《材料性能學》第2版全套PPT課件

《材料性能學》第2版全套PPT課件,材料性能學,材料,性能,全套,PPT,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)代生產的發(fā)展，新工藝、新材料的隨著現(xiàn)代生產的發(fā)展，新工藝、新材料的廣泛采用，構件在超高溫、超高壓、超高速等廣泛采用，構件在超高溫、超高壓、超高速等極限條件下服役，以及大型結構的日益增多，極限條件下服役，以及大型結構的日益增多，用傳統(tǒng)的強度理論設計的結構發(fā)生了很多斷裂用傳統(tǒng)的強度理論設計的結構發(fā)生了很多斷裂事故，如高強度鋼、超高強度鋼的機件，中、事故，如高強度鋼、超高強度鋼的機件，中、低強度鋼的低強度鋼的大型機件大型機件常常在常常在工作應力并不高，工作應力并不高，甚至遠低于屈服極限甚至遠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力脆斷。低應力脆斷。傳傳統(tǒng)統(tǒng)的的強強度度理理論論：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，斷裂是瞬時發(fā)生的。向同性的受載體，斷裂是瞬時發(fā)生的。斷裂的準則是斷裂的準則是maxmaxs s/n/n，n1n1 大量斷裂事例表明，低應力脆斷是由于宏觀裂大量斷裂事例表明，低應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和機件的加工過程中產生，如可以在材料的生產和機件的加工過程中產生，如冶冶金缺陷、鍛造裂紋、焊接裂紋、淬火裂紋、機加工金缺陷、鍛造裂紋、焊接裂紋、淬火裂紋、機加工裂紋裂紋等，也可以在使用過程中產生，如等，也可以在使用過程中產生，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？斷裂力學斷裂力學 經典的強度理論是在不考慮經典的強度理論是在不考慮裂紋裂紋的萌生和擴展的條件下進行強度計算的萌生和擴展的條件下進行強度計算的，認為斷裂是瞬時發(fā)生的。然而實的，認為斷裂是瞬時發(fā)生的。然而實際上無論際上無論哪種斷裂都有裂紋萌生、擴哪種斷裂都有裂紋萌生、擴展直至斷裂的過程展直至斷裂的過程，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展大程度上決定于裂紋萌生抗力和擴展抗力抗力，而不是總決定于用斷面尺寸計，而不是總決定于用斷面尺寸計算的名義斷裂應力和斷裂應變。顯然算的名義斷裂應力和斷裂應變。顯然需要發(fā)展新的強度理論，解決低應力需要發(fā)展新的強度理論，解決低應力脆斷的問題。脆斷的問題。斷斷裂裂力力學學正正是是在在這這種種背背景景下下發(fā)發(fā)展展起起來來的的一一門門新新興興斷斷裂裂強強度度科科學學。1922年年Griffith(格格里里菲菲斯斯)首首先先在在強強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關系系，1948年年Irwin（歐歐 文文)發(fā)發(fā) 表表 了了 經經 典典 性性 論論 文文 Fracture Dynamics，它它標標志志著著斷斷裂裂力力學學成成為為了了一一門門獨獨立立的的工工程程學學科科，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 學學。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來描描述述彈彈塑塑性性體體中中裂裂紋紋的的擴擴展展，在在這這之之后后，逐逐步步發(fā)發(fā)展展起起來來彈彈塑性斷裂力學。塑性斷裂力學。斷裂力學研究斷裂力學研究裂紋尖端裂紋尖端的的應力、應變和應應力、應變和應變能的分布情況，變能的分布情況，建立了描述建立了描述裂紋擴展裂紋擴展的新的的新的力學參量、斷裂判據和對應的材料力學性能指力學參量、斷裂判據和對應的材料力學性能指標標-斷裂韌度斷裂韌度，以此對機件進行設計和校核。，以此對機件進行設計和校核。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 應力應變分析方法應力應變分析方法:研研究裂紋尖端附近的應力究裂紋尖端附近的應力應變場，提出應變場，提出應力場強應力場強度因子度因子及及對應的斷裂韌對應的斷裂韌度和度和K判據。判據。能量分析方法能量分析方法:研究裂研究裂紋擴展時系統(tǒng)能量的變化，紋擴展時系統(tǒng)能量的變化，提出提出能量釋放率能量釋放率及及對應的對應的斷裂韌度和斷裂韌度和G判據判據。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、裂紋擴展的基本方式一、裂紋擴展的基本方式1張開型（張開型（I型）裂紋擴展型）裂紋擴展 拉應力垂直作用于裂紋拉應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，沿裂紋面擴展。例如，容器沿裂紋面擴展。例如，容器縱向裂紋在內應力作用下的縱向裂紋在內應力作用下的擴展。擴展。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、裂紋擴展的基本方式一、裂紋擴展的基本方式2 2滑開型滑開型(型型)裂紋擴展裂紋擴展 切應力平行作用于裂紋面，并且與裂紋前沿線切應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展。例如，花鍵根垂直，裂紋沿裂紋面平行滑開擴展。例如，花鍵根部裂紋沿切應力方向的擴展。部裂紋沿切應力方向的擴展。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、裂紋擴展的基本方式一、裂紋擴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)裂紋擴展裂紋擴展 切應力切應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展。例如，軸類零件的橫裂紋在扭紋沿裂紋面撕開擴展。例如，軸類零件的橫裂紋在扭矩作用下的擴展。矩作用下的擴展。圖三 實際裂紋的擴展過程并不局限于這實際裂紋的擴展過程并不局限于這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-、-、-型型的復合形式。的復合形式。在這些裂紋的不同擴展形式中，以在這些裂紋的不同擴展形式中，以型裂紋型裂紋擴展最危險，最容易引起擴展最危險，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題時，總是以這種裂研究裂紋體的脆性斷裂問題時，總是以這種裂紋為對象。紋為對象。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、裂紋擴展的基本方式一、裂紋擴展的基本方式12設有一承受均勻拉應力設有一承受均勻拉應力的無限大板，中心含有長的無限大板，中心含有長為為2a的的I型穿透裂紋。型穿透裂紋。二、裂紋尖端的應力場及應力場強度因子二、裂紋尖端的應力場及應力場強度因子K K圖4-2 裂紋尖端的應力分析 應力分量為應力分量為 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 裂紋尖端的應力分析裂紋尖端的應力分析 平面應變狀態(tài)分量為平面應變狀態(tài)分量為 二、裂紋尖端的應力場及應力場強度因子二、裂紋尖端的應力場及應力場強度因子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方向的應變受到約束，方向的應變受到約束，z=0，則裂紋尖端處，則裂紋尖端處于于平面應變狀態(tài)平面應變狀態(tài)。此時，裂紋尖端。此時，裂紋尖端處于三向拉伸應力狀態(tài)處于三向拉伸應力狀態(tài)，應力狀態(tài)軟性系數小，因而是危險的應力狀態(tài)。應力狀態(tài)軟性系數小，因而是危險的應力狀態(tài)。圖圖4-2 4-2 裂紋尖端的應力分析裂紋尖端的應力分析 平面應變狀態(tài)位移分量為平面應變狀態(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、裂紋尖端的應力場及應力場強度因子二、裂紋尖端的應力場及應力場強度因子K 圖圖4-2 4-2 裂紋尖端的應力分析裂紋尖端的應力分析 裂紋尖端任意一點的應力、裂紋尖端任意一點的應力、應變和位移分量取決于該點的應變和位移分量取決于該點的坐標（坐標（r，）、材料的彈性模）、材料的彈性模數以及參量數以及參量KI。KI可用下式表可用下式表示示:應力強度因子應力強度因子 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、裂紋尖端的應力場及應力場強度因子二、裂紋尖端的應力場及應力場強度因子K 影響因素影響因素：外加應力外加應力裂紋位置裂紋位置裂紋長度裂紋長度式中：Y為裂紋形狀系數，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、裂紋尖端的應力場及應力場強度因子二、裂紋尖端的應力場及應力場強度因子K 在裂紋尖端足夠大的范圍在裂紋尖端足夠大的范圍內，應力達到了材料的斷裂內，應力達到了材料的斷裂強度，裂紋便失穩(wěn)擴展而導強度，裂紋便失穩(wěn)擴展而導致材料的斷裂，這時致材料的斷裂，這時KI也達也達到了一個臨界值，這個到了一個臨界值，這個臨界臨界或失穩(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判據判據意義意義材料的材料的KC或或Kc越高，越高，則裂紋體斷裂時的應則裂紋體斷裂時的應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為為平面應變斷裂韌度平面應變斷裂韌度，表示材料在平面應，表示材料在平面應變狀態(tài)下抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力；而變狀態(tài)下抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力；而Kc為平面應為平面應力斷裂韌度力斷裂韌度，表示材料在平面應力狀態(tài)下抵抗裂紋，表示材料在平面應力狀態(tài)下抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。失穩(wěn)擴展的能力。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判據判據 K和KC是兩個不同的概念，K是一個力學參量，表是一個力學參量，表示裂紋體中裂紋尖端的應力應變場強度的大小示裂紋體中裂紋尖端的應力應變場強度的大小，它決定于外加應力、試樣尺寸和裂紋類型，而和材料無關。但KC是材料的力學性能指標，它決定于材料的成分、組織結構是材料的力學性能指標，它決定于材料的成分、組織結構等內在因素等內在因素，而與外加應力及試樣尺寸等外在因素無關。K和和KC的關系與的關系與和和s的關系相同的關系相同，K和都是力學參量，而KC和s都是材料的力學性能指標。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判據判據 根據應力場強度因子根據應力場強度因子K和斷裂韌度和斷裂韌度KC的相對大小，可以的相對大小，可以建立裂紋失穩(wěn)擴展脆斷的斷裂建立裂紋失穩(wěn)擴展脆斷的斷裂K判據，即判據，即 K KC裂紋體在受力時，只要滿足上述條件，就會發(fā)生脆性斷裂。反裂紋體在受力時，只要滿足上述條件，就會發(fā)生脆性斷裂。反之，即使存在裂紋，也不會發(fā)生斷裂，這種情況稱為之，即使存在裂紋，也不會發(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判據判據 當當r=0時，時，x、y、xy等各應力分量均趨向于無窮大，這等各應力分量均趨向于無窮大，這實際上是不可能的。對于實際金屬，當裂紋尖端附近的應實際上是不可能的。對于實際金屬，當裂紋尖端附近的應力等于或大于屈服強度時，金屬就要發(fā)生塑性變形，改變力等于或大于屈服強度時，金屬就要發(fā)生塑性變形，改變了裂紋尖端的應力分布。了裂紋尖端的應力分布。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個主應力，根據材料力學可求得：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Von Mises馮米塞斯屈服判據，計算出裂紋尖端塑性區(qū)的形狀和尺寸，Von Mises判據的表達式如下：龍巖學院化學與材料工程系龍巖學院化學與材料工程系將式（4-1）代入式（4-9），求得裂紋尖端各主應力為（平面應變）（平面應變）（平面應力）（平面應力）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力代入Von Mises判據式（4-8），化簡后得到塑性區(qū)的邊界方程：（平面應變）（平面應變）（平面應力）（平面應力）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 實際試件中的塑性區(qū)實際試件中的塑性區(qū) 平面應變狀態(tài)是理論上的抽象。實際上，厚板件平面應變狀態(tài)是理論上的抽象。實際上，厚板件由于表面的自由收縮，表面是平面應力狀態(tài)，心部由于表面的自由收縮，表面是平面應力狀態(tài)，心部是平面應變狀態(tài)，兩者之間有一過渡區(qū)，塑性區(qū)是是平面應變狀態(tài)，兩者之間有一過渡區(qū)，塑性區(qū)是一個啞鈴形的立體形狀，如圖一個啞鈴形的立體形狀，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 對于不同的應力狀態(tài)，只要將式（對于不同的應力狀態(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（平面應變）（平面應變）（平面應力）（平面應力）計算應力場強度因子計算應力場強度因子K時，應注意修正的條件。當應力時，應注意修正的條件。當應力增大時，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，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，當要，通常情況下，當/s=0.60.7時，就需要修正。時，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、裂紋擴展能量釋放率五、裂紋擴展能量釋放率GGriffith格里菲斯格里菲斯提出，驅使裂紋擴展的動力是彈性能提出，驅使裂紋擴展的動力是彈性能的釋放率。的釋放率。（平面應變）（平面應變）（平面應力）（平面應力）G即為最早的斷裂力學參量，單位為J/mm2或KN/mm，稱為裂紋擴展的能量釋放率裂紋擴展的能量釋放率。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判據判據 隨著隨著和和a的單獨或共同增大，都會使的單獨或共同增大，都會使G增大，增大，當當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，裂紋便失穩(wěn)擴展而斷裂。時，裂紋便失穩(wěn)擴展而斷裂。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)擴展時單位面積所消耗的能量。材料阻止裂紋失穩(wěn)擴展時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 根據根據G和和Gc的相對大小，也可建立裂紋失穩(wěn)擴展的力的相對大小，也可建立裂紋失穩(wěn)擴展的力學條件，即斷裂學條件，即斷裂G判據：判據：GGc盡管盡管G和和Gc的表達式不同，但它們都是應力和裂紋尺寸的表達式不同，但它們都是應力和裂紋尺寸的復合力學參量，都決定于應力和裂紋尺寸，的復合力學參量，都決定于應力和裂紋尺寸，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判據判據高強度鋼的塑性區(qū)尺寸很小，相對屈服范圍高強度鋼的塑性區(qū)尺寸很小，相對屈服范圍也很小也很小,可以用線彈性斷裂力學解決問題?？梢杂镁€彈性斷裂力學解決問題。中、低強度鋼塑性區(qū)較大，相對屈服范圍較中、低強度鋼塑性區(qū)較大，相對屈服范圍較大大,線彈性斷裂力學已不適用，從而要求發(fā)展線彈性斷裂力學已不適用，從而要求發(fā)展彈塑性斷裂力學來解決其斷裂問題。彈塑性斷裂力學來解決其斷裂問題。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延伸出來的一種斷裂能量判據延伸出來的一種斷裂能量判據;COD COD法是由法是由K KI I延伸出來的一種斷裂應變判據。延伸出來的一種斷裂應變判據。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)勢所包圍體積的系統(tǒng)勢能能U等于彈性應變能等于彈性應變能Ue與外力功與外力功W之差。之差。因為厚度因為厚度B=l，故，故G由下式決定：由下式決定：設有一單位厚度的設有一單位厚度的I I型裂紋體，逆時針型裂紋體，逆時針取一回路取一回路，其所包圍體積內的應變能，其所包圍體積內的應變能密度為密度為，上任一點的作用力為上任一點的作用力為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式：的能量線積分的表達式：s s為為周界弧長周界弧長為為回路內任一點的應變能密度回路內任一點的應變能密度第二節(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，如果將彈性彈性應變能密度改成應變能密度改成彈塑性彈塑性應變能密度，也存在上式等號右端的能量線積分，應變能密度，也存在上式等號右端的能量線積分，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積分的能量率表達式積分的能量率表達式彈塑性小應彈塑性小應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式。分的能量率表達式。只要知道只要知道OABO陰影面陰影面積積及及a便可便可計計算算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積分的能量率表達式積分的能量率表達式 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值值必須單調加載，不能有卸載現(xiàn)象。必須單調加載，不能有卸載現(xiàn)象。J值理解為：裂值理解為：裂紋相差單位長度的兩個等同試樣，加載到等同位移紋相差單位長度的兩個等同試樣，加載到等同位移時，勢能差值與裂紋面積差值的比率，即所謂形變時，勢能差值與裂紋面積差值的比率，即所謂形變功差率。正因為如此，功差率。正因為如此，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)擴展問題，其臨界值只是開裂點，不一定是失連續(xù)擴展問題，其臨界值只是開裂點，不一定是失穩(wěn)斷裂點。穩(wěn)斷裂點。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積分的能量率表達式積分的能量率表達式三、斷裂韌度三、斷裂韌度J及斷裂及斷裂J判據判據 在平面應變條件下，當外力達到破壞載荷時，即應力應變場的能量達到使裂紋開始擴展的臨界狀態(tài)時，則J積分值也達到相應的臨界值Jc，這這個個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展的能力始擴展的能力。J和Jc的單位同G和Gc。根據J和Jc的相互關系，可以建立斷裂斷裂J判判據，即據，即J Jc只要滿足上式，裂紋就會開裂。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 實際生產中很少用實際生產中很少用J積分判據計算裂紋體的承載能力，積分判據計算裂紋體的承載能力，主要原因是：主要原因是：各種實用的各種實用的J積分數學表達式并不清楚，積分數學表達式并不清楚，即使知道材料的即使知道材料的Jc值，也無法用來計算；值，也無法用來計算；中、低強中、低強度鋼的斷裂機件大多是韌性斷裂，裂紋往往有較長的亞度鋼的斷裂機件大多是韌性斷裂，裂紋往往有較長的亞穩(wěn)擴展階段，穩(wěn)擴展階段，Jc對應的點只是開裂點。對應的點只是開裂點。三、斷裂韌度三、斷裂韌度J及斷裂及斷裂J判據判據第二節(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判據及判據及Jc的測試目的，主要是期望用小試樣的測試目的，主要是期望用小試樣測出測出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判據去解決判據去解決中、低強度鋼大型件的斷裂問題。中、低強度鋼大型件的斷裂問題。在平面應變或彈性條件下，在平面應變或彈性條件下，J=G，所以，所以根據以前的公式可得：根據以前的公式可得：在一定程度近似的條件下，上式也可應用到在一定程度近似的條件下，上式也可應用到彈塑性狀態(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判據判據第二節(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 對于大量使用的中、低強度鋼構件，如船體和壓力容器，曾發(fā)生不少低應力脆斷事故，斷口具有90%以上的結晶狀特征，而從這些斷裂構件上制取的小試樣，卻在整體屈服后發(fā)生纖維狀的韌斷，由此推斷，是由于構件承受多向應力，使由此推斷，是由于構件承受多向應力，使裂紋尖端的塑性變形受到約束，當應變量達到某一臨界值，裂紋尖端的塑性變形受到約束，當應變量達到某一臨界值，材料就發(fā)生斷裂，這就是斷裂的材料就發(fā)生斷裂，這就是斷裂的應變判據應變判據的實踐基礎的實踐基礎。不過，這個應變量很小，難以準確測量，于是人們提出裂紋尖端的張開位移COD(crack opening displaycement)來間接表示應變量的大小，用臨界張開位移用臨界張開位移c來表征材料的斷裂韌度。來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于型裂紋屈服強度 對于一定材料和厚度的板材，不論其裂紋尺寸如何，當裂紋張開位移達到同一臨界值c時，裂紋就開始擴展。因此，可將看作一種裂紋擴展的動力。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展也稱為材料的斷裂韌度，表示材料阻止裂紋開始擴展的能力。的能力。根據和c的相對大小的關系，可以建立斷裂斷裂判據：判據：c判據和J判據一樣，都是裂紋開始擴展的斷裂判據，而不是裂紋失穩(wěn)擴展斷裂判據，顯然，按這種判據設計構件是偏于保守的。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表達式表達式臨界條件第二節(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道格代爾應用了Muskhelishvili穆斯赫利什維利復變函數解彈性問題的方法，提出帶狀屈服模型(或稱DM模型)，導出了彈塑性條件下的COD表達式：外加應力、裂紋尺寸a及材料性質E、s同c的關系定量地聯(lián)系起來了，根據這個關系可對中、低強度鋼、壓力容器進行設計、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、化學成分、組織結構對斷裂韌度的影響一、化學成分、組織結構對斷裂韌度的影響1、化學成分的影響、化學成分的影響 對于對于金屬金屬材料，化學成分對斷裂韌度的影響類材料，化學成分對斷裂韌度的影響類似于對沖擊韌度的影響。其大致規(guī)律是：似于對沖擊韌度的影響。其大致規(guī)律是：細化晶粒細化晶粒的合金元素因提高強度和塑性，可使的合金元素因提高強度和塑性，可使斷裂韌度斷裂韌度提高提高；強烈固溶強化強烈固溶強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展而使斷裂的合金元素，因降低塑性有利于裂紋擴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、化學成分、組織結構對斷裂韌度的影響一、化學成分、組織結構對斷裂韌度的影響 對于對于陶瓷陶瓷材料，材料，提高提高材料材料強度強度的組元，都將的組元，都將提高提高斷裂韌度。對于斷裂韌度。對于高分子高分子材料，材料，增強結合鍵增強結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、基體相結構和晶粒尺寸的影響、基體相結構和晶粒尺寸的影響 基體相的晶體結構不同，材料發(fā)生塑性變形的難基體相的晶體結構不同，材料發(fā)生塑性變形的難易和斷裂的機理不同，斷裂韌度發(fā)生變化。易和斷裂的機理不同，斷裂韌度發(fā)生變化。一般來一般來說，基體相晶體結構易于發(fā)生塑性變形，產生韌性說，基體相晶體結構易于發(fā)生塑性變形，產生韌性斷裂，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、化學成分、組織結構對斷裂韌度的影響一、化學成分、組織結構對斷裂韌度的影響 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生解理斷裂，并且形變硬化指而不產生解理斷裂，并且形變硬化指數較高，其斷裂韌度較高，奧氏體鋼的斷裂韌度高數較高，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。基體的晶粒尺寸也是影響斷裂韌度的一個重要基體的晶粒尺寸也是影響斷裂韌度的一個重要因素。一般來說，因素。一般來說，細化晶粒細化晶粒既可以既可以提高強度提高強度，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 對于金屬材料，非金屬夾雜物和第二相的存在對對于金屬材料，非金屬夾雜物和第二相的存在對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數的增加，使得斷裂第二、脆性第二相隨著體積分數的增加，使得斷裂韌度降低；韌度降低；第三、韌性第二相當其形態(tài)和數量適當時，可以提第三、韌性第二相當其形態(tài)和數量適當時，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、化學成分、組織結構對斷裂韌度的影響一、化學成分、組織結構對斷裂韌度的影響 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力場中時，本身的脆性使其容易形成微裂紋。的應力場中時，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，降低界面結合而且它們易于在晶界或相界偏聚，降低界面結合能，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展，或者使裂紋沿晶擴展，導致加速了裂紋的擴展，或者使裂紋沿晶擴展，導致沿晶斷裂，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、化學成分、組織結構對斷裂韌度的影響一、化學成分、組織結構對斷裂韌度的影響圖4-11 KC和夾雜物含量f的關系第三節(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、化學成分、組織結構對斷裂韌度的影響一、化學成分、組織結構對斷裂韌度的影響 第二相的形貌、尺寸和分布不同，將導致裂第二相的形貌、尺寸和分布不同，將導致裂紋的擴展途徑不同、消耗的能量不同，從而影響紋的擴展途徑不同、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粒狀彌散分布時的斷裂韌度就高的斷裂韌度就高于呈于呈網狀連續(xù)分布時網狀連續(xù)分布時。尤其是對于韌性第二相，。尤其是對于韌性第二相，其塑性變形可以松弛裂紋尖端的應力集中，降低其塑性變形可以松弛裂紋尖端的應力集中，降低裂紋擴展速率，提高斷裂韌度。裂紋擴展速率，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、化學成分、組織結構對斷裂韌度的影響一、化學成分、組織結構對斷裂韌度的影響 對于陶瓷材料和復合材料，目前常利用適對于陶瓷材料和復合材料，目前常利用適當的第二相提高其斷裂韌度，第二相可以是添當的第二相提高其斷裂韌度，第二相可以是添加的，也可以是在成型時自蔓延生成的。如在加的，也可以是在成型時自蔓延生成的。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，燒結時自蔓延生成碳晶須，可以使斷裂韌度提燒結時自蔓延生成碳晶須，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、化學成分、組織結構對斷裂韌度的影響一、化學成分、組織結構對斷裂韌度的影響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構將影響材料的斷裂韌顯微組織的類型和亞結構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致材料的斷裂韌度不同。見組織類型的不同導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、化學成分、組織結構對斷裂韌度的影響一、化學成分、組織結構對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、化學成分、組織結構對斷裂韌度的影響一、化學成分、組織結構對斷裂韌度的影響 板條馬氏體板條馬氏體主要是位錯亞結構，具有較高的主要是位錯亞結構，具有較高的強度和塑性，裂紋擴展阻力較大，呈韌性斷裂，強度和塑性，裂紋擴展阻力較大，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主要是孿晶亞結構，硬度高而脆性大，裂紋擴展阻力小，呈準解構，硬度高而脆性大，裂紋擴展阻力小，呈準解理或解理斷裂，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，通過控制預處理工藝通過控制預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)和數量的未溶鐵素體加馬氏體的復相組織數量的未溶鐵素體加馬氏體的復相組織，由于晶由于晶粒的細化、相界面積的增加、單位面積雜質濃度粒的細化、相界面積的增加、單位面積雜質濃度的降低、鐵素體對裂紋尖端應力集中的松弛作用、的降低、鐵素體對裂紋尖端應力集中的松弛作用、裂紋沿相界面擴展途徑的延長等，使得強度和韌裂紋沿相界面擴展途徑的延長等，使得強度和韌性得到提高。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、特殊改性處理對斷裂韌度的影響二、特殊改性處理對斷裂韌度的影響斷斷裂裂力力學學研研究究裂裂紋紋尖尖端端的的應應力力、應應變變和和應應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擴展展的的新新的的力力學學參參量量、斷斷裂裂判判據據和和對對應應的的材材料料力力學學性性能能指指標標-斷斷裂裂韌韌度度，以此對機件進行設計和校核。以此對機件進行設計和校核。1張開型（張開型（I型）裂紋擴展型）裂紋擴展2.2.滑開型滑開型(型型)裂紋擴展裂紋擴展3 3撕開型撕開型(型型)裂紋擴展裂紋擴展以以型裂紋擴展最危險，最容易引起型裂紋擴展最危險，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)域應力場的強度，稱為反映了裂紋尖端區(qū)域應力場的強度，稱為應力強度因子。應力強度因子。材料的材料的KC或或Kc越高，則裂紋體斷裂時的應越高，則裂紋體斷裂時的應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。裂紋尖端的應力場及應力場強度因子裂紋尖端的應力場及應力場強度因子K裂紋尖端的應力場及應力場強度因子裂紋尖端的應力場及應力場強度因子K圖4-3 裂紋尖端塑性區(qū)的形狀 1、化學成分的影響、化學成分的影響對于對于金屬金屬材料，化學成分對斷裂韌度的影響類似材料，化學成分對斷裂韌度的影響類似于對沖擊韌度的影響。其大致規(guī)律是：于對沖擊韌度的影響。其大致規(guī)律是：細化晶粒細化晶粒的合金元素因提高的合金元素因提高強度強度和和塑性塑性，可使，可使斷斷裂韌度裂韌度提高提高；強烈固溶強化強烈固溶強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展而使斷裂韌度利于裂紋擴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、基體相結構和晶粒尺寸的影響、基體相結構和晶粒尺寸的影響 基體相的晶體結構不同，材料發(fā)生塑性變基體相的晶體結構不同，材料發(fā)生塑性變形的難易和斷裂的機理不同，斷裂韌度發(fā)生形的難易和斷裂的機理不同，斷裂韌度發(fā)生變化。變化。一般來說，基體相晶體結構易于發(fā)生一般來說，基體相晶體結構易于發(fā)生塑性變形，產生韌性斷裂，材料的斷裂韌度塑性變形，產生韌性斷裂，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生解理斷裂，并且形變硬化指數較高，其產生解理斷裂，并且形變硬化指數較高，其斷裂韌度較高。斷裂韌度較高。細化晶粒細化晶粒既可以既可以提高強度提高強度，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 對于金屬材料，非金屬夾雜物和第二相的存在對于金屬材料，非金屬夾雜物和第二相的存在對斷裂韌度的影響可以歸納為：對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數的增加，使得斷第二、脆性第二相隨著體積分數的增加，使得斷裂韌度降低；裂韌度降低；第三、韌性第二相當其形態(tài)和數量適當時，可以第三、韌性第二相當其形態(tài)和數量適當時，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力場中時，本身的脆性使其容易形成的應力場中時，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，降低界面結合能，使界面易于開裂，這些微裂低界面結合能，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展擴展，或者使，或者使裂紋沿晶擴展，導致沿晶斷裂，降低斷裂韌裂紋沿晶擴展，導致沿晶斷裂，降低斷裂韌度。度。4、顯微組織的影響、顯微組織的影響-裂紋擴展阻力裂紋擴展阻力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，通過控制預處理工藝通過控制預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)和數量的未溶鐵素體加馬氏體的復相組織，數量的未溶鐵素體加馬氏體的復相組織，由于晶由于晶粒的細化、相界面積的增加、單位面積雜質濃度粒的細化、相界面積的增加、單位面積雜質濃度的降低、鐵素體對裂紋尖端應力集中的松弛作用、的降低、鐵素體對裂紋尖端應力集中的松弛作用、裂紋沿相界面擴展途徑的延長等，使得強度和韌裂紋沿相界面擴展途徑的延長等，使得強度和韌性得到提高。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、特殊改性處理對斷裂韌度的影響二、特殊改性處理對斷裂韌度的影響如如20MnVB鋼以淬火馬氏體為預備組織，經鋼以淬火馬氏體為預備組織，經雙相區(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+馬氏體的復相組織，可以使強度和韌度馬氏體的復相組織，可以使強度和韌度提高提高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、特殊改性處理對斷裂韌度的影響二、特殊改性處理對斷裂韌度的影響2、超高溫淬火、超高溫淬火 對于中碳合金結構鋼，采用超高溫淬火，雖然對于中碳合金結構鋼，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型，使斷裂機理由準解理形態(tài)由孿晶型變?yōu)槲诲e型，使斷裂機理由準解理變?yōu)槲⒖拙奂?；變?yōu)槲⒖拙奂停辉隈R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，可阻止裂紋擴展；裂紋擴展；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亞結構形貌 3、形變熱處理、形變熱處理 形變熱處理根據其形變的溫度可以分為高溫形變熱處理根據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，材料的組織和結構發(fā)生不同的變化，使得其性能不材料的組織和結構發(fā)生不同的變化，使得其性能不同。高溫形變熱處理由于動態(tài)再結晶，可以同。高溫形變熱處理由于動態(tài)再結晶，可以細化奧細化奧氏體晶粒，因而細化了淬火后的馬氏體，使強度和氏體晶粒，因而細化了淬火后的馬氏體，使強度和韌性都提高。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、特殊改性處理對斷裂韌度的影響二、特殊改性處理對斷裂韌度的影響3、形變熱處理、形變熱處理 低溫形變熱處理除了細化奧氏體晶粒外，還可低溫形變熱處理除了細化奧氏體晶粒外，還可增加位錯密度，促進合金碳化物增加位錯密度，促進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小板條馬氏體的數量，因而提氏體含碳量和增加細小板條馬氏體的數量，因而提高強度和韌性。高強度和韌性。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、特殊改性處理對斷裂韌度的影響二、特殊改性處理對斷裂韌度的影響三、外界因素對斷裂韌度的膨響三、外界因素對斷裂韌度的膨響1、溫度、溫度 對于大多數材料，溫度的降低通常會降低斷裂對于大多數材料，溫度的降低通常會降低斷裂韌度，大多數結構鋼就是如此韌度，大多數結構鋼就是如此，但是，不同強度等，但是，不同強度等級的鋼材，變化趨勢有所不同。一般中、低強度鋼級的鋼材，變化趨勢有所不同。一般中、低強度鋼都有明顯的韌脆轉變現(xiàn)象：在韌脆轉變溫度以上，都有明顯的韌脆轉變現(xiàn)象：在韌脆轉變溫度以上，材料主要是微孔聚集型的斷裂機制，發(fā)生韌性斷裂，材料主要是微孔聚集型的斷裂機制，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、外界因素對斷裂韌度的膨響三、外界因素對斷裂韌度的膨響1、溫度、溫度 而在韌脆轉變溫度以下，材料主要是而在韌脆轉變溫度以下，材料主要是解理型解理型斷裂斷裂機制，發(fā)生脆性斷裂，機制，發(fā)生脆性斷裂，KC較低。隨著材料較低。隨著材料強度水平的提高，強度水平的提高，KC隨溫度的變化趨勢逐漸緩隨溫度的變化趨勢逐漸緩和，斷裂機理不再發(fā)生變化，溫度對斷裂韌度的和，斷裂機理不再發(fā)生變化，溫度對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、應變速率、應變速率 應變速率對斷裂韌度的影響類似于溫度。增應變速率對斷裂韌度的影響類似于溫度。增加應變速率相當于降低溫度，也可使加應變速率相當于降低溫度，也可使KC下降下降。一般認為應變速率每增加一個數量級，一般認為應變速率每增加一個數量級，KC約降約降低低l0。但是，當應變速率很大時，形變熱量來。但是，當應變速率很大時，形變熱量來不及傳導，造成絕熱狀態(tài)，導致局部溫度升高，不及傳導，造成絕熱狀態(tài)，導致局部溫度升高，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、外界因素對斷裂韌度的膨響三、外界因素對斷裂韌度的膨響圖4-12 鋼的KC隨應變速率的變化曲線 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、外界因素對斷裂韌度的膨響三、外界因素對斷裂韌度的膨響四、斷裂韌度與強度、塑性和沖擊韌度的關系四、斷裂韌度與強度、塑性和沖擊韌度的關系1韌斷模型韌斷模型 Kraft卡夫卡夫針對微孔聚集型針對微孔聚集型斷裂機制，提出了韌斷模型。其斷裂機制，提出了韌斷模型。其要點是：加載時，裂紋尖端鈍化要點是：加載時，裂紋尖端鈍化并在裂紋前方的三向拉應力區(qū)形并在裂紋前方的三向拉應力區(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。當韌其中陰影線部分表示韌帶。當韌帶中的應變達到臨界值時，韌帶帶中的應變達到臨界值時，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，應變的在彈性區(qū)中一直到韌帶的邊沿，應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，可以認為是為塑性區(qū)的尺寸，可以認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、斷裂韌度與強度、塑性和沖擊韌度的關系四、斷裂韌度與強度、塑性和沖擊韌度的關系第三節(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、斷裂韌度與強度、塑性和沖擊韌度的關系四、斷裂韌度與強度、塑性和沖擊韌度的關系第三節(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雜物對KC的影響，但是，的影響，但是，該模型把線彈性應變公該模型把線彈性應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，有些脫離實際。，有些脫離實際。Hahn和和Rosenfield根據對根據對裂紋尖端塑性區(qū)的裂紋尖端塑性區(qū)的金相觀察和對實驗數據的分析金相觀察和對實驗數據的分析，提出了下列公式：，提出了下列公式：Schwalbe根據對根據對Al-Zn-Mg-Cu合金的韌度合金的韌度的分析推導出的分析推導出：四、斷裂韌度與強度、塑性和沖擊韌度的關系四、斷裂韌度與強度、塑性和沖擊韌度的關系第三節(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驗結果的支持，但以上各式都得到了一些實驗結果的支持，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等通過對脆性斷裂的等通過對脆性斷裂的實驗分析實驗分析認為，認為，當裂紋尖端某一特征距離內的應力達到材料當裂紋尖端某一特征距離內的應力達到材料解理解理斷裂強度斷裂強度c時，裂紋就失穩(wěn)擴展，產生脆性斷裂。時，裂紋就失穩(wěn)擴展，產生脆性斷裂。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，則由此導出倍，則由此導出KC與材料的強度性能及裂紋尖端曲率半徑與材料的強度性能及裂紋尖端曲率半徑0之間的之間的關系為：關系為：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、斷裂韌度與強度、塑性和沖擊韌度的關系四、斷裂韌度與強度、塑性和沖擊韌度的關系 鄭修麟等給出了一個根據拉伸性能估算鄭修麟等給出了一個根據拉伸性能估算KC的公式：的公式：式中：式中：c是裂紋尖端臨界鈍化半徑。對于具有是裂紋尖端臨界鈍化半徑。對于具有板條馬氏體的高強度鋼硬化指數板條馬氏體的高強度鋼硬化指數n；對于具有片狀；對于具有片狀馬氏體和板條馬氏體混合組織的高強度鋼，馬氏體和板條馬氏體混合組織的高強度鋼，c數值數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、斷裂韌度與強度、塑性和沖擊韌度的關系四、斷裂韌度與強度、塑性和沖擊韌度的關系3、其他模型、其他模型 Rolfe等人研究了等人研究了10余種中、高強度鋼的力余種中、高強度鋼的力學性能，總結出下列經驗公式：學性能，總結出下列經驗公式：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度。效屈服強度。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、斷裂韌度與強度、塑性和沖擊韌度的關系四、斷裂韌度與強度、塑性和沖擊韌度的關系第三節(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，沒有可靠的理論根據和嚴格的數學推導，的，沒有可靠的理論根據和嚴格的數學推導，不便推廣應用。也就是說，在這方面還有許多不便推廣應用。也就是說，在這方面還有許多工作要做。工作要做。四、斷裂韌度與強度、塑性和沖擊韌度的關系四、斷裂韌度與強度、塑性和沖擊韌度的關系第四節(jié)第四節(jié) 斷裂韌度在工程中的應用斷裂韌度在工程中的應用 斷裂力學就是把斷裂力學就是把彈性力學彈性力學、彈塑性力學彈塑性力學的的理論應用到理論應用到含有裂紋的實際材料中含有裂紋的實際材料中，從應力和，從應力和能量的角度，研究裂紋的擴展過程，建立裂紋能量的角度，研究裂紋的擴展過程，建立裂紋擴展的判據，并因此而引出與之相對應的一個擴展的判據，并因此而引出與之相對應的一個材料力學性能指標材料力學性能指標-斷裂韌度，從而進行斷裂韌度，從而進行結構設結構設計、材料選擇、載荷校核、安全性檢驗等計、材料選擇、載荷校核、安全性檢驗等。斷裂韌度在工程中的應用可以概括為三方面：斷裂韌度在工程中的應用可以概括為三方面：第一就是設計，包括結構設計和材料選擇第一就是設計，包括結構設計和材料選擇。可以根?？梢愿鶕牧系臄嗔秧g度，計算結構的據材料的斷裂韌度，計算結構的許用應力許用應力，針對要，針對要求的承載量，設計結構的求的承載量，設計結構的形狀形狀和尺寸；可以根據結和尺寸；可以根據結構的承載要求、可能出現(xiàn)的裂紋類型，計算可能的構的承載要求、可能出現(xiàn)的裂紋類型，計算可能的最大應力最大應力強度因子強度因子，依據材料的斷裂韌度進行選材。，依據材料的斷裂韌度進行選材。第四節(jié)第四節(jié) 斷裂韌度在工程中的應用斷裂韌度在工程中的應用 第二就是校核第二就是校核，可以根據結構要求的承載能力、，可以根據結構要求的承載能力、材料的斷裂韌度，計算材料的臨界裂紋尺寸，與材料的斷裂韌度，計算材料的臨界裂紋尺寸，與實測的裂紋尺寸相比較，校核結構的安全性，判實測的裂紋尺寸相比較，校核結構的安全性，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)，可以根據對斷裂韌度的影，可以根據對斷裂韌度的影響因素，有針對性地設計材料的組織結構，開發(fā)響因素，有針對性地設計材料的組織結構，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用斷裂韌度在工程中的應用一、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力周