材料力学：第8章 材料的断裂性能

1、第四章 材料的断裂韧性 4-1线弹性条件下的断裂韧性4-2弹塑性条件下的断裂韧性(略)4-3影响材料断裂韧度的因素4-4断裂韧度在工程中的应用1传统机械产品的设计方法和规范是把材料和构件作为连续、均匀和各向同性的受载物体，进行力学分析，确定危险面的应力和应变，考虑安全系数后，对材料提出相应的强度、塑性和韧度的要求，防止断裂和其他失效形式的发生，这样的设计应该是安全的。但是，随着现代生产的发展，新工艺、新材料的广泛采用，结构在超高温、超高压、超高速等极限条件下服役，以及大型结构的日益增多，用传统的强度理论设计的结构发生了很多断裂事故。引言 2如高强度钢、超高强度钢的机件，中、低强度钢的大型机件常

2、常在工作应力并不高，甚至远低于屈服极限的情况下，发生脆性断裂现象，这就是所谓的低应力脆断。低应力脆断是由于宏观裂纹的存在引起的。但裂纹的存在是很难避免的，可以在材料的生产和机件的加工过程中产生，如冶金缺陷、锻造裂纹、焊接裂纹、淬火裂纹等等，也可以在使用过程中产生，如疲劳裂纹、腐蚀裂纹等。正是裂纹的存在破坏了材料和构件的连续性和均匀性，使得传统的设计方法无法定量计算裂纹体的应力和应变。3经典的强度理论是在不考虑裂纹的萌生和扩展的条件下进行强度计算的，认为断裂是瞬时发生的。实际上无论哪种断裂都有裂纹萌生、扩展直至断裂的过程，因此，断裂在很大程度上决定于裂纹萌生抗力和扩展抗力，而不是总决定于用断面尺

3、寸计算的名义断裂应力和断裂应变。显然，需要发展新的强度理论，解决低应力脆断的问题。断裂力学正是在这种背景下发展起来的一门新兴断裂强度科学。4断裂力学研究裂纹尖端的应力、应变和应变能的分布情况，建立描述裂纹扩展的新的力学参量、断裂判据和对应的材料力学性能指标-断裂韧度，以此对机件进行设计和校核。本章将以断裂力学的基本原理为基础，简要介绍材料断裂韧度的意义、影响因素及应用。5 4-1线弹性条件下的断裂韧性线弹性断裂力学认为在脆性断裂过程中，裂纹体各部分的应力和应变处于线弹性阶段，只有裂纹尖端极小区域处于塑性变形阶段。它处理问题有两种方法：一种是应力应变分析方法，研究裂纹尖端附近的应力应变场，提出应

4、力场强度因子及对应的断裂韧度和K判据；另一种是能量分析方法，研究裂纹扩展时系统能量的变化，提出能量释放率及对应的断裂韧度和G判据。6 4-1线弹性条件下的断裂韧性一、裂纹扩展的基本方式 根据外加应力的类型及其与裂纹扩展面的取向关系，裂纹扩展的基本方式有3种，如图4-l所示。裂纹扩展的基本方式（a）张开型(I型) （b）滑开型 (II型) （c）撕开型（III型） 71张开型(型)裂纹扩展 拉应力垂直作用于裂纹面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展。2滑开型(型)裂纹扩展 切应力平行作用于裂纹面，并且与裂纹前沿线垂直，裂纹沿裂纹面平行滑开扩展。3撕开型(型)裂纹扩展 切应力平行作用于裂纹面，并且

5、与裂纹线平行，裂纹沿裂纹面撕开扩展。8实际裂纹的扩展过程并不局限于这3种形式，往往是它们的组合，如I-、I-、-型的复合形式。在这些裂纹的不同扩展形式中，以I型裂纹扩展最危险，最容易引起脆性断裂。所以在研究裂纹体的脆性断裂问题时，总是以这种裂纹为对象。9 4-1线弹性条件下的断裂韧性二、裂纹尖端的应力场及应力场强度因子KI 由于裂纹扩展总是从其尖端开始向前进行的，所以应该分析裂纹尖端的应力应变状态，建立裂纹扩展的力学条件。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，如图4-2所示。10 4-1线弹性条件下的断裂韧性二、裂纹尖端的应力场及应力场强度因子KI 其尖端附近(r，)处应

6、力、应变和位移分量可以近似地表达如下。应力分量为：11 4-1线弹性条件下的断裂韧性二、裂纹尖端的应力场及应力场强度因子K1 裂纹尖端任意一点的应力、应变和位移分量取决于该点的坐标(r，)、材料的弹性模数以及参量KI 。KI可用下式表示。式中：Y为裂纹形状系数，取决于裂纹的类型。 KI的脚标表示I型裂纹，同理，K、K表示型和型裂纹的应力强度因子。12三、断裂韧度KIc和断裂K判据K1 是描述裂纹尖端应力场强度的一个力学参量。单位为MPam1/2或KNm-3/2，当应力和裂纹尺寸a单独或同时增大时，K和裂纹尖端的各应力分量也随之增大。当应力或裂纹尺寸a增大到临界值时，也就是在裂纹尖端足够大的范围

7、内，应力达到了材料的断裂强度，裂纹便失稳扩展而导致材料的断裂，这时K也达到了一个临界值，这个临界或失稳状态的K记为Kc或KC，称之为断裂韧度。13材料的KIC或Kc越高，则裂纹体断裂时的应力或裂纹尺寸就越大，表明越难断裂。所以，KIC和Kc表示材料抵抗断裂的能力。KIC为平面应变断裂韧度，表示材料在平面应变状态下抵抗裂纹失稳扩展的能力；而Kc为平面应力断裂韧度，表示材料在平面应力状态下抵抗裂纹失稳扩展的能力。显然，同一材料的KcKIc。14K和Kc是两个不同的概念，K是一个力学参量，表示裂纹体中裂纹尖端的应力应变场强度的大小，它决定于外加应力、试样尺寸和裂纹类型，而和材料无关。但Kc是材料的力

8、学性能指标，它决定于材料的成分、组织结构等内在因素，而与外加应力及试样尺寸等外在因素无关。15 根据应力场强度因子K和断裂韧度Kc的相对大小，可以建立裂纹失稳扩展脆断的断裂K判据，即 KIK1c 裂纹体在受力时，只要满足上述条件，就会发生脆性断裂。反之，即使存在裂纹，也不会发生断裂，这种情况称为破损安全。16四、裂纹扩展能量释放率GI驱使裂纹扩展的动力是弹性能的释放率，即令GI即为最早的断裂力学参量，单位为J/mm2或kN/mm。称为裂纹扩展的能量释放率。上式是平面应力的能量释放率表达式。17 对于平面应变，GI的表达式为：GI和KI相似，也是应力和裂纹尺寸a的复合参量，是一个力学参量。18五

9、、断裂韧度GIc和断裂G判据随着和a的单独或共同增大，都会使G增大，当G增大到某一临界值Gc，满足：时，裂纹便失稳扩展而断裂。GIc也称为断裂韧度，它表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量。19根据G和Gc的大小，也可以建立裂纹失稳扩展的力学条件，即断裂G判据：GGc20 4-3影响材料断裂韧度的因素一、化学成分、组织结构对断裂韧度的影响 对于金属材料、非金属材料、高分子材料和复合材料，化学成分、基体相的结构和尺寸、第二相的大小和分布都将影响其断裂韧度，并且影响的方式和结果既有共同点，也有差异之处。除金属材料外，对其他材料的断裂韧度的研究还比较少。 211化学成分的影响 对于金属材料，

10、化学成分对断裂韧度的影响类似于对冲击韧度的影响。其大致规律是：细化晶粒的合金元素因提高强度和塑性，可使断裂韧度提高；强烈固溶强化的合金元素因大大降低塑性而使断裂韧度降低，并且随合金元素的浓度的提高，降低的作用更加明显；22形成金属间化合物并呈第二相析出的合金元素，因降低塑性有利于裂纹扩展而使断裂韧度降低。 对于陶瓷材料，提高材料强度的元素，都将提高断裂韧度。 对于高分子材料，增强结合键的元素都将提高断裂韧度。232基体相结构和晶粒尺寸的影响 基体相的晶体结构不同，材料发生塑性变形的难易和断裂的机理不同，断裂韧度发生变化。基体相的晶体结构易于发生塑性变形，产生韧性断裂机制，材料的断裂韧度就高。2

11、4钢铁材料的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，并且形变硬化指数较高，其断裂韧度较高，奥氏体钢的断裂韧度高于铁素体钢和马氏体钢。对于陶瓷材料，可以通过改变晶体类型，调整断裂韧度的高低。基体的晶粒尺寸也是影响断裂韧度的一个重要因素。一般来说，细化晶粒既可以提高强度，又可以提高塑性，断裂韧度也相应的得到提高。253夹杂和第二相的影响 对于金属材料，非金属夹杂物和第二相的存在对断裂韧度的影响可以归纳为：非金属夹杂物往往使断裂韧度降低；脆性第二相随着体积分数的增加，使得断裂韧度降低；当韧性第二相的形态和数量适当时，可以提高材料的断裂韧度

12、。26非金属夹杂物和脆性第二相存在于裂纹尖端的应力场中时，本身的脆性使其容易形成微裂纹，而且它们易于在晶界或相界偏聚，降低界面结合能，使界面易于开裂，这些微裂纹与主裂纹连接加速了裂纹的扩展，或者使裂纹沿晶扩展，导致沿晶断裂，降低断裂韧度，如图4-11所示。27第二相的形貌、尺寸和分布不同，将导致裂纹的扩展途径不同、消耗的能量不同，从而影响断裂韧度，如碳化物呈粒状弥散分布时的断裂韧度就高于呈网状连续分布时。尤其是对于韧性第二相，其塑性变形可以松弛裂纹尖端的应力集中，降低裂纹扩展速率，提高断裂韧度，所以，只要韧性第二相的形貌和数量合适，材料的断裂韧度就可提高。 对于陶瓷材料和复合材料，目前常利用适

13、当的第二相提高其断裂韧度，第二相可以是添加的，也可以是在成型时自蔓延生成的。如在SiC、SiN陶瓷中添加碳纤维，或加入非晶碳，烧结时自蔓延生成碳晶须，可以使断裂韧度提高。28对于陶瓷材料和复合材料，目前常利用适当的第二相提高其断裂韧度，第二相可以是添加的，也可以是在成型时自蔓延生成的。如在SiC、SiN陶瓷中添加碳纤维，或加入非晶碳，烧结时自蔓延生成碳晶须，可以使断裂韧度提高。294显微组织的影响显微组织的类型和亚结构将影响材料的断裂韧度。如钢铁材料中，相同强度条件下，低碳钢中的回火马氏体的断裂韧度高于贝氏体，而在高碳钢中，回火马氏体的断裂韧度高于上贝氏体，但低于下贝氏体。这是由于低碳钢中，回

14、火马氏体呈板条状，而高碳钢中，回火马氏体呈针状，上贝氏体由贝氏体铁素体和片层间断续分布的碳化物组成，下贝氏体由贝氏体铁素体和其中弥散分布的碳化物组成。30板条马氏体主要是位错亚结构，具有较高的强度和塑性，裂纹扩展阻力较大，呈韧性断裂，因而断裂韧度较高；针状马氏体主要是孪晶亚结构，硬度高而脆性大，裂纹扩展阻力小，呈准解理或解理断裂，因而断裂韧度较低。31金属材料通过一些特殊的热处理工艺，可以改变其组织，从而提高断裂韧度： 亚温淬火 超高温淬火 形变热处理 4-3影响材料断裂韧度的因素二、特殊改性处理对断裂韧度的影响321. 亚温淬火 亚温淬火是指亚共析钢在双相区不完全奥氏体化后淬火的热处理工艺，

15、通过控制预处理工艺和亚温淬火的奥氏体化温度可以获得不同形态和数量的未溶铁素体加马氏体的复相组织，由于晶粒的细化、相界面积的增加、单位面积杂质浓度的降低、铁素体对裂纹尖端应力集中的松弛作用、裂纹沿相界面扩展途径的延长等，使得强度和韧性得到提高。332. 超高温淬火 对于中碳合金结构钢，采用超高温淬火，虽然奥氏体晶粒显著粗化，塑性和冲击吸收功降低，但断裂韧度提高。 超高温淬火使KIc提高的原因可能是：马氏体形态由孪晶型变为位错型，使断裂机理由准解理变为微孔聚集型；在马氏体板条束间存在10-20nm的残余奥氏体薄膜，且很稳定，可阻止裂纹扩展；碳化物及夹杂物能溶入奥氏体，减少了微裂纹形成源。343.

16、形变热处理形变热处理根据其形变的温度可以分为高温形变热处理和低温形变热处理，由于温度的不同，材料的组织和结构发生不同的变化，使得其性能不同。高温形变热处理由于动态再结晶，可以细化奥氏体晶粒，因而细化了淬火后的马氏体，使强度和韧性都提高。低温形变热处理除了细化奥氏体晶粒外，还可增加位错密度，促进合金碳化物弥散沉淀，降低奥氏体含碳且和增加细小板条马氏体的数量，因而提高强度和韧性。低温形变热处理除了细化奥氏体晶粒外，还可增加位错密度，促进合金碳化物弥散沉淀，降低奥氏体含碳且和增加细小板条马氏体的数量，因而提高强度和韧性。 351. 温度对于大多数材料，温度的降低通常会降低断裂韧度，大多数结构钢就是如

17、此。但是，不同强度等级的钢材，变化趋势有所不同。一般中、低强度钢都有明显的韧脆转变现象：在韧脆转变温度以上，发生韧性断裂，KIc较高；而在韧脆转变温度以下，发生脆性断裂，KIc较低。随着材料强度水平的提高，KIc随温度变化趋势逐渐缓和，温度对断裂韧度的影响减弱。三、外界因素对断裂韧度的影响36 2. 应变速率应变速率对断裂韧度的影响类似于温度。增加应变速率相当于降低温度，也可使KIc下降。一般认为应变速率每增加一个数量级，KIc约降低l0。 三、外界因素对断裂韧度的影响但是，当应变速率很大时，形变热量来不及传导，造成绝热状态，导致局部温度升高，KIc又回升，如图4-12所示。37断裂力学就是把弹性力学、弹塑性力学的理论应用到含有裂纹的实际材料中，从应力和能量的角度，研究裂纹的扩展过程，建立裂纹扩展的判据，并因此而引出与之相对应的一个材料力学性能指标-断裂韧度，从而进行结构设计、材料选择、载荷校核、安全性检验等。所以，断裂力学从其问世起就与工程实际相结合，特别是线弹性断裂力学在工程中获得了广泛