FH4材料的断裂韧性

FH4材料的断裂韧性第1页/共46页第一部分材料的力学性能第一章材料单向静拉伸力学性能第二章材料在其它静载下的力学性能第三章材料的冲击韧性与低温脆性第四章材料的断裂韧性第五章材料的疲劳性能第六章材料的磨损第七章材料的高温力学性能第八章材料的耐腐蚀性能第2页/共46页一、线弹性条件下的断裂韧性

缺口效应、断裂韧度KⅠC及GⅠC

（重点）二、弹塑形条件下的断裂韧性

J积分与COD的概念（简述）三、影响断裂韧度的因素四、断裂韧度在工程中的应用第4章断裂韧性第3页/共46页1.传统材料设计：①材料是均匀连续、各向同性的物体。②力学分析→应力应变→安全系数→强度、塑韧性经典强度理论：断裂瞬时发生，不考虑裂纹的萌生与扩展。设计时只考虑σb(抗拉强度),较少考虑σs、韧性、焊接性断裂力学的发展历史第4页/共46页2.

连接方式:

铆接焊接C%↓→↓σb保证强度→Mn%↑大型结构桥、船舶压力容器航空航天器火箭壳体大型转子极限条件下工作超高温、超高压、超高速条件

低应力脆断（断裂应力＜σb、σs）第5页/共46页焊接构件——脆性断裂二战期间，美国千艘全焊接自由轮---舱板断裂自由轮是美国二战时期应急大量建造的两型货船预制构件和送到船厂焊接起来。第6页/共46页50年代，美国北极星导弹点火试验时，发动机壳体爆炸。σs=1400Mpa，0.1-1mm裂纹1952年，Esso石油公司原油罐脆性断裂第7页/共46页3.冲击韧性和断裂韧性的重要性

原因→→宏观裂纹（加工与使用过程中出现）（冶金、锻造、焊接、淬火、机加工、疲劳、腐蚀）材料不是均匀连续的。刚刚拉制的玻璃棒弯曲强度6Gpa，在空气中放置后下降到0.4Gpa；石英玻璃纤维分段：12cm长-----275Mpa，

0.6cm长-----760Mpa。

尺寸效应：危险裂纹机会多（大、长试件）。第8页/共46页4.断裂力学的发展：研究裂纹萌生、扩展至断裂过程。研究裂纹尖端应力、应变、应变能的分布。发展过程：1922年Griffith研究断裂强度与裂纹尺寸间的关系。→→线弹性断裂力学的基础。Griffith裂纹理论及Orowan塑性区修正：无限宽薄板（平面应力），裂纹自发扩展的临界应力。1948年Irwin《FractureDynamics》------断裂力学独立学科。第9页/共46页缺口效应：第一效应------造成应力应变集中。第二效应------（2\3向）多向拉伸应力状态：平面应力状态、平面应变状态第三效应------缺口强化（缺口脆化）内容

线弹性断裂力学+弹塑性断裂力学裂纹尖端应力应变分布.断裂力学：裂纹扩展新的力学参量→新的断裂判据

---断裂韧度KⅠc

。第10页/共46页4.1线弹性条件下的断裂韧性假设：裂纹体各部分在脆性断裂过程中，应力应变处于线弹性状态，只有裂纹尖端极小区域处于塑变阶段。研究方法：(1)应力应变分析方法------应力场强度因子K，

断裂韧性

KⅠC,K判据。(2)能量分析方法--------能量释放率，G判据。第11页/共46页一、裂纹尖端的应力场及应力场强度因子Irwin等，线弹性理论，裂纹体尖端附近的应力应变分布。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，其尖端附近(r，θ)处应力、应变和位移分量可近似表示：第12页/共46页沿板厚Z方向上：⑴薄板：应变不受约束（自由变形）；→σZ=0，平面应力状态。（2）厚板：应变受到约束→εZ=0→平面应变状态；三向拉应力状态（硬状态，危险的应力状态）。第13页/共46页讨论：（1）以上表达式是近似的，最适用于r≤a情况，越接近裂纹尖端，精度越高。（2）在裂纹延长线X轴上，θ=0，此处拉应力分量最大，切应力分量为0，裂纹最易扩展。（3）影响因素：位置（r,θ),材料弹性模量E，参量KI。对确定材料和位置点，应力分量由KⅠ决定。KⅠ越大，应力分量越大。第14页/共46页KI——应力场强度因子（表示应力场的强弱程度）

无限大板穿透裂纹，Ⅰ表示I型裂纹；KⅡ，KⅢ分别表示Ⅱ，Ⅲ型裂纹的应力场强度因子。KI一般表达式：Ｙ—裂纹形状系数,取决于裂纹的类型。

无限大板穿透裂纹:第15页/共46页第16页/共46页裂纹尖端塑性区及KI的修正:r=0时,σx，σy

，τXY等各应力分量均趋于无穷大→不可能.当材料中裂纹尖端的应力达到σs时,发生塑性变形，裂纹尖端出现塑性区（屈服区），与缺口前方存在塑性区很相似→应力分布改变。修正条件：σ/σs≥0.6-0.7。第17页/共46页塑性区的形状：修正条件：σ/σs≥0.6-0.7。第18页/共46页二、断裂韧度KＩＣ及Ｋ判据KＩ取决于σ与a的组合，单位为Mpa·m1/2。σ↑,a↑（单独，同时）→KＩ↑,各应力分量↑;σc：裂纹失稳扩展的临界应力，断裂应力或裂纹体的断裂强度；ac：临界裂纹尺寸。第19页/共46页1.断裂韧度KＩＣ和Kc的意义KＩc

、Kc表示材料抵抗断裂的能力。KＩc为平面应变断裂韧度，表示平面应变状态下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。Kc为平面应力断裂韧度，表示平面应力状态下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。同一材料Kc>KＩc第20页/共46页2.KＩc与KＩ的关系KＩ：力学参量，表示裂纹尖端应力应变场强度大小。

KＩ与外加应力σ、试样尺寸

a、裂纹类型Y有关，与材料无关。KＩc：材料的力学性能指标；与材料成分、组织结构有关，与外加应力、试样尺寸等外因素无关。σ和σs的关系：

σ—力学参量

σs—力学性能指标第21页/共46页3.断裂K判据KI≥KＩc：裂纹失稳扩展→脆性断裂。KI<KＩc

：存在的断裂不会引起断裂。第22页/共46页三、裂纹扩展的能量判据Griffith裂纹断裂理论提出后，用能量方法研究脆性材料断裂强度与裂纹的关系。（一）裂纹扩展的能量释放率GIP34Griffith指出，裂纹扩展的动力是弹性能的释放率。GI：与KI相似，是裂纹长度a和应力σ的复合参量，称为裂纹扩展的能量释放率。平面应力:平面应变:第23页/共46页（二）断裂韧度GIC和断裂G判据

σ↑，a↑→GI↑,当GI≥2γ（或2γ+γP）（裂纹失稳扩展阻力）.裂纹失稳扩展→GIC，断裂韧度。GIC

：阻止裂纹失稳扩展时单位面积消耗的能量。G判据：GI≥GICKⅠ:

度量裂纹尖端的应力场强度，度量裂纹扩展时系统势能的释放率。第24页/共46页4.2弹塑性条件下的断裂韧性高强度钢：塑性区小，小范围屈服→线弹性断裂力学。中低强度钢：塑性区大，大范围屈服→弹塑性力学。将线弹性原理进行延伸：

J积分，断裂能量判据←GI，JICOD，断裂应变判据←KI，δ第25页/共46页一、J积分及断裂韧度JIC（2）线弹性条件下：JI=GIRice于1968年提出了J积分理论，（1）J积分反映了裂纹尖端区的应变能，即应力应变的集中程度。（3）J积分的临界值是裂纹开裂点，不一定是失稳断裂点。J不是裂纹扩展时系统势能的释放率，是形变功差率。第26页/共46页（4）断裂韧度JIC

：表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力。

J判据：JI≥JIC

（保守设计）（5）J积分判据实际使用很少：

a.数学表达式不清楚（实用的）。

b.对中，低强度钢，裂纹亚稳扩展阶段很长，

JIC对应的只是开裂点。裂纹开裂→亚稳扩展→失稳扩展，断裂。第27页/共46页二、裂纹尖端张开位移COD(crackopeningdisplacement)

船体、压力容器、管道、焊接结构→低应力脆断，结晶状断口。原因：多向应力状态下，裂纹尖端塑性区变形被约束，当应变量达到临界值→断裂。用裂纹张开位移表示应变量。

δ≥δc，与JIC

一样，是裂纹开始扩展的判据。第28页/共46页4.3影响断裂韧性的因素KIc是材料强度和塑性的综合表现。一般情况下，随强度指标的降低而升高，随塑性指标的降低而降低。

σs

，σb↓→→→KIc↑δ,ψ↓→→→KIc↓

通常人们认为KIc是塑性、韧性一类指标，与强度类指标的变化规律相反。（有例外）内在：成分、组织、结构。外在：温度T、应变速率ξ。第29页/共46页一、成分及组织结构的影响（一）化学成分：（与冲击韧度相似）强烈固溶强化的合金元素→塑性↓，KIc

↓细化晶粒的合金元素→强度↑塑性↑，KIc↑金属间化合物→塑性↓，KIc

↓陶瓷：提高强度的组元→KIc↑高分子：结合键键合强度↑→KIc↑第30页/共46页（二）基体相：fcc→易塑变，KIc↑。A钢的Kid

＞F、M钢。一般情况下，细化晶粒：σb↑、δ↑、KIc↑某些情况下，粗晶粒的KIc

高。40CrNiMo：1200℃淬火，0~1级，KIc=56；870℃淬火，7~8级，KIc=36。此时，KIc与强度指标变化规律一致，与塑性指标相反。第31页/共46页原因：1200℃

淬火形成位错型M，板条间有A残膜，碳化物夹杂物充分溶入A。此时，KIc与强度指标变化规律一致，与塑性指标相反。第32页/共46页（三）夹杂、第二相

非金属夹杂物、脆性第二相→→偏聚、微裂纹→→KIc↓

韧性第二相，形态、数量适当→→→KIc↑

F+M＞M

碳化物：细小、弥散、颗粒状→→→KIc↑

陶瓷：添加碳纤维→→→KIc↑

第33页/共46页（四）组织

同强度下：低碳钢：M回的KIc

＞B

高碳钢：KIc（B上）＜KIc（M回

）＜KIc（B下）KIc（板条M）＞KIc（针状M）位错亚结构孪晶亚结构S回→→→KIc↑A残→→→KIc↑第34页/共46页

二、特殊热处理（一）亚温淬火：亚共析钢

F+M→→→σb↑，KIc↑（二）超高温淬火：中碳合金钢A粗化→→→δ↓，ak↓,KIc↑40CrNiMo:1200℃淬火，KIc↑56%，ak↓↓42CrMo:850~1170℃淬火，KIc52.8→→69.3。

原因：淬火形成位错型M，板条间有A残膜，碳化物夹杂物充分溶入A。KIc与强度指标变化规律一致，与塑性指标相反。第35页/共46页(三)形变热处理

高温形变：动态再结晶，细化晶粒（A,M）→→σb↑，KIc↑20%。

低温形变：细化晶粒，ρ↑，碳化物弥散沉淀→→σb↑，KIc↑18%。

A中含碳量降低，细小板条M。第36页/共46页

三、外界因素（一）温度：

T↓→→韧脆转变T＞Tk：韧性断裂

T＜Tk：脆性断裂（二）应变速率：

ε↑→→KIc↓KIc与冲击韧性ak：一般变化趋势一致，但某些情况下变化趋势相反。第37页/共46页KIc与冲击韧性ak：

ak：缺口根部较钝，应力集中小。Ak中包括裂纹形成功和扩展功，不一定满足平面应变条件。高ε冲击载荷作用下，对组织缺陷很敏感。KIc：裂纹相当尖锐，应力集中更大。已预制裂纹，不需要裂纹形成功。试样必须满足平面应变条件。在静载下受力。第38页/共46页4.4断裂韧度在工程中的应用

设计、校核、材料开发结构设计：KIc→→[σ]，形状、尺寸。材料选择：σ，裂纹→→KIc

，KI比较、选材。第39页/共46页断裂力学：例1：有一构件，实际使用应力σ=1300Mpa，设最大裂纹尺寸1mm,Y=1.5。有2种钢待选：甲：σs=1950Mpa，KIc=45MPa·m1/2。乙：σs=1560Mpa，KIc=75MPa·m1/2。传统设计：σ×安全系数≤屈服强度σs

。甲：n=σs/σ=1.5,乙：n=1560/1300=1.2→甲钢安全。甲：σc=1000Mpa＜1300Mpa不安全乙：σc=1670Mpa＞1300Mpa安全第40页/共46页例2.某材料的γs=2.5J/m2，E=210GPa，a0=0.32nm，用该材料制成的无限大薄板内有一条长1