FH4材料的断裂韧性.ppt

材料性能学 付华 第一部分材料的力学性能 第一章材料单向静拉伸力学性能第二章材料在其它静载下的力学性能第三章材料的冲击韧性与低温脆性第四章材料的断裂韧性第五章材料的疲劳性能第六章材料的磨损第七章材料的高温力学性能第八章材料的耐腐蚀性能 一 线弹性条件下的断裂韧性缺口效应 断裂韧度K C及G C 重点 二 弹塑形条件下的断裂韧性J积分与COD的概念 简述 三 影响断裂韧度的因素四 断裂韧度在工程中的应用 第4章断裂韧性 1 传统材料设计 材料是均匀连续 各向同性的物体 力学分析 应力应变 安全系数 强度 塑韧性经典强度理论 断裂瞬时发生 不考虑裂纹的萌生与扩展 设计时只考虑 b 抗拉强度 较少考虑 s 韧性 焊接性 断裂力学的发展历史 2 连接方式 铆接 焊接 C b保证强度 Mn 大型结构 桥 船舶压力容器航空航天器火箭壳体大型转子 极限条件下工作超高温 超高压 超高速条件 低应力脆断 断裂应力 b s 焊接构件 脆性断裂 二战期间 美国千艘全焊接自由轮 舱板断裂自由轮是美国二战时期应急大量建造的两型货船预制构件和送到船厂焊接起来 50年代 美国北极星导弹点火试验时 发动机壳体爆炸 s 1400Mpa 0 1 1mm裂纹 1952年 Esso石油公司原油罐脆性断裂 3 冲击韧性和断裂韧性的重要性 原因 宏观裂纹 加工与使用过程中出现 冶金 锻造 焊接 淬火 机加工 疲劳 腐蚀 材料不是均匀连续的 刚刚拉制的玻璃棒弯曲强度6Gpa 在空气中放置后下降到0 4Gpa 石英玻璃纤维分段 12cm长 275Mpa 0 6cm长 760Mpa 尺寸效应 危险裂纹机会多 大 长试件 4 断裂力学的发展 研究裂纹萌生 扩展至断裂过程 研究裂纹尖端应力 应变 应变能的分布 发展过程 1922年Griffith研究断裂强度与裂纹尺寸间的关系 线弹性断裂力学的基础 Griffith裂纹理论及Orowan塑性区修正 无限宽薄板 平面应力 裂纹自发扩展的临界应力 1948年Irwin FractureDynamics 断裂力学独立学科 缺口效应 第一效应 造成应力应变集中 第二效应 2 3向 多向拉伸应力状态 平面应力状态 平面应变状态第三效应 缺口强化 缺口脆化 内容 线弹性断裂力学 弹塑性断裂力学 裂纹尖端应力应变分布 断裂力学 裂纹扩展新的力学参量 新的断裂判据 断裂韧度K c 4 1线弹性条件下的断裂韧性 假设 裂纹体各部分在脆性断裂过程中 应力应变处于线弹性状态 只有裂纹尖端极小区域处于塑变阶段 研究方法 1 应力应变分析方法 应力场强度因子K 断裂韧性K C K判据 2 能量分析方法 能量释放率 G判据 一 裂纹尖端的应力场及应力场强度因子 Irwin等 线弹性理论 裂纹体尖端附近的应力应变分布 设有一承受均匀拉应力的无限大板 含有长为2a的I型穿透裂纹 其尖端附近 r 处应力 应变和位移分量可近似表示 沿板厚Z方向上 薄板 应变不受约束 自由变形 Z 0 平面应力状态 2 厚板 应变受到约束 Z 0 平面应变状态 三向拉应力状态 硬状态 危险的应力状态 讨论 1 以上表达式是近似的 最适用于r a情况 越接近裂纹尖端 精度越高 2 在裂纹延长线X轴上 0 此处拉应力分量最大 切应力分量为0 裂纹最易扩展 3 影响因素 位置 r 材料弹性模量E 参量KI 对确定材料和位置点 应力分量由K 决定 K 越大 应力分量越大 KI 应力场强度因子 表示应力场的强弱程度 无限大板穿透裂纹 表示I型裂纹 K K 分别表示 型裂纹的应力场强度因子 KI一般表达式 裂纹形状系数 取决于裂纹的类型 无限大板穿透裂纹 裂纹尖端塑性区及KI的修正 r 0时 x y XY等各应力分量均趋于无穷大 不可能 当材料中裂纹尖端的应力达到 s时 发生塑性变形 裂纹尖端出现塑性区 屈服区 与缺口前方存在塑性区很相似 应力分布改变 修正条件 s 0 6 0 7 塑性区的形状 修正条件 s 0 6 0 7 二 断裂韧度K 及 判据 K 取决于 与a的组合 单位为Mpa m1 2 a 单独 同时 K 各应力分量 c 裂纹失稳扩展的临界应力 断裂应力或裂纹体的断裂强度 ac 临界裂纹尺寸 1 断裂韧度K 和Kc的意义 K c Kc表示材料抵抗断裂的能力 K c为平面应变断裂韧度 表示平面应变状态下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力 Kc为平面应力断裂韧度 表示平面应力状态下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力 同一材料Kc K c 2 K c与K 的关系 K 力学参量 表示裂纹尖端应力应变场强度大小 K 与外加应力 试样尺寸a 裂纹类型Y有关 与材料无关 K c 材料的力学性能指标 与材料成分 组织结构有关 与外加应力 试样尺寸等外因素无关 和 s的关系 力学参量 s 力学性能指标 3 断裂K判据 KI K c 裂纹失稳扩展 脆性断裂 KI K c 存在的断裂不会引起断裂 三 裂纹扩展的能量判据 Griffith裂纹断裂理论提出后 用能量方法研究脆性材料断裂强度与裂纹的关系 一 裂纹扩展的能量释放率GIP34 Griffith指出 裂纹扩展的动力是弹性能的释放率 GI 与KI相似 是裂纹长度a和应力 的复合参量 称为裂纹扩展的能量释放率 平面应力 平面应变 二 断裂韧度GIC和断裂G判据 a GI 当GI 2 或2 P 裂纹失稳扩展阻力 裂纹失稳扩展 GIC 断裂韧度 GIC 阻止裂纹失稳扩展时单位面积消耗的能量 G判据 GI GIC K 度量裂纹尖端的应力场强度 度量裂纹扩展时系统势能的释放率 4 2弹塑性条件下的断裂韧性 高强度钢 塑性区小 小范围屈服 线弹性断裂力学 中低强度钢 塑性区大 大范围屈服 弹塑性力学 将线弹性原理进行延伸 J积分 断裂能量判据 GI JICOD 断裂应变判据 KI 一 J积分及断裂韧度JIC 2 线弹性条件下 JI GI Rice于1968年提出了J积分理论 1 J积分反映了裂纹尖端区的应变能 即应力应变的集中程度 3 J积分的临界值是裂纹开裂点 不一定是失稳断裂点 J不是裂纹扩展时系统势能的释放率 是形变功差率 4 断裂韧度JIC 表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力 J判据 JI JIC 保守设计 5 J积分判据实际使用很少 a 数学表达式不清楚 实用的 b 对中 低强度钢 裂纹亚稳扩展阶段很长 JIC对应的只是开裂点 裂纹开裂 亚稳扩展 失稳扩展 断裂 二 裂纹尖端张开位移COD crackopeningdisplacement 船体 压力容器 管道 焊接结构 低应力脆断 结晶状断口 原因 多向应力状态下 裂纹尖端塑性区变形被约束 当应变量达到临界值 断裂 用裂纹张开位移表示应变量 c 与JIC一样 是裂纹开始扩展的判据 4 3影响断裂韧性的因素 KIc是材料强度和塑性的综合表现 一般情况下 随强度指标的降低而升高 随塑性指标的降低而降低 s b KIc KIc 通常人们认为KIc是塑性 韧性一类指标 与强度类指标的变化规律相反 有例外 内在 成分 组织 结构 外在 温度T 应变速率 一 成分及组织结构的影响 一 化学成分 与冲击韧度相似 强烈固溶强化的合金元素 塑性 KIc 细化晶粒的合金元素 强度 塑性 KIc 金属间化合物 塑性 KIc 陶瓷 提高强度的组元 KIc 高分子 结合键键合强度 KIc 二 基体相 fcc 易塑变 KIc A钢的Kid F M钢 一般情况下 细化晶粒 b KIc 某些情况下 粗晶粒的KIc高 40CrNiMo 1200 淬火 0 1级 KIc 56 870 淬火 7 8级 KIc 36 此时 KIc与强度指标变化规律一致 与塑性指标相反 原因 1200 淬火形成位错型M 板条间有A残膜 碳化物夹杂物充分溶入A 此时 KIc与强度指标变化规律一致 与塑性指标相反 三 夹杂 第二相 非金属夹杂物 脆性第二相 偏聚 微裂纹 KIc 韧性第二相 形态 数量适当 KIc F M M 碳化物 细小 弥散 颗粒状 KIc 陶瓷 添加碳纤维 KIc 四 组织 同强度下 低碳钢 M回的KIc B高碳钢 KIc B上 KIc M回 KIc B下 KIc 板条M KIc 针状M 位错亚结构孪晶亚结构 S回 KIc A残 KIc 二 特殊热处理 一 亚温淬火 亚共析钢F M b KIc 二 超高温淬火 中碳合金钢A粗化 ak KIc 40CrNiMo 1200 淬火 KIc 56 ak 42CrMo 850 1170 淬火 KIc52 8 69 3 原因 淬火形成位错型M 板条间有A残膜 碳化物夹杂物充分溶入A KIc与强度指标变化规律一致 与塑性指标相反 三 形变热处理 高温形变 动态再结晶 细化晶粒 A M b KIc 20 低温形变 细化晶粒 碳化物弥散沉淀 b KIc 18 A中含碳量降低 细小板条M 三 外界因素 一 温度 T 韧脆转变T Tk 韧性断裂T Tk 脆性断裂 二 应变速率 KIc KIc与冲击韧性ak 一般变化趋势一致 但某些情况下变化趋势相反 KIc与冲击韧性ak ak 缺口根部较钝 应力集中小 Ak中包括裂纹形成功和扩展功 不一定满足平面应变条件 高 冲击载荷作用下 对组织缺陷很敏感 KIc 裂纹相当尖锐 应力集中更大 已预制裂纹 不需要裂纹形成功 试样必须满足平面应变条件 在静载下受力 4 4断裂韧度在工程中的应用 设计 校核 材料开发 结构设计 KIc 形状 尺寸 材料选择 裂纹 KIc KI比较 选材 断裂力学 例1 有一构件 实际使用应力 1300Mpa 设最大裂纹尺寸1mm Y 1 5 有2种钢待选 甲 s 1950Mpa KIc 45MPa m1 2 乙 s 1560Mpa KIc 75MPa m1 2 传统设计 安全系数 屈服强度 s 甲 n s 1 5 乙 n 1560 1300 1 2 甲钢安全 甲 c 1000Mpa 1300Mpa不安全 乙 c 1670Mpa 1300Mpa安全 例2 某材料的 s 2 5J m2 E 210GPa a0 0 32nm 用该材料制成的无限大薄板内有一条长1mm的裂纹 求 1 该材料完美晶体的理论断裂强度 2 含裂纹的薄板的脆性断裂应力 2ac 1mm ac 0 5mm 210 109 2 5 3 2 10 10 1 2 4 05 1010 Pa 4 05 104 MPa 210 109 2 5 0 5 10 3 1 2 32 5 106 Pa 32 5 MPa 裂纹起源 裂纹的存在决定了强度 晶体微观缺陷处 位错塞积 组合 交截 表面机械损伤与化学腐蚀裂 表面裂纹最危险 新制备材料 用手触摸可使强度降低约1个数量级 加工搬运过程中及使用过程中极易造成表面