第四章材料力学性能

1、第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度 Email: 第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度 0.引言引言 按传统力学设计，工作应力按传统力学设计，工作应力 小于许用应力小于许用应力为安全。为安全。 塑性材料塑性材料S/n 脆性材料脆性材料b/n 然后再考虑机件的一些特点然后再考虑机件的一些特点 （如存在缺口）及环境温度的影响，（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及缺口敏感度提出附加要求 据此设计的机件，原则上来据此设计的机件，原则上来 讲是不会发生塑性变形和断裂的，讲是不会发生塑性变形和断裂的， 安全

2、可靠。安全可靠。 随着高强度材料的使用，随着高强度材料的使用， 尤其在经过焊接的大型构件中尤其在经过焊接的大型构件中 常发生常发生断裂应力低于屈服强度断裂应力低于屈服强度 的低应力脆的低应力脆 断意外事故断意外事故，传统，传统 或经典的强度理论无法解释。或经典的强度理论无法解释。 1965年英国的一个氨合成塔，年英国的一个氨合成塔， 设计压力为设计压力为36MPa，水压试验，水压试验 压力为压力为49MPa，材料的屈服强，材料的屈服强 度为度为 460MPa，此容器在试压，此容器在试压 过程中加压到过程中加压到35.2MPa时，就时，就 突然爆炸，其中有一块重达突然爆炸，其中有一块重达 2T的

3、碎片竟飞出数十米远。的碎片竟飞出数十米远。 第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度 1954年，美国发射北极星导弹，固体燃料年，美国发射北极星导弹，固体燃料 发动机壳体，采用了超高强度钢发动机壳体，采用了超高强度钢D6AC，S 为为1400MPa，按照传统的强度设计与验收时，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，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。射点火不久，就发生爆炸。 4.1 线性弹性下的金属断裂韧度 4.2 断裂韧度 的测试 4.3 影响断裂韧度

4、 的因素 4.4 断裂K判据应用案例 4.5 弹塑性条件下金属断裂韧度的基本概念 Ic K Ic K 第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度 第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度 一、裂纹扩展的基本形式一、裂纹扩展的基本形式 1. 张开型裂纹（张开型裂纹（型）型） 1线弹性条件下的金属断裂韧度线弹性条件下的金属断裂韧度 2. 滑开型裂纹（滑开型裂纹（型）型） 切应力平行作用于裂纹面，而且切应力平行作用于裂纹面，而且 与裂纹线垂直，裂纹沿裂纹面平与裂纹线垂直，裂纹沿裂纹面平 行滑开扩展。行滑开扩展。 如花键根部裂纹沿切向力的扩展。如花键根部裂纹沿切向力的扩展。 1线弹性条件下的金属断裂

5、韧度线弹性条件下的金属断裂韧度 3. 撕开型裂纹（撕开型裂纹（型）型） 切应力平行作用于裂纹面，而且切应力平行作用于裂纹面，而且 与裂纹线平行，裂纹沿裂纹面撕与裂纹线平行，裂纹沿裂纹面撕 开扩展。开扩展。 如轴的纵、横裂纹在扭矩作用下如轴的纵、横裂纹在扭矩作用下 的扩展。的扩展。 通常通常、 组合，以组合，以型最型最 为危险为危险 1线弹性条件下的金属断裂韧度线弹性条件下的金属断裂韧度 型裂纹应力场强度因子的一般型裂纹应力场强度因子的一般 表达式为表达式为: 应力场强度因子应力场强度因子K 表示裂纹尖 表示裂纹尖 端应力场的强弱端应力场的强弱 K 越大，则应力场各应力分量 越大，则应力场各应力

6、分量 也越大。也越大。 裂纹尖端区域各点的应力分量除裂纹尖端区域各点的应力分量除 了决定于其位置了决定于其位置(r，)外，尚与外，尚与 K 有关。 有关。 二、二、 应力场强度因子应力场强度因子 KYa 1线弹性条件下的金属断裂韧度线弹性条件下的金属断裂韧度 Y 裂纹形状系数，裂纹形状系数， 一般一般Y =l-2 对于对于、型裂纹型裂纹 aYK aYK 三、三、 断裂韧度断裂韧度K C和断裂 和断裂K判据判据 1.金属的断裂韧度金属的断裂韧度 K 是决定应力场强所的复合参量， 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动

7、力，从而建立裂纹失稳扩展的 力学判据及断裂韧度。力学判据及断裂韧度。 KIC：平面应变下的断裂韧度，平面应变下的断裂韧度， 表示在平面应变条件下材料抵抗表示在平面应变条件下材料抵抗 裂纹失稳扩展的能力。裂纹失稳扩展的能力。 这个临界或失稳状态的这个临界或失稳状态的KI值就值就 记作记作KIC或或KC称为断裂韧度。称为断裂韧度。表表 征材料对宏观裂纹失稳扩展的抗征材料对宏观裂纹失稳扩展的抗 力。力。 当当和和a单独或共同增大时，单独或共同增大时，KI 和裂纹尖端的各应力分量随之增和裂纹尖端的各应力分量随之增 大大,当当KI增大到临界值时，也就是增大到临界值时，也就是 说裂纹尖端足够大的范围内应力

8、说裂纹尖端足够大的范围内应力 达到了材料的断裂强度，裂纹便达到了材料的断裂强度，裂纹便 失稳扩展而导致断裂。失稳扩展而导致断裂。 1线弹性条件下的金属断裂韧度线弹性条件下的金属断裂韧度 KC：平面应力断裂韧度，表示平平面应力断裂韧度，表示平 面应力条件材料抵抗裂纹失稳扩面应力条件材料抵抗裂纹失稳扩 展的能力。展的能力。 因因KC KIC ，故用，故用KIC 设计较为安设计较为安 全，且符合大型工程构件的实际全，且符合大型工程构件的实际 情况。情况。 2.断裂断裂K判据判据 应力场强度因子应力场强度因子KI和断裂韧度和断裂韧度KIC 的相对大小，可以建立裂纹失稳的相对大小，可以建立裂纹失稳 扩展

9、的断裂扩展的断裂K判据判据: KIKIC 3. KIC的应用的应用 CC KYa Cc KYa 如果如果塑性区尺寸较裂纹尺寸塑性区尺寸较裂纹尺寸a和和 截面尺寸小一个数量级以上截面尺寸小一个数量级以上，只，只 要对要对KI进行适当修正，则仍可以进行适当修正，则仍可以 适用。适用。 实际上，金属材料在裂纹扩展实际上，金属材料在裂纹扩展 前，其尖端附近，由于应力集中前，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要先出现一个或大或小的塑性变 形区形区, 在塑性区内应力应变关系在塑性区内应力应变关系 不是线性关系，上述不是线性关系，上述KI判据不再判据不再 适用适用 四、裂纹尖端屈服区及修

10、正四、裂纹尖端屈服区及修正 按按KI建立的脆性断裂判据：建立的脆性断裂判据： KIKIC，只适用于弹性状态下，只适用于弹性状态下 的断裂分析。的断裂分析。 第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度 2断裂韧性断裂韧性K C的测试 的测试 1.试样试样 试样应足够厚以保证裂纹尖端试样应足够厚以保证裂纹尖端 为平面应变为平面应变 0.2 2 2.5 ICK B 保证尖端处于小范围屈服状态保证尖端处于小范围屈服状态 2 2 . 0 5 . 2 ICK a 2 2 . 0 5 . 2 ICK aW 2.测试方法测试方法 一、三点弯曲法一、三点弯曲法 2断裂韧性断裂韧性K C的测试 的测试 28 在加

11、载过程中，随载荷在加载过程中，随载荷F的增加，的增加， 裂纹嘴张开位移裂纹嘴张开位移V增大。用记录仪增大。用记录仪 记录曲线记录曲线F-V，进而用，进而用F-V曲线确曲线确 定裂纹失稳扩展时的载荷定裂纹失稳扩展时的载荷FQ 。 由于材料性能及试样尺寸不同，由于材料性能及试样尺寸不同， F-V曲线有三种类型：曲线有三种类型： 1）材料较脆、试样尺寸足够大）材料较脆、试样尺寸足够大 时，时，F-V曲线为曲线为III型型 2）材料韧性较好或试样尺寸较）材料韧性较好或试样尺寸较 小时，小时，F-V曲线为曲线为I型型 3）材料韧性或试样尺寸居）材料韧性或试样尺寸居 中时，中时，F-V曲线为曲线为II型型

12、 做一直线与弹性部分的斜率少做一直线与弹性部分的斜率少 5%，以确定与裂纹扩展，以确定与裂纹扩展2%时时 相对应的载荷相对应的载荷F5。 如如F5 前无比前无比F5 大的载荷，则大的载荷，则 FQ = F5 ； 如如F5 前有比前有比F5 大的载荷，此最大的载荷，此最 高载荷为高载荷为FQ 。 2断裂韧性断裂韧性K C的测试 的测试 W a Y BW FS K 1 2 3 S4W i i aa 5 1 5 1 10. 1 max QF F 2 0.2 2.5 Q K B ICQKK 否则无效，试样尺寸放大否则无效，试样尺寸放大.倍倍 将测定的裂纹失稳扩展的临界载荷将测定的裂纹失稳扩展的临界载荷

13、FQ及及 试样断裂后测出的裂纹长度试样断裂后测出的裂纹长度a代入，即可代入，即可 求出求出KI 的条件值，记为的条件值，记为KQ。 然后再依据下列规定判断然后再依据下列规定判断KQ是否为平面是否为平面 应变状态下的应变状态下的KIC，即判断，即判断KQ的有效性。的有效性。 2断裂韧性断裂韧性K C的测试 的测试 二、紧凑拉伸法二、紧凑拉伸法 这一构型的应力场强度表达式为这一构型的应力场强度表达式为: 12 Fa Kf W BW 135 222 29 72 29.6185.5655.7 1017639 aaaa f WWWW aa WW 三、三、Vicker压痕法压痕法 对陶瓷类脆性材料，裂纹可

14、以由对陶瓷类脆性材料，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。由于脆性材料断裂韧性的测试。由于 引引 入裂纹容易和试样制备简单等入裂纹容易和试样制备简单等 特点，压痕法特点，压痕法 测断裂韧性在陶瓷测断裂韧性在陶瓷 材料领域被广泛使用。材料领域被广泛使用。 选择与构件的成分、工艺相同的选择与构件的成分、工艺相同的 材料制备试件。在材料制备试件。在Vicker硬度实硬度实 验机上，在适当荷载下，用验机上，在适当荷载下，用 Vicker压头，在抛光的陶瓷材料压头，在抛光的陶瓷材料 试件上

15、压出压痕。试件上压出压痕。 2断裂韧性断裂韧性K C的测试 的测试 在正方形压痕的四角，沿辐射方在正方形压痕的四角，沿辐射方 向出现向出现 裂纹。裂纹。 若选用荷载适当，在压痕对角线若选用荷载适当，在压痕对角线 方向的抛面接近半圆形。一般要方向的抛面接近半圆形。一般要 求求c2.5a。 根据压痕断裂力学理论，处于平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力强度因子在数值上等于材料的 断裂韧性。断裂韧性。 0.43 2 /0.129 C KHaH Ec a H、E、a、c分别是材料的维氏分别是材料的维氏 硬度、弹性模量、

16、压痕对角线与硬度、弹性模量、压痕对角线与 裂纹裂纹 的长度；的长度； 为约束因子（为约束因子（ 3）。）。 通过压痕法求一系列的通过压痕法求一系列的c，a值，值， 按上式的通式按上式的通式 0.4 / V C KHaH Eu c a 以以lna和和lnc为变量进行拟合，求为变量进行拟合，求 得得u、V值；值； 应用所得应用所得u、V值于待测的同类材值于待测的同类材 料上，再测料上，再测a、c值，并利用已知值，并利用已知 的的H、E，可求得，可求得KIC 。 3影响断裂韧性影响断裂韧性KIC的因素的因素 第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度 一、内因（材料因素）一、内因（材料因素） 1）晶

17、粒尺寸）晶粒尺寸 晶粒愈细，晶界总面积愈大，晶粒愈细，晶界总面积愈大， 裂纹顶端附近从产生一定尺寸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塑性区到裂纹扩展所消耗 的的 能量也愈大，因此能量也愈大，因此KIC 也愈高。也愈高。 2）合金化）合金化 固溶使得固溶使得KIC 降低；降低； * 在陶瓷材料中，常利用第二相在陶瓷材料中，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。的机制提高陶瓷材料的断裂韧性。 第二相对材料断裂韧性的作用常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与具体的材料体系及其工艺因素 有关有关

18、 弥散分布的第二相数量越多，弥散分布的第二相数量越多， 其间距越小，其间距越小， KIC 越低；越低； 第二相沿晶界网状分布，晶界第二相沿晶界网状分布，晶界 损伤，损伤， KIC 降低；降低； 球状第二相的球状第二相的KIC 片状片状 3）夹杂）夹杂 夹杂物偏析于晶界，晶界弱化，夹杂物偏析于晶界，晶界弱化， 增大沿晶断裂的倾向性；在晶内增大沿晶断裂的倾向性；在晶内 分布的夹杂物分布的夹杂物 起缺陷源的作用，起缺陷源的作用， 都使材料都使材料 的的KIC 值下降。值下降。 3影响断裂韧性影响断裂韧性KIC的因素的因素 4）显微组织）显微组织 （1）M组织组织 板条板条M：精细结构位错具有较：精细

19、结构位错具有较 高强度和塑性，裂纹扩展阻力大，高强度和塑性，裂纹扩展阻力大， KIC高高 针状针状M：孪晶使滑移系减少：孪晶使滑移系减少4倍，倍， 并易感应裂纹硬而脆，并易感应裂纹硬而脆， KIC低低 混合混合M：介于二者之间：介于二者之间 （2）M回火组织回火组织 回火马氏体：基体为过饱和回火马氏体：基体为过饱和F， 塑性差，质点小且弥散，间距小，塑性差，质点小且弥散，间距小， 裂纹扩展阻力小，裂纹扩展阻力小， KIC 低低 回火索氏体：基体为再结晶回火索氏体：基体为再结晶F， K粒子为粒状，间距大，粒子为粒状，间距大， KIC高高 回火屈氏体：介于二者之间回火屈氏体：介于二者之间 （3）贝

20、氏体组织）贝氏体组织 上贝氏体：上贝氏体：F片层间分布有断片层间分布有断 续续K，裂纹扩展阻力小，裂纹扩展阻力小， KIC低低 下贝氏体：过饱和针状下贝氏体：过饱和针状F中弥中弥 散散K，裂纹扩展阻力大，裂纹扩展阻力大， KIC高高 （4）B与与M MKIC上B MMB针板条下ICK 3影响断裂韧性影响断裂韧性KIC的因素的因素 （5）残余奥氏体：）残余奥氏体： 塑性高，松弛应力、裂纹扩展阻塑性高，松弛应力、裂纹扩展阻 力大，可以提高力大，可以提高KIC 二、特殊热处理对断裂韧度的影响二、特殊热处理对断裂韧度的影响 1） 形变热处理形变热处理 高温形变热处理细化奥氏体亚高温形变热处理细化奥氏体

21、亚 结构，细化淬火马氏体，强度、结构，细化淬火马氏体，强度、 韧性提高，韧性提高，KIC提高。提高。 低温形变热处理细化低温形变热处理细化A亚结构，亚结构， 增加位错密度，促进碳化物弥散增加位错密度，促进碳化物弥散 沉淀，降低沉淀，降低A质量分数，板条质量分数，板条M 增加，增加， KIC提高。提高。 2）亚温淬火）亚温淬火 提高低温韧性，降低高温韧性。提高低温韧性，降低高温韧性。 因为形成细小的因为形成细小的F+A、 F-A 相界相界 面比面比A大若干倍，杂质偏析浓度大若干倍，杂质偏析浓度 低，低，F溶解杂质多，溶解杂质多， KIC提高。提高。 3）超高温淬火）超高温淬火 M由孪晶变为板条由

22、孪晶变为板条 M板条束间有稳定板条束间有稳定A膜膜 K溶入溶入A，减少微孔形核，减少微孔形核 三、外因（板厚和实验条件）三、外因（板厚和实验条件） 1）板厚）板厚 3影响断裂韧性影响断裂韧性KIC的因素的因素 材料的断裂韧性随板材厚度或构件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，即平面应一个稳定的最低值，即平面应 变变 断裂韧度断裂韧度 2）温度）温度 金属材料断裂韧性随着温度的降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（低，有一急剧降低的温度范围（- 200200），低于此温度范围，），低于此温度范围，

23、断裂韧度保持在一个稳定的水平断裂韧度保持在一个稳定的水平 （下平台）（下平台） 3影响断裂韧性影响断裂韧性KIC的因素的因素 3）应变速率）应变速率 应变速率每提高一个数量级，应变速率每提高一个数量级， 断裂韧性将降低断裂韧性将降低10%。 很大时，绝热温度升高，断裂韧性反而提高。很大时，绝热温度升高，断裂韧性反而提高。 3 影响断裂韧性影响断裂韧性KIC的因素的因素 四、四、KIC与其它力学性能指标的关系与其它力学性能指标的关系 KIC的测定技术比较复杂。试图的测定技术比较复杂。试图 根据常规力学性能估算根据常规力学性能估算KIC的模的模 型和经验关系式型和经验关系式 （一）（一） KIC与

24、其它静载荷力学性与其它静载荷力学性 能指标的关系能指标的关系 Krafft模型：模型： 假定材料为含有均匀分布第二相质假定材料为含有均匀分布第二相质 点的两相合金，质点间距为点的两相合金，质点间距为，物体，物体 受力后裂纹顶端出现一塑性区，随受力后裂纹顶端出现一塑性区，随 着外力增加，塑性区增大，当着外力增加，塑性区增大，当 塑性塑性 区与裂纹前方的第一个质点相遇时，区与裂纹前方的第一个质点相遇时， 即塑性区即塑性区 尺寸尺寸r时，质点与基体时，质点与基体 界面开裂形成孔洞。界面开裂形成孔洞。 孔洞与裂纹之间的材料断裂时，孔洞与裂纹之间的材料断裂时， 裂纹便开始向前扩展，材料的裂纹便开始向前扩

25、展，材料的 断裂条件就是裂纹扩展的条件。断裂条件就是裂纹扩展的条件。 这时的这时的KI因子，就是材料的断因子，就是材料的断 裂韧性裂韧性KIC。 根据虎克定律，在弹性区与根据虎克定律，在弹性区与 塑性区的交界处，塑性区的交界处， 即即r点点 的应变的应变y为为 KIC与其它力学性能指标的关系与其它力学性能指标的关系 22 yII y KK e EErE 塑性区符合塑性区符合Hollomon方程方程 n sK e 当当y= eb时，第二相断裂、脱落，时，第二相断裂、脱落， 形成微孔，裂纹长大，扩展断裂。形成微孔，裂纹长大，扩展断裂。 而而eb =n，因此，裂纹扩展的临界，因此，裂纹扩展的临界 条

26、件为：条件为： ybeenIICKK， 2 ICK n E 所以，所以，微孔集聚型断裂的断裂韧微孔集聚型断裂的断裂韧 性性为：为： 2ICKn E 在在Krafft模型中，还使用了一个模型中，还使用了一个 潜在的假设，将虎克定律外延到潜在的假设，将虎克定律外延到 塑性变形阶段。这塑性变形阶段。这 显然是一种显然是一种 近似做法。近似做法。 Hahn和和Bosenfield由裂纹前沿在由裂纹前沿在 受载时塑性应变区达到断裂应受载时塑性应变区达到断裂应 变作为裂纹体失稳的临界状态，变作为裂纹体失稳的临界状态， 导出下列关系导出下列关系 12 2 5 3 Cfs KnE KIC与其它力学性能指标的关

27、系与其它力学性能指标的关系 解理及沿晶脆断解理及沿晶脆断 裂纹尖端某一特征距离内的应力达到解理断裂强度时，裂纹失稳。裂纹尖端某一特征距离内的应力达到解理断裂强度时，裂纹失稳。 若该特征距离为晶粒直径的倍，则有若该特征距离为晶粒直径的倍，则有 2 1 2 1 011exp9.2 s c sICK 无论是解理断裂或韧性断裂，无论是解理断裂或韧性断裂， KIC都是强度和塑性的综合反映。都是强度和塑性的综合反映。 第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度 （二）断裂韧度与冲击韧度的关系（二）断裂韧度与冲击韧度的关系 对对Charpy冲击试样的应力应变分冲击试样的应力应变分 析表明，冲击试样断裂时的应

28、力析表明，冲击试样断裂时的应力 状态为平面应变状态，试样的最状态为平面应变状态，试样的最 大横大横 向收缩应力接近于最大约束向收缩应力接近于最大约束 产生的结果。产生的结果。 冲击功是在冲击条件下测得的打冲击功是在冲击条件下测得的打 断试样所吸收的功，而断裂韧度断试样所吸收的功，而断裂韧度 则是在缓慢加载条件下测得的尖则是在缓慢加载条件下测得的尖 裂纹起裂时的应力场强度因子的裂纹起裂时的应力场强度因子的 临界值，临界值，二者都反映二者都反映 材料的韧性，材料的韧性， 冲击功高的材料，其断裂韧度也冲击功高的材料，其断裂韧度也 高，且高，且 冲击功中也包含一部分裂冲击功中也包含一部分裂 纹扩展功。

29、纹扩展功。 由于裂纹和缺口不同，以及加载由于裂纹和缺口不同，以及加载 速率不同，所以速率不同，所以AKV和和KIC的温度的温度 变化曲线不一样，由变化曲线不一样，由KIC确定的韧确定的韧 脆转脆转 变温度比变温度比AKV的高的高 断裂韧度与冲击韧度的关系断裂韧度与冲击韧度的关系 Barson，Rolfe和和Novak研究了研究了11 种钢的上平台种钢的上平台AKV与与KIC的关系，的关系， 发现与成直线关系。发现与成直线关系。 对于某些中高强钢对于某些中高强钢 MPa1687702 .0 2 1 26693mMPaKIC JAKV12022 1 2 0.790.01 CsKVs KA 第四章第

30、四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度 4提高陶瓷材料断裂韧性的常用方法提高陶瓷材料断裂韧性的常用方法 陶瓷材料和金属材料的抗拉屈服强度陶瓷材料和金属材料的抗拉屈服强度 并不存在很大差异。而断裂韧性并不存在很大差异。而断裂韧性KIC 值比金属小值比金属小12个数量级。个数量级。 1）氧化锆相变增韧）氧化锆相变增韧 当材料受到外力作用时，裂纹扩展到亚当材料受到外力作用时，裂纹扩展到亚 稳的稳的t- ZrO2粒子，裂纹尖端的应力集中粒子，裂纹尖端的应力集中 使基体对使基体对t-ZrO2的压抑作用首先在裂纹的压抑作用首先在裂纹 尖端得到松弛，促发尖端得到松弛，促发t-ZrO2 m- ZrO2 的相变，产

31、生体积膨胀形成相变区。由的相变，产生体积膨胀形成相变区。由 此产生的相变应力又反作用于裂纹尖端，此产生的相变应力又反作用于裂纹尖端， 降低了裂纹尖端降低了裂纹尖端 的应力集中程度，发生的应力集中程度，发生 所谓的钝化反应，减缓或完所谓的钝化反应，减缓或完 全抑制了裂全抑制了裂 纹的扩展，从而提高断裂韧性纹的扩展，从而提高断裂韧性 2）微裂纹增韧）微裂纹增韧 在陶瓷基体相和分散相之在陶瓷基体相和分散相之 间，由于温度变化引起的间，由于温度变化引起的 热膨胀差或相变引起的体热膨胀差或相变引起的体 积差，积差， 会产生弥散均布的会产生弥散均布的 微裂纹微裂纹 4 提高陶瓷材料断裂韧性的常用方法提高陶

32、瓷材料断裂韧性的常用方法 当主裂纹扩展时，这些均匀分布当主裂纹扩展时，这些均匀分布 的微裂的微裂 纹会促使主裂纹分叉，使纹会促使主裂纹分叉，使 主裂纹扩展路径曲折前进，增加主裂纹扩展路径曲折前进，增加 了扩展过程中的表面了扩展过程中的表面 能，从而使能，从而使 裂纹快速扩展受到阻碍，增加了裂纹快速扩展受到阻碍，增加了 材料的韧性。材料的韧性。 3）裂纹偏转增韧机制）裂纹偏转增韧机制 裂纹在扩展过程中遇到晶界、裂纹在扩展过程中遇到晶界、 第二相颗粒或残余应力场时，第二相颗粒或残余应力场时， 将偏离原来运动方向产生非将偏离原来运动方向产生非 平平 面型裂纹，称之为裂纹偏转。面型裂纹，称之为裂纹偏转

33、。 4 提高陶瓷材料断裂韧性的常用方法提高陶瓷材料断裂韧性的常用方法 裂纹偏转意味着裂纹扩展路径将被增长，同时，由于裂纹平面裂纹偏转意味着裂纹扩展路径将被增长，同时，由于裂纹平面 不再垂直于张应不再垂直于张应 力方向而使得裂纹尖端的应力强度降低，因而，力方向而使得裂纹尖端的应力强度降低，因而， 裂纹偏转将增大材料的韧性。裂纹偏转将增大材料的韧性。 4）裂纹弯曲增韧机制）裂纹弯曲增韧机制 裂纹弯曲是由于裂纹障碍（基体裂纹弯曲是由于裂纹障碍（基体 相中存在断裂能更大的第相中存在断裂能更大的第 二相增二相增 强剂如颗粒、晶须）形成的。裂强剂如颗粒、晶须）形成的。裂 纹扩展时，其前沿越过第二障碍纹扩展

34、时，其前沿越过第二障碍 相，形成裂纹弯曲。相，形成裂纹弯曲。 5）裂纹桥联增韧机制）裂纹桥联增韧机制 桥联增韧是指由增强元连接扩展桥联增韧是指由增强元连接扩展 裂纹的两表面形成裂纹闭合力而裂纹的两表面形成裂纹闭合力而 导致脆性基体导致脆性基体 材料增韧的方法材料增韧的方法 裂纹表面桥联作用可以分为两种裂纹表面桥联作用可以分为两种 形式形式 4 提高陶瓷材料断裂韧性的常用方法提高陶瓷材料断裂韧性的常用方法 刚性第二相导致裂纹桥联刚性第二相导致裂纹桥联 韧性第二相导致裂纹桥联韧性第二相导致裂纹桥联 当桥联相为刚性时，桥联增韧当桥联相为刚性时，桥联增韧 需要第二相增强组元与基体相需要第二相增强组元与

35、基体相 有有显微结构显微结构特征要求以及特征要求以及残余残余 热应力热应力的存在或适当的的存在或适当的相界面相界面 结合状态结合状态。 显微结构特征显微结构特征指第二相具有一指第二相具有一 定的长径比，它们可定的长径比，它们可 以是纤维以是纤维 或者晶须、柱状粒子、片状粒或者晶须、柱状粒子、片状粒 子、甚至具子、甚至具 有大长径比的基体有大长径比的基体 相颗粒同样可以发挥桥联作用。相颗粒同样可以发挥桥联作用。 热膨胀性能失配引起热膨胀性能失配引起的较大残余应的较大残余应 力可能在裂纹力可能在裂纹 尖端的尾部上形成尖端的尾部上形成 一个一个压应力区压应力区作为一个完整的韧作为一个完整的韧 带存在

36、带存在 4 提高陶瓷材料断裂韧性的常用方法提高陶瓷材料断裂韧性的常用方法 弱的界面结合弱的界面结合可以通过界面滑可以通过界面滑 动、解离甚至第二相拔出来形动、解离甚至第二相拔出来形 成裂纹表面桥联作用而增韧成裂纹表面桥联作用而增韧 6）韧性相增韧）韧性相增韧 陶瓷材料中分布着韧性相，韧陶瓷材料中分布着韧性相，韧 性相会在裂纹扩展中起附加吸性相会在裂纹扩展中起附加吸 收能量的作用。收能量的作用。 裂纹尖端附近韧性相出现较大范裂纹尖端附近韧性相出现较大范 围的塑性变形，消耗变形功；围的塑性变形，消耗变形功； 裂纹尖端塑变可以松弛应力。裂纹尖端塑变可以松弛应力。 7）纤维、晶须增韧）纤维、晶须增韧

37、弥散于陶瓷基体构成复合材料时，弥散于陶瓷基体构成复合材料时， 纤维或晶须能为纤维或晶须能为 基体分担大部分基体分担大部分 外加应力而产生强化外加应力而产生强化 弥散于陶瓷基体构成复合材料，弥散于陶瓷基体构成复合材料， 纤维或晶须能为基体分担大部分纤维或晶须能为基体分担大部分 外加应力而产生强化。外加应力而产生强化。 当有裂纹时，当有裂纹时， 裂纹为避开纤维或裂纹为避开纤维或 晶须，沿着基体与纤维或晶须界晶须，沿着基体与纤维或晶须界 面传播，使裂纹扩展途径出现弯面传播，使裂纹扩展途径出现弯 曲从而使断裂能增加而增韧。曲从而使断裂能增加而增韧。 纤维或晶须也可能从基体中拔出，纤维或晶须也可能从基体

38、中拔出， 消耗部分能量；同时在接近尖端消耗部分能量；同时在接近尖端 后部，部分未拔出或末断裂的纤后部，部分未拔出或末断裂的纤 维或晶须桥接上下裂纹面，降低维或晶须桥接上下裂纹面，降低 应力集中，提高韧性。应力集中，提高韧性。 8）表面残余压应力增韧）表面残余压应力增韧 第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度 5弹塑性条件下金属断裂韧度概述弹塑性条件下金属断裂韧度概述 广泛使用的中、低强度钢广泛使用的中、低强度钢s低，低， KIC高，高， 其中对于小型机件而言，其中对于小型机件而言， 裂纹尖端塑性区尺寸较大，接近裂纹尖端塑性区尺寸较大，接近 甚至超过裂纹尺寸，已属于大范甚至超过裂纹尺寸，已属

39、于大范 围屈服条件，裂纹扩展前已整体围屈服条件，裂纹扩展前已整体 屈服。屈服。 大尺寸构件，尺寸大，平面应大尺寸构件，尺寸大，平面应 变，屈服区小，变，屈服区小， KIC 适用。测试适用。测试 时，试样尺寸大，困难。时，试样尺寸大，困难。 一、一、J积分的意义和特性积分的意义和特性 设有一单位厚度的设有一单位厚度的I型裂纹体，逆型裂纹体，逆 时针取一回路时针取一回路 其所包围的体积内应变能密度为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回路上任一点作用应力为T. 在弹性状态下，在弹性状态下，所包围体积所包围体积 的系统势能，等于弹性应变能的系统势能，等于弹性应变能 和外力功之差和外

40、力功之差U=Ue -W 第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度 因厚度为因厚度为1，故裂纹尖端的，故裂纹尖端的G为为 I e UU GUW AB aa 内总应变能为内总应变能为: ee UdUdxdy 外力在该点所做的功为外力在该点所做的功为: WdWu TdS dsT x u dyGI 这就是在线弹性条件下这就是在线弹性条件下G的能量的能量 线积分的表达式。线积分的表达式。 在弹塑性条件下，如将应变能在弹塑性条件下，如将应变能 密度密度定义为弹塑性应变能密度，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也存在该式等号右端的能量线积 分，分，Rice将其定义为将其定义为J 积分。

41、积分。 u JdyT ds x JI 为为I型裂纹的能量线积分型裂纹的能量线积分 在线弹性条件下，在线弹性条件下，JI=GI=KI2/E 在弹塑性小应变条件下，上式也在弹塑性小应变条件下，上式也 成立。同时，在小应变条件下，成立。同时，在小应变条件下， J积分和路径积分和路径无关，即无关，即J的守恒的守恒 性。性。 第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度 J积分的断裂判据就是积分的断裂判据就是G判据的判据的 延伸，或将线弹性条件下延伸，或将线弹性条件下G延伸延伸 到弹塑性断裂，到弹塑性断裂，J 表达形式表达形式G相相 似。似。 在弹塑性条件下，表达式相同，在弹塑性条件下，表达式相同， 但物

42、理概念有所不同但物理概念有所不同 G：在线弹性条件下：在线弹性条件下G的概念是的概念是 一个含有裂纹尺寸为一个含有裂纹尺寸为a的试样，的试样， 当裂纹尺寸扩展为当裂纹尺寸扩展为a+da 时系统时系统 能量的释放率。能量的释放率。 J：在弹塑性条件下，则是两个：在弹塑性条件下，则是两个 试样：试样： 一个尺寸为一个尺寸为a的裂纹，而另一个的裂纹，而另一个 试样的裂纹尺寸为试样的裂纹尺寸为a+da ，两者，两者 在加载过程中形变功之差。在加载过程中形变功之差。 J不能描述裂纹的扩展过程，不不能描述裂纹的扩展过程，不 允许卸载情况发生。允许卸载情况发生。 5 弹塑性条件下金属断裂韧度概述弹塑性条件下

43、金属断裂韧度概述 J积分也可用能量率的形式来表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，达，即在弹塑性小应变条件下， JI =GI成立，这是用试验方法测成立，这是用试验方法测 定定JIC的理论根据。的理论根据。 只要测出阴影面积只要测出阴影面积OABO和和a， 便可计算便可计算JI 值。值。 塑性变形是不可逆的，因此求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象。但裂纹扩展意味着有部分区 域卸载。域卸载。 所以，在弹塑性条件下，所以，在弹塑性条件下， JI不能不能 象象GI那样理解为裂纹扩展时系统那样理解为

44、裂纹扩展时系统 势能的释放率。势能的释放率。 应理解为：应理解为：裂纹相差单位长度的裂纹相差单位长度的 两个等同试样，加载到等同位移两个等同试样，加载到等同位移 时时 ，势能差值与裂纹面积差值的，势能差值与裂纹面积差值的 比率，即所谓形变功差比率，即所谓形变功差 率。率。 通常通常J积分不能处理裂纹的连续积分不能处理裂纹的连续 扩张问题，其临界值只是开裂点，扩张问题，其临界值只是开裂点， 不一定是失稳断裂点。不一定是失稳断裂点。 5 弹塑性条件下金属断裂韧度概述弹塑性条件下金属断裂韧度概述 JIC判据判据 1）在弹塑性小应变条件下）在弹塑性小应变条件下 JIJIC 此时，裂纹就会开始扩展，但不此时，裂纹就会开始扩展，但不 能判断其是否失稳断裂。能判断其是否失稳断裂。 平面应变条件下，平面应变条件下，J积分的临界积分的临界 值值JIC也称断也称断 裂韧度，裂韧度，表示材料表示材料 抵抗裂纹开始扩展的能力抵抗裂纹开始扩展