金属材料的断裂韧度.ppt

一、断裂韧度KIC与常规力学性能指标之间的关系1030250060章新洋二、影响断裂韧度KIC的因素1030250047盛振栋三、高压容器承载能力计算1030250043韩敏四、高压壳体的热处理工艺选择1030250050姬天亮五、大型转轴断裂分析1030250038阮冬祥六、超高强度和中低强度钢的脆断倾向分析1030250033邓雄文七、高强度钢和球墨铸铁的脆断倾向分析1030250057李天杭八、J积分及断裂韧度JIC1030250001贾金斗九、裂纹尖端张开位移（CTOD）及断裂韧度c1030250056邵利超,金属的裂韧度KIC,断裂韧度与常规力学性能指标之间的关系,章新洋10材料科学（2班）学号：1030250060,（一）断裂韧度与强度、塑性之间的关系,1、韧性断裂模型,克拉夫特提出韧断模型：认为具有第二相质点而又均匀分布的两相合金，裂纹在基体相中扩展时，将要受到第二相质点间距(dT)的影响。,塑性区应变为ey,r=dT时,ey=eb=n时,K=KC,钢中夹杂物对KC影响.夹杂物越多,间距越小,KC越小.,塑性区应变为ey,n-应变硬化指数,Xc-特征距离,第二相质点间的平均距离,ys-屈服强度,-临界断裂应变,2、解理或沿晶脆性断裂,特尔曼等人提出:当裂纹尖端某一特征距离内的应力达到材料解理断裂强度C,裂纹就失稳扩展,产生脆性断裂.,取特征距离为晶粒直径的两倍(2d),0裂纹尖端曲率半径,n-应变硬化指数,Xc-特征距离,23个晶粒尺寸,（二）断裂韧度与冲击韧度之间的关系,静力韧度、冲击韧度、断裂韧度,度量材料韧性的指标,应力集中程度、应力状态、加载速率,茹尔夫对中、高强度钢试验得到：,MPa.m1/2,影响断裂韧度KIC的因素,10材科（2）班1030250047盛振栋,(一)材料的成分，组织对KIC的影响(内因)1、化学成分的影响(1)C%，KIC。(2)细化晶粒的合金元素，KIC提高。晶粒细化强度提高，塑性提高KIC提高(3)强烈固溶强化元素明显降低KIC。强烈固溶强度增加，塑性降低KIC降低（综合影响）(4)形成金属间化合物并呈第二相析出的元素，降低KIC。金属间化合物(相和Loves相)降低塑性KIC降低,影响断裂韧度KIC的因素,2、基体相结构和晶粒大小的影响(1)基体相结构一般来说，基体相晶体结构易于发生塑性变形，产生韧性断裂，材料的断裂韧度就高。如钢铁材料，基体可以是面心立方固溶体，也可以是体心立方固溶体。面心立方固溶体容易发生滑移塑性变形而不产生解理断裂，并且形变硬化指数n较高，其断裂韧度较高。,影响断裂韧度KIC的因素,（4）瓷材料，提高材料强度的组元，都将提高断裂韧度。（5）对于高分子材料，增强结合键的元素都将提高断裂韧度。,A钢KICP钢KIC、M钢KIC,A钢KICP钢KIC、M钢KIC,应用实例：超高强度奥氏体钢又称相变诱发塑性钢断裂韧性极高添加大量Ni、Mn元素获得奥氏体钢。*室温温加工后产生大量的位错和沉淀，强度大大提高。*裂纹前端存在应力集中，可诱发马氏体，切变中消耗大量能量提高断裂韧性,影响断裂韧度KIC的因素,(2)晶粒大小一般而言，晶粒越细，KIC越高。晶粒细小n和c越大KIC提高措施：合金化(加入Al，Ti，V，Zr，Nb)；冷热加工(如控制轧制)；热处理(如循环热处理)，均可使晶粒细化，从而提高强韧性。例外：如超高温淬火。尽管组织粗大，但由于在超高温淬火时，组织中含有较多的残余奥氏体，对韧性有利，在两者的联合作用下，使KIC提高。,影响断裂韧度KIC的因素,3、钢中夹杂物和第二相对KIC的影响。钢中夹杂物和某些第二相，其韧性比基体材料要差，称脆性相。由于其本身脆裂或再相界面开裂而形成微孔，微孔和主裂纹连接使裂纹扩展，从而降低KIc。,影响断裂韧度KIC的因素,影响程度与夹杂物或第二相的类型，形状，大小，数量及分布有关。一般可归纳如下：第一，非金属夹杂物往往使断裂韧度降低。第二，脆性第二相随着体积分数的增加，使得断裂韧度降低。第三，韧性第二相当其形态和数量适当时，可以提高材料的断裂韧度。,4、显微组织对的影响(1)板条M的KIC孪晶M的KIC。(2)KIC(回火索氏体)KIC(回火屈氏体)KIC(回火马氏体)(3)上B：KIC；下B：KIC。KIC(B下)KIC(M板条)KIC(B上)(4)A的KICM的KIC，所以残余A为韧性相，使KIC。,要求：少，小，匀，圆（球）。措施：冶金质量的控制、添加稀土改性夹杂物、合理选择热处理工艺。,影响断裂韧度KIC的因素,影响断裂韧度KIC的因素,总的来说，使材料的强度、塑性提高的或者使裂纹扩展阻力增加的因素都能使材料的KIC提高。要注意的是要考虑某个因素对KIC综合影响，不能仅考虑因素的片面作用。如强烈固溶强化的元素Si、P，虽然能够增强材料的强度，但是严重降低材料的塑性。两个因素的综合结果使KIC下降。,高压容器承载能力计算,10材科（2）班1030250043韩敏,断裂K判据应用案例,第一是设计：包括结构设计和材料选择根据材料的断裂韧度，计算结构的许用应力，针对要求的承载量，设计结构的形状和尺寸；根据结构的承载要求、可能出现的裂纹类型，计算最大应力强度因子，依据材料的断裂韧度进行选材。,第二是校核：根据结构要求的承载能力、材料的断裂韧度，计算材料的临界裂纹尺寸，与实测的裂纹尺寸相比较，校核结构的安全性，判断材料的脆断倾向。第三是材料开发：根据对断裂韧度的影响因素，有针对性地设计材料的组织结构，开发新材料,安全校核,例1：有一大型圆筒式容器由高强度钢焊接而成，如图4-16所示。钢板厚度t=5mm，圆筒内径D=1500mm；所用材料的0.2=1800MPa，KIC=62MPam1/2。,焊接后发现焊缝表面有纵向半椭圆裂纹，尺寸为2c=6mm，a=0.9mm。试问该容器能否在p=6MPa的压力下正常工作？,根据材料力学，裂纹所受垂直拉应力为：,将有关数据代入上式得,不必考虑塑性区的修正,还可以用什么方法进行计算？,显然，c，不会发生爆破，可以正常工作。,对于表面半椭圆裂纹，当a/c=0.9/3=0.3时，查附录表得=1.10，将有数值代入上式得,高压壳体的热处理工艺选择,10材科（2）班1030250050姬天亮,断裂K判据应用案例,一、高压容器承载能力的计算二、高压壳体的热处理工艺选择三、高强钢容器水爆断裂失效分析,高压壳体的热处理工艺选择,有一火箭壳体承受很高的工作压力，其周向工作拉应力=1400MPa。采用超高强度钢制造，焊接后往往发现有纵向表面半椭圆裂纹(a=lmm,a/c=0.6)。现有两种材料，其性能如下:(A)=1700MPa,；(B)=2100MPa,。问从断裂力学角度考虑，应选用哪种材料为妥?,现分别求得两种材料的断裂应力和。对于材料A:由于=1400/1700=0.82，所以必须考虑塑性区修正问题。因将其代入（4-16），可得的修正值:,根据此式，求得断裂应力的计算式为因a/c=0.6，查表得父爱=1.28。将有关数值代入上式后，得:,对于材料B:由于=1400/2100=0.67，不必考虑塑性区的修正，则有:说明会产生脆性断裂，因而不安全。,下面比较KI与来选择材料KIC,对于材料A：,当a/c=0.6时，查表可得2=1.62，将有关数据代入上式，得：,说明使用材料A不会发生脆性断裂，可以选用。,必需考虑塑性区的修正,KIKIC,同样查表可得2=1.62，将有关数据代入上式，得：,由此可见，KIKIC，说明使用材料B会发生脆性断裂，不可选用。,不必考虑塑性区的修正,对于材料B：,高强钢容器水爆断裂失效分析,解题思路简介1、确定裂纹处的应力状态2、根据K判据估算裂纹处的脆断应力3、是否要对塑性区修正4、仿前例做出判断,例3：有一化工合成塔，直径为D=3200mm，工作压力p=6MPa，选用材料为0.2=1200MPa，KIC=58MPam1/2，厚度t=16mm。制作过程中，经探伤发现在纵焊缝中，存在一纵向椭圆裂纹，2a=4mm，2c=6mm。试校核该合成塔能否安全运行。,KIKIC，说明不会发生脆性断裂，该合成塔可以安全使用。,大型转轴断裂分析10材科2阮冬祥1030250038,失效分析,例4：某冶金厂大型纯氧顶吹转炉的转动机械主轴，在工作时经61次摇炉炼钢后发生低应力脆断。其断口示意图如图4-14所示，该轴材料为40Cr钢，经调质处理后常规力学性能指标完全合格，0.2=600MPa，b=860MPa，AKU=38J，=8%。现用断裂力学分析其失效原因。,断口分析：该轴为疲劳断裂，裂纹源在圆角处，形成深度达185mm的疲劳扩展区，相当于一个c185mm的表面环状裂纹。,金相分析：疲劳裂纹源处的硫化物夹杂级别较高，该处是薄弱区。受力分析：=外+内=25MPa+120MPa=145MPa表面环状裂纹为浅长表面半椭圆裂纹，c185mm；,KIC=120MPam1/2,Y1.95,这就是按断裂力学算得的转轴低应力脆断的临界裂纹尺寸。和实际断口分析的185mm相比，比较吻合，说明分析正确。,由此可见，对于中、低强度钢，尽管其临界裂纹尺寸很大，但对于大型机件来说，这样大的裂纹（如疲劳裂纹）仍然可以容纳得下，因而会产生低应力脆断，而且断裂应力很低，远低于材料的屈服强度。,评定钢铁材料的韧脆性,103025003310材科2班邓雄文,表面半椭圆裂纹Y=2,评定钢铁材料的韧脆性,断裂韧度KIC断裂应力c临界裂纹尺寸ac,1.超高强度钢的脆断倾向,这类刚强度很高，0.21400MPa主要用于宇航事业，典型材料有D6AC超高强度合金结构钢、18Ni、40CrNiMo等超高强度钢，材料的断裂韧度往往较低。如18Ni马氏体时效钢，当0.2=1700MPa时KIC=78MPam1/2,选材原则：KIC较高而0.2较低材料,若壳体的工作应力=1250MPa,这类钢的高压壳体中只要有1mm深的表面裂纹，就会引起壳体爆破。这样小的裂纹在壳体焊接时很容易产生，极易漏检，所以脆断几率很大。,2.中、低强度钢的脆断倾向,这类钢强度不高（0.2700MPa）在低温下发生韧脆转变。一般bcc类型的中、低碳结构钢，在正火或调质状态下多属这类强度等级。具有明显的韧脆转变现象在韧性区，KIC=150MPam1/2,在脆性区，KIC=3040MPam1/2甚至更低。,这类钢的设计工作应力很低，往往在200MPa以下。取工作应力为200MPa，则在韧性区KIC=150MPam1/2，ac0.25(150/200)2=140mm。,因用中低强度钢制造构件，在韧性区不会发生脆断；即使出现裂纹，也易于检测和修理。而在脆性区ac=0.25(30/200)2=5.6mm。所以中低强度钢在脆性区仍有脆断的可能。以韧脆转变温度为界，在韧脆转变温度以上，中小型机件不存在脆断问题，在此温度下，则会发生脆断。,高强度钢和球墨铸铁的脆断倾向,10材科2班李天杭学号：1030250057,高强度刚的脆断倾向,这类钢强度较高0.2=8001200MPa，韧度也适当，具有较好的强度韧度配合，所以用于制造中小截面机件。如何使钢具有较好强度和韧度的综合性能：一是淬火及低温回火后可获得低碳马氏体组织；二是用中碳钢等温淬火后获得下贝氏体组织。,球墨铸铁的脆断倾向,球墨铸铁（简称球铁）是一种加工工艺简单，价格低廉的材料，常用来代替某些结构钢制造机器零件。但是，它是一种脆性材料。球铁的aKU0,球墨铸铁的化学成分,球墨铸铁的大致化学成分范围是：3.63.9%C，2.03.2%Si，0.30.8%Mn，0.1%P，0.07%S，0.030.08%Mg残。由于球化剂的加入将阻碍石墨化，并使共晶点右移造成流动性下降，所以必须严格控制其含量。球墨铸铁的显微组织由球形石墨和金属基体两部分组成。随着成分和冷却速度的不同，球铁在铸态下的金属基体可分为铁素体、铁素体加珠光体、珠光体三种。,优点,可切屑加工性能好,耐磨性强,抗氧化性高,耐蚀性强,球墨铸铁的优点,球墨铸铁主要缺陷,球墨铸铁主要缺陷特征,球墨铸铁的显微组织,10材科（1）1030250001贾金斗,J积分原理及断裂韧度JIc,KIC可作为断裂判据，但有适用条件。(1)裂纹前端无塑性区,弹塑性条件下金属断裂韧度,(2)裂纹前端小范围屈服，且塑性区只有裂纹尺寸的几十分之一，此时采用有效裂纹长度方式进行修正。KIc断裂判据适用的材料：高强度、超高强度材料。,发展目前常用的方法有J积分法和COD法。J积分法是由GI延伸出来的一种断裂能量判据;COD法是由KI延伸出来的一种断裂应变判据。,一、J积分原理及断裂韧度JIc1、J积分的概定义(1)来源：由裂纹扩展能量释放率GI延伸出来。(2)定义：它由围绕裂纹尖端周围区域的应力、应变和位移组成的线积分来定义。,应力矢量,(3)J积分的表达式来源(见图4-5)有一单位厚度（B=1）的I型裂纹体；逆时针取一回路，上任一点的作用力为T，该点的位移矢量为du；包围体积内的应变能密度为；线弹性条件下有：,图4-5J积分的定义,将G的能量表达式用线积分方式表达，可推导出在线弹性条件下：,在弹塑性条件下，上式右端的能量线积分仍然存在，但为弹塑性应变能密度。此时定义为J积分。,1.线弹性条件下JI=GI在小应变条件下，J积分和积分路线无关，J积分反映了裂纹尖端区的应变能，即应力集中程度。2.弹塑性条件下由于塑性变形是不可逆的，只有在单调加载，不发生卸载时，才存在积分与路径无关。所以，通常J积分不能处理裂纹的连续扩展问题(连续扩展时裂纹长度的变化应该为da，而此处是a)，其临界值对应点只是开裂点，而不一定是最后失稳断裂点。,弹塑性，表示裂纹尺寸分别