金屬材料的斷裂和斷裂韌性

《金屬材料的斷裂和斷裂韌性》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《金屬材料的斷裂和斷裂韌性（58頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、1 4 金屬材料的斷裂和斷裂韌性現(xiàn) 代 設(shè) 計(jì) 與 分 析 研 究 所何 雪 浤 2 4 金屬材料的斷裂和斷裂韌性工 程 構(gòu) 件 的 主 要 失 效 形 式n 斷 裂 、 彈 塑 性 失 穩(wěn) 、 磨 損 、 腐 蝕 等斷 裂 的 不 同 形 式n 疲 勞 斷 裂 、 蠕 變 斷 裂 、 應(yīng) 力 腐 蝕 或 腐 蝕 疲 勞 斷 裂 等室 溫 環(huán) 境 下 單 向 加 載 時(shí) 的 金 屬 斷 裂n 斷 裂 類 型 ： 脆 性 斷 裂 、 韌 性 斷 裂n 斷 裂 過 程 與 微 觀 機(jī) 制 n 斷 裂 的 基 本 理 論 n 韌 脆 轉(zhuǎn) 化 區(qū)分依據(jù)：斷裂前是否發(fā)生明顯的宏觀塑性變形；斷裂前是否明顯

2、地吸收了能量 3 4 金屬材料的斷裂和斷裂韌性4.1 脆 性 斷 裂 4.2 延 性 斷 裂 4.3 脆 性 韌 性 轉(zhuǎn) 變 4.4 線 彈 性 條 件 下 的 斷 裂 韌 性 4.5 影 響 斷 裂 韌 性 的 因 素 4.6 金 屬 的 韌 化4.7 彈 塑 性 條 件 下 斷 裂 韌 性 的 概 述 4 4.1 脆性斷裂 脆 性 斷 裂 的 宏 觀 特 征n 斷 裂 前 無 明 顯 的 塑 性 變 形 ， 吸 收 的 能 量 很 少 ， 而 裂 紋 的擴(kuò) 展 速 度 往 往 很 快 ， 幾 近 音 速 ， 故 脆 性 斷 裂 前 無 明 顯 的征 兆 可 尋 ， 且 斷 裂 是 突 然

3、發(fā) 生 的 ， 因 而 往 往 引 起 嚴(yán) 重 的后 果 。 在 工 程 應(yīng) 用 中 ， 一 般 把 k 5 定 為 韌 性 斷 裂 。 材 料 處 于 脆 性 狀 態(tài) 還 是 韌 狀 態(tài) 并 不 是 固 定 不 變 的 ， 往 往 因材 質(zhì) 、 應(yīng) 力 狀 態(tài) 和 環(huán) 境 等 因 素 而 相 互 轉(zhuǎn) 化 。 常 見 的 脆 性 斷 裂 有 解 理 斷 裂 和 晶 間 斷 裂 。 5 4.1.1 解理斷裂 解 理 斷 裂 是 材 料 在 拉 應(yīng) 力 的 作 用 下 ， 由 于 原 子 間 結(jié) 合 鍵 遭 到 破 壞 ，嚴(yán) 格 地 沿 一 定 的 結(jié) 晶 學(xué) 平 面 （ 即 所 謂 “ 解 理

4、面 ” ） 劈 開 而 造 成 的 。 解 理 面 一 般 是 表 面 能 最 小 的 晶 面 ， 且 往 往 是 低 指 數(shù) 的 晶 面 。 解 理 斷 口 的 宏 觀 形 貌 是 較 為 平 坦 的 、 發(fā) 亮 的 結(jié) 晶 狀 斷 面 。 在 電 子 顯 微 鏡 下 ， 解 理 斷 口 的 特 征 是 河 流 狀 花 樣 。 河 流 狀 花 樣 是 由解 理 臺 階 的 側(cè) 面 匯 合 而 形 成 的 。 “ 河 流 ” 的 流 向 與 裂 紋 擴(kuò) 展 方 向一 致 。 在 通 過 扭 曲 晶 界 或 大 角 度 晶 界 時(shí) ， 由 于 相 鄰 晶 粒 內(nèi) 解 理 面 的 位 向 差很 大

5、 ， 裂 紋 在 晶 界 受 阻 ， 裂 紋 尖 端 的 高 應(yīng) 變 能 激 發(fā) 了 在 晶 界 另 一 側(cè)面 的 解 理 裂 紋 成 核 ， 即 出 現(xiàn) 了 新 的 河 流 花 樣 ， 而 且 往 往 數(shù) 量 大 增 。 解 理 斷 裂 的 另 一 個(gè) 微 觀 特 征 是 舌 狀 花 樣 ， 它 是 解 理 裂 紋 沿 孿 晶 界 擴(kuò)展 而 留 下 的 舌 狀 凸 臺 或 凹 坑 。 6 一些金屬的解理面 7 解理斷口的河流花樣（箭頭所指為擴(kuò)展方向） 8 裂紋擴(kuò)展和河流方向 9 裂紋穿過大角度晶界的解理河流花樣 10 解理斷口的舌狀花樣 11 4.1.2 準(zhǔn)解理斷裂 準(zhǔn) 解 理 斷 裂 多

6、在 馬 氏 體 回 火 鋼 中 出 現(xiàn) ， 回 火 產(chǎn) 物 中 細(xì) 小 的碳 化 物 質(zhì) 點(diǎn) 影 響 裂 紋 的 產(chǎn) 生 和 擴(kuò) 展 。 準(zhǔn) 解 理 斷 裂 時(shí) ， 其 解 理 面 除 （ 0 01） 面 外 ， 還 有 （ 1 1 0） 、（ 1 1 2） 等 晶 面 。 準(zhǔn) 解 理 斷 裂 的 解 理 小 平 面 間 有 明 顯 的 撕 裂 棱 。 其 微 觀 形 貌中 ， 出 現(xiàn) 大 量 短 而 彎 曲 的 撕 裂 棱 ， 河 流 花 樣 已 不 十 分 明 顯 。 撕 裂 棱 是 由 一 些 單 獨(dú) 形 核 的 裂 紋 相 互 連 接 而 形 成 的 。 12 準(zhǔn)解理斷口 13 撕裂棱

7、的形成過程示意圖 14 準(zhǔn)解理斷裂和解理斷裂的主要不同點(diǎn) 準(zhǔn) 解 理 裂 紋 常 起 源 于 晶 內(nèi) 硬 質(zhì) 點(diǎn) ， 向 四 周 放 射 狀 地 擴(kuò) 展 ，而 解 理 裂 紋 則 自 晶 界 一 側(cè) 向 另 一 側(cè) 延 伸 ； 準(zhǔn) 解 理 斷 口 有 許 多 撕 裂 棱 ； 準(zhǔn) 解 理 斷 口 上 局 部 區(qū) 域 出 現(xiàn) 韌 窩 ， 是 解 理 與 微 孔 聚 合 的 混合 型 斷 裂 。 但 準(zhǔn) 解 理 斷 裂 的 主 要 機(jī) 制 仍 是 解 理 。 其 宏 觀 表現(xiàn) 是 脆 性 的 。 所 以 ， 常 將 準(zhǔn) 解 理 斷 裂 歸 入 脆 性 斷 裂 。 15 4.1.3 沿晶斷裂 沿 晶

8、斷 裂 是 裂 紋 沿 晶 界 擴(kuò) 展 的 一 種 脆 性 斷 裂 。 沿 晶 斷 裂 發(fā) 生 的 主 要 原 因 n 晶 界 存 在 連 續(xù) 分 布 的 脆 性 第 二 相 ；n 微 量 有 害 雜 質(zhì) 元 素 在 晶 界 上 偏 聚 ；n 由 于 環(huán) 境 介 質(zhì) 的 作 用 損 害 了 晶 界 ， 如 氫 脆 、 應(yīng) 力 腐 蝕 、 應(yīng) 力和 高 溫 的 復(fù) 合 作 用 在 晶 界 造 成 損 傷 。n 例 ： 鋼 的 高 溫 回 火 脆 性 是 微 量 有 害 元 素 P， Sb， As， Sn等 偏 聚 于 晶 界 ， 降 低 了 晶 界 原 子 間 的 結(jié) 合 力 ， 從 而 大 大

9、 降 低 了 裂紋 沿 晶 界 擴(kuò) 展 的 抗 力 ， 導(dǎo) 致 沿 晶 斷 裂 。 16 沿晶斷裂斷口形貌 17 4.2.1 延性斷裂特征及過程 延 性 斷 裂 的 微 觀 特 征 是 韌 窩 形 貌 。 在 電 子 顯 微 鏡 下 ， 可 以看 到 斷 口 由 許 多 凹 進(jìn) 或 凸 出 的 微 坑 組 成 。 在 微 坑 中 可 以 發(fā)現(xiàn) 有 第 二 相 粒 子 。 一 般 情 況 下 ， 斷 口 具 有 韌 窩 形 貌 的 構(gòu) 件 ， 其 宏 觀 斷 裂 是 韌性 的 ， 斷 口 的 宏 觀 形 貌 大 多 呈 纖 維 狀 。 延 性 斷 裂 的 過 程 是 ： “ 微 孔 形 核 微

10、孔 長 大 微 孔 聚 合 ”三 部 曲 。 微 孔 聚 合 有 三 種 不 同 的 模 式 。 韌 窩 的 形 狀 因 應(yīng) 力 狀 態(tài) 而 異 。 如 在 正 應(yīng) 力 作 用 下 ， 韌 窩 是等 軸 形 的 ； 在 扭 載 荷 作 用 下 ， 韌 窩 被 拉 長 為 橢 圓 形 。 微 觀 上 的 延 性 斷 裂 （ 其 特 征 為 微 孔 聚 合 、 韌 窩 形 貌 ） ， 往往 與 宏 觀 上 的 韌 性 斷 裂 （ 斷 裂 前 有 較 大 的 宏 觀 塑 性 變 形 ） 相 聯(lián) 系 ， 但 并 無 嚴(yán) 格 的 對 應(yīng) 關(guān) 系 。 18 延性斷裂斷口形貌韌窩 19 剪 切 裂 紋 一

11、般 沿 滑 移 線 發(fā) 生 .高 強(qiáng) 度 鋼 常 發(fā) 生 這 種 模 式 的 微 孔 聚 合 ，其 韌 性 較 “ 正 常 的 ” 微 孔 聚 合 模 式 要差 。 微孔聚合的三種形式 （a）正常的微孔聚合；（b）快速剪切斷開；（c）大片夾雜相連 內(nèi) 頸 縮 剪 切 裂 紋 夾 雜微 孔 成 核 源 ： 第 二 相 粒 子 。在 應(yīng) 力 作 用 下 ， 基 體 和 第 二 相 粒 子 的 界 面 脫 開 ，或 第 二 相 粒 子 本 身 開 裂 ， 于 是 出 現(xiàn) 微 孔 。 材 料 內(nèi) 部 本 身 存 在 著 大 片 的 夾 雜 ， 微孔 通 過 脆 弱 的 夾 雜 連 成 裂 紋 。這 是

12、 不 合 格 材 料 出 現(xiàn) 的 一 種 缺 陷 20 不同韌窩形式 (a)等軸韌窩 (b)拋物線型韌窩 (c)拉長型韌窩 21 4.2.2 影響延性斷裂擴(kuò)展的因素 1 第 二 相 粒 子 n 第 二 相 粒 子 分 為 兩 大 類 ， 一 類 是 夾 雜 物 ， 如 鋼 中 的 MnS， 它 很脆 ， 在 不 大 的 應(yīng) 力 作 用 下 ， 這 些 夾 雜 物 粒 子 便 與 基 體 脫 開 ， 或本 身 裂 開 而 成 為 微 孔 ； 另 一 類 是 強(qiáng) 化 相 ， 如 鋼 中 的 彌 散 碳 化 物 、鋁 合 金 中 的 彌 散 強(qiáng) 化 相 ， 它 們 本 身 比 較 堅(jiān) 實(shí) ， 與 基

13、 體 結(jié) 合 也 牢 ，是 位 錯(cuò) 塞 積 引 起 的 應(yīng) 力 集 中 ， 或 在 高 應(yīng) 變 條 件 下 ， 第 二 相 與 基體 塑 性 變 形 不 協(xié) 調(diào) 而 萌 生 微 孔 的 。 n 隨 第 二 相 體 積 分 數(shù) 的 增 加 ， 鋼 的 韌 性 都 下 降 ， 硫 化 物 比 碳 化 物的 影 響 要 明 顯 得 多 。 2 基 體 的 形 變 強(qiáng) 化 n 基 體 的 形 變 強(qiáng) 化 指 數(shù) 越 大 ， 則 塑 性 變 形 后 的 強(qiáng) 化 越 強(qiáng) 烈 ， 其 結(jié) 果 是 各 處 均 勻 的 變 形 。 微 孔 長 大 后 的 聚 合 ， 將 按 正 常 模 式 進(jìn) 行 ，韌 性 好

14、 ； 相 反 地 ， 如 果 基 體 的 形 變 強(qiáng) 化 指 數(shù) 小 ， 則 變 形 容 易 局部 化 ， 較 易 出 現(xiàn) 快 速 剪 切 裂 開 。 這 種 聚 合 模 式 韌 性 低 。 npeK* 22 第二相對斷裂應(yīng)變的影響 23 4.3 脆性韌性轉(zhuǎn)變 構(gòu) 件 或 材 料 的 韌 性 或 脆 性 并 不 是 固 定 不 變 的 ，除 了 材 料 本 身 的 組 織 結(jié) 構(gòu) 有 很 大 影 響 外 ， 還 取決 于 應(yīng) 力 狀 態(tài) ， 溫 度 和 加 載 速 率 等 等 。 與 其 說某 一 材 料 本 質(zhì) 是 脆 性 的 或 韌 性 的 ， 還 不 如 說 該材 料 是 處 于 脆 性

15、 狀 態(tài) 或 韌 性 狀 態(tài) 。 24 4.3.1 應(yīng)力狀態(tài)、柔度系數(shù)與破壞形式切 應(yīng) 力 促 進(jìn) 塑 性 變 形 ， 對 韌 性 有 利 ； 拉 應(yīng)力 促 進(jìn) 斷 裂 ， 不 利 于 韌 性 。 柔 度 系 數(shù) （ 軟 性 系 數(shù) ） m axm ax 值 愈 大 ， 應(yīng) 力 狀 態(tài) 愈 “ 柔 ” ， 愈 易 變 形 而較 不 易 開 裂 ， 即 愈 易 處 于 韌 性 狀 態(tài) 。 值 愈小 ， 則 相 反 ， 愈 易 傾 向 脆 性 斷 裂 25 某一材料的力學(xué)狀態(tài)圖 正 斷屈 服切 斷彈性變形區(qū)彈塑性變形區(qū)切斷正斷 26 4.3.2 溫度和加載速率的影響 溫 度 對 韌 脆 轉(zhuǎn) 變 影

16、 響 顯 著 ， 這 是 由 于 溫 度 對 正 斷強(qiáng) 度 影 響 不 大 ， 而 對 屈 服 強(qiáng) 度 影 響 甚 大 。隨 著 溫 度 升 高 ， 斷 裂 應(yīng) 力 變 化 不 大 ， 而 屈 服 強(qiáng) 度變 化 很 大 ， c和 s交 點(diǎn) 就 是 韌 脆 轉(zhuǎn) 變 溫 度 ， 低于 此 溫 度 是 無 屈 服 的 斷 裂 ， 即 脆 斷 ； 高 于 此 溫 度是 韌 斷 。提 高 加 載 速 率 起 著 與 溫 度 相 反 的 作 用 。 加 載 速 率提 高 ， 容 易 激 發(fā) 解 理 斷 裂 ， 即 使 是 微 孔 聚 合 的 延性 斷 裂 機(jī) 理 ， 微 孔 聚 合 的 模 式 也 只 能

17、 是 快 速 剪 切裂 開 ， 因 而 增 加 了 脆 性 傾 向 。 27 碳含量對鋼沖擊轉(zhuǎn)變溫度的影響 28 脆性韌性轉(zhuǎn)變示意圖 29 4.3.3 材料微觀結(jié)構(gòu)的影響 （ 1） 晶 格 類 型 的 影 響 n 面 心 立 方 晶 格 的 金 屬 ， 一 般 不 出 現(xiàn) 解 理 斷 裂 ， 也 沒 有 韌 脆 轉(zhuǎn)變 溫 度 ， 其 韌 性 可 以 維 持 到 低 溫 。 n 體 心 立 方 晶 格 的 金 屬 ， 韌 脆 轉(zhuǎn) 變 受 溫 度 及 加 載 速 率 的 影 響 很 大 ，因 為 在 低 溫 和 高 加 載 速 率 下 ， 它 們 易 發(fā) 生 孿 晶 ， 也 容 易 激 發(fā) 解理

18、斷 裂 。（ 2） 成 分 的 影 響 n 微 量 的 氧 、 氮 以 及 間 隙 原 子 溶 于 體 心 立 方 晶 格 中 會 阻 礙 滑 移 ，促 進(jìn) 其 脆 性 。 n 鋼 中 含 碳 量 增 加 ， 塑 性 抗 力 增 加 。n 合 金 元 素 的 影 響 比 較 復(fù) 雜 。（ 3） 晶 粒 大 小 的 影 響 n 晶 粒 細(xì) 化 既 提 高 了 材 料 的 強(qiáng) 度 ， 又 提 高 了 它 的 塑 性 和 韌 性 ， 還 降 低 了 韌 脆 轉(zhuǎn) 變 溫 度 。 （ 4） 第 二 相 粒 子 的 影 響 n 細(xì) 小 的 第 二 相 粒 子 有 利 于 降 低 韌 脆 轉(zhuǎn) 變 溫 度 。

19、 30 合金元素對鋼沖擊韌性轉(zhuǎn)變溫度的影響 31 斷裂力學(xué)和斷裂韌性 為 防 止 裂 紋 體 的 低 應(yīng) 力 脆 斷 ， 不 得 不 對 其 強(qiáng) 度 斷 裂 抗力 進(jìn) 行 研 究 ， 從 而 形 成 了 斷 裂 力 學(xué) 這 樣 一 個(gè) 新 學(xué) 科 。 斷 裂 力 學(xué) 的 研 究 內(nèi) 容 包 括 裂 紋 尖 端 的 應(yīng) 力 和 應(yīng) 變 分 析 ； 建立 新 的 斷 裂 判 據(jù) ； 斷 裂 力 學(xué) 參 量 的 計(jì) 算 與 實(shí) 驗(yàn) 測 定 ， 其 中包 括 材 料 的 力 學(xué) 性 能 新 指 標(biāo) 斷 裂 韌 性 及 其 測 定 ， 斷 裂機(jī) 制 和 提 高 材 料 斷 裂 韌 性 的 途 徑 等 。

20、 斷 裂 力 學(xué) 用 于 構(gòu) 件 的 安 全 性 評 估 或 斷 裂 控 制 設(shè) 計(jì) ， 是 對 靜強(qiáng) 度 設(shè) 計(jì) 的 重 大 發(fā) 展 和 補(bǔ) 充 ， 具 有 重 大 的 工 程 應(yīng) 用 意 義 。 斷 裂 力 學(xué) 的 發(fā) 展 經(jīng) 歷 了 從 線 彈 性 斷 裂 力 學(xué) 到 彈 塑 性 斷 裂 力學(xué) 的 階 段 。 32 4.4 線彈性條件下的斷裂韌性 4.4.1 三 種 斷 裂 的 類 型 33 三種基本斷裂類型的實(shí)例 34 葉輪中的I型裂紋 35 聯(lián)接螺栓中的II型裂紋 36 4.4.2 應(yīng)力強(qiáng)度因子KI和斷裂韌性KIcn裂 紋 尖 端 應(yīng) 力 應(yīng) 變 場 分 析 得 裂 紋 尖 端 應(yīng)

21、力 場 的一 般 表 達(dá) 式 ： 37 4.4.2 應(yīng)力強(qiáng)度因子KI和斷裂韌性KIc應(yīng) 力 強(qiáng) 度 因 子 的 臨 界 值 cKI是 材 料 本 身 的 固 有 屬 性 cc aYK I aYK cc I 38 斷裂韌性隨板厚的變化 39 一些工程材料在常溫下的KIc值 40 4.4.2 應(yīng)力強(qiáng)度因子KI和斷裂韌性KIc脆 性 斷 裂 的 K準(zhǔn) 則 :nKI和KIc的物理意義KI ： 應(yīng) 力 強(qiáng) 度 因 子 ， 計(jì) 算 得 到 。KIc ： 斷 裂 韌 性 ： 材 料 抵 抗 脆 性 斷 裂 的 能 力 。nKIc的試驗(yàn)獲得 n平 面 應(yīng) 變 斷 裂 韌 性 41 4.4.3 裂紋擴(kuò)展的能量釋

22、放率GI和斷裂韌性GIc 分 析 原 理 ： 能 量 法應(yīng)變能釋放率裂紋擴(kuò)展需要吸收的能量率擴(kuò)展穩(wěn)定臨界裂紋臨界條件：G準(zhǔn)則 42 K與G的關(guān)系 22 21 1 IcIc cc KEG KEG 43 K準(zhǔn)則的工程應(yīng)用uK準(zhǔn)則:n臨界應(yīng)力n臨界裂紋長度 44 K準(zhǔn)則的工程應(yīng)用應(yīng) 用 場 合 ：n 已 知 應(yīng) 力 ， 求 臨 界 裂 紋 長 度 ；n 已 知 裂 紋 長 度 ， 求 臨 界 應(yīng) 力 （ 剩 余 強(qiáng) 度 ） 。應(yīng) 用 步 驟 ：n 通 過 無 損 檢 測 ， 確 定 裂 紋 a的 長 度 及 位 置 ；n 對 缺 陷 進(jìn) 行 分 析 ， 計(jì) 算 或 查 表 得 到 應(yīng) 力 強(qiáng) 度 因

23、 子 K的 表 達(dá) 式 ；n 通 過 試 驗(yàn) 或 查 表 ， 確 定 材 料 的 平 面 應(yīng) 變 斷 裂 韌 性 K Ic值 ；n 根 據(jù) K準(zhǔn) 則 ， 進(jìn) 行 斷 裂 力 學(xué) 分 析 ， 確 定 臨 界 裂 紋 長 度 ac或 臨 界應(yīng) 力 （ 剩 余 強(qiáng) 度 ） 值 。 45 工程應(yīng)用實(shí)例1950年 ， 美 國 北 極 星 導(dǎo) 彈 發(fā) 動 機(jī) 殼 體 發(fā) 生爆 炸 事 件 。 已 知 殼 體 材 料 為 D6GC高 強(qiáng) 度鋼 ， ， ， 傳統(tǒng) 檢 驗(yàn) 合 格 ， 水 壓 實(shí) 驗(yàn) 時(shí) 爆 炸 ， 破 壞 應(yīng) 力為 。 材 料 的 斷 裂 韌 性為 ， 試 分 析 其 低應(yīng) 力 脆 斷 的 原

24、 因 。 110tR 4.1373s MPa6.1569MPa7.686 c 8.55I cK mMPa62 46 工程應(yīng)用實(shí)例應(yīng) 力 分 析周 向 應(yīng) 力 和 軸向 應(yīng) 力 圖 47 工程應(yīng)用實(shí)例傳 統(tǒng) 強(qiáng) 度 分 析n未 超 過 許 用 應(yīng) 力 ， 強(qiáng) 度 合 格 。斷 裂 分 析n臨 界 裂 紋 長 度 0.36mm， 易 漏 檢 。改 進(jìn) 措 施n選 用 K Ic較 高 的 材 料 ， 提 高 臨 界 裂 紋 長 度 ， 確 保檢 出 率 。 48 4.4.4 平面應(yīng)變斷裂韌性的測定 1. 試 樣 及 其 制 備 n 用 于 測 定 KIc 的 標(biāo) 準(zhǔn) 試 樣 主 要 采 用 三 點(diǎn)

25、彎 曲 和 緊 湊 拉 伸 試樣 。n 為 引 發(fā) 裂 紋 ， 可 先 用 線 切 割 加 工 寬 度 0.13mm的 切 口 ，然 后 用 高 頻 疲 勞 試 驗(yàn) 機(jī) 預(yù) 制 長 度 1.3mm的 疲 勞 裂 紋 。n 疲 勞 預(yù) 制 中 的 K max應(yīng) 小 于 0.6KIc， 特 別 是 在 最 終 達(dá) 到 要 求裂 紋 長 度 時(shí) ， 應(yīng) 盡 量 減 小 負(fù) 荷 ， 以 保 證 裂 紋 有 足 夠 的 尖銳 度 。 49 兩種典型的斷裂韌性試樣 （a）三點(diǎn)彎曲（b）緊湊拉伸 50 4.4.4 平面應(yīng)變斷裂韌性的測定2. 測 試 設(shè) 備 和 方 法n 測 試 的 裝 置 如 圖 所 示

26、。 測 試 時(shí) ， 通 過 載 荷 傳 感 器 和 位 移傳 感 器 以 及 動 態(tài) 電 阻 應(yīng) 變 儀 和 函 數(shù) 記 錄 儀 ， 連 續(xù) 記 錄 負(fù)荷 F和 裂 紋 嘴 張 開 位 移 v， 從 而 得 到 Fv曲 線 。 由 此 曲線 如 果 能 定 出 臨 界 載 荷 Fc以 及 由 斷 口 上 測 定 的 裂 紋 長度 a， 代 入 確 定 的 K Ic計(jì) 算 公 式 ， 就 可 以 求 得 材 料 的 斷 裂韌 性 KIc值 。 51 KIc測試裝置系統(tǒng) 52 4.5 影響斷裂韌性的因素1. 材 料 的 組 織 和 結(jié) 構(gòu) （ 1） 晶 粒 尺 寸 n 晶 粒 愈 細(xì) ， 晶 界

27、所 占 比 例 愈 大 ， 裂 紋 尖 端 附 近 從 產(chǎn) 生 一 定 尺 寸的 塑 性 區(qū) 到 裂 紋 擴(kuò) 展 所 消 耗 的 能 量 也 愈 大 ， 因 此 KIc也 愈 高 。 一般 說 來 ， 細(xì) 化 晶 粒 是 使 強(qiáng) 度 和 韌 性 同 時(shí) 提 高 的 有 效 手 段 。 （ 2 ） 夾 雜 和 第 二 相 n 鋼 中 的 夾 雜 物 ， 如 硫 化 物 、 氧 化 物 等 往 往 偏 析 于 晶 界 ， 導(dǎo) 致 晶界 弱 化 ， 增 大 沿 晶 斷 裂 的 傾 向 ， 而 在 晶 內(nèi) 分 布 的 雜 質(zhì) 則 常 常 起著 缺 陷 源 的 作 用 。 所 有 這 些 都 使 材 料

28、 的 K Ic值 下 降 。n 至 于 脆 性 第 二 相 ， 如 隨 碳 含 量 的 增 加 ， 滲 碳 體 增 多 ， 強(qiáng) 度 提 高 ，但 KIc 值 急 劇 下 降 。 n 夾 雜 物 和 第 二 相 的 形 狀 對 KIc值 也 有 很 大 影 響 。n 回 火 脆 性 也 是 引 起 鋼 的 斷 裂 韌 性 大 幅 度 下 降 的 重 要 因 素 。 53 4.5 影響斷裂韌性的因素（ 3） 組 織 結(jié) 構(gòu)n 通 過 淬 火 、 回 火 獲 得 回 火 馬 氏 體 組 織 的 綜 合 力 學(xué) 性 能 最好 ， 即 s和 KIc值 都 高 。 n 調(diào) 整 貝 氏 體 的 成 分 和

29、工 藝 ， 使 針 狀 鐵 素 體 細(xì) 化 就 可 使 其韌 性 提 高 。n 奧 氏 體 的 韌 性 比 馬 氏 體 高 ， 所 以 在 馬 氏 體 基 體 上 有 少 量殘 余 奧 氏 體 ， 就 相 當(dāng) 于 存 在 韌 性 相 ， 使 材 料 斷 裂 韌 性 升 高 。 54 4.5 影響斷裂韌性的因素2. 溫 度 和 加 載 速 度 n隨 著 試 驗(yàn) 溫 度 的 下 降 ， 材 料 塑 性 變 形 能 力 降 低 ，相 應(yīng) KIc值 也 有 所 下 降 。n變 形 速 度 增 大 ， 影 響 材 料 塑 性 變 形 能 力 的 發(fā) 揮 ，促 使 材 料 的 韌 性 下 降 。 55 N

30、iCrMoV鋼KIc隨溫度的變化 56 KIc與變形速度的關(guān)系 57 4.6 金屬的韌化 1 提 高 冶 金 質(zhì) 量 2 控 制 鋼 的 成 分 和 組 織 3 壓 力 加 工 4 熱 處 理 58 復(fù)習(xí)思考題 解 理 斷 裂 的 微 觀 形 貌 有 哪 些 主 要 特 征 。 脆 性 斷 裂 與 解 理 斷裂 是 否 等 同 。 隨 著 結(jié) 構(gòu) 的 大 型 化 、 設(shè) 計(jì) 應(yīng) 力 水 平 的 提 高 、 高 強(qiáng) 度 材 料 的應(yīng) 用 、 焊 接 工 藝 的 普 遍 采 用 以 及 服 役 條 件 的 嚴(yán) 酷 化 ， 試 說明 在 傳 統(tǒng) 強(qiáng) 度 設(shè) 計(jì) 的 基 礎(chǔ) 上 ， 還 應(yīng) 進(jìn) 行 斷 裂 力 學(xué) 設(shè) 計(jì) 的 原因 。 如 何 正 確 認(rèn) 識 斷 裂 判 據(jù) K I=KIc的 含 義 。 什 么 是 材 料 的 斷 裂 韌 性 ？ 影 響 斷 裂 韌 性 有 哪 些 主 要 因 素 ？