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 K C 钢中夹杂物对K C影响 夹杂物越多 间距越小 K C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 2 3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KIC P钢KIC M钢KIC A钢KIC P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KIC M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 62MPa m1 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 KI KIC 同样查表可得 2 1 62 将有关数据代入上式 得 由此可见 KI KIC 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 58MPa m1 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 KI KIC 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 c 185mm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 c 185mm KIC 120MPa m1 2 Y 1 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 2 1400MPa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 78MPa m1 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 2 700MPa 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 150MPa m1 2 在脆性区 KIC 30 40MPa m1 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 150MPa m1 2 ac 0 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 2 800 1200MPa 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aKU 0 球墨铸铁的化学成分 球墨铸铁的大致化学成分范围是 3 6 3 9 C 2 0 3 2 Si 0 3 0 8 Mn 0 1 P 0 07 S 0 03 0 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 表示裂纹尺寸分别为a和 a