第4章 材料的断裂韧性

1、1主讲人主讲人: : 张宁张宁2v 一、线弹性条件下的金属断裂韧度一、线弹性条件下的金属断裂韧度v 二、断裂韧度二、断裂韧度KIC的测试的测试v 三、影响断裂韧度三、影响断裂韧度KIC的因素的因素v 四、断裂韧度在金属材料中的应用举例四、断裂韧度在金属材料中的应用举例v 五、弹塑性条件下金属断裂韧度的基本概五、弹塑性条件下金属断裂韧度的基本概 念念第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度3v 为了防止断裂失效，传统的力学强度理论是根据材料为了防止断裂失效，传统的力学强度理论是根据材料的屈服强度，用强度储备方法确定机件的工作应力。的屈服强度，用强度储备方法确定机件的工作应力。v 然后再考虑机件

2、的一些特点（如存在口）及环境温度然后再考虑机件的一些特点（如存在口）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，感度提出附加要求，v 据此设计的机件，原则上来讲是不会发生塑性变形和据此设计的机件，原则上来讲是不会发生塑性变形和断裂的，安全可靠，但是实际情况不同，对高强度、断裂的，安全可靠，但是实际情况不同，对高强度、超高强度钢的机件，中低强度钢的大型、重型机件，超高强度钢的机件，中低强度钢的大型、重型机件，如火箭壳体、大型转子、船舶、桥梁等如火箭壳体、大型转子、船舶、桥梁等经常在屈服应经常在屈服应力以下发生低应力脆性断

3、裂。力以下发生低应力脆性断裂。第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度4v 由于裂纹破坏了材料的均匀连续性，改变了材料内部由于裂纹破坏了材料的均匀连续性，改变了材料内部应力状态和应力分布，所以机件的结构性能就不再相应力状态和应力分布，所以机件的结构性能就不再相似于无裂纹的试样性能，传统的力学强度理论就不再似于无裂纹的试样性能，传统的力学强度理论就不再适用。适用。v 因此，需要研究新的因此，需要研究新的强度理论和材料性能评价指标强度理论和材料性能评价指标，以解决低应力脆断问题。以解决低应力脆断问题。v 断裂力学断裂力学就是在这种背景下发展起来的一门新型断裂就是在这种背景下发展起来的一门新型断裂

4、强度科学，是在承认机件存在强度科学，是在承认机件存在宏观裂纹的前提宏观裂纹的前提下，建下，建立了裂纹扩展的各种新的力学参量，并提出了含裂纹立了裂纹扩展的各种新的力学参量，并提出了含裂纹体的体的断裂判据和材料断裂韧度断裂判据和材料断裂韧度。v 本章从材料的角度出以，在简要介绍断裂力学基本原本章从材料的角度出以，在简要介绍断裂力学基本原理的基础上，着重讨论线弹性条件下金属断裂韧度的理的基础上，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。意义、测试原理和影响因素。第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度5v大量断口分析表明，大量断口分析表明，金属机件的低应力脆断断口金属机件的低应力

5、脆断断口没有宏观塑性变形痕迹，没有宏观塑性变形痕迹，所以可以认为裂纹在断所以可以认为裂纹在断裂扩展时，裂扩展时，尖端总处于弹性状态，应力尖端总处于弹性状态，应力-应变应呈应变应呈线性关系线性关系。v因此，研究低应力脆断的裂纹扩展问题时，可以因此，研究低应力脆断的裂纹扩展问题时，可以用弹性力学理论，从而构成了用弹性力学理论，从而构成了线弹性断裂力学线弹性断裂力学。第一节第一节 线弹性条件下金属断裂韧度线弹性条件下金属断裂韧度6分析裂纹体断裂问题有两种方法分析裂纹体断裂问题有两种方法v(1) 应力应变分析方法：应力应变分析方法：考虑裂纹尖端附近的考虑裂纹尖端附近的应力场强度，得到相应的断裂应力场强

6、度，得到相应的断裂K判据。判据。v(2) 能量分析方法：能量分析方法：考虑裂纹扩展时系统能量考虑裂纹扩展时系统能量的变化，建立能量转化平衡方程，得到相应的的变化，建立能量转化平衡方程，得到相应的断裂断裂G判据。判据。第一节第一节 线弹性条件下金属断裂韧度线弹性条件下金属断裂韧度7一、裂纹扩展的基本形式一、裂纹扩展的基本形式v 1. 张开型（张开型（I型）裂纹扩展型）裂纹扩展 拉应力垂直于裂纹扩展面，拉应力垂直于裂纹扩展面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展，如压力容器纵裂纹面扩展，如压力容器纵向裂纹在内应力下的扩展。向裂纹在内应力下的扩展。v 2. 滑开型（滑开型（II

7、型）裂纹扩展型）裂纹扩展 切应力平行作用于裂纹面，切应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹线垂直，裂纹沿而且与裂纹线垂直，裂纹沿裂纹面平行滑开扩展，如花裂纹面平行滑开扩展，如花键根部裂纹沿切向力的扩展。键根部裂纹沿切向力的扩展。v 3. 撕开型（撕开型（III型）裂纹扩展型）裂纹扩展切应力平行作用于裂纹面，切应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹线平行，裂纹沿而且与裂纹线平行，裂纹沿裂纹面撕开扩展，如轴的纵、裂纹面撕开扩展，如轴的纵、横裂纹在扭矩作用下的扩展。横裂纹在扭矩作用下的扩展。第一节第一节 线弹性条件下金属断裂韧度线弹性条件下金属断裂韧度8二、应力场强度因子二、应力场强度因子KI及断裂韧度及断裂韧

8、度KICv 对于张开型裂纹试样，拉伸或弯曲时，其裂纹尖端处于对于张开型裂纹试样，拉伸或弯曲时，其裂纹尖端处于更复杂的应力状态，最典型的是更复杂的应力状态，最典型的是平面应力和平面应变平面应力和平面应变两两种应力状态。种应力状态。v 平面应力：平面应力：指所有的应力都在一个平面内，指所有的应力都在一个平面内，v 平面应力问题主要讨论的弹性体是薄板，薄壁厚度远远平面应力问题主要讨论的弹性体是薄板，薄壁厚度远远小于结构另外两个方向的尺度。薄板的中面为平面，所小于结构另外两个方向的尺度。薄板的中面为平面，所受外力均平行于中面面内，并沿厚度方向不变，而且薄受外力均平行于中面面内，并沿厚度方向不变，而且薄

9、板的两个表面不受外力作用。板的两个表面不受外力作用。v 平面应变：平面应变：指所有的应变都在一个平面内。指所有的应变都在一个平面内。v 平面应变问题比如压力管道、水坝等，这类弹性体是具平面应变问题比如压力管道、水坝等，这类弹性体是具有很长的纵向轴的柱形物体，横截面大小和形状沿轴线有很长的纵向轴的柱形物体，横截面大小和形状沿轴线长度不变，作用外力与纵向轴垂直，且沿长度不变，柱长度不变，作用外力与纵向轴垂直，且沿长度不变，柱体的两端受固定约束。体的两端受固定约束。xy第一节第一节 线弹性条件下金属断裂韧度线弹性条件下金属断裂韧度9（一）裂纹尖端应力场（一）裂纹尖端应力场v由于裂纹扩展是从尖端由于裂

10、纹扩展是从尖端开始进行的，所以应该开始进行的，所以应该分析裂纹尖端的应力、分析裂纹尖端的应力、应变状态，建立裂纹扩应变状态，建立裂纹扩展的力学条件。展的力学条件。v欧文（欧文（G. R. Irwin）等）等人人对对I型（张开型）裂纹型（张开型）裂纹尖端附近的应力应变进尖端附近的应力应变进行了分析，建立了应力行了分析，建立了应力场、位移场的数学解析场、位移场的数学解析式。式。第一节第一节 线弹性条件下金属断裂韧度线弹性条件下金属断裂韧度10应力分量：应力分量：3cos(1 sinsin)22223cos(1 sinsin)2222()(0(3sincoscos2222IxIyzxyzIxyKrK

11、rKr 平面应变)平面应力)第一节第一节 线弹性条件下金属断裂韧度线弹性条件下金属断裂韧度11位移分量（平面应变状态）：位移分量（平面应变状态）：2212cos 1 2sin2212sin 2(1) cos22IIruKErvKE第一节第一节 线弹性条件下金属断裂韧度线弹性条件下金属断裂韧度12（二）应力场强度因子（二）应力场强度因子KIv裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定其位置外，尚裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定其位置外，尚与强度因子与强度因子KI有关。有关。v对于某一确定的点，其应力分量由对于某一确定的点，其应力分量由KI决定，所以对于决定，所以对于确定的位置，确定的位置，KI直接影响

12、应力场的大小，直接影响应力场的大小，KI增加，则增加，则应力场各应力分量也越大应力场各应力分量也越大。v因此，因此，KI就可以表示应力场的强弱程度，称为就可以表示应力场的强弱程度，称为应力场应力场强度因子强度因子。第一节第一节 线弹性条件下金属断裂韧度线弹性条件下金属断裂韧度13第一节第一节 线弹性条件下金属断裂韧度线弹性条件下金属断裂韧度14第一节第一节 线弹性条件下金属断裂韧度线弹性条件下金属断裂韧度15（三）断裂韧度（三）断裂韧度KIc和断裂和断裂K判据判据vKI是决定应力场强弱的一个复合力学参量，就可是决定应力场强弱的一个复合力学参量，就可将它看作是推动裂纹扩展的动力，以建立裂纹失将它

13、看作是推动裂纹扩展的动力，以建立裂纹失稳扩展的力学判据与断裂韧度。稳扩展的力学判据与断裂韧度。v当当和和a单独或共同增大时，单独或共同增大时，KI和裂纹尖端的各应和裂纹尖端的各应力分量随之增大。力分量随之增大。v当当KI增大到临界值时，也就是说裂纹尖端足够大增大到临界值时，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。稳扩展而导致断裂。v这个临界或失稳状态的这个临界或失稳状态的KI值就记作值就记作KIC或或KC，称为，称为断裂韧度。断裂韧度。第一节第一节 线弹性条件下金属断裂韧度线弹性条件下金属断裂韧度16vKIC：

14、平面应变下的断裂韧度，表示在平面应变条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。件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。vKC：平面应力断裂韧度，表示平面应力条件材料平面应力断裂韧度，表示平面应力条件材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。抵抗裂纹失稳扩展的能力。v但但KC值与试样厚度有关，当试样厚度增加，使裂值与试样厚度有关，当试样厚度增加，使裂纹尖端达到平面应变状态时，断裂韧度趋于一个纹尖端达到平面应变状态时，断裂韧度趋于一个稳定的最低值，就是稳定的最低值，就是KIC，与试样厚度无关。，与试样厚度无关。v在临界状态下所对应的平均应力，称为断裂应力在临界状态下所对应的平均应力，称为断

15、裂应力或裂纹体断裂强度，记为或裂纹体断裂强度，记为c，对应的裂纹尺寸称，对应的裂纹尺寸称为临界裂纹尺寸，记作为临界裂纹尺寸，记作ac。第一节第一节 线弹性条件下金属断裂韧度线弹性条件下金属断裂韧度17KI和和KIC的区别：的区别：v应力场强度因子应力场强度因子KI增大到临界值增大到临界值KIC时，材料发生时，材料发生断裂，这个断裂，这个临界值临界值KIC称为断裂韧度称为断裂韧度。vKI是力学参量，与载荷、试样尺寸有关，而和材是力学参量，与载荷、试样尺寸有关，而和材料本身无关。料本身无关。vKIC是力学性能指标，只与材料组织结构、成分有是力学性能指标，只与材料组织结构、成分有关，与试样尺寸和载荷

16、无关。关，与试样尺寸和载荷无关。v根据根据KI和和KIC的相对大小，可以建立裂纹失稳扩展的相对大小，可以建立裂纹失稳扩展脆断的断裂脆断的断裂K判据，由于平面应变断裂最危险，判据，由于平面应变断裂最危险，通常以通常以KIC为标准建立：为标准建立：IICKK第一节第一节 线弹性条件下金属断裂韧度线弹性条件下金属断裂韧度18（四）裂纹尖端塑性区及（四）裂纹尖端塑性区及KI的修正的修正v从理论上来讲，按从理论上来讲，按KI建立的脆性断裂判据建立的脆性断裂判据KIKIC，只，只适用于弹性状态下的断裂分析。适用于弹性状态下的断裂分析。v实际上，金属材料在裂纹扩展前，其尖端附近总要先实际上，金属材料在裂纹扩

17、展前，其尖端附近总要先出现一个或大或小的塑性变形区，这与缺口前方存在出现一个或大或小的塑性变形区，这与缺口前方存在塑性区间相似，在塑性区内应力应变关系不是线性关塑性区间相似，在塑性区内应力应变关系不是线性关系，上述系，上述KI判据不再适用。判据不再适用。v试验表明：如果塑性区尺寸较裂纹尺寸试验表明：如果塑性区尺寸较裂纹尺寸a和静截面尺和静截面尺寸很小时，小一个数量级以上，在小范围屈服下，只寸很小时，小一个数量级以上，在小范围屈服下，只要对要对KI进行适当修正，裂纹尖端附近的应力应变场的进行适当修正，裂纹尖端附近的应力应变场的强弱程度仍可用修正的强弱程度仍可用修正的KI来描述。来描述。第一节第一

18、节 线弹性条件下金属断裂韧度线弹性条件下金属断裂韧度191. 塑性区的形状和尺寸塑性区的形状和尺寸v 为确定裂纹尖端塑性区的形状与尺寸，就要建立符为确定裂纹尖端塑性区的形状与尺寸，就要建立符合塑性变形临界条件的函数表达式合塑性变形临界条件的函数表达式r=f()，该式对应，该式对应的图形就代表塑性区边界形状，其边界值就是塑性的图形就代表塑性区边界形状，其边界值就是塑性区的尺寸。区的尺寸。v 根据材料力学，通过一点的主应力根据材料力学，通过一点的主应力1、2、3和和 x 、y 、z方向的各应力分量的关系为：方向的各应力分量的关系为：221222312()22()22()xyxyxyxyxyxy 第

19、一节第一节 线弹性条件下金属断裂韧度线弹性条件下金属断裂韧度20裂纹尖端附近任一点裂纹尖端附近任一点P(r,)的主应力：的主应力：1233cos(1 sin )222cos(1 sin )2220(2cos(22IIIKrKrKr平面应力)平面应变)第一节第一节 线弹性条件下金属断裂韧度线弹性条件下金属断裂韧度21塑性区边界曲线方程：塑性区边界曲线方程：22222221() cos(1 3sin)()22213() (1 2 ) cossin)(2242IsIsKrKr 平面应力平面应变)第一节第一节 线弹性条件下金属断裂韧度线弹性条件下金属断裂韧度22第一节第一节 线弹性条件下金属断裂韧度线

20、弹性条件下金属断裂韧度23v为了说明塑性区对裂纹在为了说明塑性区对裂纹在x方向扩展的影响，就方向扩展的影响，就将沿将沿x方向的塑性区尺寸定义为塑性区宽度，取方向的塑性区尺寸定义为塑性区宽度，取=0，就可以得到塑性区宽度：，就可以得到塑性区宽度：202201() (2(1 2 )() (2IsIsKrKr 平面应力)平面应变)第一节第一节 线弹性条件下金属断裂韧度线弹性条件下金属断裂韧度24v上述估算指的是在上述估算指的是在x轴上轴上裂纹尖端的应力分量裂纹尖端的应力分量yys的一段距离的一段距离AB，而没有考虑图中影线部分而没有考虑图中影线部分面积内应力松弛的影响。面积内应力松弛的影响。v这种应

21、力松弛可以增大塑这种应力松弛可以增大塑性区，由性区，由r0扩大至扩大至R0。v图中图中ys是在是在y方向发生屈方向发生屈服时的应力，称为服时的应力，称为y向有向有效屈服应力，效屈服应力，在平面应力在平面应力状态下，状态下，ys=s，在平面，在平面应变状态下，应变状态下， ys=2.5s。第一节第一节 线弹性条件下金属断裂韧度线弹性条件下金属断裂韧度25为求为求R0，从能量考虑，影线面积，从能量考虑，影线面积+矩形面积矩形面积ABDO=面积面积ACEO，即有，即有0002rIysKdrRr002IysrKR20222IIssKKR积分，得：积分，得：将平面应力的将平面应力的r0值代入，且值代入，

22、且ys=s，得：，得：2001()2IsKRr 可见，在平面应力条件下，考虑了应力松弛之后，平面应可见，在平面应力条件下，考虑了应力松弛之后，平面应力塑性区宽度正好是力塑性区宽度正好是r0的两倍。的两倍。第一节第一节 线弹性条件下金属断裂韧度线弹性条件下金属断裂韧度26v 厚板在平面应变条件下，塑性区是一个哑铃形的立体形厚板在平面应变条件下，塑性区是一个哑铃形的立体形状。中心是平面应变状态，两个表面都处于平面应力状状。中心是平面应变状态，两个表面都处于平面应力状态，所以态，所以y向有效屈服应力向有效屈服应力ys小于小于2.5s，取：，取：2 2yss第一节第一节 线弹性条件下金属断裂韧度线弹性

23、条件下金属断裂韧度27此时，平面应变的实际塑性区的宽度为：此时，平面应变的实际塑性区的宽度为：201()4 2IsKr在应力松弛影响下，平面应变塑性区的宽度为：在应力松弛影响下，平面应变塑性区的宽度为：所以在平面应变条件下，考虑了应力松弛的影响，其塑所以在平面应变条件下，考虑了应力松弛的影响，其塑性区宽度性区宽度R0也是原也是原r0的两倍。的两倍。201()2 2IsKR第一节第一节 线弹性条件下金属断裂韧度线弹性条件下金属断裂韧度28第一节第一节 线弹性条件下金属断裂韧度线弹性条件下金属断裂韧度292. 有效裂纹及有效裂纹及KI的修正的修正v 由于裂纹塑性区的存在，将会降低由于裂纹塑性区的存

24、在，将会降低裂纹体的刚度，相当于增加了裂纹裂纹体的刚度，相当于增加了裂纹长度，因而影响了应力场及长度，因而影响了应力场及KI的计的计算，所以要对算，所以要对KI进行修正。进行修正。v 最简单的方法是采用虚拟有效裂纹最简单的方法是采用虚拟有效裂纹代替实际裂纹。代替实际裂纹。v 如果将裂纹延长为如果将裂纹延长为a+ry，即裂纹顶，即裂纹顶点由点由O点虚移至点虚移至O，则称，则称a+ry为有为有效裂纹长度，则在尖端效裂纹长度，则在尖端O外的弹性外的弹性应力应力s分布为分布为GEH，基本上与因塑，基本上与因塑性区存在的实际应力曲线性区存在的实际应力曲线CDEF中中的弹性应力部分的弹性应力部分EF相重合

25、。相重合。v 这就是用有效裂纹代替原有裂纹和这就是用有效裂纹代替原有裂纹和塑性区松弛联合作用的原理。塑性区松弛联合作用的原理。第一节第一节 线弹性条件下金属断裂韧度线弹性条件下金属断裂韧度302. 对于大件表面半椭圆裂纹，对于大件表面半椭圆裂纹， ，所以，所以KI的修正公式为：的修正公式为：修正的修正的KI值为：值为：2222(1 0.16(/)(1 0.056(/)IsIsYaKYYaKY 平面应力)平面应变)22(1 0.5( /)(1 0.177( /)IsIsaKaK 平面应力)平面应变)1.1Y例如，例如，1. 对于无限板的中心穿透裂纹，考虑塑性区影响时，对于无限板的中心穿透裂纹，考

26、虑塑性区影响时，Y=1/2，所以所以KI的修正公式为：的修正公式为：22221.1(0.608(/)(0.212(/)IsIsaKaK 平面应力)平面应变)第一节第一节 线弹性条件下金属断裂韧度线弹性条件下金属断裂韧度31v一、试样的形状、尺寸及制备一、试样的形状、尺寸及制备第二节第二节 断裂韧度断裂韧度KIC的测试的测试32v由于这些尺寸比塑性区宽度由于这些尺寸比塑性区宽度R0大一个数量级，大一个数量级，所以可以保证裂纹尖端是平面应变和小范围屈所以可以保证裂纹尖端是平面应变和小范围屈服状态。服状态。v试样材料、加工和热处理方法也要和实际工件试样材料、加工和热处理方法也要和实际工件尽量相同，试

27、样加工后需要开缺口和预制裂纹。尽量相同，试样加工后需要开缺口和预制裂纹。第二节第二节 断裂韧度断裂韧度KIC的测试的测试33二、测试方法二、测试方法第二节第二节 断裂韧度断裂韧度KIC的测试的测试34v由于材料性能及试样尺寸由于材料性能及试样尺寸不同，不同，F-V曲线有三种类型：曲线有三种类型：v1. 材料较脆、试样尺寸足材料较脆、试样尺寸足够大时，够大时，F-V曲线为曲线为III型型v2. 材料韧性较好或试样尺材料韧性较好或试样尺寸较小时，寸较小时，F-V曲线为曲线为I型型v3. 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型型从从F-V曲线确定曲线确定FQ的方

28、法：的方法：第二节第二节 断裂韧度断裂韧度KIC的测试的测试35v一、一、KIC与常规力学性能指标之间的关系与常规力学性能指标之间的关系v（一）（一） KIC与强度、塑性间的关系与强度、塑性间的关系v对于穿晶解理断裂，裂纹形成并能扩展要满足一定的对于穿晶解理断裂，裂纹形成并能扩展要满足一定的力学条件，即拉应力要达到力学条件，即拉应力要达到c，而且拉应力必须作用，而且拉应力必须作用有一定范围或特征距离，才可能使裂纹过界扩展，从有一定范围或特征距离，才可能使裂纹过界扩展，从而实现解理断裂。而实现解理断裂。v无论是解理断裂还是韧性断裂，无论是解理断裂还是韧性断裂， KIC都是强度和塑性都是强度和塑性

29、的综合性能，而特征距离是结构参量。的综合性能，而特征距离是结构参量。第三节第三节 影响断裂韧度影响断裂韧度KIC的因素的因素36v（二）（二） KIC与冲击吸收功与冲击吸收功AKV之间的关系之间的关系v 由于裂纹和缺口不同，以及加载速率不同，所以由于裂纹和缺口不同，以及加载速率不同，所以KIC和和AKV的温度变化曲线不一样，由的温度变化曲线不一样，由KIC确定的韧脆转变温确定的韧脆转变温度比度比AKV的高。的高。第三节第三节 影响断裂韧度影响断裂韧度KIC的因素的因素37二、影响二、影响KIC的因素的因素v（一）材料成分、组织对（一）材料成分、组织对KIC的影响的影响v1. 化学成分的影响化学

30、成分的影响v 2. 基体相结构和晶粒大小的影响基体相结构和晶粒大小的影响v 3. 杂质和第二相的影响杂质和第二相的影响v 4. 显微组织的影响显微组织的影响第三节第三节 影响断裂韧度影响断裂韧度KIC的因素的因素38（二）影响（二）影响KIC的外界因素的外界因素v1. 温度温度v通常钢的通常钢的KIC都随着温度的降低而下降，然而都随着温度的降低而下降，然而KIC的变的变化趋势不同。化趋势不同。v中低强度钢都有明显的韧脆转变现象，在中低强度钢都有明显的韧脆转变现象，在tk以上，材以上，材料主要是微孔聚集型的韧性断裂，料主要是微孔聚集型的韧性断裂， KIC较高，而在较高，而在tk以下，材料主要为解

31、理型脆性断裂，以下，材料主要为解理型脆性断裂， KIC很低。很低。v2. 应变速率应变速率v应变速率提高，可使应变速率提高，可使KIC下降，通常应变速率每增加下降，通常应变速率每增加一个数量级，一个数量级，KIC约下降约下降10%。但是当应变速率很大。但是当应变速率很大时，形变热量来不及传导，造成绝热状态，导致局部时，形变热量来不及传导，造成绝热状态，导致局部升温，升温，KIC又有所增加。又有所增加。第三节第三节 影响断裂韧度影响断裂韧度KIC的因素的因素39第四节第四节 断裂韧度在金属材料中的应用举例断裂韧度在金属材料中的应用举例40第四节第四节 断裂韧度在金属材料中的应用举例断裂韧度在金属

32、材料中的应用举例41第四节第四节 断裂韧度在金属材料中的应用举例断裂韧度在金属材料中的应用举例42第四节第四节 断裂韧度在金属材料中的应用举例断裂韧度在金属材料中的应用举例43四、大型转轴断裂分析四、大型转轴断裂分析第四节第四节 断裂韧度在金属材料中的应用举例断裂韧度在金属材料中的应用举例44第四节第四节 断裂韧度在金属材料中的应用举例断裂韧度在金属材料中的应用举例45第四节第四节 断裂韧度在金属材料中的应用举例断裂韧度在金属材料中的应用举例46五、评定钢铁材料的韧脆性五、评定钢铁材料的韧脆性第四节第四节 断裂韧度在金属材料中的应用举例断裂韧度在金属材料中的应用举例1、超高强度钢的脆断倾向、超

33、高强度钢的脆断倾向2、中、低强度钢的脆断倾向、中、低强度钢的脆断倾向3、高强度钢的脆断倾向、高强度钢的脆断倾向4、球墨铸铁的脆断倾向、球墨铸铁的脆断倾向471、名词解释名词解释（1）低应力脆断）低应力脆断 v 高强度、超高强度钢的机件高强度、超高强度钢的机件 ，中低强度钢的大型、重，中低强度钢的大型、重型机件在屈服应力以下发生的断裂。型机件在屈服应力以下发生的断裂。 思考题与习题思考题与习题 （2）张开型（）张开型（I 型）裂纹型）裂纹 v 拉应力垂直作用于裂纹扩展面，裂纹沿作用力方向张开，拉应力垂直作用于裂纹扩展面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展的裂纹。沿裂纹面扩展的裂纹。 （3）应力场

34、强度因子）应力场强度因子 Kv 在裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于位置外，尚在裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于位置外，尚与强度因子与强度因子 有关，对于某一确定的点，其应力分量由有关，对于某一确定的点，其应力分量由 确定，确定， 越大，则应力场各点应力分量也越大，这样越大，则应力场各点应力分量也越大，这样 就可以表示应力场的强弱程度，称就可以表示应力场的强弱程度，称 为应力场强度因子。为应力场强度因子。 “I”表示表示I型裂纹。型裂纹。 KKKKK48（4）小范围屈服）小范围屈服 v 塑性区的尺寸较裂纹尺寸及净截面尺寸为小时（小一个塑性区的尺寸较裂纹尺寸及净截面尺寸为小时（小一个数量级

35、以上），这就称为小范围屈服。数量级以上），这就称为小范围屈服。 思考题与习题思考题与习题（5）有效屈服应力有效屈服应力 v 裂纹在发生屈服时的应力。裂纹在发生屈服时的应力。 （6）有效裂纹长度有效裂纹长度 v 因裂纹尖端应力的分布特性，裂尖前沿产生有塑性屈服因裂纹尖端应力的分布特性，裂尖前沿产生有塑性屈服区，屈服区内松弛的应力将叠加至屈服区之外，从而使区，屈服区内松弛的应力将叠加至屈服区之外，从而使屈服区之外的应力增加，其效果相当于因裂纹长度增加屈服区之外的应力增加，其效果相当于因裂纹长度增加ry后对裂纹尖端应力场的影响，经修正后的裂纹长度即后对裂纹尖端应力场的影响，经修正后的裂纹长度即为有效

36、裂纹长度为有效裂纹长度: a+ry。 49（7）裂纹扩展裂纹扩展K判据判据 v 裂纹在受力时只要满足裂纹在受力时只要满足 ， 就会发生脆性断裂。反就会发生脆性断裂。反之，即使存在裂纹，若之，即使存在裂纹，若 也不会断裂。也不会断裂。 思考题与习题思考题与习题（8）裂纹扩展能量释放率裂纹扩展能量释放率GI v I型裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值。型裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值。 （9） v 裂纹张开位移。裂纹张开位移。 ICIKK ICIKK 503、试述低应力脆断的原因及防止方法。、试述低应力脆断的原因及防止方法。 v低应力脆断的原因：在材料的生产、机件的加工和低应力脆断的原因：在材料的生产、机件的加工和使用过程中产生不可避免的宏观裂纹，从而使机件使用过程中产生不可避免的宏观裂纹，从而使机件在低于屈服应力的情况发生断裂。在低于屈服应力的情况发生断裂。 v预防措施：将断裂判据用于机件的设计上，在给定预防措施：将断裂判据用于机件的设计上，在给定裂纹尺寸的情况下，确定机件允许的最大工作应力，裂纹尺寸的情况下，确定机件允许的最大工作应力，或