標(biāo)準(zhǔn)試樣主要是三點(diǎn)彎曲試樣與緊湊拉伸試樣重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院斷裂分類(lèi)12斷裂的裂紋擴(kuò)展路徑穿晶斷裂延晶斷裂3斷裂機(jī)制解理斷裂穿晶斷裂微孔聚合型的延性斷裂準(zhǔn)解理斷裂斷裂前是否發(fā)生明顯的塑性變形韌性斷裂脆性斷裂4斷口表面和外力的取向正斷切斷重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院分類(lèi)方法名稱(chēng)特征根據(jù)斷裂前塑性變形大小分類(lèi)脆性斷裂斷裂前沒(méi)有明顯的塑性變形，斷口形貌是光亮的結(jié)晶狀韌性斷裂斷裂前產(chǎn)生明顯的塑性變形，斷口形貌是暗灰色纖維狀根據(jù)斷裂面的取向分類(lèi)正斷斷裂的宏觀(guān)表面垂直于σmax方向切斷斷裂的宏觀(guān)表面平行于τmax方向根據(jù)裂紋擴(kuò)展的途徑分類(lèi)穿晶斷裂裂紋穿過(guò)晶粒內(nèi)部沿晶斷裂裂紋沿晶界擴(kuò)展根據(jù)斷裂機(jī)理分類(lèi)解理斷裂無(wú)明顯塑性變形沿解理面分離，穿晶斷裂微孔聚集型斷裂沿晶界微孔聚合，沿晶斷裂在晶內(nèi)微孔聚合，穿晶斷裂純剪切斷裂沿滑移面分離剪切斷裂（單晶體）通過(guò)縮頸導(dǎo)致最終斷裂（多晶體、高純金屬）重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院解理斷裂解理斷裂是材料在拉應(yīng)力的作用下，由于原于間結(jié)合鍵遭到破壞，嚴(yán)格地沿一定的結(jié)晶學(xué)平面(即所謂“解理面”)劈開(kāi)而造成的。解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指數(shù)的晶面。解理斷口的宏觀(guān)形貌是較為平坦的、發(fā)亮的結(jié)晶狀斷面。解理斷裂的端口形貌是河流狀花樣。解理臺(tái)階、河流花樣以及舌狀花樣都是解理斷裂的基本微觀(guān)特征。重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院形成原理①當(dāng)解理裂紋與螺型位錯(cuò)相遇時(shí)，便形成一個(gè)臺(tái)階，裂紋繼續(xù)向前擴(kuò)展，與許多螺型位錯(cuò)相交便形成眾多臺(tái)階，他們沿裂紋前端滑動(dòng)而相互交匯，同號(hào)臺(tái)階相互匯合長(zhǎng)大，異號(hào)臺(tái)階相互抵消，當(dāng)匯合臺(tái)階足夠大的時(shí)候便在電鏡下觀(guān)察為河流狀花樣

②二次解理是指在解理裂紋擴(kuò)展的兩個(gè)互相平行解理面間距較小時(shí)產(chǎn)生的，但若解理裂紋的上下兩個(gè)面間距遠(yuǎn)大于一個(gè)原子間距時(shí)，兩解理裂紋之間的金屬會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形，結(jié)果由于塑性撕裂而形成臺(tái)階，稱(chēng)為撕裂棱晶界。舌狀花樣是由于解理裂紋沿孿晶界擴(kuò)散留下的舌頭狀凹坑或凸臺(tái)，故在匹配斷口上“舌頭”為黑白對(duì)應(yīng)的

重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院河流花樣形成示意圖二次解理和撕裂形成臺(tái)階舌狀花樣重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院舌狀花樣河流與舌狀花樣重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院Cleavagefracture重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院解理裂紋的形成和擴(kuò)展：裂紋形成必與塑性變形有關(guān)，而塑變又是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的反映。因此，裂紋形成與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有關(guān)－提出裂紋形成位錯(cuò)理論。1)甄納（G.Zener）-斯特羅（A.N.Stroh）位錯(cuò)塞積理論:該理論是甄納（G.Zener）1948年提出，其模型如圖。位錯(cuò)塞積形成裂紋在滑移面上切應(yīng)力作用下，刃位錯(cuò)互相靠近，當(dāng)切應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時(shí)，塞積頭處的位錯(cuò)互相擠緊、聚合而成為高nb、長(zhǎng)為r的楔形裂紋（或空洞形位錯(cuò)）。重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院斯特羅（A.N.Stroh）指出：若塞積頭處應(yīng)力集中不能為塑性變形所松弛，則塞積頭處最大拉應(yīng)力σfmax能達(dá)到理論斷裂強(qiáng)度σm，而形成裂紋。塞積頭處的拉應(yīng)力：在與滑移面方向呈θ=750時(shí)達(dá)最大。a0－原子晶面間距,γs－表面能，E－彈性模量－滑移面上有效切應(yīng)力r－自位錯(cuò)塞積頭到裂紋形成點(diǎn)距離理想晶體沿解理面斷裂的理論斷裂強(qiáng)度：位錯(cuò)塞積形成裂紋重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院形成裂紋的力學(xué)條件：則形成裂紋所需的切應(yīng)力：若r與晶面間距

a0相當(dāng)，且E=2G（1＋ν），則以上所述解理裂紋形成，但并不意味會(huì)迅速擴(kuò)展而斷裂。位錯(cuò)塞積形成裂紋重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院解理斷裂過(guò)程三階段：（1）塑性變形形成裂紋；（2）裂紋在同一晶粒內(nèi)初期長(zhǎng)大（3）裂紋越過(guò)晶界向相鄰晶粒擴(kuò)展。與多晶體金屬的塑性變形過(guò)程十分相似。重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2)柯垂耳位錯(cuò)反應(yīng)理論。裂紋成核：位錯(cuò)反應(yīng)形成不動(dòng)位錯(cuò)→位錯(cuò)群塞積→產(chǎn)生裂紋在bcc晶體中，有兩相交滑移面（10-1）和（101），與解理面（001）相交，三面之交線(xiàn)為〔010〕。新形成位錯(cuò)在（001）面上，而不在bcc晶體固有滑移面族｛110｝，故為不動(dòng)