（材料加工工程专业论文）低合金钢韧脆转变断裂机理研究.pdf

a n a l y s i so nm e c h a n i s m o f c l e a v a g ef r a c t u r ea tt h el o w e rs h e l fo f d u c t i l e - - t o - - b r i t t l et r a n s i t i o no fal o w a l l o y e ds t e e l f a n gx i uy a n g b e ( j i am u s iu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no f t h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m m a t e r i a ls c i e n c ea n d e n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rc h e nj i a n h o n g & a s s o c i a t ep r o f e s s o rc a o r u i m a y ，2 0 11 8洲2洲55 川8刚8iii1洲y 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者麟柏尊 胁猢年易肿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研 究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信 息服务。 日期：沙j 1 年占月to 日 日期：劫t 1 年彳月1 0 日 二坠丝丝圣一 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 工程背景1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 宏观断裂力学进展及局限性2 1 2 2 细观力学的提出一6 1 2 3 解理断裂物理模型6 1 3 脆性断裂的裂纹起源和扩展。8 1 3 1 脆断裂纹起裂源8 1 3 2 脆断裂纹扩展及韧脆转变过程中的断裂韧性l l 1 4 创新性设想及本文的主要研究内容1 l 第二章低合金钢低温冲击断裂机理研究1 4 2 1 前言1 4 2 2 实验部分1 4 2 2 1 实验材料1 4 2 2 2 试样制备。16 2 2 3 实验过程l6 2 3 结果与讨论。1 7 2 3 1 不同低温下的冲击功结果及分析1 7 2 3 2 不同低温下的冲击载荷一位移曲线结果及分析。2 0 2 3 3 不同低温下的冲击断口观察及微观参数测量结果与分析2 5 2 4 本章小结3 3 第三章1 6 m n r 钢韧脆转变过渡区断裂临界事件3 5 3 1 前言3 5 3 2 实验部分3 5 3 2 1 实验材料3 5 3 2 2 试样制备3 5 3 2 3 实验过程一3 6 3 3 结果与讨论3 8 3 3 1 金相观察结果及分析3 8 3 3 2 四点弯曲实验载荷一位移曲线结果及分析4 9 3 3 3 四点弯曲实验断口照片结果及分析5 0 3 4 本章小结5 6 低合金钢韧脆转变断裂机理研究 第四章1 6 m n r 钢韧脆转变下平台断裂机理研究5 7 4 1 前言5 7 4 2 有限元计算5 8 4 2 1 计算的目的和意义5 8 4 2 2 有限单元法的基本原理5 9 4 2 3a b a q u s 简介5 9 4 3 计算分析方法6 1 4 4 结果与讨论6 1 4 4 1s m i t h 公式理论讨论6 2 4 4 2 韧脆转变下平台低温度区( 低于1 3 0 ) 下的“零起裂 6 3 4 4 3 韧脆转变下平台较低温度区( 1 3 0 8 0 ( 2 ) 下第二相晶粒尺寸裂纹扩展进 入相邻的母体晶粒6 5 4 4 4 韧脆转变下平台末尾温度区( - 9 0 - - - - 6 0 c ) 下第二相晶粒尺寸裂纹扩展进入 相邻的母体晶粒6 8 4 4 5 韧脆转变下平台末尾温度区断裂韧性增加的驱动力6 8 4 5 本章小结6 9 主要结论7 0 参考文献7 2 致谢7 5 附录a 攻读学位期间所发表的论文7 6 硕士学位论文 摘要 本文对三种微观组织( 细晶细碳化物、细晶粗碳化物、粗晶粗碳化物) 的1 6 m n r 钢预裂纹试样在韧脆转变下平台温度区间的解理断裂进行了研究。通过断口观察及细观 临界参数值的测量；不同低温下的冲击试验；不同低温、不同卸载载荷下的三点弯曲系 列卸载试样预裂纹尖端的残留裂纹观察；有限元模拟裂尖前端的应力、应变和三向应力 度分布以及结合s m i t h 公式进行理论计算分析由位错堆积作用产生的o l 一项的作用等系 列工作，得出以下主要结论：( 1 ) 通过对1 6 m n r 钢不同组织的材料进行不同低温下 ( 一9 9 c 2 0 c ) 冲击韧度的研究，发现对每一种组织材料，对不同温度，其动态屈服强度 随温度的降低而升高，冲击功随温度的降低而减小。这说明随温度的降低，材料的韧度 减小、脆性增大。对相同温度下，细晶细碳化物组织比细晶粗碳化物和粗晶粗碳化物组 织的韧脆转变温度低，同一温度下的冲击韧度好，抗脆断能力强，且碳化物尺寸对韧脆 转变温度和断裂韧性值的影响要比晶粒尺寸显著的多。( 2 ) 通过不同低温下的三点弯 曲系列卸载试验及四点弯曲试验，可以发现，在韧脆转变下平台末尾的过渡区温度区间 内( 1 1 0 6 0 ) ：在较高的温度区间( - 7 0 ( 2 附近) ，解理断裂的临界事件是铁素体晶 粒尺寸裂纹扩展进入相邻的第二个铁素体晶粒，在这个过程中，裂纹扩展需克服第一个 铁素体晶粒的阻力，进入相邻的第二个铁素体晶粒；在较低的温度区间( 1 i o 。c 附近) ， 解理断裂的临界事件是碳化物裂纹扩展进入相邻的铁素体晶粒，在这个过程中，裂纹扩 展需克服碳化物与铁素体晶粒之间的界面阻力。( 3 ) 通过有限元计算分析得出，韧脆 转变下平台温度区间可以分为三个不同的区域，不同区域的临界事件不同，在低温区 ( 1 5 0 1 3 0 ) 临界事件是碳化物裂纹的起裂，因而临界应变就成为控制解理断裂的主 要参数。 ( 起裂控制，只要满足p p c 即可) ；在较低温度( 1 3 0 - - - - 9 0 ( 2 ) 的过渡区， 临界事件是碳化物裂纹扩展进入母体晶粒，在这个过程中加工硬化对引发解理断裂起着 重要的作用；在韧脆转变下平台较高的温度区间，临界事件仍是第二相质点裂纹扩展进 入母体晶粒控制，然而在这个过程中，在预裂纹尖端必须产生一个塑性裂纹，使预裂纹 尖端最大法向应力增加，且最大应力更靠近预裂纹尖端，从而补偿屈服应力的下降。同 时还得出，由位错堆积作用产生的法向应力a l 项对碳化物裂纹扩展进入母体晶粒起着重 要的作用，随着载荷及有效裂纹形核粒子处的应变的增加，由加工硬化作用产生的a l 项增加，这不仅补偿了呖的不足，同时进一步的增加整个法向应力嘶值的大小而引发 最终的解理断裂。 关键词：韧脆转变；断裂韧性；临界事件：有限元；加工硬化 低合金钢韧脆转变断裂机理研究 a b s 仃a c t t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h em e c h a n i s mo fc l e a v a g ef r a c t u r ei np r e c r a c k e ds p e c i m e nm a d eo f m o d i f i e dc - m ns t e e lw i t ht h r e ed i f f e r e n tg r a i ns i z e sa n dc a r b i d ep a r t i c l e ss i z e s ( f i n eg r a ma n d f i n ec a r b i d e - p a r t i c l em i c r o s t r u c t u r e 、f i n eg r a i na n dc o a r s ec a r b i d ep a r t i c l em i c r o s t m c t u r e 、 c o a r s eg r a i na n dc o a r s ec a r b i d ep a r t i c l em i c r o s t r u e t u r e ) a tl o w e rs h e l fr e g i o no fd u c t i l e b r i t t l e t r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e s b a s e do no b s e r v a t i o n so ff r a c t u r es u r f a c e sa n dm e a s u r e m e n t s o fl o c a lc r i t i c a lp a r a m e t e r s ，d e t a i l e do b s e r v a t i o n so fc o n f i g u r a t i o nc h a n g e sa tp r e c r a e kt i p sb y m e t a l l o g r a p h i cc r o s ss e c t i o n si ns p e c i m e n su n l o a d e da tv a r i o u sa p p l i e dl o a d sa n dd i f f e r e n t l o wt e m p e r a t u r e s ，s o p h i s t i c a t e df i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) c a l c u l a t i o n so fd i s t r i b u t i o n so f s t r e s s ，s t r a i na n dt r i a x i a l i t ya n da n a l y s e so nt h er o l eo fn o r m a ls t r e s sa li n d u c e db yt h e d i s l o c a t i o np i l e - u p ，t h ef o l l o w i n gm a i nc o n c l u s i o n sa r ed r a w nf r o mt h i sw o r k ( 1 ) a c c o r d i n g t os e r i e so fc h a r p y - vi m p a c tt e s t so fd i f f e r e n tl o wt e m p e r a t u r e s ( - 9 9 。c - 2 0 。c ) f o rt h et h r e e m i c r o s t r u c t u r e so fc m ns t e e l ，i tr e v e a l st h a tt h ed y n a l n i cy i e l ds t r e n g t hi n c r e a s ew i mt h et e s t t e m p e r a t u r ed e c r e a s i n g ，t h ei m p a c tt o u g h n e s sd e c r e a s e sf o rd i f f e r e n tm i c r o s t r u c t u r e sw i t ht h e t e s tt e m p e r a t u r ed e c r e a s i n g ，d u c t i l e b r i t t l et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ( d b t t ) o ff i n eg r a i nf i n e c a r b i d em i c r o s t r u c t u r ei sl o w e rt h a nt h a to fc o a r s eg r a i nc o a r s ec a r b i d em i c r o s t r u c t u r ea n d f i n eg r a mc o a r s ec a r b i d em i c r o s t r u c t u r e ，s ot h ei m p a c tt o u g h n e s so ff i n eg r a i nf i n ec a r b i d e m i c r o s t r u c t u r ei sh i g h e rt h a nt h a to ft h eo t h e rm i c r o s t r u c t u r e t h ee f f e c t so fg r a i ns i z eo n c h a r p yt o u g h n e s sa r eh i g h e rt h a nt h a to fc a r b i d es i z e ( 2 ) a c c o r d i n gt os e r i e so ft h r e ep o i n t b e n d i n gc o d t e s t si ns p e c i m e n su n l o a d e da td i f f e r e n tl o wt e m p e r a t u r e ，i tc o n c l u d e st h a ta t t h eu p p e rt e m p e r a t u r e se n d ( _ 9 0t o 一6 0 ) o ft h el o ws h e l ft r a n s i t i o nt e m p e r a t u r er e g i o n ：a t t h eh i g h e rt e m p e r a t u r e ( a b o u t - 7 0 ) ，t h ec l e a v a g ef r a c t u r ei sc o n t r o l l e db yt h ep r o p a g a t i o n o ft h ef e r r i t ec r a c ka c r o s s i n gt h ef i r s tg r a i nb o u n d a r yi n t ot h en e x tg r a i n , t h ey i e l ds t r e s sw a s l l i g he n o u g hi n s i d et h ef i r s tf e r r i t eg r a i na n dt h ec r a c kp r o p a g a t e di n t ot h en e x tg r a i n ；a tt h e l o w e rt e m p e r a t u r e ( a b o u t - 9 0 ) ，t h ec l e a v a g ef r a c t u r ei sc o n t r o l l e db yt h ep r o p a g a t i o no ft h e c a r b i d ec r a c ki n t oc o n t i g u o u sg r a i n s ，i nt h i sp h a s e ，i ts h o u l do v e r c o m ea ni n t e r f a c i a l r e s i s t a n c eb e t w e e nf e r r i t eg r a i na n dc a r b i d ep a r t i c l e ( 3 ) a c c o r d i n gt of e m ，i tc o n c l u d e st h a t t h el o w e rs h e l fr e g i o nc a nb ed i v i d e di n t ot h r e ep h a s e sa n dt h e r ed i f f e r e n tc r i t i c a le v e n t sa t d i f f e r e n tp h a s e s ：a tt h el o w e rt e m p e r a t u r e s ( _ 15 0t o 一1 3 0 ) ，c l e a v a g ei sc o n t r o l l e db yc r a c k n u c l e a t i o ni nt h em i c r o s c o p i cs c a l ea n di sd r i v e nb yi n c r e a s i n ga p p l i e dl o a dw h i c hb l u n t st h e p r e c r a c kt i p i nt h em a c r o s c o p i cs c a l e ；a tm o d e r a t el o wt e m p e r a t u r e s ( 13 0t o 9 0 ) c l e a v a g ef r a c t u r e i sc o n t r o l l e db yp r o p a g a t i o no fas e c o n dp h a s ep a r t i c l e c r a c ki n t o c o n t i g u o u sg r a i n si nt h em i c r o s c o p i cs c a l ea n di sa l s od r i v e nb yi n c r e a s i n ga p p l i e dl o a dw h i c h 硕十学位论文 f u r t h e rb l u n t st h ep r e e r a c kt i pi nt h em a c r o s c o p i cs c a l e ；a tt h eu p p e rt e m p e r a t u r e s ( - 9 0t o 6 0 ) t h ec l e a v a g ef r a c t u r ei sc o n t r o l l e db yt h ep r o p a g a t i o no ft h ec a r b i d ec r a c ki n t oc o n t i g u o u s 粤试i l si nt h em i c r o s c o p i cs c a l e ，y e ti na d d i t i o nt ot h ec r a c kt i pb l u n t i n gf o rc o m p e n s a t i n gt h e d r o po ft h ey i e l ds t r e s sas h o r tf i b r o u sc r a c ki sn e e d e dt o e x t e n df r o mt h ep r e c r a c kt i pt o i n c r e a s et h ep e a kn o r m a ls t r e s sa n dt om o v ei tc l o s e rt ot h ep r e c r a c kt i p t h er e s u l t sa l s o r e v e a lt h a tt h en o r m a ls t r e s sa li n d u c e db yt h ed i s l o c a t i o np i l e u p p l a y sak e yr o l ef o r p r o p a g a t i n gt h ec a r b i d ec r a c ki n t ot h em a t r i xg r a i n w i t ha ni n c r e a s ei nt h ea p p l i e dl o a da n d t h ep l a s t i cs t r a i na tt h es i t eo fa ne l i g i b l ec r a c k - i n i t i a t i n gp a r t i c l e ，t h eo li n c r e a s e st h r o u g ht h e w o r kh a r d e n i n g t h i sn o to n l yc o m p e n s a t e sf o rt h el o s so f b u ta l s of u r t h e ri n c r e a s e st h e t o t a ln o r m a ls t r e s s c r y y tt ot r i g g e rt h ec l e a v a g ef r a c t u r e k e y w o r d s ：d u c t i l e - t o - b r i t t l et r a n s i t i o n ；f r a c t u r et o u g h n e s s ；c r i t i c a le v e n t ；f e m ；w o r k h a r d e n i n g l l i 硕士学位论文 1 1 工程背景 第一章绪论 自本世纪初以来，桥梁、船舶、压力容器、管道、球罐、热电站发电设备的汽轮机 和发电机转子以及其他设备曾发生脆性断裂事故。近2 0 年来，随着焊接结构的大型化、 钢结构截面增厚以及高强度钢的采用，容易引起焊接结构的脆断。例如由于压力容器的 大型化、厚截面或超厚截面压力容器增多以及化工、石油工业中低温压力容器的使用， 使脆断事故时有发生【1 1 。 1 9 6 5 年美国发生了一个著名的2 6 0 s l - 1 固体火箭发动机压力壳的典型脆断事故。该 压力壳内径为6 6 0 0 毫米( 今2 6 0 英寸) 。为了减轻重量以增大火箭推力( 2 分钟产生6 百万 磅的推力) ，选取高强度材料以减小壁厚，材料为1 8 n i c r - m o t i 钢，其屈服强度为 1 7 5 m p a ，设计中取低值再考虑焊缝系数为0 9 ，最后取1 4 5 m p a 。设计内压为6 1 倍大气 压，取1 3 倍安全系数，按传统强度理论式计算出压力壳壁厚t = 1 8 1 5 毫米，取最终壁 厚为1 8 毫米。设计规定对一次载荷的最大水压试验压力为操作压力的1 1 倍，即p 水= 6 7 m p a 。但是在1 9 6 5 年4 月1 1 日水压试验时，只打压到p f = 3 8 m p a ，也就是说r 仅为 水压试验压力的5 6 时，就发生爆炸飞裂事故。断裂时的切向应力6 7 6 m p a 。不但远低 于材料屈服强度( 1 7 5 m p a ) ，还远低于工作应力一属于典型的低应力脆断。由裂源的尺寸 及k l c 实测的范围，求出的断裂应力o f - - 6 0 7 6 8 7 m p a ，而实际断裂应力o f - - 6 7 6 m p a ， 刚好介于两者之间。 不仅高强度钢制压力容器产生脆断，中低强度钢制压力容器与锅炉亦产生一定数量 的脆断事故。早期的有：1 9 4 4 年1 0 月2 0 日美国东俄亥俄州的一台直径2 1 3 米，高1 2 8 米的简形压力容器，三台内径为1 7 4 米的贮存液化天然气的球形压力容器，均因韧性差 而爆炸，1 2 8 人死亡，损失达6 8 0 万美元。 1 9 6 5 年1 2 月英国j o h nt h o m p s o m 公司制造的一台大型氨合成塔在水压试验时发生 脆性断裂。该容器内径4 1 9 2 5 米，壁厚1 5 0 毫米，全长1 8 3 米，重1 6 4 吨，桶体和锻 件均为m m c r - m o v 钢。水压试验压力为4 9 0 m p a ，设计压力为3 6 0 m p a ，当试验压力 达1 5 2 m p a 时发生脆断。容器断成两段并飞出四块碎片，其中最大的一块碎片重2 吨， 飞出4 5 米。断裂是从法兰锻件与桶体的埋弧焊焊缝开始的，裂源是热影响区与焊缝金 属间的一长约1 0 毫米的三角形深埋裂纹。 产生脆断的主要原因是退火温度不够( 规定为6 5 0 c 而实际上只加热到5 2 0 c ) ，致使 焊缝金属的韧性很低，而又存在一定数量的残余应力。再加之环缝焊接过程中曾中断了 预热，残余氢在高残余拉伸应力区聚集而产生了延迟裂纹。 在破坏容器的焊缝金属上测得：k i c = 1 8 5 5 m p a ，o y = 4 5 5 m p a ，根据r m b u r d e k 5 n 低合金钢韧脆转变断裂机理研究 推荐的断裂力学计算式，如不计残余应力，按设计应力a = 6 7 0y 计算，深埋裂纹的最大 允许高度为1 7 毫米。按末消除残余应力计算式，其最大允许高度为3 毫米。前已说明 实际上存在一定的焊接残余拉伸应力故而导致脆断。 这些事故引起世界各国的关注，推动了对脆性断裂问题的研究，英、美、日本等国 家成立专门机构对脆断事故进行分析和研究，并提出了工程结构脆断防止措施【l j 。 课题以普通低合金钢为实验材料，研究其低温下的断裂行为。而低温下，解理断裂 是其主要的断裂形式，在低温( 1 9 6 c - 11 0 ( 7 ) ，决定其断裂韧性。而在过渡区( 一8 0 3 0 ) ，受载试件首先产生塑性裂纹，由于塑性裂纹本身的扩展能量不依存于温 度，所以不同低温下的韧性主要决定于塑性裂纹的长度。解理断裂决定了塑性裂纹扩展 的终结，从而决定了过渡区断裂韧性测定值及分散度，因而解理断裂机理的研究及模型 的建立对指导工程构件的安全设计和评定有重要的实际意义。 目前国际上广泛使用的“l o c a la p p r o a c h 方法以微观参数来计算、评价金属材料的宏 观韧性，但近年的研究发现在其物理模型上存在需要解决的问题。 l o c a la p p r o a c h ”方法 在不同温度下采用同样的模型，而模型中采用单一的参数，不能解释在过渡区随温度上 升屈服应力下降不多引起韧性陡然上升，从而不能正确模拟和预测过渡区韧性的变化。 通过对不同温度下解理断裂过程研究，特别是微观断裂参数的测定和计算比较各个参量 随温度上升的变化和内部联系的分析，准确确定韧脆转变过渡区各个温度区间的临界事 件，建立完整的物理模型，为“l o c a la p p r o a c h 统计模型奠定物理基础。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 宏观断裂力学进展及局限性 1 2 1 1g r i m t h 裂纹理论 1 9 2 1 年，英国学者g r i m m t 2 在h l g l i s 【3 】工作的基础上根据热力学和经典力学中的能 量平衡理论，提出了裂纹扩展判据，建立了材料脆性断裂强度与材料固有裂纹尺寸之间 的关系。第一次对固体材料的基本断裂准则进行了系统的论述。这一创造性的工作构成 了当代断裂力学几乎所有领域的奠基石。 g r i m l 的观点：对于一个特定的含裂纹系统，如果考虑了该系统发生微小变化时 所有能量项的变化，根据能量守恒定律，就可以相应地写出描述裂纹扩展条件的基本方 程。 g r i 伍t h 计算了无限均匀拉应力场中狭窄的椭圆“裂纹 ( 短半轴b o ) 的情况， 即 俐- | 割。) 其中，u e 为弹性应变能，u s 为表面能，c 为裂纹半长。则欲使裂纹扩展，所施加的外加 2 硕士学位论文 应力必须满足： f ，2 e ，、_ q2 町2l 莉j ( 平面应变状态) ( 1 2 ) 其中，o f 为裂纹体断裂强度，e 为杨氏模量，丫为表面能，c 为裂纹半长，v 为泊松比。 对于含裂纹体的断裂问题，也可以采用应力分析的方法进行研究，这是因为裂纹在 外界因素作用下是否发生扩展与裂纹尖端附近区域的应力分布情况有着直接的关系( 裂 纹尖端附近区域的应力场和位移场都将发生显著变化) 。 i r w i n 【5 1 根据w e s t e r g a a r d 【4 】对裂纹尖端附近区域的应力场解析解，引入了应力强度因 子k 的概念，得出了以热力学为基础的裂纹扩展判据式( 1 3 ) ，建立了断裂力学普遍方 法的理论框架。 k ，k = t r 纺( 1 3 ) 其中，k 为应力场强度因子，k i c 为临界应力场强度，为外加应力，c 为裂纹半长。 在g r i f f i t h 之后的相当长的一段时间里，人们对裂纹扩展过程中的能量耗散机制的 认识( 如临界机械释放率g c 与热力学自由表面能存在显著差异) ，停滞不前，直到2 0 世纪5 0 年代初才由o r o w a n 首次取得了关键性的突破。 o r o w a n t 5 以金属材料为例指出：当应力达到一定水平之后，材料倾向于在裂纹尖端 附近形成一个塑性区，以消除应力场的奇异性。于是，在线弹性断裂力学发展的初期， i r w i n 网& o r o w a n1 5 】分别独立地提出了一个关于将裂纹系统分解为两个确定区域分别进 行考虑的设想，建立了所谓的“i r w i n - o r o w a n 非线性裂纹尖端模型 。这样由g r i f f i t h 导 出式( 1 2 ) 就相应地修正为： 吁- ( 撬) 2 。平面应变煳4 ， 式中，作称为材料断裂表面能，用于描述材料中裂纹扩展单位面积消耗的能量。 为了将实际材料裂纹尖端处发生的非线性过程与断裂力学的理论框架结合起来，已 有不少学者提出了一些特殊的裂纹尖端模型。其中值得注意的是由d u g d a l e t 7 1 和 b a r e n b l a l t 【8 1 分别提出的一个适合面较宽的模型。但这些模型在较小的塑性区足够精确。 但在较大的塑性区( 裂纹扩展前韧带已经整体屈服) 弹塑性断裂力学已不再实用。 1 2 1 2c o d 和j 积分理论 1 9 6 3 年，英国学者以d u g d a l e 7 1 等的工作基础，发展了一种适合韧性材料的断裂力 学方法一裂纹张开位移法( c o d ) 。这种方法认为，裂纹前缘的张开位移达到材料的临 界值6 c 时，裂纹便开始扩展，i l p s 7 6 c 。c o d 在中低强钢焊接结构和压力容器断裂安全 分析中，非常有效而简单，到了工程界的广泛应用。在大范围屈服时，应力强度因子近 3 低合金钢韧脆转变断裂机理研究 似失效，于是，w e l l s 9 1 建议用c o d 表征材料抵抗断裂的能力。d u g d a l e 7 1 应用 m u s l ( 1 l b e l i s h v i l i 【1 川解法算出了带状屈服区的c o d 值式( 1 5 ) 。 万：8 0 - s 2 al n s e c f ，里1 7 r e l 2 吒j ( 1 5 ) 其中，e 为杨氏模量，6 。为屈服应力，a 为外加应力，a 为裂纹半长。b i l b y & c o t t r e l l & s w i n d e d e n 1 q 应用位错连续分布理论得到了相同的结果。 19 6 8 年，r i c e 1 2 1 对基于全量理论j 积分各种性质和应用的阐述为断裂力学界所推 广，使j 积分成为弹塑性断裂力学的核心。并证明了j 积分的守恒性，如式( 1 6 ) ，即围 绕它的线性积分只是一个与积分路径无关的常数，此常数反映了裂纹尖端应力应变场的 强度。 j 2 更w 咖一罢胁) 6 ) 其中，w 为应变能密度，p 为外边界上点的位移，t 为张应力，s 为外边界的弧长，r 是不包 括裂纹表面的试样边界线。 j 积分是线弹性和弹塑性应力场的度量。在线弹性条件下，裂纹前端应力场e hk x 来决定，t i f f c r 0 = a k l r 怩，n - 知j c r 0 = b ( j r ) m 。已经证明【1 3 】，在小变形条件下，仍可用j 积 分来描述裂尖应力应变场，例如裂尖附近( r ；，j l c 可作为弹塑性裂纹开始扩展的判据。 1 2 1 3 宏观断裂力学的局限性 宏观断裂力学在工程上的应用一直发挥着重要作用，但其也是有着一定的局限性。 ( 1 ) 其对裂纹尖端奇异场的确立并不是成功的。宏观断裂力学的主要成就之一便 是建立控制裂纹尖端附近某一环带域的特征奇异场，然而裂纹尖端奇异场的确立存在着 一些不可克服的困难：在很多情况下奇异场得以占优的有效域出现残缺，这种微弱残 缺的氛围能否控制裂尖的断裂过程是令人怀疑的。实际金属材料中的裂纹尖端所出现 4 硕士学位论文 的塑性大变形与损伤使裂尖形貌发生变化，即产生了钝化( 疲劳裂纹尖端有0 2 9 i n 的原 始宽度) ，从而破坏了推导裂纹尖端奇异场的前提，即变形前裂纹为无限尖锐，且只容 许线弹性小变形模式。在有些典型情况下，裂尖奇异场出现自治特征，此时裂尖断裂 过程的力学控制氛围与外载条件和几何因素无关，无法根据裂尖奇异场来建立断裂准则 【1 4 】 o ( 2 ) 材料宏观断裂韧性参数没有唯一值，分散度很大。目前已有材料的宏观断裂韧 性参数主要有k l c ，j i c ，c o d 。这些韧性参数可充分描述裂纹体的力学行为，但由于实际 组织结构的不均匀性，以及解理起裂的随机性，使解理起裂源的位置相对于裂尖而言是 激烈变化的。因此对于同一种材料，在同样的外界条件下，k l c ，j i c 和c o d 具有很大的 波动性，即不存在材料单一的k l c ，h c 和c o d 值，分散度很大。宏观断裂韧性的出发点 是g d f f i t h 准则，这个准则是判断裂纹直接扩展的，而对于一般高强钢在中等低温( 1 1 0 左右) 时解理断裂不是由直接扩展引发的，而是由重新起裂引发的。其需要的能量大 大高于g r i f f i t h 能量，起裂位置也不再是固定的原裂纹的裂尖处，这样解理就不是发生 在描写奇异场的单一参数的某一个固定值。j h c h e n 和g z w a n g 的研究表吲1 5 】，下平 台温度区韧性值的分散度达3 0 0 。他们指出，测得的韧性值主要取决于最薄弱环节的 位置分布，韧性值的分散主要是由解理起裂位置的变化引起的，同时解理断裂应力a f 和临界塑性应变p 。的变化也对韧性值的分散有一定的影响。k i c ，j l c 和c o d 值的分散给 工程应用带来了很大困难，所以它们不能表征材料的本质特性。 ( 3 ) 在宏观断裂力学中，裂纹尖端断裂过程是一个无法解释的黑匣子。根据对断裂 过程的某种预计：如大变形、损伤、细观结构等，可大致估计出断裂过程区的尺寸，并 且还可由宏观断裂力学的方法确定出该断裂过程区的力学氛围。然而，黑匣子内所发生 的断裂事件却无法用宏观断裂的理论加以描述。这是因为：宏观断裂力学没有考虑断裂 的细观和微观机理及判据，其韧性参数及判据是在连续介质的力学模型上建立起来的， 而材料本身存在着夹杂物、碳化物、微孔洞、位错等大量缺陷和第二相，这些缺陷和第 二相在细观和微观上都是不连续的，只能从统计的角度考虑宏观断裂韧性参数，而不能 分析解理断裂的本质。 ( 4 ) 宏观断裂力学不能解释为什么不同的材料有不同的断裂韧性。宏观断裂力学是 在连续介质的力学模型上建立起来的，没有考虑材料细观和微观组织结构上的差异，宏 观断裂韧性值k i c ，j l c 和c o d 没有唯一值，分散度很大，也没有考虑到微观裂纹起裂、 扩展的机理。而解理断裂应力嘶作为一个细观的断裂韧性参数，既具有宏观断裂力学场 参数的特征，又与材料的细观组织相关，是联系宏观断裂力学和细观断裂物理的桥梁。 它是一个最稳定的参数，对温度、加载速度、根半径以及缺口或预裂纹的位置都不敏感。 并且它是一个本质参数，取决于材料临界微观结构组元的表面能以及晶界阻力。不同材 料有不同的微观结构，所以材料的解理断裂应力o f 不同，进而材料的断裂韧性也不同。 5 1 氐合金钢韧脆转变断裂机理矽f 究 1 2 2 细观力学的提出 宏观断裂力学的上述局限性促成了细观损伤力学的兴起和发展。细观损伤力学的主 要优点在与对“损伤”赋予了真实的集合形象和具有力学意义的烟演化过程。作为宏观 断裂的四类细观损伤基元是：微孔洞损伤与汇合；微裂纹损伤与临界串接；界面 损伤；变形局部化带与沿带损伤。因此细观损伤力学与材料的细观组织结构和细观损 伤断裂物理过程密切相关，体现了断裂力学与断裂物理相结合的学科发展特征。因而， 我们从细观断裂力学和断裂物理的角度出发，来解释宏观断裂韧性的本质。又由于宏观 断裂准则具有良好的可操作性，要试图建立宏观与细观这两者之间的关系，即物理模型。 1 2 3 解理断裂物理模型 1 9 7 3 年，r i t c h i e 、k n o t t 和础c e 【l 每17 】的研究得出o f 的数值和屈服应力哪随温度t 的变化，使用他们的模型来预测k i c 随温度的变化：随温度增加，田会下降，塑性区的 大小也必须增加以确保足够的张力来扩展一个微裂纹。他们指出：尖锐裂纹试样的断裂， 只有在距裂纹尖端某个“特征距离处的正应力达到解理断裂应力时才会发生。他们还 指出这个特征距离与微观结构尺寸有关。r k r 模型认为：首先引起起裂的第一个晶界 碳化物，承受大于解理断裂应力的应力状态，它距裂纹尖端有一个晶粒直径；其次在距 裂纹尖端两个晶粒直径处必须达到解理断裂应力并发生失稳扩展。因此他们选定两个晶 粒直径作为特征距离) ( o 。 1 9 7 6 年，c u r r y 和k n o t t 1 8 。1 9 1 修订了r k r 模型两个晶粒直径的特征距离，他们认为 断裂会从最大可观察到的碳化物粒子处起裂，这个碳化物粒子具有最低的强度( 即最薄 弱环节) 。他们的特征距离与裂