《材料性能學(xué)》PPT電子課件

《材料性能學(xué)》PPT電子課件,材料性能學(xué),材料,性能,PPT,電子,課件 20092009年年8 8月月2828日日一艘巴拿馬油輪一艘巴拿馬油輪在埃及蘇伊士港在埃及蘇伊士港斷裂為兩段斷裂為兩段第四章第四章 材料的斷裂韌性材料的斷裂韌性 隨著現(xiàn)代生產(chǎn)的發(fā)展，新工藝、新材料的隨著現(xiàn)代生產(chǎn)的發(fā)展，新工藝、新材料的廣泛采用，構(gòu)件在超高溫、超高壓、超高速等廣泛采用，構(gòu)件在超高溫、超高壓、超高速等極限條件下服役，以及大型結(jié)構(gòu)的日益增多，極限條件下服役，以及大型結(jié)構(gòu)的日益增多，用傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了很多斷裂用傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了很多斷裂事故，如高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼的機(jī)件，中、事故，如高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼的機(jī)件，中、低強(qiáng)度鋼的低強(qiáng)度鋼的大型機(jī)件大型機(jī)件常常在常常在工作應(yīng)力并不高，工作應(yīng)力并不高，甚至遠(yuǎn)低于屈服極限甚至遠(yuǎn)低于屈服極限的情況下的情況下，發(fā)生發(fā)生脆性斷裂脆性斷裂現(xiàn)象，現(xiàn)象，這就是所謂的這就是所謂的低應(yīng)力脆斷。低應(yīng)力脆斷。傳傳統(tǒng)統(tǒng)的的強(qiáng)強(qiáng)度度理理論論：材材料料為為連連續(xù)續(xù)、均均勻勻的的、各各向同性的受載體，斷裂是瞬時(shí)發(fā)生的。向同性的受載體，斷裂是瞬時(shí)發(fā)生的。斷裂的準(zhǔn)則是斷裂的準(zhǔn)則是maxmaxs s/n/n，n1n1 大量斷裂事例表明，低應(yīng)力脆斷是由于宏觀裂大量斷裂事例表明，低應(yīng)力脆斷是由于宏觀裂紋的存在引起的紋的存在引起的。但裂紋的存在是很難避免的，它。但裂紋的存在是很難避免的，它可以在材料的生產(chǎn)和機(jī)件的加工過(guò)程中產(chǎn)生，如可以在材料的生產(chǎn)和機(jī)件的加工過(guò)程中產(chǎn)生，如冶冶金缺陷、鍛造裂紋、焊接裂紋、淬火裂紋、機(jī)加工金缺陷、鍛造裂紋、焊接裂紋、淬火裂紋、機(jī)加工裂紋裂紋等，也可以在使用過(guò)程中產(chǎn)生，如等，也可以在使用過(guò)程中產(chǎn)生，如疲勞裂紋、疲勞裂紋、腐蝕裂紋腐蝕裂紋等。等。為什么？如何防止？為什么？如何防止？斷裂力學(xué)斷裂力學(xué) 經(jīng)典的強(qiáng)度理論是在不考慮經(jīng)典的強(qiáng)度理論是在不考慮裂紋裂紋的萌生和擴(kuò)展的條件下進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算的萌生和擴(kuò)展的條件下進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算的，認(rèn)為斷裂是瞬時(shí)發(fā)生的。然而實(shí)的，認(rèn)為斷裂是瞬時(shí)發(fā)生的。然而實(shí)際上無(wú)論際上無(wú)論哪種斷裂都有裂紋萌生、擴(kuò)哪種斷裂都有裂紋萌生、擴(kuò)展直至斷裂的過(guò)程展直至斷裂的過(guò)程，因此，因此，斷裂在很斷裂在很大程度上決定于裂紋萌生抗力和擴(kuò)展大程度上決定于裂紋萌生抗力和擴(kuò)展抗力抗力，而不是總決定于用斷面尺寸計(jì)，而不是總決定于用斷面尺寸計(jì)算的名義斷裂應(yīng)力和斷裂應(yīng)變。顯然算的名義斷裂應(yīng)力和斷裂應(yīng)變。顯然需要發(fā)展新的強(qiáng)度理論，解決低應(yīng)力需要發(fā)展新的強(qiáng)度理論，解決低應(yīng)力脆斷的問(wèn)題。脆斷的問(wèn)題。斷斷裂裂力力學(xué)學(xué)正正是是在在這這種種背背景景下下發(fā)發(fā)展展起起來(lái)來(lái)的的一一門門新新興興斷斷裂裂強(qiáng)強(qiáng)度度科科學(xué)學(xué)。1922年年Griffith(格格里里菲菲斯斯)首首先先在在強(qiáng)強(qiáng)度度與與裂裂紋紋尺尺度度間間建建立立了了定定量量關(guān)關(guān)系系，1948年年Irwin（歐歐 文文)發(fā)發(fā) 表表 了了 經(jīng)經(jīng) 典典 性性 論論 文文 Fracture Dynamics，它它標(biāo)標(biāo)志志著著斷斷裂裂力力學(xué)學(xué)成成為為了了一一門門獨(dú)獨(dú)立立的的工工程程學(xué)學(xué)科科，隨隨后后大大量量的的研研究究集集中中于于線線彈彈性性斷斷裂裂力力 學(xué)學(xué)。1968年年，Rice(萊萊 斯斯)提提 出出 了了 J積積 分分，Hutchinson(哈哈金金森森)證證明明J積積分分可可以以用用來(lái)來(lái)描描述述彈彈塑塑性性體體中中裂裂紋紋的的擴(kuò)擴(kuò)展展，在在這這之之后后，逐逐步步發(fā)發(fā)展展起起來(lái)來(lái)彈彈塑性斷裂力學(xué)。塑性斷裂力學(xué)。斷裂力學(xué)研究斷裂力學(xué)研究裂紋尖端裂紋尖端的的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變能的分布情況，變能的分布情況，建立了描述建立了描述裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展的新的的新的力學(xué)參量、斷裂判據(jù)和對(duì)應(yīng)的材料力學(xué)性能指力學(xué)參量、斷裂判據(jù)和對(duì)應(yīng)的材料力學(xué)性能指標(biāo)標(biāo)-斷裂韌度斷裂韌度，以此對(duì)機(jī)件進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核。，以此對(duì)機(jī)件進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核。影響因素影響因素第一節(jié)第一節(jié) 線彈性條件下的斷裂韌性線彈性條件下的斷裂韌性 應(yīng)力應(yīng)變分析方法應(yīng)力應(yīng)變分析方法:研研究裂紋尖端附近的應(yīng)力究裂紋尖端附近的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，提出應(yīng)變場(chǎng)，提出應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子度因子及及對(duì)應(yīng)的斷裂韌對(duì)應(yīng)的斷裂韌度和度和K判據(jù)。判據(jù)。能量分析方法能量分析方法:研究裂研究裂紋擴(kuò)展時(shí)系統(tǒng)能量的變化，紋擴(kuò)展時(shí)系統(tǒng)能量的變化，提出提出能量釋放率能量釋放率及及對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的斷裂韌度和斷裂韌度和G判據(jù)判據(jù)。第一節(jié)第一節(jié) 線彈性條件下的斷裂韌性線彈性條件下的斷裂韌性 一、裂紋擴(kuò)展的基本方式一、裂紋擴(kuò)展的基本方式1張開型（張開型（I型）裂紋擴(kuò)展型）裂紋擴(kuò)展 拉應(yīng)力垂直作用于裂紋拉應(yīng)力垂直作用于裂紋面，裂紋沿作用力方向張開，面，裂紋沿作用力方向張開，沿裂紋面擴(kuò)展。例如，容器沿裂紋面擴(kuò)展。例如，容器縱向裂紋在內(nèi)應(yīng)力作用下的縱向裂紋在內(nèi)應(yīng)力作用下的擴(kuò)展。擴(kuò)展。圖一、張開型（圖一、張開型（I型）裂紋形式型）裂紋形式a張開式張開式b拉伸式拉伸式c壓力筒的軸向裂紋壓力筒的軸向裂紋一、裂紋擴(kuò)展的基本方式一、裂紋擴(kuò)展的基本方式2 2滑開型滑開型(型型)裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展 切應(yīng)力平行作用于裂紋面，并且與裂紋前沿線切應(yīng)力平行作用于裂紋面，并且與裂紋前沿線垂直，裂紋沿裂紋面平行滑開擴(kuò)展。例如，花鍵根垂直，裂紋沿裂紋面平行滑開擴(kuò)展。例如，花鍵根部裂紋沿切應(yīng)力方向的擴(kuò)展。部裂紋沿切應(yīng)力方向的擴(kuò)展。第一節(jié)第一節(jié) 線彈性條件下的斷裂韌性線彈性條件下的斷裂韌性 圖二一、裂紋擴(kuò)展的基本方式一、裂紋擴(kuò)展的基本方式第一節(jié)第一節(jié) 線彈性條件下的斷裂韌性線彈性條件下的斷裂韌性 3 3撕開型撕開型(型型)裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展 切應(yīng)力切應(yīng)力平行平行作用于裂紋面，并且與作用于裂紋面，并且與裂紋線裂紋線平行；裂平行；裂紋沿裂紋面撕開擴(kuò)展。例如，軸類零件的橫裂紋在扭紋沿裂紋面撕開擴(kuò)展。例如，軸類零件的橫裂紋在扭矩作用下的擴(kuò)展。矩作用下的擴(kuò)展。圖三 實(shí)際裂紋的擴(kuò)展過(guò)程并不局限于這實(shí)際裂紋的擴(kuò)展過(guò)程并不局限于這3種形式，種形式，往往是它們的組合，如往往是它們的組合，如-、-、-型型的復(fù)合形式。的復(fù)合形式。在這些裂紋的不同擴(kuò)展形式中，以在這些裂紋的不同擴(kuò)展形式中，以型裂紋型裂紋擴(kuò)展最危險(xiǎn)，最容易引起擴(kuò)展最危險(xiǎn)，最容易引起脆性斷裂脆性斷裂。所以，在。所以，在研究裂紋體的脆性斷裂問(wèn)題時(shí)，總是以這種裂研究裂紋體的脆性斷裂問(wèn)題時(shí)，總是以這種裂紋為對(duì)象。紋為對(duì)象。第一節(jié)第一節(jié) 線彈性條件下的斷裂韌性線彈性條件下的斷裂韌性 一、裂紋擴(kuò)展的基本方式一、裂紋擴(kuò)展的基本方式12設(shè)有一承受均勻拉應(yīng)力設(shè)有一承受均勻拉應(yīng)力的無(wú)限大板，中心含有長(zhǎng)的無(wú)限大板，中心含有長(zhǎng)為為2a的的I型穿透裂紋。型穿透裂紋。二、裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子二、裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K K圖4-2 裂紋尖端的應(yīng)力分析 應(yīng)力分量為應(yīng)力分量為 第一節(jié)第一節(jié) 線彈性條件下的斷裂韌性線彈性條件下的斷裂韌性 圖圖4-2 4-2 裂紋尖端的應(yīng)力分析裂紋尖端的應(yīng)力分析 平面應(yīng)變狀態(tài)分量為平面應(yīng)變狀態(tài)分量為 二、裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子二、裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K 第一節(jié)第一節(jié) 線彈性條件下的斷裂韌性線彈性條件下的斷裂韌性 若裂紋尖端沿若裂紋尖端沿z方向的應(yīng)變受到約束，方向的應(yīng)變受到約束，z=0，則裂紋尖端處，則裂紋尖端處于于平面應(yīng)變狀態(tài)平面應(yīng)變狀態(tài)。此時(shí)，裂紋尖端。此時(shí)，裂紋尖端處于三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)處于三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)小，因而是危險(xiǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)小，因而是危險(xiǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。圖圖4-2 4-2 裂紋尖端的應(yīng)力分析裂紋尖端的應(yīng)力分析 平面應(yīng)變狀態(tài)位移分量為平面應(yīng)變狀態(tài)位移分量為式中：式中：為泊松比；為泊松比；E E為彈性模量為彈性模量 第一節(jié)第一節(jié) 線彈性條件下的斷裂韌性線彈性條件下的斷裂韌性 二、裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子二、裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K 圖圖4-2 4-2 裂紋尖端的應(yīng)力分析裂紋尖端的應(yīng)力分析 裂紋尖端任意一點(diǎn)的應(yīng)力、裂紋尖端任意一點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分量取決于該點(diǎn)的應(yīng)變和位移分量取決于該點(diǎn)的坐標(biāo)（坐標(biāo)（r，）、材料的彈性模）、材料的彈性模數(shù)以及參量數(shù)以及參量KI。KI可用下式表可用下式表示示:應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)力強(qiáng)度因子 第一節(jié)第一節(jié) 線彈性條件下的斷裂韌性線彈性條件下的斷裂韌性 二、裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子二、裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K 影響因素影響因素：外加應(yīng)力外加應(yīng)力裂紋位置裂紋位置裂紋長(zhǎng)度裂紋長(zhǎng)度式中：Y為裂紋形狀系數(shù)，取決于裂紋的類型。MPam1/2或或KNm-3/2 第一節(jié)第一節(jié) 線彈性條件下的斷裂韌性線彈性條件下的斷裂韌性 二、裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子二、裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K 在裂紋尖端足夠大的范圍在裂紋尖端足夠大的范圍內(nèi)，應(yīng)力達(dá)到了材料的斷裂內(nèi)，應(yīng)力達(dá)到了材料的斷裂強(qiáng)度，裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)強(qiáng)度，裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致材料的斷裂，這時(shí)致材料的斷裂，這時(shí)KI也達(dá)也達(dá)到了一個(gè)臨界值，這個(gè)到了一個(gè)臨界值，這個(gè)臨界臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的或失穩(wěn)狀態(tài)的KI記為記為KC或或Kc，稱之為斷裂韌度，稱之為斷裂韌度，單位為，單位為MPam1/2或或KNm-3/2。三、斷裂韌度三、斷裂韌度KC和斷裂和斷裂K判據(jù)判據(jù)意義意義材料的材料的KC或或Kc越高，越高，則裂紋體斷裂時(shí)的應(yīng)則裂紋體斷裂時(shí)的應(yīng)力或裂紋尺寸就越大，力或裂紋尺寸就越大，表明越難斷裂。所以，表明越難斷裂。所以，KC和和Kc表示材料抵表示材料抵抗斷裂的能力。抗斷裂的能力。第一節(jié)第一節(jié) 線彈性條件下的斷裂韌性線彈性條件下的斷裂韌性 KC為為平面應(yīng)變斷裂韌度平面應(yīng)變斷裂韌度，表示材料在平面應(yīng)，表示材料在平面應(yīng)變狀態(tài)下抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力；而變狀態(tài)下抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力；而Kc為平面應(yīng)為平面應(yīng)力斷裂韌度力斷裂韌度，表示材料在平面應(yīng)力狀態(tài)下抵抗裂紋，表示材料在平面應(yīng)力狀態(tài)下抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。同一材料的同一材料的KcKC。第一節(jié)第一節(jié) 線彈性條件下的斷裂韌性線彈性條件下的斷裂韌性 三、斷裂韌度三、斷裂韌度KC和斷裂和斷裂K判據(jù)判據(jù) K和KC是兩個(gè)不同的概念，K是一個(gè)力學(xué)參量，表是一個(gè)力學(xué)參量，表示裂紋體中裂紋尖端的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度的大小示裂紋體中裂紋尖端的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度的大小，它決定于外加應(yīng)力、試樣尺寸和裂紋類型，而和材料無(wú)關(guān)。但KC是材料的力學(xué)性能指標(biāo)，它決定于材料的成分、組織結(jié)構(gòu)是材料的力學(xué)性能指標(biāo)，它決定于材料的成分、組織結(jié)構(gòu)等內(nèi)在因素等內(nèi)在因素，而與外加應(yīng)力及試樣尺寸等外在因素?zé)o關(guān)。K和和KC的關(guān)系與的關(guān)系與和和s的關(guān)系相同的關(guān)系相同，K和都是力學(xué)參量，而KC和s都是材料的力學(xué)性能指標(biāo)。第一節(jié)第一節(jié) 線彈性條件下的斷裂韌性線彈性條件下的斷裂韌性 三、斷裂韌度三、斷裂韌度KC和斷裂和斷裂K判據(jù)判據(jù) 根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K和斷裂韌度和斷裂韌度KC的相對(duì)大小，可以的相對(duì)大小，可以建立裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展脆斷的斷裂建立裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展脆斷的斷裂K判據(jù)，即判據(jù)，即 K KC裂紋體在受力時(shí)，只要滿足上述條件，就會(huì)發(fā)生脆性斷裂。反裂紋體在受力時(shí)，只要滿足上述條件，就會(huì)發(fā)生脆性斷裂。反之，即使存在裂紋，也不會(huì)發(fā)生斷裂，這種情況稱為之，即使存在裂紋，也不會(huì)發(fā)生斷裂，這種情況稱為破損安全。破損安全。第一節(jié)第一節(jié) 線彈性條件下的斷裂韌性線彈性條件下的斷裂韌性 三、斷裂韌度三、斷裂韌度KC和斷裂和斷裂K判據(jù)判據(jù) 當(dāng)當(dāng)r=0時(shí)，時(shí)，x、y、xy等各應(yīng)力分量均趨向于無(wú)窮大，這等各應(yīng)力分量均趨向于無(wú)窮大，這實(shí)際上是不可能的。對(duì)于實(shí)際金屬，當(dāng)裂紋尖端附近的應(yīng)實(shí)際上是不可能的。對(duì)于實(shí)際金屬，當(dāng)裂紋尖端附近的應(yīng)力等于或大于屈服強(qiáng)度時(shí)，金屬就要發(fā)生塑性變形，改變力等于或大于屈服強(qiáng)度時(shí)，金屬就要發(fā)生塑性變形，改變了裂紋尖端的應(yīng)力分布。了裂紋尖端的應(yīng)力分布。四、裂紋尖端塑性區(qū)及四、裂紋尖端塑性區(qū)及K的修正的修正第一節(jié)第一節(jié) 線彈性條件下的斷裂韌性線彈性條件下的斷裂韌性 式中，1、2、3是3個(gè)主應(yīng)力，根據(jù)材料力學(xué)可求得：第一節(jié)第一節(jié) 線彈性條件下的斷裂韌性線彈性條件下的斷裂韌性 四、裂紋尖端塑性區(qū)及四、裂紋尖端塑性區(qū)及K的修正的修正 Irwin歐文歐文根據(jù)Von Mises馮米塞斯屈服判據(jù)，計(jì)算出裂紋尖端塑性區(qū)的形狀和尺寸，Von Mises判據(jù)的表達(dá)式如下：龍巖學(xué)院化學(xué)與材料工程系龍巖學(xué)院化學(xué)與材料工程系將式（4-1）代入式（4-9），求得裂紋尖端各主應(yīng)力為（平面應(yīng)變）（平面應(yīng)變）（平面應(yīng)力）（平面應(yīng)力）第一節(jié)第一節(jié) 線彈性條件下的斷裂韌性線彈性條件下的斷裂韌性 四、裂紋尖端塑性區(qū)及四、裂紋尖端塑性區(qū)及K的修正的修正將各主應(yīng)力代入Von Mises判據(jù)式（4-8），化簡(jiǎn)后得到塑性區(qū)的邊界方程：（平面應(yīng)變）（平面應(yīng)變）（平面應(yīng)力）（平面應(yīng)力）第一節(jié)第一節(jié) 線彈性條件下的斷裂韌性線彈性條件下的斷裂韌性 四、裂紋尖端塑性區(qū)及四、裂紋尖端塑性區(qū)及K的修正的修正圖4-3 裂紋尖端塑性區(qū)的形狀 圖圖4-5 實(shí)際試件中的塑性區(qū)實(shí)際試件中的塑性區(qū) 平面應(yīng)變狀態(tài)是理論上的抽象。實(shí)際上，厚板件平面應(yīng)變狀態(tài)是理論上的抽象。實(shí)際上，厚板件由于表面的自由收縮，表面是平面應(yīng)力狀態(tài)，心部由于表面的自由收縮，表面是平面應(yīng)力狀態(tài)，心部是平面應(yīng)變狀態(tài)，兩者之間有一過(guò)渡區(qū)，塑性區(qū)是是平面應(yīng)變狀態(tài)，兩者之間有一過(guò)渡區(qū)，塑性區(qū)是一個(gè)啞鈴形的立體形狀，如圖一個(gè)啞鈴形的立體形狀，如圖4-5所示。所示。第一節(jié)第一節(jié) 線彈性條件下的斷裂韌性線彈性條件下的斷裂韌性 四、裂紋尖端塑性區(qū)及四、裂紋尖端塑性區(qū)及K的修正的修正 對(duì)于不同的應(yīng)力狀態(tài)，只要將式（對(duì)于不同的應(yīng)力狀態(tài)，只要將式（4-16）代入式）代入式（4-15），就可求得修正后的），就可求得修正后的K值，即值，即（平面應(yīng)變）（平面應(yīng)變）（平面應(yīng)力）（平面應(yīng)力）計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K時(shí)，應(yīng)注意修正的條件。當(dāng)應(yīng)力時(shí)，應(yīng)注意修正的條件。當(dāng)應(yīng)力增大時(shí)，裂紋尖端的塑性區(qū)也增大，影響就越大，其修正就必增大時(shí)，裂紋尖端的塑性區(qū)也增大，影響就越大，其修正就必要，通常情況下，當(dāng)要，通常情況下，當(dāng)/s=0.60.7時(shí)，就需要修正。時(shí)，就需要修正。第一節(jié)第一節(jié) 線彈性條件下的斷裂韌性線彈性條件下的斷裂韌性 四、裂紋尖端塑性區(qū)及四、裂紋尖端塑性區(qū)及K的修正的修正五、裂紋擴(kuò)展能量釋放率五、裂紋擴(kuò)展能量釋放率GGriffith格里菲斯格里菲斯提出，驅(qū)使裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力是彈性能提出，驅(qū)使裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力是彈性能的釋放率。的釋放率。（平面應(yīng)變）（平面應(yīng)變）（平面應(yīng)力）（平面應(yīng)力）G即為最早的斷裂力學(xué)參量，單位為J/mm2或KN/mm，稱為裂紋擴(kuò)展的能量釋放率裂紋擴(kuò)展的能量釋放率。第一節(jié)第一節(jié) 線彈性條件下的斷裂韌性線彈性條件下的斷裂韌性 六、斷裂韌度六、斷裂韌度Gc和斷裂和斷裂G判據(jù)判據(jù) 隨著隨著和和a的單獨(dú)或共同增大，都會(huì)使的單獨(dú)或共同增大，都會(huì)使G增大，增大，當(dāng)當(dāng)G增大到某一臨界值增大到某一臨界值Gc，滿足，滿足 或或 時(shí)，裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展而斷裂。時(shí)，裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展而斷裂。Gc也也稱為斷裂韌度，單位為稱為斷裂韌度，單位為J/mm2或或kN/mm，它表示，它表示材料阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)單位面積所消耗的能量。材料阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)單位面積所消耗的能量。第一節(jié)第一節(jié) 線彈性條件下的斷裂韌性線彈性條件下的斷裂韌性 根據(jù)根據(jù)G和和Gc的相對(duì)大小，也可建立裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的力的相對(duì)大小，也可建立裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的力學(xué)條件，即斷裂學(xué)條件，即斷裂G判據(jù)：判據(jù)：GGc盡管盡管G和和Gc的表達(dá)式不同，但它們都是應(yīng)力和裂紋尺寸的表達(dá)式不同，但它們都是應(yīng)力和裂紋尺寸的復(fù)合力學(xué)參量，都決定于應(yīng)力和裂紋尺寸，的復(fù)合力學(xué)參量，都決定于應(yīng)力和裂紋尺寸，其間必有相其間必有相互聯(lián)系?；ヂ?lián)系。第一節(jié)第一節(jié) 線彈性條件下的斷裂韌性線彈性條件下的斷裂韌性 六、斷裂韌度六、斷裂韌度Gc和斷裂和斷裂G判據(jù)判據(jù)高強(qiáng)度鋼的塑性區(qū)尺寸很小，相對(duì)屈服范圍高強(qiáng)度鋼的塑性區(qū)尺寸很小，相對(duì)屈服范圍也很小也很小,可以用線彈性斷裂力學(xué)解決問(wèn)題?？梢杂镁€彈性斷裂力學(xué)解決問(wèn)題。中、低強(qiáng)度鋼塑性區(qū)較大，相對(duì)屈服范圍較中、低強(qiáng)度鋼塑性區(qū)較大，相對(duì)屈服范圍較大大,線彈性斷裂力學(xué)已不適用，從而要求發(fā)展線彈性斷裂力學(xué)已不適用，從而要求發(fā)展彈塑性斷裂力學(xué)來(lái)解決其斷裂問(wèn)題。彈塑性斷裂力學(xué)來(lái)解決其斷裂問(wèn)題。目前常用的方法有目前常用的方法有J J積分法積分法和和CODCOD法法。J J積分法是由積分法是由G GI I延伸出來(lái)的一種斷裂能量判據(jù)延伸出來(lái)的一種斷裂能量判據(jù);COD COD法是由法是由K KI I延伸出來(lái)的一種斷裂應(yīng)變判據(jù)。延伸出來(lái)的一種斷裂應(yīng)變判據(jù)。第二節(jié)第二節(jié) 彈塑性條件下的斷裂韌性彈塑性條件下的斷裂韌性 Rice(萊斯萊斯)于于1968年提出了年提出了J積分理論，積分理論，一、一、J積分的概念積分的概念圖4-7 J積分的定義在彈性狀態(tài)下，在彈性狀態(tài)下，所包圍體積的系統(tǒng)勢(shì)所包圍體積的系統(tǒng)勢(shì)能能U等于彈性應(yīng)變能等于彈性應(yīng)變能Ue與外力功與外力功W之差。之差。因?yàn)楹穸纫驗(yàn)楹穸菳=l，故，故G由下式?jīng)Q定：由下式?jīng)Q定：設(shè)有一單位厚度的設(shè)有一單位厚度的I I型裂紋體，逆時(shí)針型裂紋體，逆時(shí)針取一回路取一回路，其所包圍體積內(nèi)的應(yīng)變能，其所包圍體積內(nèi)的應(yīng)變能密度為密度為，上任一點(diǎn)的作用力為上任一點(diǎn)的作用力為T T。線彈性條件下線彈性條件下G G的能量線積分的表達(dá)式：的能量線積分的表達(dá)式：s s為為周界弧長(zhǎng)周界弧長(zhǎng)為為回路內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)變能密度回路內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)變能密度第二節(jié)第二節(jié) 彈塑性條件下的斷裂韌性彈塑性條件下的斷裂韌性一、一、J積分的概念積分的概念第二節(jié)第二節(jié) 彈塑性條件下的斷裂韌性彈塑性條件下的斷裂韌性 在彈塑性條件下，如果將在彈塑性條件下，如果將彈性彈性應(yīng)變能密度改成應(yīng)變能密度改成彈塑性彈塑性應(yīng)變能密度，也存在上式等號(hào)右端的能量線積分，應(yīng)變能密度，也存在上式等號(hào)右端的能量線積分，RiceRice將其定義為將其定義為J J積分。積分。一、一、J積分的概念積分的概念J J為為型裂紋的能型裂紋的能量線積分量線積分線彈性條件線彈性條件 二、二、J積分的能量率表達(dá)式積分的能量率表達(dá)式彈塑性小應(yīng)彈塑性小應(yīng)變條件下變條件下第二節(jié)第二節(jié) 彈塑性條件下的斷裂韌性彈塑性條件下的斷裂韌性圖4-8 J積分的變動(dòng)功差率的意義 （a）試樣 （b）載荷-位移曲線是是J積積分的能量率表達(dá)式。分的能量率表達(dá)式。只要知道只要知道OABO陰影面陰影面積積及及a便可便可計(jì)計(jì)算算J值值。第二節(jié)第二節(jié) 彈塑性條件下的斷裂韌性彈塑性條件下的斷裂韌性二、二、J積分的能量率表達(dá)式積分的能量率表達(dá)式 需要指出，塑性變形是下不可逆的，因此求需要指出，塑性變形是下不可逆的，因此求J值值必須單調(diào)加載，不能有卸載現(xiàn)象。必須單調(diào)加載，不能有卸載現(xiàn)象。J值理解為：裂值理解為：裂紋相差單位長(zhǎng)度的兩個(gè)等同試樣，加載到等同位移紋相差單位長(zhǎng)度的兩個(gè)等同試樣，加載到等同位移時(shí)，勢(shì)能差值與裂紋面積差值的比率，即所謂形變時(shí)，勢(shì)能差值與裂紋面積差值的比率，即所謂形變功差率。正因?yàn)槿绱?，功差率。正因?yàn)槿绱?，通常通常J積分不能處理裂紋的積分不能處理裂紋的連續(xù)擴(kuò)展問(wèn)題，其臨界值只是開裂點(diǎn)，不一定是失連續(xù)擴(kuò)展問(wèn)題，其臨界值只是開裂點(diǎn)，不一定是失穩(wěn)斷裂點(diǎn)。穩(wěn)斷裂點(diǎn)。第二節(jié)第二節(jié) 彈塑性條件下的斷裂韌性彈塑性條件下的斷裂韌性二、二、J積分的能量率表達(dá)式積分的能量率表達(dá)式三、斷裂韌度三、斷裂韌度J及斷裂及斷裂J判據(jù)判據(jù) 在平面應(yīng)變條件下，當(dāng)外力達(dá)到破壞載荷時(shí)，即應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的能量達(dá)到使裂紋開始擴(kuò)展的臨界狀態(tài)時(shí)，則J積分值也達(dá)到相應(yīng)的臨界值Jc，這這個(gè)個(gè)Jc也稱為斷裂韌度，但它表示材料抵抗裂紋開也稱為斷裂韌度，但它表示材料抵抗裂紋開始擴(kuò)展的能力始擴(kuò)展的能力。J和Jc的單位同G和Gc。根據(jù)J和Jc的相互關(guān)系，可以建立斷裂斷裂J判判據(jù)，即據(jù)，即J Jc只要滿足上式，裂紋就會(huì)開裂。第二節(jié)第二節(jié) 彈塑性條件下的斷裂韌性彈塑性條件下的斷裂韌性 實(shí)際生產(chǎn)中很少用實(shí)際生產(chǎn)中很少用J積分判據(jù)計(jì)算裂紋體的承載能力，積分判據(jù)計(jì)算裂紋體的承載能力，主要原因是：主要原因是：各種實(shí)用的各種實(shí)用的J積分?jǐn)?shù)學(xué)表達(dá)式并不清楚，積分?jǐn)?shù)學(xué)表達(dá)式并不清楚，即使知道材料的即使知道材料的Jc值，也無(wú)法用來(lái)計(jì)算；值，也無(wú)法用來(lái)計(jì)算；中、低強(qiáng)中、低強(qiáng)度鋼的斷裂機(jī)件大多是韌性斷裂，裂紋往往有較長(zhǎng)的亞度鋼的斷裂機(jī)件大多是韌性斷裂，裂紋往往有較長(zhǎng)的亞穩(wěn)擴(kuò)展階段，穩(wěn)擴(kuò)展階段，Jc對(duì)應(yīng)的點(diǎn)只是開裂點(diǎn)。對(duì)應(yīng)的點(diǎn)只是開裂點(diǎn)。三、斷裂韌度三、斷裂韌度J及斷裂及斷裂J判據(jù)判據(jù)第二節(jié)第二節(jié) 彈塑性條件下的斷裂韌性彈塑性條件下的斷裂韌性 目前，目前，J判據(jù)及判據(jù)及Jc的測(cè)試目的，主要是期望用小試樣的測(cè)試目的，主要是期望用小試樣測(cè)出測(cè)出Jc，以代替大試樣的，以代替大試樣的Kc；然后再按；然后再按K判據(jù)去解決判據(jù)去解決中、低強(qiáng)度鋼大型件的斷裂問(wèn)題。中、低強(qiáng)度鋼大型件的斷裂問(wèn)題。在平面應(yīng)變或彈性條件下，在平面應(yīng)變或彈性條件下，J=G，所以，所以根據(jù)以前的公式可得：根據(jù)以前的公式可得：在一定程度近似的條件下，上式也可應(yīng)用到在一定程度近似的條件下，上式也可應(yīng)用到彈塑性狀態(tài)。彈塑性狀態(tài)。三、斷裂韌度三、斷裂韌度J及斷裂及斷裂J判據(jù)判據(jù)第二節(jié)第二節(jié) 彈塑性條件下的斷裂韌性彈塑性條件下的斷裂韌性四、裂紋尖端張開位移四、裂紋尖端張開位移(COD)的概念的概念 對(duì)于大量使用的中、低強(qiáng)度鋼構(gòu)件，如船體和壓力容器，曾發(fā)生不少低應(yīng)力脆斷事故，斷口具有90%以上的結(jié)晶狀特征，而從這些斷裂構(gòu)件上制取的小試樣，卻在整體屈服后發(fā)生纖維狀的韌斷，由此推斷，是由于構(gòu)件承受多向應(yīng)力，使由此推斷，是由于構(gòu)件承受多向應(yīng)力，使裂紋尖端的塑性變形受到約束，當(dāng)應(yīng)變量達(dá)到某一臨界值，裂紋尖端的塑性變形受到約束，當(dāng)應(yīng)變量達(dá)到某一臨界值，材料就發(fā)生斷裂，這就是斷裂的材料就發(fā)生斷裂，這就是斷裂的應(yīng)變判據(jù)應(yīng)變判據(jù)的實(shí)踐基礎(chǔ)的實(shí)踐基礎(chǔ)。不過(guò)，這個(gè)應(yīng)變量很小，難以準(zhǔn)確測(cè)量，于是人們提出裂紋尖端的張開位移COD(crack opening displaycement)來(lái)間接表示應(yīng)變量的大小，用臨界張開位移用臨界張開位移c來(lái)表征材料的斷裂韌度。來(lái)表征材料的斷裂韌度。第二節(jié)第二節(jié) 彈塑性條件下的斷裂韌性彈塑性條件下的斷裂韌性四、裂紋尖端張開位移四、裂紋尖端張開位移(COD)的概念的概念 所謂裂紋尖端張開位移，是裂紋體受載后，在裂紋尖端沿垂直裂紋方向所產(chǎn)生的位移，用表示。圖4-9 裂紋尖端張開位移和第二節(jié)第二節(jié) 彈塑性條件下的斷裂韌性彈塑性條件下的斷裂韌性對(duì)于型裂紋屈服強(qiáng)度 對(duì)于一定材料和厚度的板材，不論其裂紋尺寸如何，當(dāng)裂紋張開位移達(dá)到同一臨界值c時(shí)，裂紋就開始擴(kuò)展。因此，可將看作一種裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力。臨界值臨界值c也稱為材料的斷裂韌度，表示材料阻止裂紋開始擴(kuò)展也稱為材料的斷裂韌度，表示材料阻止裂紋開始擴(kuò)展的能力。的能力。根據(jù)和c的相對(duì)大小的關(guān)系，可以建立斷裂斷裂判據(jù)：判據(jù)：c判據(jù)和J判據(jù)一樣，都是裂紋開始擴(kuò)展的斷裂判據(jù)，而不是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂判據(jù)，顯然，按這種判據(jù)設(shè)計(jì)構(gòu)件是偏于保守的。四、裂紋尖端張開位移四、裂紋尖端張開位移(COD)的概念的概念第二節(jié)第二節(jié) 彈塑性條件下的斷裂韌性彈塑性條件下的斷裂韌性五、彈塑性條件下的五、彈塑性條件下的COD表達(dá)式表達(dá)式臨界條件第二節(jié)第二節(jié) 彈塑性條件下的斷裂韌性彈塑性條件下的斷裂韌性 Dugdale道格代爾應(yīng)用了Muskhelishvili穆斯赫利什維利復(fù)變函數(shù)解彈性問(wèn)題的方法，提出帶狀屈服模型(或稱DM模型)，導(dǎo)出了彈塑性條件下的COD表達(dá)式：外加應(yīng)力、裂紋尺寸a及材料性質(zhì)E、s同c的關(guān)系定量地聯(lián)系起來(lái)了，根據(jù)這個(gè)關(guān)系可對(duì)中、低強(qiáng)度鋼、壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)、選材和斷裂分析。第三節(jié)第三節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素一、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂韌度的影響一、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂韌度的影響1、化學(xué)成分的影響、化學(xué)成分的影響 對(duì)于對(duì)于金屬金屬材料，化學(xué)成分對(duì)斷裂韌度的影響類材料，化學(xué)成分對(duì)斷裂韌度的影響類似于對(duì)沖擊韌度的影響。其大致規(guī)律是：似于對(duì)沖擊韌度的影響。其大致規(guī)律是：細(xì)化晶粒細(xì)化晶粒的合金元素因提高強(qiáng)度和塑性，可使的合金元素因提高強(qiáng)度和塑性，可使斷裂韌度斷裂韌度提高提高；強(qiáng)烈固溶強(qiáng)化強(qiáng)烈固溶強(qiáng)化的合金元素因大大降低塑性而使斷裂的合金元素因大大降低塑性而使斷裂韌度韌度降低降低，并且隨合金元素的濃度的提高，降低的，并且隨合金元素的濃度的提高，降低的作用更加明顯；作用更加明顯；形成金屬間化合物并呈第二相析出形成金屬間化合物并呈第二相析出的合金元素，因降低塑性有利于裂紋擴(kuò)展而使斷裂的合金元素，因降低塑性有利于裂紋擴(kuò)展而使斷裂韌度韌度降低降低。第三節(jié)第三節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素一、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂韌度的影響一、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂韌度的影響 對(duì)于對(duì)于陶瓷陶瓷材料，材料，提高提高材料材料強(qiáng)度強(qiáng)度的組元，都將的組元，都將提高提高斷裂韌度。對(duì)于斷裂韌度。對(duì)于高分子高分子材料，材料，增強(qiáng)結(jié)合鍵增強(qiáng)結(jié)合鍵的元素都的元素都將將提高提高斷裂韌度。斷裂韌度。2、基體相結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸的影響、基體相結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸的影響 基體相的晶體結(jié)構(gòu)不同，材料發(fā)生塑性變形的難基體相的晶體結(jié)構(gòu)不同，材料發(fā)生塑性變形的難易和斷裂的機(jī)理不同，斷裂韌度發(fā)生變化。易和斷裂的機(jī)理不同，斷裂韌度發(fā)生變化。一般來(lái)一般來(lái)說(shuō)，基體相晶體結(jié)構(gòu)易于發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生韌性說(shuō)，基體相晶體結(jié)構(gòu)易于發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生韌性斷裂，材料的斷裂韌度就高。斷裂，材料的斷裂韌度就高。第三節(jié)第三節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素一、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂韌度的影響一、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂韌度的影響 如鋼鐵材料，基體可以是面心立方固溶體，也如鋼鐵材料，基體可以是面心立方固溶體，也可以是體心立方固溶體，面心立方固溶體容易發(fā)生可以是體心立方固溶體，面心立方固溶體容易發(fā)生滑移塑性變形滑移塑性變形而不產(chǎn)生解理斷裂，并且形變硬化指而不產(chǎn)生解理斷裂，并且形變硬化指數(shù)較高，其斷裂韌度較高，奧氏體鋼的斷裂韌度高數(shù)較高，其斷裂韌度較高，奧氏體鋼的斷裂韌度高于鐵素體鋼和馬氏體鋼。于鐵素體鋼和馬氏體鋼?；w的晶粒尺寸也是影響斷裂韌度的一個(gè)重要基體的晶粒尺寸也是影響斷裂韌度的一個(gè)重要因素。一般來(lái)說(shuō)，因素。一般來(lái)說(shuō)，細(xì)化晶粒細(xì)化晶粒既可以既可以提高強(qiáng)度提高強(qiáng)度，又可，又可以以提高塑性提高塑性，那么，那么斷裂韌度斷裂韌度也可以也可以得到提高得到提高。3、夾雜和第二相的影響、夾雜和第二相的影響 對(duì)于金屬材料，非金屬夾雜物和第二相的存在對(duì)對(duì)于金屬材料，非金屬夾雜物和第二相的存在對(duì)斷裂韌度的影響可以歸納為：斷裂韌度的影響可以歸納為：第一、非金屬夾雜物往往使斷裂韌度降低；第一、非金屬夾雜物往往使斷裂韌度降低；第二、脆性第二相隨著體積分?jǐn)?shù)的增加，使得斷裂第二、脆性第二相隨著體積分?jǐn)?shù)的增加，使得斷裂韌度降低；韌度降低；第三、韌性第二相當(dāng)其形態(tài)和數(shù)量適當(dāng)時(shí)，可以提第三、韌性第二相當(dāng)其形態(tài)和數(shù)量適當(dāng)時(shí)，可以提高材料的斷裂韌度高材料的斷裂韌度。第三節(jié)第三節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素一、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂韌度的影響一、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂韌度的影響 非金屬夾雜物和脆性第二相存在于裂紋尖端非金屬夾雜物和脆性第二相存在于裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)中時(shí)，本身的脆性使其容易形成微裂紋。的應(yīng)力場(chǎng)中時(shí)，本身的脆性使其容易形成微裂紋。而且它們易于在晶界或相界偏聚，降低界面結(jié)合而且它們易于在晶界或相界偏聚，降低界面結(jié)合能，使界面易于開裂，這些微裂紋與主裂紋連接能，使界面易于開裂，這些微裂紋與主裂紋連接加速了裂紋的擴(kuò)展，或者使裂紋沿晶擴(kuò)展，導(dǎo)致加速了裂紋的擴(kuò)展，或者使裂紋沿晶擴(kuò)展，導(dǎo)致沿晶斷裂，降低斷裂韌度。沿晶斷裂，降低斷裂韌度。第三節(jié)第三節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素一、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂韌度的影響一、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂韌度的影響圖4-11 KC和夾雜物含量f的關(guān)系第三節(jié)第三節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素一、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂韌度的影響一、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂韌度的影響 第二相的形貌、尺寸和分布不同，將導(dǎo)致裂第二相的形貌、尺寸和分布不同，將導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展途徑不同、消耗的能量不同，從而影響紋的擴(kuò)展途徑不同、消耗的能量不同，從而影響斷裂韌度斷裂韌度。如碳化物呈如碳化物呈粒狀彌散分布時(shí)粒狀彌散分布時(shí)的斷裂韌度就高的斷裂韌度就高于呈于呈網(wǎng)狀連續(xù)分布時(shí)網(wǎng)狀連續(xù)分布時(shí)。尤其是對(duì)于韌性第二相，。尤其是對(duì)于韌性第二相，其塑性變形可以松弛裂紋尖端的應(yīng)力集中，降低其塑性變形可以松弛裂紋尖端的應(yīng)力集中，降低裂紋擴(kuò)展速率，提高斷裂韌度。裂紋擴(kuò)展速率，提高斷裂韌度。第三節(jié)第三節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素一、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂韌度的影響一、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂韌度的影響 對(duì)于陶瓷材料和復(fù)合材料，目前常利用適對(duì)于陶瓷材料和復(fù)合材料，目前常利用適當(dāng)?shù)牡诙嗵岣咂鋽嗔秧g度，第二相可以是添當(dāng)?shù)牡诙嗵岣咂鋽嗔秧g度，第二相可以是添加的，也可以是在成型時(shí)自蔓延生成的。如在加的，也可以是在成型時(shí)自蔓延生成的。如在SiC、SiN陶瓷中添加碳纖維，或加入非晶碳，陶瓷中添加碳纖維，或加入非晶碳，燒結(jié)時(shí)自蔓延生成碳晶須，可以使斷裂韌度提燒結(jié)時(shí)自蔓延生成碳晶須，可以使斷裂韌度提高。高。第三節(jié)第三節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素一、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂韌度的影響一、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂韌度的影響4、顯微組織的影響、顯微組織的影響 顯微組織的類型和亞結(jié)構(gòu)將影響材料的斷裂韌顯微組織的類型和亞結(jié)構(gòu)將影響材料的斷裂韌度。如鋼鐵材料中，在高碳鋼中，回火馬氏體的斷度。如鋼鐵材料中，在高碳鋼中，回火馬氏體的斷裂韌度高于上貝氏體，但低于下貝氏體。這是由于裂韌度高于上貝氏體，但低于下貝氏體。這是由于高碳鋼中，回火馬氏體呈針狀。高碳鋼中，回火馬氏體呈針狀。上貝氏體由貝氏體上貝氏體由貝氏體鐵素體和片層間鐵素體和片層間斷續(xù)分布斷續(xù)分布的碳化物組成，下貝氏體的碳化物組成，下貝氏體由貝氏體鐵素體和其中由貝氏體鐵素體和其中彌散分布彌散分布的碳化物組成，可的碳化物組成，可見組織類型的不同導(dǎo)致材料的斷裂韌度不同。見組織類型的不同導(dǎo)致材料的斷裂韌度不同。第三節(jié)第三節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素一、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂韌度的影響一、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂韌度的影響第三節(jié)第三節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素一、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂韌度的影響一、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂韌度的影響 板條馬氏體板條馬氏體主要是位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)，具有較高的主要是位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)，具有較高的強(qiáng)度和塑性，裂紋擴(kuò)展阻力較大，呈韌性斷裂，強(qiáng)度和塑性，裂紋擴(kuò)展阻力較大，呈韌性斷裂，因而因而斷裂韌度較高斷裂韌度較高；針狀馬氏體針狀馬氏體主要是孿晶亞結(jié)主要是孿晶亞結(jié)構(gòu)，硬度高而脆性大，裂紋擴(kuò)展阻力小，呈準(zhǔn)解構(gòu)，硬度高而脆性大，裂紋擴(kuò)展阻力小，呈準(zhǔn)解理或解理斷裂，因而理或解理斷裂，因而斷裂韌度較低斷裂韌度較低。板條束針狀束1、亞溫淬火、亞溫淬火 亞溫淬火是指亞共析鋼在雙相區(qū)不完全奧氏亞溫淬火是指亞共析鋼在雙相區(qū)不完全奧氏體化后淬火的熱處理工藝，體化后淬火的熱處理工藝，通過(guò)控制預(yù)處理工藝通過(guò)控制預(yù)處理工藝和亞溫淬火的奧氏體化溫度可以獲得不同形態(tài)和和亞溫淬火的奧氏體化溫度可以獲得不同形態(tài)和數(shù)量的未溶鐵素體加馬氏體的復(fù)相組織數(shù)量的未溶鐵素體加馬氏體的復(fù)相組織，由于晶由于晶粒的細(xì)化、相界面積的增加、單位面積雜質(zhì)濃度粒的細(xì)化、相界面積的增加、單位面積雜質(zhì)濃度的降低、鐵素體對(duì)裂紋尖端應(yīng)力集中的松弛作用、的降低、鐵素體對(duì)裂紋尖端應(yīng)力集中的松弛作用、裂紋沿相界面擴(kuò)展途徑的延長(zhǎng)等，使得強(qiáng)度和韌裂紋沿相界面擴(kuò)展途徑的延長(zhǎng)等，使得強(qiáng)度和韌性得到提高。性得到提高。第三節(jié)第三節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素二、特殊改性處理對(duì)斷裂韌度的影響二、特殊改性處理對(duì)斷裂韌度的影響斷斷裂裂力力學(xué)學(xué)研研究究裂裂紋紋尖尖端端的的應(yīng)應(yīng)力力、應(yīng)應(yīng)變變和和應(yīng)應(yīng)變變能能的的分分布布情情況況，建建立立了了描描述述裂裂紋紋擴(kuò)擴(kuò)展展的的新新的的力力學(xué)學(xué)參參量量、斷斷裂裂判判據(jù)據(jù)和和對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng)的的材材料料力力學(xué)學(xué)性性能能指指標(biāo)標(biāo)-斷斷裂裂韌韌度度，以此對(duì)機(jī)件進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核。以此對(duì)機(jī)件進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核。1張開型（張開型（I型）裂紋擴(kuò)展型）裂紋擴(kuò)展2.2.滑開型滑開型(型型)裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展3 3撕開型撕開型(型型)裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展以以型裂紋擴(kuò)展最危險(xiǎn)，最容易引起型裂紋擴(kuò)展最危險(xiǎn)，最容易引起脆性斷裂脆性斷裂。上節(jié)回顧K反映了裂紋尖端區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)度，稱為反映了裂紋尖端區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)度，稱為應(yīng)力強(qiáng)度因子。應(yīng)力強(qiáng)度因子。材料的材料的KC或或Kc越高，則裂紋體斷裂時(shí)的應(yīng)越高，則裂紋體斷裂時(shí)的應(yīng)力或裂紋尺寸就越大，表明越難斷裂。所以，力或裂紋尺寸就越大，表明越難斷裂。所以，KC和和Kc表示材料抵抗斷裂的能力。表示材料抵抗斷裂的能力。裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K圖4-3 裂紋尖端塑性區(qū)的形狀 1、化學(xué)成分的影響、化學(xué)成分的影響對(duì)于對(duì)于金屬金屬材料，化學(xué)成分對(duì)斷裂韌度的影響類似材料，化學(xué)成分對(duì)斷裂韌度的影響類似于對(duì)沖擊韌度的影響。其大致規(guī)律是：于對(duì)沖擊韌度的影響。其大致規(guī)律是：細(xì)化晶粒細(xì)化晶粒的合金元素因提高的合金元素因提高強(qiáng)度強(qiáng)度和和塑性塑性，可使，可使斷斷裂韌度裂韌度提高提高；強(qiáng)烈固溶強(qiáng)化強(qiáng)烈固溶強(qiáng)化的合金元素因大大降的合金元素因大大降低塑性而使斷裂韌度低塑性而使斷裂韌度降低降低，并且隨合金元素的濃，并且隨合金元素的濃度的提高，降低的作用更加明顯；度的提高，降低的作用更加明顯；形成金屬間化形成金屬間化合物并呈第二相析出合物并呈第二相析出的合金元素，因降低塑性有的合金元素，因降低塑性有利于裂紋擴(kuò)展而使斷裂韌度利于裂紋擴(kuò)展而使斷裂韌度降低降低。影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素2、基體相結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸的影響、基體相結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸的影響 基體相的晶體結(jié)構(gòu)不同，材料發(fā)生塑性變基體相的晶體結(jié)構(gòu)不同，材料發(fā)生塑性變形的難易和斷裂的機(jī)理不同，斷裂韌度發(fā)生形的難易和斷裂的機(jī)理不同，斷裂韌度發(fā)生變化。變化。一般來(lái)說(shuō)，基體相晶體結(jié)構(gòu)易于發(fā)生一般來(lái)說(shuō)，基體相晶體結(jié)構(gòu)易于發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生韌性斷裂，材料的斷裂韌度塑性變形，產(chǎn)生韌性斷裂，材料的斷裂韌度就高。就高。面心立方固溶體容易發(fā)生面心立方固溶體容易發(fā)生滑移塑性變形滑移塑性變形而不而不產(chǎn)生解理斷裂，并且形變硬化指數(shù)較高，其產(chǎn)生解理斷裂，并且形變硬化指數(shù)較高，其斷裂韌度較高。斷裂韌度較高。細(xì)化晶粒細(xì)化晶粒既可以既可以提高強(qiáng)度提高強(qiáng)度，又可以，又可以提高塑性提高塑性，那么那么斷裂韌度斷裂韌度也可以也可以得到提高得到提高。3、夾雜和第二相的影響、夾雜和第二相的影響 對(duì)于金屬材料，非金屬夾雜物和第二相的存在對(duì)于金屬材料，非金屬夾雜物和第二相的存在對(duì)斷裂韌度的影響可以歸納為：對(duì)斷裂韌度的影響可以歸納為：第一、非金屬夾雜物往往使斷裂韌度降低；第一、非金屬夾雜物往往使斷裂韌度降低；第二、脆性第二相隨著體積分?jǐn)?shù)的增加，使得斷第二、脆性第二相隨著體積分?jǐn)?shù)的增加，使得斷裂韌度降低；裂韌度降低；第三、韌性第二相當(dāng)其形態(tài)和數(shù)量適當(dāng)時(shí)，可以第三、韌性第二相當(dāng)其形態(tài)和數(shù)量適當(dāng)時(shí)，可以提高材料的斷裂韌度提高材料的斷裂韌度。非金屬夾雜物和脆性第二相存在于裂紋尖端非金屬夾雜物和脆性第二相存在于裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)中時(shí)，本身的脆性使其容易形成的應(yīng)力場(chǎng)中時(shí)，本身的脆性使其容易形成微微裂紋裂紋。而且它們易于在。而且它們易于在晶界晶界或相界偏聚，降或相界偏聚，降低界面結(jié)合能，使界面易于開裂，這些微裂低界面結(jié)合能，使界面易于開裂，這些微裂紋與主裂紋連接紋與主裂紋連接加速了裂紋加速了裂紋的的擴(kuò)展擴(kuò)展，或者使，或者使裂紋沿晶擴(kuò)展，導(dǎo)致沿晶斷裂，降低斷裂韌裂紋沿晶擴(kuò)展，導(dǎo)致沿晶斷裂，降低斷裂韌度。度。4、顯微組織的影響、顯微組織的影響-裂紋擴(kuò)展阻力裂紋擴(kuò)展阻力1、亞溫淬火、亞溫淬火 亞溫淬火是指亞共析鋼在雙相區(qū)不完全奧氏亞溫淬火是指亞共析鋼在雙相區(qū)不完全奧氏體化后淬火的熱處理工藝，體化后淬火的熱處理工藝，通過(guò)控制預(yù)處理工藝通過(guò)控制預(yù)處理工藝和亞溫淬火的奧氏體化溫度可以獲得不同形態(tài)和和亞溫淬火的奧氏體化溫度可以獲得不同形態(tài)和數(shù)量的未溶鐵素體加馬氏體的復(fù)相組織，數(shù)量的未溶鐵素體加馬氏體的復(fù)相組織，由于晶由于晶粒的細(xì)化、相界面積的增加、單位面積雜質(zhì)濃度粒的細(xì)化、相界面積的增加、單位面積雜質(zhì)濃度的降低、鐵素體對(duì)裂紋尖端應(yīng)力集中的松弛作用、的降低、鐵素體對(duì)裂紋尖端應(yīng)力集中的松弛作用、裂紋沿相界面擴(kuò)展途徑的延長(zhǎng)等，使得強(qiáng)度和韌裂紋沿相界面擴(kuò)展途徑的延長(zhǎng)等，使得強(qiáng)度和韌性得到提高。性得到提高。第三節(jié)第三節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素二、特殊改性處理對(duì)斷裂韌度的影響二、特殊改性處理對(duì)斷裂韌度的影響如如20MnVB鋼以淬火馬氏體為預(yù)備組織，經(jīng)鋼以淬火馬氏體為預(yù)備組織，經(jīng)雙相區(qū)奧氏體化后，獲得約雙相區(qū)奧氏體化后，獲得約20%的針狀鐵素的針狀鐵素體體+馬氏體的復(fù)相組織，可以使強(qiáng)度和韌度馬氏體的復(fù)相組織，可以使強(qiáng)度和韌度提高提高10%20。第三節(jié)第三節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素二、特殊改性處理對(duì)斷裂韌度的影響二、特殊改性處理對(duì)斷裂韌度的影響2、超高溫淬火、超高溫淬火 對(duì)于中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，采用超高溫淬火，雖然對(duì)于中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，采用超高溫淬火，雖然奧氏體晶粒顯著粗化，塑性和沖擊吸收功降低，奧氏體晶粒顯著粗化，塑性和沖擊吸收功降低，但斷裂韌度提高。但斷裂韌度提高。超高溫淬火使超高溫淬火使KC提高的原因可能是：提高的原因可能是：馬氏體馬氏體形態(tài)由孿晶型變?yōu)槲诲e(cuò)型，使斷裂機(jī)理由準(zhǔn)解理形態(tài)由孿晶型變?yōu)槲诲e(cuò)型，使斷裂機(jī)理由準(zhǔn)解理變?yōu)槲⒖拙奂停蛔優(yōu)槲⒖拙奂?；在馬氏體板條束間存在在馬氏體板條束間存在1020nm的殘余奧氏體薄膜，且很恒定，可阻止的殘余奧氏體薄膜，且很恒定，可阻止裂紋擴(kuò)展；裂紋擴(kuò)展；碳化物及夾雜物能溶入奧氏體，減碳化物及夾雜物能溶入奧氏體，減少了微裂紋形成源。少了微裂紋形成源。鐵基馬氏體中的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)形貌 3、形變熱處理、形變熱處理 形變熱處理根據(jù)其形變的溫度可以分為高溫形變熱處理根據(jù)其形變的溫度可以分為高溫形變熱處理和低溫形變熱處理，由于溫度的不同，形變熱處理和低溫形變熱處理，由于溫度的不同，材料的組織和結(jié)構(gòu)發(fā)生不同的變化，使得其性能不材料的組織和結(jié)構(gòu)發(fā)生不同的變化，使得其性能不同。高溫形變熱處理由于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，可以同。高溫形變熱處理由于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，可以細(xì)化奧細(xì)化奧氏體晶粒，因而細(xì)化了淬火后的馬氏體，使強(qiáng)度和氏體晶粒，因而細(xì)化了淬火后的馬氏體，使強(qiáng)度和韌性都提高。韌性都提高。第三節(jié)第三節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素二、特殊改性處理對(duì)斷裂韌度的影響二、特殊改性處理對(duì)斷裂韌度的影響3、形變熱處理、形變熱處理 低溫形變熱處理除了細(xì)化奧氏體晶粒外，還可低溫形變熱處理除了細(xì)化奧氏體晶粒外，還可增加位錯(cuò)密度，促進(jìn)合金碳化物增加位錯(cuò)密度，促進(jìn)合金碳化物彌散沉淀彌散沉淀，降低奧，降低奧氏體含碳量和增加細(xì)小板條馬氏體的數(shù)量，因而提氏體含碳量和增加細(xì)小板條馬氏體的數(shù)量，因而提高強(qiáng)度和韌性。高強(qiáng)度和韌性。第三節(jié)第三節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素二、特殊改性處理對(duì)斷裂韌度的影響二、特殊改性處理對(duì)斷裂韌度的影響三、外界因素對(duì)斷裂韌度的膨響三、外界因素對(duì)斷裂韌度的膨響1、溫度、溫度 對(duì)于大多數(shù)材料，溫度的降低通常會(huì)降低斷裂對(duì)于大多數(shù)材料，溫度的降低通常會(huì)降低斷裂韌度，大多數(shù)結(jié)構(gòu)鋼就是如此韌度，大多數(shù)結(jié)構(gòu)鋼就是如此，但是，不同強(qiáng)度等，但是，不同強(qiáng)度等級(jí)的鋼材，變化趨勢(shì)有所不同。一般中、低強(qiáng)度鋼級(jí)的鋼材，變化趨勢(shì)有所不同。一般中、低強(qiáng)度鋼都有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象：在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上，都有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象：在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上，材料主要是微孔聚集型的斷裂機(jī)制，發(fā)生韌性斷裂，材料主要是微孔聚集型的斷裂機(jī)制，發(fā)生韌性斷裂，KC較高；較高；第三節(jié)第三節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素三、外界因素對(duì)斷裂韌度的膨響三、外界因素對(duì)斷裂韌度的膨響1、溫度、溫度 而在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下，材料主要是而在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下，材料主要是解理型解理型斷裂斷裂機(jī)制，發(fā)生脆性斷裂，機(jī)制，發(fā)生脆性斷裂，KC較低。隨著材料較低。隨著材料強(qiáng)度水平的提高，強(qiáng)度水平的提高，KC隨溫度的變化趨勢(shì)逐漸緩隨溫度的變化趨勢(shì)逐漸緩和，斷裂機(jī)理不再發(fā)生變化，溫度對(duì)斷裂韌度的和，斷裂機(jī)理不再發(fā)生變化，溫度對(duì)斷裂韌度的影響減弱。影響減弱。第三節(jié)第三節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素2、應(yīng)變速率、應(yīng)變速率 應(yīng)變速率對(duì)斷裂韌度的影響類似于溫度。增應(yīng)變速率對(duì)斷裂韌度的影響類似于溫度。增加應(yīng)變速率相當(dāng)于降低溫度，也可使加應(yīng)變速率相當(dāng)于降低溫度，也可使KC下降下降。一般認(rèn)為應(yīng)變速率每增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，一般認(rèn)為應(yīng)變速率每增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，KC約降約降低低l0。但是，當(dāng)應(yīng)變速率很大時(shí)，形變熱量來(lái)。但是，當(dāng)應(yīng)變速率很大時(shí)，形變熱量來(lái)不及傳導(dǎo)，造成絕熱狀態(tài)，導(dǎo)致局部溫度升高，不及傳導(dǎo)，造成絕熱狀態(tài)，導(dǎo)致局部溫度升高，KC又回升。又回升。第三節(jié)第三節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素三、外界因素對(duì)斷裂韌度的膨響三、外界因素對(duì)斷裂韌度的膨響圖4-12 鋼的KC隨應(yīng)變速率的變化曲線 第三節(jié)第三節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素三、外界因素對(duì)斷裂韌度的膨響三、外界因素對(duì)斷裂韌度的膨響四、斷裂韌度與強(qiáng)度、塑性和沖擊韌度的關(guān)系四、斷裂韌度與強(qiáng)度、塑性和沖擊韌度的關(guān)系1韌斷模型韌斷模型 Kraft卡夫卡夫針對(duì)微孔聚集型針對(duì)微孔聚集型斷裂機(jī)制，提出了韌斷模型。其斷裂機(jī)制，提出了韌斷模型。其要點(diǎn)是：加載時(shí)，裂紋尖端鈍化要點(diǎn)是：加載時(shí)，裂紋尖端鈍化并在裂紋前方的三向拉應(yīng)力區(qū)形并在裂紋前方的三向拉應(yīng)力區(qū)形成成微孔微孔，于是在裂紋尖端和微孔，于是在裂紋尖端和微孔之間形成之間形成韌帶韌帶，如圖，如圖4-13所示，所示，其中陰影線部分表示韌帶。當(dāng)韌其中陰影線部分表示韌帶。當(dāng)韌帶中的應(yīng)變達(dá)到臨界值時(shí)，韌帶帶中的應(yīng)變達(dá)到臨界值時(shí)，韌帶將發(fā)生斷裂，裂紋體即處于臨界將發(fā)生斷裂，裂紋體即處于臨界狀態(tài)。狀態(tài)。圖4-13 Kraft模型第三節(jié)第三節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素 在彈性區(qū)中一直到韌帶的邊沿，應(yīng)變的在彈性區(qū)中一直到韌帶的邊沿，應(yīng)變的分布用分布用線彈性理論線彈性理論給出：給出：式中：式中：dT為塑性區(qū)的尺寸，可以認(rèn)為是為塑性區(qū)的尺寸，可以認(rèn)為是材料中不均勻區(qū)或夾雜物的平均間距。材料中不均勻區(qū)或夾雜物的平均間距。四、斷裂韌度與強(qiáng)度、塑性和沖擊韌度的關(guān)系四、斷裂韌度與強(qiáng)度、塑性和沖擊韌度的關(guān)系第三節(jié)第三節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素四、斷裂韌度與強(qiáng)度、塑性和沖擊韌度的關(guān)系四、斷裂韌度與強(qiáng)度、塑性和沖擊韌度的關(guān)系第三節(jié)第三節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素 Kcraft的模型可以很好地解釋鋼中第二相和夾的模型可以很好地解釋鋼中第二相和夾雜物對(duì)雜物對(duì)KC的影響，但是，的影響，但是，該模型把線彈性應(yīng)變公該模型把線彈性應(yīng)變公式外推到大變形的頸縮階段式外推到大變形的頸縮階段，有些脫離實(shí)際。，有些脫離實(shí)際。Hahn和和Rosenfield根據(jù)對(duì)根據(jù)對(duì)裂紋尖端塑性區(qū)的裂紋尖端塑性區(qū)的金相觀察和對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析金相觀察和對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，提出了下列公式：，提出了下列公式：Schwalbe根據(jù)對(duì)根據(jù)對(duì)Al-Zn-Mg-Cu合金的韌度合金的韌度的分析推導(dǎo)出的分析推導(dǎo)出：四、斷裂韌度與強(qiáng)度、塑性和沖擊韌度的關(guān)系四、斷裂韌度與強(qiáng)度、塑性和沖擊韌度的關(guān)系第三節(jié)第三節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素 以上各式都得到了一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支持，但以上各式都得到了一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支持，但都不能普遍適用。都不能普遍適用。2、脆性斷裂模型、脆性斷裂模型 Tetelman等通過(guò)對(duì)脆性斷裂的等通過(guò)對(duì)脆性斷裂的實(shí)驗(yàn)分析實(shí)驗(yàn)分析認(rèn)為，認(rèn)為，當(dāng)裂紋尖端某一特征距離內(nèi)的應(yīng)力達(dá)到材料當(dāng)裂紋尖端某一特征距離內(nèi)的應(yīng)力達(dá)到材料解理解理斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度c時(shí)，裂紋就失穩(wěn)擴(kuò)展，產(chǎn)生脆性斷裂。時(shí)，裂紋就失穩(wěn)擴(kuò)展，產(chǎn)生脆性斷裂。如取特征距離為如取特征距離為晶粒晶粒直徑的直徑的2倍，則由此導(dǎo)出倍，則由此導(dǎo)出KC與材料的強(qiáng)度性能及裂紋尖端曲率半徑與材料的強(qiáng)度性能及裂紋尖端曲率半徑0之間的之間的關(guān)系為：關(guān)系為：第三節(jié)第三節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素四、斷裂韌度與強(qiáng)度、塑性和沖擊韌度的關(guān)系四、斷裂韌度與強(qiáng)度、塑性和沖擊韌度的關(guān)系 鄭修麟等給出了一個(gè)根據(jù)拉伸性能估算鄭修麟等給出了一個(gè)根據(jù)拉伸性能估算KC的公式：的公式：式中：式中：c是裂紋尖端臨界鈍化半徑。對(duì)于具有是裂紋尖端臨界鈍化半徑。對(duì)于具有板條馬氏體的高強(qiáng)度鋼硬化指數(shù)板條馬氏體的高強(qiáng)度鋼硬化指數(shù)n；對(duì)于具有片狀；對(duì)于具有片狀馬氏體和板條馬氏體混合組織的高強(qiáng)度鋼，馬氏體和板條馬氏體混合組織的高強(qiáng)度鋼，c數(shù)值數(shù)值上等于奧氏體晶粒直徑或均勻延伸率。上等于奧氏體晶粒直徑或均勻延伸率。第三節(jié)第三節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素四、斷裂韌度與強(qiáng)度、塑性和沖擊韌度的關(guān)系四、斷裂韌度與強(qiáng)度、塑性和沖擊韌度的關(guān)系3、其他模型、其他模型 Rolfe等人研究了等人研究了10余種中、高強(qiáng)度鋼的力余種中、高強(qiáng)度鋼的力學(xué)性能，總結(jié)出下列經(jīng)驗(yàn)公式：學(xué)性能，總結(jié)出下列經(jīng)驗(yàn)公式：式中：式中：AKV為夏氏試樣沖擊吸收功：為夏氏試樣沖擊吸收功：y為材料有為材料有效屈服強(qiáng)度。效屈服強(qiáng)度。第三節(jié)第三節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素四、斷裂韌度與強(qiáng)度、塑性和沖擊韌度的關(guān)系四、斷裂韌度與強(qiáng)度、塑性和沖擊韌度的關(guān)系第三節(jié)第三節(jié) 影響材料斷裂韌度的因素影響材料斷裂韌度的因素 所有的公式和模型都是在一定條件下成立所有的公式和模型都是在一定條件下成立的，沒(méi)有可靠的理論根據(jù)和嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，的，沒(méi)有可靠的理論根據(jù)和嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，不便推廣應(yīng)用。也就是說(shuō)，在這方面還有許多不便推廣應(yīng)用。也就是說(shuō)，在這方面還有許多工作要做。工作要做。四、斷裂韌度與強(qiáng)度、塑性和沖擊韌度的關(guān)系四、斷裂韌度與強(qiáng)度、塑性和沖擊韌度的關(guān)系第四節(jié)第四節(jié) 斷裂韌度在工程中的應(yīng)用斷裂韌度在工程中的應(yīng)用 斷裂力學(xué)就是把斷裂力學(xué)就是把彈性力學(xué)彈性力學(xué)、彈塑性力學(xué)彈塑性力學(xué)的的理論應(yīng)用到理論應(yīng)用到含有裂紋的實(shí)際材料中含有裂紋的實(shí)際材料中，從應(yīng)力和，從應(yīng)力和能量的角度，研究裂紋的擴(kuò)展過(guò)程，建立裂紋能量的角度，研究裂紋的擴(kuò)展過(guò)程，建立裂紋擴(kuò)展的判據(jù)，并因此而引出與之相對(duì)應(yīng)的一個(gè)擴(kuò)展的判據(jù)，并因此而引出與之相對(duì)應(yīng)的一個(gè)材料力學(xué)性能指標(biāo)材料力學(xué)性能指標(biāo)-斷裂韌度，從而進(jìn)行斷裂韌度，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、載荷校核、安全性檢驗(yàn)等計(jì)、材料選擇、載荷校核、安全性檢驗(yàn)等。斷裂韌度在工程中的應(yīng)用可以概括為三方面：斷裂韌度在工程中的應(yīng)用可以概括為三方面：第一就是設(shè)計(jì)，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇第一就是設(shè)計(jì)，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇?？梢愿??？梢愿鶕?jù)材料的斷裂韌度，計(jì)算結(jié)構(gòu)的據(jù)材料的斷裂韌度，計(jì)算結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力許用應(yīng)力，針對(duì)要，針對(duì)要求的承載量，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的求的承載量，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的形狀形狀和尺寸；可以根據(jù)結(jié)和尺寸；可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的承載要求、可能出現(xiàn)的裂紋類型，計(jì)算可能的構(gòu)的承載要求、可能出現(xiàn)的裂紋類型，計(jì)算可能的最大應(yīng)力最大應(yīng)力強(qiáng)度因子強(qiáng)度因子，依據(jù)材料的斷裂韌度進(jìn)行選材。，依據(jù)材料的斷裂韌度進(jìn)行選材。第四節(jié)第四節(jié) 斷裂韌度在工程中的應(yīng)用斷裂韌度在工程中的應(yīng)用 第二就是校核第二就是校核，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)要求的承載能力、，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)要求的承載能力、材料的斷裂韌度，計(jì)算材料的臨界裂紋尺寸，與材料的斷裂韌度，計(jì)算材料的臨界裂紋尺寸，與實(shí)測(cè)的裂紋尺寸相比較，校核結(jié)構(gòu)的安全性，判實(shí)測(cè)的裂紋尺寸相比較，校核結(jié)構(gòu)的安全性，判斷材料的脆斷傾向。斷材料的脆斷傾向。第三就是材料開發(fā)第三就是材料開發(fā)，可以根據(jù)對(duì)斷裂韌度的影，可以根據(jù)對(duì)斷裂韌度的影響因素，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)材料的組織結(jié)構(gòu)，開發(fā)響因素，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)材料的組織結(jié)構(gòu)，開發(fā)新材料。新材料。第四節(jié)第四節(jié) 斷裂韌度在工程中的應(yīng)用斷裂韌度在工程中的應(yīng)用一、材料選擇一、材料選擇 例例1 有一火箭殼體承受很高的工作壓力，其有一火箭殼體承受很高的工作壓力，其周向最大工作拉應(yīng)力周