金属的断裂韧性

1、第四章 金属的断裂韧性断裂是工程构件最危险的一种失效方式， 尤其是脆性断裂， 它是突然发生的破坏， 断 裂前没有明显的征兆， 这就常常引起灾难性的破坏事故。 自从四五十年代之后， 脆性 断裂的事故明显地增加。 强度储备法，许用应力，强度储备系数（安全系数）按照传统力学设计，只要求工作应力b小于许用应力bj即bb就被认为是安全的了。而Z对塑性材料打=孙，对脆性材料b=b/n,其中n为安全系数。经典的 强度理论无法解释为什么工作应力远低于材料屈服强度时会发生所谓低应力脆断的 现象。 低应力脆性断裂（低应力脆断） ：高强度机件及中低强度大型件。 裂纹体：传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，没有裂

2、纹的理想固体，但是实际的工程材料，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。 人们在随后的研究中发现低应力脆断总是和材料内部含有一定尺寸的裂纹相联系的，当裂纹在给定的作用应力下扩展到一临界尺寸时，就会突然破裂。因为传统力学或经典的强度理论解决不了带裂纹构件的断裂问题，断裂力学就应运而生。可以说断裂力学就是研究带裂纹体的力学，它给出了含裂纹体的断裂判据，并提出一个材料固有性能的指标 断裂韧性，用它来比较各种材料的抗断能力。断裂力学，建立了材料性质、裂纹尺寸和工作应力之间的关系。 断裂韧性，断裂韧度线弹性条件下的断裂韧性断口分析表明， 金属机件的低应力脆断断口没有宏观塑性变形

3、痕迹， 可以应用线弹性断裂力学。两种分析方法： （ 1 ）应力场强度分析方法； （ 2）能量分析方法。裂纹扩展的基本形式根据外加应力与裂纹扩展面间的取向关系，裂纹主要有三种基本形式：张开型（ I 型） ，滑开型（ II 型） 、撕开型（ III 型） 。应力场强度因子KI 及断裂韧性KIC TOC o 1-5 h z KI.二33fct x = , cos (1sin sin ).2T222KI.二.二3口cos (1 sinsin)2 二r222KI二r3i- xv = sin cos cos2：r222仃z =0 （平面应力）0z =Y（DX +by）（平面应变）适用于rKic。KIC二Y

4、OcJac0c临界应力，a临界裂纹尺寸。断裂K判剧:Ki=Kic 。三点应用：4.裂纹尖端塑性区及Ki的修正小范围屈服图35应力松弛后的塑性区1）塑性区的尺寸 屈服判剧r。（平面应力）r。12 二（平面应变）应力松弛：Ro=2ro2）等效裂纹及 Ki的修正。Ki =丫二.a %等效裂纹修正值ry为应力松弛后塑性区宽度的一半。图3 6塑性区修正方法示意图裂纹扩展能量释放率 Gi及断裂韧性Gic.裂纹扩展时能量的转化关系:W-fUe = （ p 2 s）：A左端是裂纹扩展动力，右端是裂纹扩展阻力。.裂纹扩展能量释放率 GiU=Ue-W ,为系统势能。裂纹扩展单位面积时，系统释放的势能数值，称为裂纹

5、扩展能量释放率，记为Gi。.:U船，单位厚度时,Gi =.:U:a ,表示使裂纹扩展单位长度的原动力。单位MPa m。Gi二二 2aE（平面应力）Gi（平面应变）.断裂韧性Gic和断裂G判据Gi达到临界值时，裂纹进入失稳扩展阶段，这个临界值，称为断裂韧性，记为Gic 裂纹失稳扩展阻力（p+2 s）断裂G判居U: Gi=G ic 。. Gic和Kic的关系平面应变条件下，1 - 2 二。2aE TOC o 1-5 h z -2,2Gi所以有1 -2-1 -2K Gic =K icEE5.裂纹扩展阻力曲线及断裂判据裂纹扩展阻力 R= p+2 s R-a曲线，阻力曲线。裂纹扩展动力 G尸Y2o2a/E，Gi-a曲线，动力曲线。-：G|裂纹失稳扩展的断裂判剧:fa响断裂韧性的因素材料成分、组织结构的影响 TOC o 1-5 h z .细化晶粒的合金元素提高Kic.强烈固溶强化的合金元素降低Kic.以第二相析出的合金元素降低Kic特殊热处理的影响.高温形变热处理可细化奥氏体亚结构、增加位错密度、促进合金碳化物弥散 沉淀而提高KIC。.亚温淬火和超高温淬火均可提高Kic。外界因素的影响.温度温度降低，韧性降低。.应变速率应变速率增加，韧性降低。裂韧性的测试试样形状、尺寸及制备三点弯曲试样和紧凑拉伸（CT ）试样测试方法裂韧性在工程中的应用高压容器承载能力的计算高压壳体材