6-断裂韧性PPT课件

辽宁工程技术大学 材料力学性能 工学院材料系 第四章金属的断裂韧度 线性弹性下的金属断裂韧度 1 断裂韧度KIC的测试 弹塑性条件下金属断裂韧度的基本概念 影响断裂韧度KIC的因素 工学院材料系 学习目标 掌握KIC的测试方法 影响因素及其应用 2 了解GIC和JIC的有关概念 工学院材料系 学习重点和难点 2 影响KIC的因素 力学行为及各种力学性能指标的意义和应用 KIC的含义及应用 4 1线弹性条件下的断裂韧度 工学院材料系 0 引言 按传统力学设计 工作应力 小于许用应力 为安全 塑性材料 S n 脆性材料 b n 再考虑机件的一些特点 如存在缺口 及环境温度的影响 根据材料使用经验 对塑性 韧度及缺口敏感度提出附加要求 据此设计的机件 原则上来讲是不会发生塑性变形和断裂的 安全可靠 随着高强度材料的使用 尤其在经过焊接的大型构件中常发生断裂应力低于屈服强度的低应力脆断意外事故 传统或经典的强度理论无法解释 4 1线弹性条件下的断裂韧度 工学院材料系 1965年英国的一个氨合成塔 设计压力为36MPa 水压试验压力为49MPa 材料的屈服强度为460MPa 此容器在试压过程中加压到35 2MPa时 就突然爆炸 其中有一块重达2T的碎片竟飞出数十米远 1954年 美国发射北极星导弹 固体燃料发动机壳体 采用了超高强度钢D6AC S为1400MPa 按照传统的强度设计与验收时 其各项性能指标包括强度与韧性都符合要求 设计时的工作应力远低于材料的屈服强度发射点火不久 就发生爆炸 4 1线弹性条件下的断裂韧度 工学院材料系 事后检查发现 在氨合成塔的焊缝区内埋藏有一长为10mm的内部裂纹 在导弹固体燃料发动机壳体爆炸碎片中发现残留的宏观裂纹 传统力学是把材料看成均匀的 没有缺陷的 没有裂纹的理想固体 实际的工程材料在制备 加工及使用过程中 都会产生各种宏观缺陷乃至宏观裂纹 传统力学解决不了带裂纹构件的断裂问题 断裂力学就是研究带裂纹体构件的力学行为 本章从材料的角度出发 简要介绍断裂力学基本原理 着重讨论线弹性条件下金属断裂韧度的意义 测试原理和影响因素 4 1线弹性条件下的断裂韧度 工学院材料系 大量断口分析表明 金属机件的低应力脆断断口没有宏观塑性变形痕迹 所以可以认为裂纹在断裂扩展时 尖端总处于弹性状态 应力 应变应呈线性关系 研究低应力脆断的裂纹扩展问题时 可以用弹性力学理论 从而构成了线弹性断裂力学 一 裂纹扩展的基本形式 1 张开型裂纹 型 4 1线弹性条件下的断裂韧度 工学院材料系 2 滑开型裂纹 型 3 撕开型裂纹 型 通常 组合 以 型最为危险 4 1线弹性条件下的断裂韧度 工学院材料系 二 型裂纹尖端应力场 设一无限大平板中心含有一长为2a的穿透裂纹 在垂直裂纹面方向受均匀的拉应力 作用 裂纹端部 r 处的应力场为 平面应力 平面应变 4 1线弹性条件下的断裂韧度 工学院材料系 令 则 当 0时 则 在x轴上裂纹尖端的切应力分量为零 拉应力分量最大 裂纹最易沿x轴方向扩展 x越小 x和 y越大 当x趋近于0时 x和 y趋近于无穷大 不成立 4 1线弹性条件下的断裂韧度 工学院材料系 型裂纹应力场强度因子的一般表达式为 应力场强度因子K 表示裂纹尖端应力场的强弱 K 越大 则应力场各应力分量也越大 裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于其位置 r 外 尚与K 有关 二 应力场强度因子 Y裂纹形状系数 一般Y l 2 对于 型裂纹 4 1线弹性条件下的断裂韧度 工学院材料系 4 1线弹性条件下的断裂韧度 工学院材料系 三 断裂韧度K C和断裂K判据 1 金属的断裂韧度 K 是决定应力场强所的复合参量 所以可以将其当推动裂纹扩展的动力 从而建立裂纹失稳扩展的力学判据及断裂韧度 这个临界或失稳状态的KI值就记作KIC或KC称为断裂韧度 表征材料对宏观裂纹失稳扩展的抗力 当 和a单独或共同增大时 KI和裂纹尖端的各应力分量随之增大 当KI增大到临界值时 也就是说裂纹尖端足够大的范围内应力达到了材料的断裂强度 裂纹便失稳扩展而导致断裂 4 1线弹性条件下的断裂韧度 工学院材料系 KIC 平面应变下的断裂韧度 表示在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力 KC 平面应力断裂韧度 表示平面应力条件材料抵抗裂纹失稳扩展的能力 因KC KIC 故用KIC设计较为安全 且符合大型工程构件的实际情况 2 断裂K判据 应力场强度因子KI和断裂韧度KIC的相对大小 可以建立裂纹失稳扩展的断裂K判据 KI KIC 3 KIC的应用 4 1线弹性条件下的断裂韧度 工学院材料系 如果塑性区尺寸比裂纹尺寸a和截面尺寸小一个数量级以上 只要对KI进行适当修正 则仍可以适用 实际上 金属材料在裂纹扩展前 其尖端附近 由于应力集中要先出现一个或大或小的塑性变形区 在塑性区内应力应变关系不是线性关系 上述KI判据不再适用 四 裂纹尖端屈服区及修正 1 塑性区的形状和尺寸 根据材料力学 通过一点的主应力 1 2 3和x y z方向的各应力分量的关系为 4 1线弹性条件下的断裂韧度 工学院材料系 裂纹尖端附近任一点 r 的主应力为 根据三向应力状态下屈服判据 4 1线弹性条件下的断裂韧度 工学院材料系 可得到塑性区边界曲线方程 平面应力状态 平面应变状态 当 0时 在裂纹的前方 塑性区宽度 平面应变 平面应力 4 1线弹性条件下的断裂韧度 工学院材料系 取 0 3 考虑下图中影线部分面积 屈服区 内应力松弛的影响 平面应力状态下 平面应变状态下 4 1线弹性条件下的断裂韧度 工学院材料系 2 有效裂纹及KI的修正 应力松驰可以有两种方式 一种是通过塑性变形 另一种方式则是通过裂纹扩展 如认为这两种应力松驰的方式是等效的 设想裂纹的长度增加了 由原来的长度a增加到a ry 计算表明 修正量ry等于应力松驰以后的塑性区宽度R0的一半 4 1线弹性条件下的断裂韧度 工学院材料系 则 越大 修正系数越大 一般时 变化比较明显 需要修正 4 1线弹性条件下的断裂韧度 工学院材料系 系统弹性应变能的变化 塑性变形功 表面能 五 裂纹扩展能量释放率GI及断裂韧度GIC 考虑到裂纹扩展时的能量关系 引出裂纹扩展的G判据 绝热条件下 假设有一裂纹体在外力作用下裂纹扩展 外力做功为 系统势能 裂纹扩展驱动力 裂纹扩展阻力 4 1线弹性条件下的断裂韧度 工学院材料系 裂纹扩展能量释放率G 裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值 系统势能等于系统的应变能减去外力功 对于 型裂纹 能量释放率G 裂纹扩展单位面积释放功 则 平面应力 平面应变 将GI的临界值记为GIC 也称为断裂韧度或平面断裂韧度 表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量 4 1线弹性条件下的断裂韧度 工学院材料系 六 GIC和KIC的关系 1 平面应力 2 平面应变 4 2断裂韧性K C的测试 工学院材料系 1 试样 试样应足够厚以保证裂纹尖端为平面应变 一 三点弯曲法 保证尖端处于小范围屈服状态 4 2断裂韧性K C的测试 工学院材料系 2 测试方法 在加载过程中 随载荷F的增加 裂纹嘴张开位移V增大 用记录仪记录曲线F V 进而用F V曲线确定裂纹失稳扩展时的载荷FQ 4 2断裂韧性K C的测试 工学院材料系 由于材料性能及试样尺寸不同 F V曲线有三种类型 1 材料较脆 试样尺寸足够大时 F V曲线为III型 2 材料韧性较好或试样尺寸较小时 F V曲线为I型 3 材料韧性或试样尺寸居中时 F V曲线为II型 做一直线与弹性部分的斜率少5 以确定与裂纹扩展2 时相对应的载荷F5 如F5前无比F5大的载荷 则FQ F5 如F5前有比F5大的载荷 此最高载荷为FQ 4 2断裂韧性K C的测试 工学院材料系 S 4W 将测定的裂纹失稳扩展的临界载荷FQ及试样断裂后测出的裂纹长度a代入 即可求出KI的条件值 记为KQ 然后再依据下列规定判断KQ是否为平面应变状态下的KIC 即判断KQ的有效性 否则无效 试样尺寸放大 倍 4 2断裂韧性K C的测试 工学院材料系 二 紧凑拉伸法 这一构型的应力场强度表达式为 4 2断裂韧性K C的测试 工学院材料系 三 Vicker压痕法 对陶瓷类脆性材料 裂纹可以由接触过程产生 压痕断裂力学的发展使得可以借助压痕裂纹进行脆性材料断裂韧性的测试 由于引入裂纹容易和试样制备简单等特点 压痕法测断裂韧性在陶瓷材料领域被广泛使用 选择与构件的成分 工艺相同的材料制备试件 在Vicker硬度实验机上 在适当荷载下 用Vicker压头 在抛光的陶瓷材料试件上压出压痕 4 2断裂韧性K C的测试 工学院材料系 在正方形压痕的四角 沿辐射方向出现裂纹 若选用荷载适当 在压痕对角线方向的抛面接近半圆形 一般要求c 2 5a 根据压痕断裂力学理论 处于平衡状态的压痕裂纹尖端的残余应力强度因子在数值上等于材料的断裂韧性 H E a c分别是材料的维氏硬度 弹性模量 压痕对角线与裂纹的长度 为约束因子 3 4 2断裂韧性K C的测试 工学院材料系 通过压痕法求一系列的c a值 按上式的通式 以lna和lnc为变量进行拟合 求得u V值 应用所得u V值于待测的同类材料上 再测a c值 并利用已知的H E 可求得KIC 4 3影响断裂韧性KIC的因素 工学院材料系 一 内因 材料因素 1 晶粒尺寸 晶粒愈细 晶界总面积愈大 裂纹顶端附近从产生一定尺寸的塑性区到裂纹扩展所消耗的能量也愈大 因此KIC也愈高 2 合金化 固溶使得KIC降低 第二相对材料断裂韧性的作用常与具体的材料体系及其工艺因素有关 弥散分布的第二相数量越多 其间距越小 KIC越低 第二相沿晶界网状分布 晶界损伤 KIC降低 球状第二相的KIC 片状 4 3影响断裂韧性KIC的因素 工学院材料系 在陶瓷材料中 常利用第二相在基体中形成吸收裂纹扩展能量的机制提高陶瓷材料的断裂韧性 3 夹杂 夹杂物偏析于晶界 晶界弱化 增大沿晶断裂的倾向性 在晶内分布的夹杂物起缺陷源的作用 都使材料的KIC值下降 4 显微组织 1 M组织 板条M 精细结构位错具有较高强度和塑性 裂纹扩展阻力大 KIC高 针状M 孪晶使滑移系减少4倍 并易感应裂纹硬而脆 KIC低 混合M 介于二者之间 4 3影响断裂韧性KIC的因素 工学院材料系 2 M回火组织 回火马氏体 基体为过饱和F 塑性差 质点小且弥散 间距小 裂纹扩展阻力小 KIC低 回火索氏体 基体为再结晶F K粒子为粒状 间距大 KIC高 回火屈氏体 介于二者之间 3 贝氏体组织 上贝氏体 F片层间分布有断续K 裂纹扩展阻力小 KIC低 下贝氏体 过饱和针状F中弥散K 裂纹扩展阻力大 KIC高 4 3影响断裂韧性KIC的因素 工学院材料系 4 B与M 5 残余奥氏体 塑性高 松弛应力 裂纹扩展阻力大 可以提高KIC 二 特殊热处理对断裂韧度的影响 1 形变热处理 高温形变热处理细化奥氏体亚结构 细化淬火马氏体 强度 韧性提高 KIC提高 低温形变热处理细化A亚结构 增加位错密度 促进碳化物弥散沉淀 降低A质量分数 板条M增加 KIC提高 4 3影响断裂韧性KIC的因素 工学院材料系 2 亚温淬火 提高低温韧性 降低高温韧性 因为形成细小的F A F A相界面比A大若干倍 杂质偏析浓度低 F溶解杂质多 KIC提高 3 超高温淬火 M由孪晶变为板条 M板条束间有稳定A膜 K溶入A 减少微孔形核 三 外因 板厚和实验条件 1 板厚 材料的断裂韧性随板材厚度或构件截面尺寸的增加而减小 最终趋于一个稳定的最低值 即平面应变断裂韧度 4 3影响断裂韧性KIC的因素 工学院材料系 2 温度 金属材料断裂韧性随着温度的降低 有一急剧降低的温度范围 200 200 低于此温度范围 断裂韧度保持在一个稳定的水平 下平台 3 应变速率 应变速率每提高一个数量级 断裂韧性将降低10 很大时 绝热温度升高 断裂韧性反而提高 4 3影响断裂韧性KIC的因素 工学院材料系 四 KIC与其它力学性能指标的关系 对于某些中高强钢 4 4弹塑性条件下金属断裂韧度概述 工学院材料系 大尺寸构件 尺寸大 平面应变 屈服区小 KIC适用 测试时 试样尺寸大 困难 广泛使用的中 低强度钢 s低 KIC高 其中对于小型机件而言 裂纹尖端塑性区尺寸较大 接近甚至超过裂纹尺寸 已属于大范围屈服条件 裂纹扩展前已整体屈服 一 J积分的意义和特性 设有一单位厚度的I型裂纹体 逆时针取一回路 其所包围的体积内应变能密度为 回路上任一点作用应力为T 在弹性状态下 所包围体积的系统势能 等于弹性应变能和外力功之差U Ue W 4 4弹塑性条件下金属断裂韧度概述 工学院材料系 因厚度为1 故裂纹尖端的G为 内总应变能为 外力在该点所做的功为 这就是在线弹性条件下G的能量线积分的表达式 4 4弹塑性条件下金属断裂韧度概述 工学院材料系 在弹塑性条件下 如将应变能密度 定义为弹塑性应变能密度 也存在该式等号右端的能量线积分 Rice将其定义为J积分 JI为I型裂纹的能量线积分 在线弹性条件下 JI GI KI2 E 在弹塑性小应变条件下 上式也成立 同时 在小应变条件下 J积分和路径 无关 即J的守恒性 4 4弹塑性条件下金属断裂韧度概述 工学院材料系 J积分的断裂判据就是G判据的延伸 或将线弹性条件下G延伸到弹塑性断裂 J表达形式G相似 在弹塑性条件下 表达式相同 但物理概念有所不同 G 在线弹性条件下G的概念是一个含有裂纹尺寸为a的试样 当裂纹尺寸扩展为a da时系统能量的释放率 J 在弹塑性条件下 则是两个试样 一个尺寸为a的裂纹 而另一个试样的裂纹尺寸为a da 两者在加载过程中形变功之差 J不能描述裂纹的扩展过程 不允许卸载情况发生 4 4弹塑性条件下金属断裂韧度概述 工学院材料系 J积分也可用能量率的形式来表达 即在弹塑性小应变条件下 JI GI成立 这是用试验方法测定JIC的理论根据 只要测出阴影面积OABO和 a 便可计算JI值 塑性变形是不可逆的 因此求J值必须单调加载 不能有卸载现象 但裂纹扩展意味着有部分区域卸载 所以 在弹塑性条件下 JI不能象GI那样理解为裂纹扩展时系统势能的释放率 应理解为 裂纹相差单位长度的两个等同试样 加载到等同位移时 势能差值与裂纹面积差值的比率 即所谓形变功差率 4 4弹塑性条件下金属断裂韧度概述 工学院材料系 通常J积分不能处理裂纹的连续扩张问题 其临界值只是开裂点 不一定是失稳断裂点 JIC判据 1 在弹塑性小应变条件下 JI JIC 此时 裂纹就会开始扩展 但不能判断其是否失稳断裂 平面应变条件下 J积分的临界值JIC也称断裂韧度 表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力 2 在线弹性条件下 平面应力 平面应