金属材料的断裂韧度

1、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JIC 1030250001 贾金斗九、裂纹尖端张开位移（CTOD）及断裂韧度c 1030250056 邵利超金属的裂韧度金属的裂韧度K KICIC断

2、裂韧度与常规力学性能指标之间断裂韧度与常规力学性能指标之间的关系的关系章新洋章新洋 10材料科学（材料科学（2班）班）学号：学号：1030250060（一）断裂韧度与强度、塑性之间的关系（一）断裂韧度与强度、塑性之间的关系1 1、韧性断裂模型、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。ySdTrKIy2塑性区应变为eyrEKEeIyy2r=dT时dTEKeIy2ey=eb=n时K = KCdTEnKIC2钢中夹杂物对KC影响.夹杂物越多,间距越小, KC越小.ySdTrKIy2塑性区应变为ey21*

3、)(CfysICXEK2/1*)(cfsyICXEKn-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*f-临界断裂应变2 2、解理或沿晶脆性断裂、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)2/102/1 1) 1exp(9 . 2SCSICK0 裂纹尖端曲率半径2/12/ )1 (2/ )1 ()/()(cnsyncICXKn-应变硬化指数Xc-特征距离,23个晶粒尺寸（二）断裂韧度与冲击韧度之间的关系（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

4、量材料韧性的指标应力集中程度、应力状态、加载速率tK1tK2t0tAKVKICAKVKIC茹尔夫对中、高强度钢试验得到：茹尔夫对中、高强度钢试验得到：)01. 0(79. 02/12 . 02 . 0KVICAKMPa.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

5、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KICA钢KIC P钢KIC 、M钢KIC应用实

6、例：超高强度奥氏体钢又称相变诱发塑性钢断裂韧性极高断裂韧性极高 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：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：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

7、，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)KI

8、C(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KICM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，使材料的强度强度、塑性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

9、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：包括结构设计和第一是设计：包括结构设计和材料选择材料选择 根据材料的断裂韧度，计算结构的许用应力，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；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。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：第二是校核：根据结构要求的承载能力、材料的断裂韧度，计算材料根据结构要求的承载能力、材料的断裂韧度，计

10、算材料的的临界裂纹尺寸临界裂纹尺寸，与实测的裂纹尺寸相比较，校核结构，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。的安全性，判断材料的脆断倾向。第三是材料开发：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，开发新材料织结构，开发新材料安全校核 例例1 1：有一大型圆筒式容器由高强度钢焊接而成，如图有一大型圆筒式容器由高强度钢焊接而成，如图4-16所示。钢板厚度所示。钢板厚度t=5mm，圆筒内径，圆筒内径D=1500mm；所用；所用材料的材料的0.2=1800MPa，KIC=62MPam1/2。焊接后发现

11、焊缝表面有纵向半焊接后发现焊缝表面有纵向半椭圆裂纹，尺寸为椭圆裂纹，尺寸为2c=6mm，a=0.9mm。试问该容器能否在。试问该容器能否在p=6MPa的压力下正常工作？的压力下正常工作？根据材料力学，裂纹所受垂直拉应力为：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将有关数据代入上式得5 . 018009002 . 0由于不必考虑塑性区的修正不必考虑塑性区的修正还可以用什么方法进行计算？还可以用什么方法进行计算？显然，显然， c，不会发生爆破，可以正常工作。，不会发生爆破，可以正常工作。对于表面半椭圆裂纹，对于表面半椭圆裂纹，当当a/c=0.9/3=0.3时，查附录表得时，查附录表

12、得=1.10，将有数值代，将有数值代入上式得入上式得aKYICc1/1.1Y高压壳体的热处理工艺选择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，其周向工作拉有一火箭壳体承受很高的工作压力，其周向工作拉应力应力=1400MPa。采用超高强度钢制造，焊接后往往。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发现有纵向表面半椭圆裂纹 (a=lmm,a/c=0.6) 。现有两。现

13、有两种材料，其性能如下种材料，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问从断裂力学角度考虑，应选用哪种材料为妥? 2 . 02 . 02178mMPaKc2147mMPaKc现分别求得两种材料的断裂应力现分别求得两种材料的断裂应力 和和 。 对于材料对于材料A: 由于由于 =1400/1700=0.82，所以必须考虑塑性区修，所以必须考虑塑性区修正问题。正问题。 因因 将其代入（将其代入（4-16），可得），可得 的修正值的修正值:CACB2 . 01.1YK22212. 01 . 1saK根据此式，求得断裂应力根据

14、此式，求得断裂应力 的计算式为的计算式为因因 a/c =0.6，查表得，查表得 父爱父爱=1.28。将有关数值代入上式。将有关数值代入上式后，得后，得:22 . 0212. 08 . 3cccKaKMPaMPaCA1532170078212. 0001. 08 . 37828. 12对于材料对于材料B:由于由于 =1400/2100=0.67，不必考虑塑性区的修正，则有，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。说明会产生脆性断裂，因而不安全。2 . 02 . 0MPaMPaaKaKYccCB976001. 01 . 14728. 11 . 11下面比较下面比较K KI I与

15、来选择材料与来选择材料K KICIC对于材料对于材料A：82.0170014002.0由于22.02I)/(212.0a1.1K)(71)1700/1400(212. 062. 1001. 014. 314001 . 1K212ImMPa当当a/c=0.6时，查表可得时，查表可得2=1.62，将有关数据代入上式，得：，将有关数据代入上式，得：说明使用材料说明使用材料A不会发生脆性断裂，可以选用。不会发生脆性断裂，可以选用。必需考虑塑性区的修正必需考虑塑性区的修正KIKIC67. 0210014002 . 0由于a1.1KI)(6862. 1001. 014. 314001 . 1K21ImMP

16、a同样查表可得同样查表可得2=1.62，将有关数据代入上式，得：，将有关数据代入上式，得：由此可见，由此可见，KIKIC，说明使用材料，说明使用材料B会发生脆性断裂，不会发生脆性断裂，不可选用。可选用。不必考虑塑性区的修正不必考虑塑性区的修正对于材料对于材料B：高强钢容器水爆断裂失效分析高强钢容器水爆断裂失效分析 解题思路简介解题思路简介 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 例例3 3：有一化工合成塔，直径为有一化工合成塔，直径为D=3200mm ，工作压力，工作压力p=6MPa，选用材料为，选用材料为0.2=1200MPa

17、，KIC=58MPam1/2，厚，厚度度t=16mm。制作过程中，经探伤发现在纵焊缝中，存在一。制作过程中，经探伤发现在纵焊缝中，存在一纵向椭圆裂纹，纵向椭圆裂纹，2a=4mm， 2c=6mm。试校核该合成塔能否。试校核该合成塔能否安全运行。安全运行。)(4490cos003. 0002. 090sin74. 1002. 014. 36002/ 14/ 12222mMPaKIKIKIC，说明不会发生脆性断裂，该合成塔可以安全使用。，说明不会发生脆性断裂，该合成塔可以安全使用。大型转轴断裂分析大型转轴断裂分析 1010材科材科2 2 阮冬祥阮冬祥 10302500381030250038失效分析

18、 例例4 4：某冶金厂大型纯氧顶吹转炉的转动机械主轴，在工作某冶金厂大型纯氧顶吹转炉的转动机械主轴，在工作时经时经61次摇炉炼钢后发生低应力脆断。其断口示意图如图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，该轴材料为所示，该轴材料为40Cr钢，经调质处理后常规力学性能指钢，经调质处理后常规力学性能指标完全合格，标完全合格，0.2=600MPa，b=860 MPa，AKU=38J，=8%。现用断裂力学分析其失效原因。现用断裂力学分析其失效原因。断口分析：断口分析： 该轴为疲劳断裂，裂纹源在圆该轴为疲劳断裂，裂纹源在圆角处，形成深度达角处，形成深度达185mm185mm的疲劳扩展的疲

19、劳扩展区，区，相当于一个相当于一个c c185mm185mm的表面环的表面环状裂纹状裂纹。 金相分析：金相分析： 疲劳裂纹源处的疲劳裂纹源处的硫化物夹杂硫化物夹杂级别较高，该处是薄弱级别较高，该处是薄弱区。区。 受力分析：受力分析： =外外+内内=25MPa+120MPa=145MPa 表面环状裂纹为表面环状裂纹为浅长表面半椭圆裂纹浅长表面半椭圆裂纹， c185mm；)(180)(180.014512095.1122mmmacKIC=120MPam1/2Y1.95221CICcKYa这就是按断裂力学算得的转轴低应力脆断的临界裂纹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

20、的尺寸。和实际断口分析的185mm相比，比较吻合，相比，比较吻合，说明分析正确。说明分析正确。 由此可见，对于中、低强度钢，尽管其临由此可见，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，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。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评定钢铁材料的韧脆性103025003310材科材科2班班邓雄文邓雄文表面半椭圆裂纹表面半椭圆裂纹Y=2评定钢铁材料的韧脆性评定

21、钢铁材料的韧脆性 断裂韧度断裂韧度K KICIC 断裂应力断裂应力c c 临界裂纹尺寸临界裂纹尺寸a ac caYKI 225. 0ICcKa1. 1. 超高强度钢的脆断倾向超高强度钢的脆断倾向 这类刚强度很高， 0.21400MPa 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=78MPam1/2 )( 11250/7825. 02mmac选材原则：选材原则：KIC较高而较高而0.2较低材料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

22、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. 2. 中、低强度钢的脆断倾向中、低强度钢的脆断倾向 这类钢强度不高（ 0.2700MPa ）在低温下发生韧脆韧脆转变。 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=150MPam1/2, 在脆性区，KIC=3040MPam1/2 甚至更低。 这类钢的设计工作应力很低，往往在200 MPa以下。取工作应力为200 MPa，则在韧性区KIC=150MPam1/2 ，ac0.25(150/200)2=140 mm。 因用中低

23、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=5.6 mm。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。高强度钢和高强度钢和球墨铸铁球墨铸铁的脆断倾向的脆断倾向10材科材科2班班 李天杭李天杭 学号：学号：1030250057 高强度刚的脆断倾向 这类钢强度较高0.2 =8001200MPa，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

24、碳钢等温淬火后获得下贝氏体组织。球墨铸铁球墨铸铁的脆断倾向的脆断倾向 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aKU0球墨铸铁球墨铸铁的的化学成分化学成分 球墨铸铁的大致化学成分范围是：球墨铸铁的大致化学成分范围是：3.63.63.9%C3.9%C，2.02.03.2%Si3.2%Si，0.30.30.8%Mn0.8%Mn，0.1%P0.1%P，0.07%S0.07%S，0.030.030.08%Mg0.08%Mg残残。由于球化剂的加入将阻碍石。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，所以必墨

25、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。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。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飞边胀砂气孔缩孔、疏松球化不良和球化衰退主要缺陷裂纹冷隔偏芯砂眼名称特征飞边产生在分型面、分芯面处厚度不均匀薄片状金属突起物。胀砂铸件表面局部胀大，形成不规则瘤状金属

26、突起物。气孔气孔出现在铸件内部或表层截面呈圆形、壁较光滑。缩孔、疏松形状不规则，表面粗糙，断口呈海绵状。冷隔冷隔：穿透或不穿透的缝隙，边缘呈圆角状，充型时熔合不良造成。球化不良和球化衰退球化不良：球化剂加入不足以使铸铁石墨充分球化。球化衰退：球化处理后铁液停留、浇注、凝固时间过长引起球化率低。偏芯砂芯使铸件内孔发生偏错，一侧壁厚减少，另一侧增厚，内腔形状不变。砂眼铸件内部或表面包裹有沙粒的孔洞裂纹冷裂：扩展到整个截面，宽度均匀，断口有金属光泽或轻微氧化色泽。热裂：断口严重氧化，无氧化光泽，宽度不均匀。球墨铸铁主要缺陷特征球墨铸铁主要缺陷特征球墨铸铁球墨铸铁的的显微组织显微组织 10材科（材科（

27、1）1030250001 贾金斗贾金斗J积分原理及断裂韧度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目前常用的方法有J积分法积分法和和COD法法。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JIc 1、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。

28、 (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。应力矢量应力矢量)(dsTxudyJ系统应变能密度系统应变能密度位移矢量位移矢量弧长增量弧长增量 (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：(1)IUUUGBAB aa 图4-5 J积分的定义 将G的能量表达式用线积分方式表达，可推导出在线弹性线弹性条件下： 在弹塑性弹塑性条件下，上式右端的能量线积分仍然存在，但为弹塑性应变能密度为弹塑性应变能密度。此时定义为J积分积分。 (

29、)IUuGdyTdsax )(dsTxudyJ1.线弹性条件下线弹性条件下 JI=GI 在小应变条件下，在小应变条件下，J积分和积分路线无关，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。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。生卸载时，才存在积分与路径无关。所以，通常所以，通常J积分不能处理裂纹的连续扩展问题积分不能处理裂纹的连续扩展问题(连连续扩展时裂纹长度的变化应该为续扩展时裂纹长度的变化应该为da，而此处是，

30、而此处是a)，其临界值对应点只是其临界值对应点只是开裂点开裂点，而，而不一定是最后失稳断不一定是最后失稳断裂点裂点。弹塑性，弹塑性， 表示裂纹尺寸分表示裂纹尺寸分别为别为a a 和和(a+(a+a )a )的两个等的两个等同试样，在加载过程中的势同试样，在加载过程中的势能差值能差值U U与裂纹长度差值与裂纹长度差值a a的比率的比率形变功差率。形变功差率。v J积分的临界值积分的临界值JIC也称断也称断裂韧度，表示材料抵抗裂裂韧度，表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力。纹开始扩展的能力。J积分的能量率表达积分的能量率表达 线弹性：线弹性： 表示含有裂纹表示含有裂纹尺寸尺寸a a的试样，扩展为的试样，扩展为a