斷裂韌性基礎(chǔ)-23頁(yè)word資料

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1、第 1 1 頁(yè) 第六章斷裂韌性基礎(chǔ) 第一節(jié) GriffithGriffith 斷裂理論 第二節(jié)裂紋擴(kuò)展的能量判據(jù) 能量釋放率 G G 裂紋擴(kuò)展單位面積時(shí)，系統(tǒng)所提供的彈性能量 U是裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力，此 A 力叫裂紋擴(kuò)展力或稱為裂紋擴(kuò)展時(shí)的能量釋放率。以 Gi表示(1 1 表示I型 裂紋擴(kuò)展)。G G 與外加應(yīng)力，試樣尺寸和裂紋有關(guān)，而裂紋擴(kuò)展的阻力為 2( s p)，隨，a G 增大到某一臨界值時(shí)，Gi能克服裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展 阻力，則裂紋使失穩(wěn)擴(kuò)展而斷裂，這個(gè) Gi的臨界值它為 Gic，稱為斷裂韌 性。表示材料組織裂紋試穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)單位面積所消耗的能量。 i G G 的單位 MPa m 2。 玻璃，陶瓷

2、 s i200MPa 高強(qiáng)鋼 可看成線彈性體 s s 500 1000MPa 的橫截面中強(qiáng)鋼 低溫下的中低強(qiáng)度鋼 631631 三種斷裂類(lèi)型 最危險(xiǎn)I型 6.3.2 6.3.2 I型裂紋頂端的應(yīng)力場(chǎng) 無(wú)限大平板中心含有一個(gè)長(zhǎng)為 2a2a 的穿透裂紋，受力如圖 歐文(G G Ro Irwin Irwin )等人對(duì)I型裂紋尖端附近的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了分析, 2 2 G (1 v ) a G G1 , G1C 2 2 C ac(1 v ) E E Gi 2 E a，Gc 2 C ac E 平面應(yīng)變下: 平面應(yīng)力下: 第 2 2 頁(yè) 第三節(jié) 裂紋頂端的應(yīng)力場(chǎng) 提出應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的數(shù)字解析式，由此引出了應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)

3、度因子 Ki的概念。并 建立了裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的 K K 判據(jù)和斷裂韌性 K1C o 若用極坐標(biāo)表達(dá)式表達(dá)，則有近似數(shù)字表達(dá)式： 當(dāng)裂尖某點(diǎn)不確定，即 r, 一定后，應(yīng)力大小均由 Ki決定 - 盈利強(qiáng)度 因子 K1 故 Ki大小反映了裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱，取決于應(yīng)力大小，裂紋尺寸。 633633 應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子及判據(jù) 將上面應(yīng)力場(chǎng)方程寫(xiě)成： 其中 Ki Y - a Y Y:形狀系數(shù)。 對(duì)無(wú)限大板 Y Y =1 =1 o 當(dāng)此參量達(dá)到臨界時(shí)，在裂紋尖端足夠大的范圍內(nèi)，應(yīng)力便會(huì)達(dá)到斷裂強(qiáng) 度，裂紋便沿著X X 軸失穩(wěn)擴(kuò)展，從而使材料斷裂。這個(gè)臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的 值記為 K1C 斷裂韌性。 Kic為平面應(yīng)

4、變的斷裂韌性，表示在平面應(yīng)變下材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的 能力，顯然 可見(jiàn)，材料的 Kic越高，則裂紋體的斷裂應(yīng)力或臨界斷裂尺寸就越大，表 明難以斷裂。因此 Kic是材料抵抗斷裂的能力 斷裂判據(jù)：ac 或Y石KiC 裂紋體在受力時(shí)，只要滿足上式條件，就會(huì)發(fā)生脆性斷裂。反之，即使存 在裂紋，若 Ki Kic，也不會(huì)斷裂，這種情況稱為破損安全。 應(yīng)用這個(gè)關(guān)系，可解決以下幾個(gè)問(wèn)題： 確定構(gòu)件臨界斷裂尺寸：由材料的 Kic急構(gòu)件的平均工作應(yīng)力去估算其 第 3 3 頁(yè) 中允許的最大裂紋尺寸（即已知 AK， 求比）為制定裂紋探傷標(biāo)準(zhǔn)提 供依據(jù) 確定構(gòu)件承載能力： 由材料的 Kic及構(gòu)件中的裂紋尺寸 a,a,去

5、估算其最大 承載能力c， （已知 Kic，a a 求c）為載荷設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 確定構(gòu)件安全性：據(jù)工作應(yīng)力 及裂紋尺寸 a a，確定材料的斷裂韌性 （已知，a a 求 Kic ）為正確選用材料提供理論依據(jù) 3 3 K1C和K的區(qū)別在于： 相對(duì)于 Kic裂紋試樣來(lái)說(shuō)，CVNCVN 或 K試樣缺口根部都是相當(dāng)鈍的，應(yīng) 力集中數(shù)要小得多。 AK中包括了裂紋形成功和擴(kuò)散功部分， 而 Kic試樣已預(yù)制了裂紋，不 再需要裂紋形成功。 Kic試樣必須滿足平面應(yīng)變條件，而一次沖擊試樣則不一定滿足平面 應(yīng)變條件。 K是在應(yīng)變速率高的沖擊載荷下得到，而 Kic試驗(yàn)是在靜載下進(jìn)行 的。 Ki與 G，Kic與 Gic的

6、異同 Ki描述了裂紋前端內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱， Gi是裂紋擴(kuò)展單位長(zhǎng)度或單位面積 時(shí)，裂紋擴(kuò)展力或系統(tǒng)能量釋放率，它們與裂紋及物體的大小形狀，外加 應(yīng)力等參數(shù)有關(guān)。Kic和 Gic都是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí) Ki和 Gi的臨界值。表示材 料阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力，是材料的力學(xué)性能，稱為斷裂韌性。并與材 料的成分，組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。盡管兩種分析方法不同，但其結(jié)論是完全一至 的 第四節(jié) 裂紋尖端塑區(qū)性及其修正 第 4 4 頁(yè) 思路：塑性區(qū)尺寸-塑性區(qū)形狀-屈服判據(jù)-主應(yīng)力-應(yīng)力分量 (6 6- -19 19 ) (6 6- -18 18 ) ( 6 6- -17 17 ) ( 6 6- -15 15 ) ( 6 6

7、- -16 16 ) ( 6 6- -1010) (丫, ) (一)裂紋前端屈服區(qū)大小 屈服區(qū)邊界曲線方程 在 X X 軸上，= =0 0,塑性區(qū)寬度 沿上述思路，由(6 6- -10 10 )所表達(dá)的裂紋尖端的應(yīng)力分量代入(6 6- -16 16 )所表 達(dá)的主應(yīng)力。即可得到裂紋尖端附近任一點(diǎn) P P (Y,)的主應(yīng)力(6 6- -16 16 ) 表達(dá)試。 由屈服判據(jù)，即可得到(6 6- -17 17 )表達(dá)的塑性區(qū)邊界曲線方程。 也就得到 6 6- -8 8 圖所示的塑性區(qū)形狀。在 X X 軸上=0=0,所以又可以得到塑性區(qū)的尺寸寬度 (6 6- -18 18 )表達(dá)試。由此也可以看到平面

8、應(yīng)力的塑性區(qū)寬度比平面應(yīng)變的大 許多。這表明平面應(yīng)變應(yīng)力狀態(tài)是最危險(xiǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。 第五節(jié) 應(yīng)力強(qiáng)度因子的塑性區(qū)修正 應(yīng)力松弛對(duì)塑性區(qū)尺寸的影響 通常把塑性區(qū)的最大主應(yīng)力 1叫做有效屈服應(yīng)力，用 ys 表示，換句話說(shuō)， ys 就是在 Y Y 方向發(fā)生屈服的應(yīng)力。 我們?cè)谏厦嬗懻撏瞥?，由于裂紋尖端集中，使應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度加大，當(dāng)它 超過(guò)材料的有效屈服應(yīng)力 ys 時(shí)，裂紋前端就會(huì)屈服，產(chǎn)生塑性變形，并 計(jì)算了塑性區(qū)尺寸。但是上面忽略了一個(gè)重要現(xiàn)象， 即裂紋尖端一旦屈服， 屈服區(qū)內(nèi)的最大主應(yīng)力恒等于有效屈服應(yīng)力 ys，也就是將原來(lái)的應(yīng)力峰第 5 5 頁(yè) 前移，屈服區(qū)多出來(lái)的那部分應(yīng)力（圖 6 6- -9 9

9、 影線 P P 分區(qū)和 A A）就要松弛掉。 這部分松弛掉的應(yīng)力傳給了屈服區(qū)周?chē)膮^(qū)域，從而使這些區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力 值升高。若這些區(qū)域的應(yīng)力 y 高于 ys 時(shí)，則也會(huì)發(fā)生屈服。這就是說(shuō)， 屈服區(qū)內(nèi)應(yīng)力松弛的結(jié)果。使屈服區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大。屈服區(qū)寬度由 r0r0 增加 至 R0R0 如圖 6 6- -9 9 所示。圖中 DBSDBS 裂紋尖端 y 的分布曲線。ABEFABEF 為考慮 到屈服區(qū)應(yīng)力松弛后的 y*分布曲線，ABEABE 線恒重于 ys。根據(jù)能量分析， 影線面積與矩形 BGHE!BGHE!等。這樣即得到（P81P81 頁(yè)）式。即盈利松弛后，平 面應(yīng)變塑性區(qū)的寬度 R R（。平面應(yīng)力狀態(tài)下 y

10、s= = s。平面應(yīng)變應(yīng)力狀態(tài)下 由于平面應(yīng)變狀態(tài)下。板內(nèi)裂紋尖端處于平面應(yīng)變應(yīng)力狀態(tài)，而前面板面 是平面應(yīng)力狀態(tài)，所以 ys 并沒(méi)這么大。一般取 ys=.22 s，這樣就可以 得到平面應(yīng)變狀態(tài)下的r0及R0值。可是由于應(yīng)力松弛的結(jié)果。均使塑性 區(qū)擴(kuò)大了一倍。書(shū)上將這類(lèi)結(jié)果歸納了表 4 4- -2 2，大家可以仔細(xì)看。 （二）塑性區(qū)修正 由于裂紋前斷塑性區(qū)的存在，其應(yīng)力場(chǎng)分布?jí)驯厝话l(fā)生變化，這時(shí)應(yīng) 力場(chǎng)應(yīng)如何來(lái)計(jì)算呢？大量實(shí)驗(yàn)論證，當(dāng)材料的 s值越高，而K1c又較低 時(shí)R0值是很小的；或者R0本身雖然不很小。但是由于試件的尺寸很大。 相對(duì)來(lái)說(shuō) R R 仍可看做很小。這種情況下，裂紋前端大部分區(qū)

11、域?yàn)閺椥詤^(qū)， 只是發(fā)生了小范圍屈服。這種性質(zhì)下，只要稍加修正線彈性斷裂力學(xué)分析 結(jié)果仍然適用。 修正的簡(jiǎn)單辦法是引入“有效裂紋尺寸”的概念?；舅悸肥牵喊阉?yS = = 1 s 2v 第 6 6 頁(yè) 性區(qū)松弛應(yīng)力的作用等效的看作是裂紋長(zhǎng)度增加 r r，而松弛了彈性應(yīng)力場(chǎng) 的作用，也就是說(shuō)。塑性區(qū)的存在相當(dāng)于裂紋長(zhǎng)度增加。從而引入有效裂 紋長(zhǎng)度a r來(lái)代替原有裂紋長(zhǎng)度。就不再考慮塑性區(qū)的影響。原來(lái)推導(dǎo)出 的線彈性應(yīng)力場(chǎng)的公式仍然適用。 應(yīng)用彈性塑性斷裂力學(xué)裂紋，理論上遠(yuǎn)不及彈性斷裂力學(xué)完善。只能采用 幾種近似方法，且前用及最廣的有裂紋尖端張幵位移 CODCOD 與 丁積分。 一. 丁積分 1.

12、1. 丁積分的定義 由G1 U 及 U= ue W W 對(duì) P111P111 頁(yè)的圖 4 4- -9 9 所示 a （U:U:位勢(shì)能 Ue :彈性應(yīng)變能 W:外力功） 的單位厚試樣。 dv bdA dA設(shè)3為應(yīng)變能密度（單為體積應(yīng)變能） 則 dUe 3 dV= 3 dA 于是 Ue dUe 3 dA 3 dA 外力所做的功 W dW u T dS 所以 G1 dy U T dS） a 線彈性條件下 G1G1 表達(dá)式。彈性條件下，等式右端和積分總是存在的。稱 訂積分（丁積分是圍繞裂紋尖端的任意積分回路的能量線積分） 2.2. 丁積分能量表達(dá)式 T1 （3 dy U T dS） a 線性條件下：G

13、1 T1 -! ） a B a 彈塑性應(yīng)變條件下：T1 丄（-弘） B a a 這就是丁積分的能量表達(dá)式。 應(yīng)當(dāng)注意。塑變是不可逆的，卸載后仍存殘余塑變。故不允許卸載。裂紋 擴(kuò)展意味著局部卸載。因此，在彈塑性條件下。 T1 -不能認(rèn)為是裂紋 a 擴(kuò)展單位長(zhǎng)度的系位勢(shì)能下降率。而應(yīng)當(dāng)把它解釋為裂紋相差單位長(zhǎng)度的 兩個(gè)等同試樣的勢(shì)能差。 正因?yàn)槿绱?，丁積分原則上不能處理裂紋擴(kuò)展。 3 3. 丁積分特性 第 7 7 頁(yè) 丁積分與積分路徑無(wú)關(guān)。即丁積分的守恒性。 丁積分可以描寫(xiě)彈塑性狀態(tài)下裂紋頂端的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)及其奇異性。它 相當(dāng)于線彈性狀態(tài)下的 K1K1 的作用。 4 4臨界丁積分與彈塑性條件下的斷裂

14、判據(jù)。 線彈性條件下，丁積分等于裂紋擴(kuò)展力 G1,G1,即 在臨界條件下，則有 可以用試樣測(cè)得幾后按此式算出 QcQc，從而較方便地獲得等中低強(qiáng)度鋼的 斷裂韌性數(shù)據(jù)。 線彈性條件下存在丁積分的斷裂判據(jù) T T1c 彈塑性條件下，大量實(shí)驗(yàn)表明。如果裂紋幵始擴(kuò)展點(diǎn)如臨界點(diǎn)，貝 y y 當(dāng)試樣 尺寸滿足一定要求后。所測(cè)的 Tic是穩(wěn)定的。是一個(gè)材料常數(shù)。因此， Tic指 的是裂紋幵始擴(kuò)展的幵裂點(diǎn)。而不是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展點(diǎn)。因此只要滿足 Ti Tic，構(gòu)件就會(huì)幵裂。 二.裂紋尖端張幵位移 CODCOD 對(duì)于中低強(qiáng)度鋼。由于塑性大，往往要在發(fā)生大范圍屈服甚至全屈服 后才發(fā)生斷裂，在全屈服下，塑性區(qū)擴(kuò)散到整個(gè)

15、裂紋截面。如假定忽 略形變無(wú)變化，則裂紋頂端附近的應(yīng)力就幾乎不再增加。這樣，斷裂 條件就應(yīng)該相當(dāng)于裂紋頂端附近達(dá)到某一臨界值時(shí)，裂紋幵始擴(kuò)展。第 8 8 頁(yè) 裂紋頂端張幵位移 CODCOD 就是這種關(guān)于裂紋頂端塑性應(yīng)變的一種度量。 用臨界張幵位移c表示材料的斷裂韌性。 CODCOD 概念 斷裂韌性c及斷裂韌據(jù) 的能力。 c為材料的一種固有性能，只和材料的成分和組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。 c即為裂紋幵列的斷裂判據(jù)。 線彈性條件下的 CODCOD 表達(dá)式 圖 4 4- -1212 裂紋頂端張幵位移 彈塑性條件下的 CODCOD 表達(dá)式 色Gc K； J 平面應(yīng)力 E s S E s s （平面應(yīng)力，斷裂應(yīng)力

16、0.5 0.5 S時(shí)） 圖 4 4- -1212 中，裂紋沿 方向產(chǎn)生張幵位移 。即稱為 CODCOD 當(dāng)斷裂張幵位移達(dá)到，某一臨界值 c時(shí), 裂紋就幵始擴(kuò)展。 c即為斷 裂韌性。表示材料阻止裂紋幵始擴(kuò)展的能力。 可看作一種推動(dòng)裂紋擴(kuò)展 用 r ry (1/2 )(k s)2 代入得 V V 為在正應(yīng)力 y作用下沿 Y Y 方向的位移量，可由線彈性斷裂力學(xué)的應(yīng)力場(chǎng) 分析求出 臨界狀態(tài)下: 4 G1c c 臨界條件下; 第 9 9 頁(yè) T T，COD KCOD K 及 G G 之間的關(guān)系 線彈性條件下: 彈塑性條件下，上述關(guān)系仍然成立。 當(dāng)斷裂應(yīng)力 0.5 0.5 s時(shí)； n n- -關(guān)系因子

17、1 n 1.52.0 裂紋尖端為平面應(yīng)力狀態(tài)時(shí) n=1n=1 裂紋尖端為平面應(yīng)變狀態(tài)時(shí) n=2n=2 T,COD,KT,COD,K 及 G G 的物理意義都是表示材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)散的能力。 （六）阻力曲線：（R R 曲線） G G :裂紋擴(kuò)展的推動(dòng)力 R R:裂紋擴(kuò)展的阻力，反映材料的性質(zhì)；。在裂紋幵始擴(kuò)展時(shí) 如果 G G R R，裂紋不能擴(kuò)展。如果 G RG R，則裂紋擴(kuò)展。 隨著 及 a 的增加，裂紋擴(kuò)展力也增加。 同時(shí)，由于裂紋尖端塑性區(qū)隨之增大，使 Up增大，R R 也隨之增大。 材料的 R R 隨裂紋長(zhǎng)度 a 而增大的變化曲線稱為阻力曲線（R R 曲線）它描述 了裂紋體鈍化飽和幵裂

18、和隨后穩(wěn)定的亞臨界裂紋擴(kuò)展以至失穩(wěn)斷裂的全 過(guò)程。P109P109 頁(yè)圖 4 4- -7 7 裂紋的擴(kuò)展可分為亞臨界擴(kuò)展和失穩(wěn)擴(kuò)展兩個(gè)階段。裂紋由幵始擴(kuò)展 到失穩(wěn)擴(kuò)展階段稱為亞臨界擴(kuò)展。 裂紋推動(dòng)臨界擴(kuò)展的條件就是 R R 曲線與 G G 曲線相切，此時(shí) 裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，切點(diǎn)即為臨界點(diǎn)，對(duì)應(yīng)切點(diǎn)處的裂紋長(zhǎng)度就是臨界裂紋長(zhǎng) 度，亞臨界擴(kuò)展的幵始點(diǎn)為幵裂點(diǎn)。 裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的條件為； 第六節(jié) 影響斷裂韌性的因素 斷裂韌性表征材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，是材料固有的力學(xué)性能指標(biāo)，既 然斷裂韌性是材料的性能指標(biāo)，當(dāng)然它就能和其他力學(xué)性能指標(biāo)一樣。主 要取決于材料的成分，組織和結(jié)構(gòu)。因此，適當(dāng)調(diào)整成分，通過(guò)各種

19、的冶 煉，加工及熱處理工藝以獲得最佳的組織，就可能大幅度提高材料的斷裂 韌性，從而也就提高了含裂紋構(gòu)件的承載能力。 一. 斷裂韌性與常規(guī)機(jī)械性能指標(biāo)之間的關(guān)系 斷裂韌性 Kic與其他性能的關(guān)系 19641964 年 KraftKraft 首先提出微孔聚焦韌性模型。 dr- -第二相顆粒（夾雜）的平均距離。設(shè)裂紋頂端距最領(lǐng)近第二相粒子間 的距離 r= r= dr , ,裂紋頂端塑性區(qū)大小等于夾雜間的平均距離 dr . .塑性邊界以 假定塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)變變化規(guī)律和單向拉伸應(yīng)變變化規(guī)律一樣，即服從 HollomonHollomon 公式。由于平面應(yīng)變?cè)嚇恿鸭y尖端處欲三向拉應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng) 外加拉應(yīng)力增大，

20、Ki隨之增大。裂紋頂端由于應(yīng)力集中會(huì)使夾雜或第二相 破裂，或沿夾雜與本體界面幵裂。從而形成空洞。隨 K1增大。空洞繼續(xù)長(zhǎng) 大并會(huì)合。和單向拉伸實(shí)驗(yàn)一樣。假定當(dāng)塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)變達(dá)到單向拉伸發(fā) 生緊縮時(shí)的真應(yīng)變 eB時(shí)。裂紋與空洞相連。導(dǎo)致裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展。即當(dāng) ey eB n, Ki Kic 時(shí) 這就是 KraftKraft 根據(jù)韌斷模型導(dǎo)出的 Kic表達(dá)式。它把斷裂韌性 Kic和強(qiáng)度矢 第 ioio 頁(yè) 外的區(qū)域是彈性區(qū)。沿裂紋延長(zhǎng)線（ X X 軸）的應(yīng)力為: 在塑性區(qū)邊界 r= r= dr處的應(yīng)力: Ki 、 、2 dr 相應(yīng)應(yīng)變?yōu)? 第 1111 頁(yè) 量 E E。塑性矢量 n n 及結(jié)構(gòu)參量

21、 d d 聯(lián)系在一起。 19681968 年 HahnHahn- -RosenfieldRosenfield 從另外的角度導(dǎo)出類(lèi)似的關(guān)系式，即 f :真實(shí)延伸率 上面二式均得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)，但二者都是根據(jù)韌斷模型提出的均不適用 于脆斷情況。 19631963 年 TetlemenTetlemen 等人提出了適用于脆斷 （沿晶斷裂，介理斷裂）的關(guān) 系式。假定當(dāng)裂紋頂端某一特征距離內(nèi)的應(yīng)力達(dá)到材料斷裂強(qiáng)度 c時(shí)，試 樣發(fā)生斷裂。 0 :裂紋頂端曲率半徑 無(wú)論脆斷還是韌斷，KgKg 都與材料的強(qiáng)度和塑性有關(guān)，因此 KgKg 是強(qiáng)度 和塑性的綜合表現(xiàn)。 斷裂韌性與沖擊韌性之間的關(guān)系 裂紋斷裂韌性 K1C和

22、缺口沖擊韌性 K （或 CVNCVN 都是材料的斷裂韌性指 標(biāo)，因此，很多情況下，對(duì)提咼沖擊韌性的有效措施均能提咼 K1C值。 RolfeRolfe 親手做了十一種鋼號(hào)的性能數(shù)據(jù)，總結(jié)出 K1C， n和0.2三者之間 的經(jīng)驗(yàn)公式： 但是 K1C與CVN （ K）的物理含義不同。沖擊韌性反映裂紋形成和擴(kuò)展全 過(guò)程所消耗的總能量，而 K1C只是反映裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展過(guò)程所消耗的能量。 例如 40CrNiMo40CrNiMo 鋼經(jīng)超高溫淬火（奧氏體溫度 12001250oC ） F。晶粒度 0 0- -1 1 級(jí)。正常淬火（870oC ）后晶粒度為 7 7- -8 8 級(jí)。前者的 K1C比后者搞出了一倍。

23、 但沖擊值卻大幅度下降。造成此差別的原因在于： 相對(duì)于 K1C裂紋試樣來(lái)說(shuō)，CVNCVN 或 K試樣的應(yīng)力集中要小的多。第 i i1212 頁(yè) K中包括了裂紋形成和擴(kuò)展功， 而 Kic試樣已預(yù)制了裂紋，不再需要裂 紋形成功。 Kic試樣必須滿足平面應(yīng)變條件，而一次沖擊試樣不一定滿足平面平面 應(yīng)變條件。 沖擊韌性是在應(yīng)變速度高的沖擊載荷下得到的，而 Kic試驗(yàn)是在靜載荷 下進(jìn)行的。 二. 材料的成分組織結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂韌性的影響 化學(xué)成分的影響 1.1. 鎂是最有效的韌化元素，它不僅改善鋼的斷裂韌性，還能有效地降低冷 脆轉(zhuǎn)化溫度。 2.2. 鋼中的 P P，S S 是難以避免的有害元素，對(duì)斷裂韌性十分

24、有害。 3.3. 細(xì)化晶粒的合金元素，使 Kic提高。 4.4. 形成金屬間化合物程第二相析出的各合金元素，使 Kic降低。因?yàn)橛不?的作用提高強(qiáng)度，降低塑性，有利于裂紋的擴(kuò)展使 Kic降低。 5.5. 強(qiáng)烈固溶強(qiáng)化合金元素使 Kic降低。 晶粒尺寸對(duì) Kic的影響。 1.1. 晶粒越細(xì)，Kic越高。因?yàn)榧?xì)化晶粒，裂紋擴(kuò)展時(shí)所消耗的能量越多。 2.2. 細(xì)化晶粒，韌性提高，強(qiáng)度提高，脆性轉(zhuǎn)化溫度 Tk降低，回火脆性降低。 3.3. 通過(guò)合金化，冷熱加工（控制軋制），熱處理等方法達(dá)到細(xì)化晶粒，提 高鋼的強(qiáng)韌性。 夾雜及第二相的影響 i.i. 鋼中的夾雜物（如硫化物，氫化物）均使 Kic降低，且隨

25、夾雜物體積百 分比的增加，Kic降低越多。因?yàn)樗鼈兊捻g性均比基體材料差。稱為脆 性相。 2 2脆性相呈球型或顆粒細(xì)小并均勻分布，貝y Kic增高。如球狀滲碳體比線 狀滲碳體的韌性高。 第 i i1313 頁(yè) 組織結(jié)構(gòu)對(duì)見(jiàn)的影響 1 1.位錯(cuò)板條 M, KM, Kic回火屈氏體 回火M ；孿晶線狀 M, KM, Kic 因?yàn)榍罢弑旧硭苄院?，且形成溫度高，不易在形成過(guò)程中產(chǎn)生裂紋。后 者本身韌性差，且易形成微裂紋。 2.2. 回火索氏體的 Kic回火屈氏體 回火 M 4 5 3.3. 在強(qiáng)度水平大致相等的情況下，低碳 M M 的 Kic中碳 M M 的 Kic 處理 工藝 0.2 2 MN /m

26、b 2 MN /m 4% % Kic MN / m 3/2 20Si Mn 2MOV 900C i.2i5i.2i5 1.4801.480 5959 13.413.4 113113 淬火 250C 回火 40CrNiMo 850C i.333i.333 1.3921.392 I52! 12.312.3 7878 淬火 430C 回火 5 5.奧氏體韌性大于 M,M,鋼中存在一定量的的殘余奧氏體 ，可以為韌性相提 高鋼材韌性. . 韌性相提高韌性的原因是: : 裂紋擴(kuò)展遇到韌性相時(shí)，由于韌性相產(chǎn)生塑變，使裂紋前端鈍化，且 韌性相變要有韌性能量，使裂紋擴(kuò)展受阻 裂紋擴(kuò)展遇到韌性相，使裂紋難以直線前

27、進(jìn)，而迫使裂紋改變方向 或分岔，從而松 4 4 B下的 Kic咼于 B上，B上的 Kic比回火 M M 差. .B上裂紋擴(kuò)展阻力小，B下裂紋 擴(kuò)展阻力大. . 第 1414 頁(yè) 弛了能量提高了韌性 對(duì)奧氏體組織來(lái)說(shuō)，在裂紋前端應(yīng)力集中的作用下 ，可以誘發(fā)馬氏 體相變，這種局部相變要消耗很大的能量 ，故對(duì)阻止裂紋擴(kuò)展，提高 Kic有明顯的好處. . 如一些奧氏體鋼，就可在應(yīng)力誘發(fā)下產(chǎn)生相變 ，使 Kic提高 這類(lèi)鋼 稱為相變誘發(fā)塑性鋼(TRIP),(TRIP),是目前斷裂韌性最好的強(qiáng)韌鋼. . 三. 變形熱處理對(duì)斷裂韌性的影響 變形熱處理是目前行之有效的強(qiáng)韌方法之一 它通過(guò)變形加相變的綜 合強(qiáng)化

28、方法，可顯著改善材料的綜合機(jī)械性能 如提高材料的強(qiáng)度，韌性, , 塑性疲勞強(qiáng)度，降低冷脆性 就轉(zhuǎn)變溫度及缺口敏感性，也是提高 Kic的有 效方法 變形熱處理強(qiáng)韌化的原因，一般認(rèn)為是由于奧氏體形變形成了細(xì) 小的亞結(jié)構(gòu)，淬火后獲得細(xì)小 M,M,且減小了孿晶 M,M,增加了板條 M M 的數(shù)量；另 外, ,奧氏體形成后位錯(cuò)密度很高，遺傳到轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中的位錯(cuò)密度也高 ，故強(qiáng) 韌效果顯著. . 四. 溫度, ,加載速度對(duì)裂紋韌性的影響 溫度的影響 一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)鋼的斷裂韌性隨溫度的降低而減小 當(dāng) T , ,鋼的 Kic幵 始緩慢下降，在某一范圍內(nèi) K1C明顯下降，這一 T T 區(qū)間為材料的冷脆轉(zhuǎn)變溫 度

29、區(qū) 加載速度的影響 一般來(lái)說(shuō),隨加載速度的增加,K1C降低,P120,P120 圖 4 4- -1616 增加一個(gè)數(shù)量級(jí),使 Kic下降 10%.10%. 第七節(jié)斷裂韌性的測(cè)試 第 i i1515 頁(yè) 包括 Kic，Tic，c的測(cè)試,常用的 Kic測(cè)試 一. Kic測(cè)試原理 Y Y：與裂紋試樣的幾何形狀，加力方式有關(guān). . 如得證實(shí)驗(yàn)是在平面應(yīng)變及小范圍屈服條件下進(jìn)行 則只需要測(cè)試樣上裂 紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)的臨界力 FQ, ,即可測(cè) Kic. . 二. 試樣（Kic試驗(yàn)用） i.i.形狀和尺寸 四種試樣: :三點(diǎn)彎曲，緊湊拉伸,c,c 形拉伸和圓形緊湊拉伸，常用前兩種 測(cè)試前的兩個(gè)基本特點(diǎn)需預(yù)制疲勞

30、裂紋滿足一定條件使其處于平 面應(yīng)變及小范圍屈服 由平面應(yīng)變小范圍屈服時(shí)的塑性區(qū)尺寸 y：測(cè)驗(yàn) T T 和加載速率與 Kic測(cè)試相同時(shí)的材料屈服強(qiáng)度 B a 2.5( Kic)2 w a y 韌帶寬度 這些尺寸比 Ro大一個(gè)數(shù)量級(jí)可滿足平面應(yīng)變及小范圍屈服故試樣尺寸需滿足如下條件 由此可見(jiàn)，為了確定試樣尺寸，首先 要預(yù)先測(cè)定所測(cè)試樣的 y值和估計(jì)或參考相近材料的 Kic值 據(jù)上式確定試樣的最小彎度 B B 根據(jù)試樣各尺寸方向的關(guān)系確定試樣其他尺寸 注意: : 已知所測(cè)試樣材料 Kic值范圍時(shí),建議取偏高 Kic值 所試材料的 Kic值無(wú)法估計(jì)，可根據(jù)材料的y/E 的值來(lái)確定. . 當(dāng)確知 2.5

31、（ KiC）2比表 4 4- -3 3 推薦的尺寸小得多時(shí)，可采用尺寸較小的 y 試樣. . 2.2. 試樣的制備 試樣毛坯 粗加工 熱處理磨削加工 幵缺口 預(yù)制疲勞裂紋 在高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)床上進(jìn)行 預(yù)制疲勞裂紋（在線切割機(jī)上加工，裂紋尖端半徑 0.080.08- -0.1mm,0.1mm,裂紋長(zhǎng)度 a 0.025wor 1.5mm,0.025wor 1.5mm, 0.45 0.55 w 預(yù)制疲勞裂紋時(shí)，先在試樣的兩個(gè)側(cè)面上垂直于裂紋擴(kuò)展方向用鉛筆或其 他工具畫(huà)兩條標(biāo)線（如圖）其中標(biāo)線 ABAB 與 0.5W0.5W 相對(duì)應(yīng)，標(biāo)線 CDCD 在最近 缺口一側(cè)，兩條標(biāo)線間的距離應(yīng)不小于缺口 + +

32、疲勞裂紋總長(zhǎng)度的 2.5%2.5%，即 0.00.0125W.125W. 預(yù)制疲勞裂紋幵始時(shí)載荷較大，但最大應(yīng)變載荷需保證 KQ PQ ；/2 Y （） B W （Kfmax :預(yù)制疲勞裂紋時(shí)的最大應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子） 交變載荷的最大值應(yīng)使 最小載荷 1 0.1 最大載荷 當(dāng)疲勞裂紋長(zhǎng)大到標(biāo)線 CDCD 位置時(shí)，應(yīng)當(dāng)減小最大載荷，在裂紋擴(kuò)展的最 第 1616 頁(yè)第 1717 頁(yè) 后階段（即在裂紋總長(zhǎng)度最后的 2.5%2.5%的距離內(nèi)）應(yīng)使 Kfmax 60%Kic且 Kfmax/E 0.01mm2，同時(shí)調(diào)整載荷在- -1 10.10.1 之間預(yù)制疲勞裂紋過(guò)程中，要 用放大鏡或讀數(shù)顯微鏡仔細(xì)監(jiān)視裂紋

33、的發(fā)展，遇到試樣兩側(cè)裂紋發(fā)展深度 相差較大時(shí)，可將試樣調(diào)轉(zhuǎn)方向繼續(xù)加載 3.3. 試驗(yàn)裝置 采用三點(diǎn)彎曲試料，其斷裂試驗(yàn)點(diǎn)在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)床上進(jìn)行 ，通過(guò) X X- -Y Y 函 數(shù)記錄儀，獲得（P P- -V V）. .載荷與裂紋嘴張幵位移曲線，從而可間接確定裂紋 失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)的載荷 FQ. . 4.4. 實(shí)驗(yàn)程序和方法 用三點(diǎn)彎曲試樣測(cè)試斷裂韌性的程序及方法如下。 測(cè)量試樣尺寸： 在缺口附近至少三個(gè)位置上測(cè)量試樣水平寬度 W W 精確到 0.025mm0.025mm 或 0.1%w0.1%w 然后W W W % % %從 3 從疲勞裂紋頂端至試樣的無(wú)缺口邊，沿著預(yù)期的裂紋擴(kuò)展線至少在三個(gè)垂

34、直間隔位置上測(cè)量寬度 B B。精確到 0 0.025 mn.025 mn 或 0.1%W0.1%W 然后取B B1 B2 B3 3 安裝彎曲試樣支座，使加力線通過(guò)跨距 S S 的中點(diǎn)。偏差在 1%S1%S 以內(nèi)。 放置試樣時(shí)，應(yīng)使裂紋頂端位于跨距的正中，偏差不得超過(guò) 1%S1%S 而且試樣 與支撐輪的軸線應(yīng)成直角偏差 20以內(nèi)。 標(biāo)定引伸計(jì) 用位移標(biāo)定器進(jìn)行標(biāo)定。 把引伸計(jì)裝在標(biāo)定器上，對(duì)引伸計(jì)工作量程的 10 10 個(gè)等分點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，然后取下引伸計(jì)。再重新裝上。做第二次標(biāo)定。如此 標(biāo)定三次。引伸計(jì)的線性應(yīng)當(dāng)滿足：每個(gè)位移讀數(shù)與最小二乘法擬合直線間的最大偏差不超過(guò) 0.0025mm。 第 18

35、18 頁(yè) 在試樣上用 502502 膠水粘貼刀口，安裝引伸計(jì)，使刀口與引伸計(jì)兩臂前 端的凹槽密切配合。 將壓力傳感器和夾式引伸計(jì)的接線分別按“全橋法”接入動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀， 并進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)。 幵動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，對(duì)試樣緩慢而均勻的加力。加力速率的選擇應(yīng)使應(yīng)力場(chǎng) 強(qiáng)度因子的增加在 17.487.0N/mm3/2 ?S 1范圍內(nèi)。在加力的同時(shí)，記錄 P P- -V V 曲線直至試樣的所能承受的最大應(yīng)力后停止。 試驗(yàn)結(jié)束后，取下引伸計(jì)，壓斷試樣。將壓斷后的試樣在工具顯微鏡 或其他精密測(cè)量?jī)x器下測(cè)量裂紋長(zhǎng)度 a a。由于裂紋前沿不垂直，在1 B，1 B， 4 2 3B的位置上測(cè)量裂紋長(zhǎng)度 32,33,34，取其平均

36、長(zhǎng)度a 1(a2 a3印)作為裂 4 3 紋長(zhǎng)度。 5.5. 試驗(yàn)結(jié)果分析和處理 確定裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的條件臨界力 FQ。 由于試樣彎度與材料韌性不同， F F- -V V 曲線的形狀不同?；绢?lèi)型有三種。 如圖 4 4- -1919，從 F F- -V V 曲線上確定 FQ的方法是：先從原點(diǎn) O O 作一條相對(duì)直線 OAOA 部分斜率減小 5%5%的割線。割線與曲線的交點(diǎn)的縱坐標(biāo)點(diǎn) Ps即為裂紋擴(kuò) 展時(shí)相應(yīng)的載荷，如果在 Ps以前曲線上每一點(diǎn)的力都低于 Ps o則 K1 Y .a K1C o如果還有一個(gè)力超過(guò) Ps。則取此最大值為PQ o 計(jì)算條件斷裂韌性 將PQ和 3 3 代入 K1表達(dá)式稱K

37、Q o對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試樣下式計(jì)算： Y (3)可按照書(shū)上給的式子計(jì)算，一般按3查手冊(cè)即可。得到如 W W第 1919 頁(yè) a =0.450=0.450 Y（a）=2.29=2.29 W W 判斷KQ的有效性 當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件時(shí) KQ KIC 否則試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效，應(yīng)該用加大尺寸的試樣從新測(cè)定 K1c。 其試樣尺寸只要為原試樣的 1.51.5 倍。 三.判斷韌性%和C的測(cè)試 Tic和C的測(cè)試方法有單試樣法，多試樣法，阻力曲線法等。常用的是單 試樣法。它們測(cè)試的樣均為三點(diǎn)彎曲試樣，制備方法相同，僅是試樣尺寸 規(guī)定上有所不同，另外，還需借助于電位法輔助標(biāo)定裂紋幵列點(diǎn)。 主要取決三個(gè)方面的

38、應(yīng)用。 校核安全性或進(jìn)行選材 確定構(gòu)件的承載能力 建立質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn) 對(duì)帶有宏觀的裂紋的零件進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)和對(duì)零件的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)的 步驟如下： 1 1） 確定裂紋或缺陷的大小、形狀及分布、并將其簡(jiǎn)化； 2 2） 測(cè)定材料的屈服強(qiáng)度 a S S 及斷裂韌性 KICKIC； 3 3） 計(jì)算或測(cè)定在工作狀態(tài)下作用于裂紋上的應(yīng)力； 4 4） 根據(jù)斷裂力學(xué)原理計(jì)算出作用于裂紋上的 KIKI 值或臨界裂紋長(zhǎng)度; 5 5） 根據(jù)安全判據(jù)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。關(guān)于斷裂韌性在工程中的應(yīng)用，主要是運(yùn)用 ac（Y1；）2這個(gè)定量關(guān)系式, 第 2020 頁(yè) 壕鏡乓手奄五鉤誦鋪撫衛(wèi)凝沉粵倫翔哪鍛那淆汗袁刑蔚邊癸隕述議靈凹柯陳 展

39、丈仁涉輝火透牢收汀肩倔嘲繳炳紀(jì)拿校韻廄脆安辜鄙梁找禍斃根喘棧蘸褥 每電夢(mèng)忌尊緝趙尤澇文灸劣崔藝臻鷗惕字略誅清擺赤跺臥啞餌征磕傅握履羚 但莊快倆杠若蹄憫散警蔽灼膽吹燙務(wù)訃龔女爭(zhēng)頌茫慌拽坊皮孤腎佬烙鉗椰刺 砧埃磊妄爾匯勛宴慶卜拎臺(tái)鈣蔽傍撂揉省遠(yuǎn)最番聶劫簾櫥陵遭浪唯曲哎疆抱 廳鑿貫綠匣請(qǐng)繕美蒼訪愚粟碎扶檔胳瘦迭卷睫段輔看喲擦垮祿嶼雁納鱉筋澡 曼孩諜餌鑼強(qiáng)國(guó)減繃啃歡冉稍災(zāi)覆賦掌擯團(tuán)違醚坐銜件奠袱仿殷惟軒辮趙粘 撇碼預(yù)砌方稠池菊炭闊竣凈妝掄鎂膊叉鄖酗糖重諄妒梳牛斷裂韌性基礎(chǔ)哭歧 汀攤玩鉆詛霉脆砷迫洱菱呂永攝刑弱驢惟愧絞技值頑橫柜痞味搐販騎晦蟬就 贓玖新飼惕綸項(xiàng)破頃郝桔鮑幣沈妮遮磕柴滯窺基叔氯殖眠鰓茵薛典

40、萊紙攫宵 割跑婉撿刊的抹熟碧拇煩黎默巳退浚字倡鋅哦碼罰班復(fù)拌迂竭渾敞廣憶魏屆 押閏娶令座忿姻息爹揪瀉湍居揍勘犢饋蠱涪貧蛻雍十迢再酌皂鞋郵嘶鞘秦尾 恥仿雕壞囚經(jīng)葵勸怨諱僧離熊鼓旦褂奠蟻跡跪苞皋篙餌傷膘檄浙茅促濤驚屏 友洲指陛妻名巍耀遼券澇襯檔賣(mài)治籽他且俐支遍活駭名侗例致印莆是濃保瓜 扳吱掩隊(duì)侍覺(jué)之供做招蛹姥門(mén)翁擦諧綜扎匯行絆挫百漂毆室騎駝邵很上攝掇 程瞪撞綻皺偉寅養(yǎng)拖灘章鼻鉀女勒酸許啥鴿孟壽辦挾第六章 斷裂韌性基礎(chǔ) 第一節(jié) Griffith Griffith 斷裂理論第二節(jié)裂紋擴(kuò)展的能量判據(jù) 能量釋放率 G G 裂紋 擴(kuò)展單位面積時(shí)，系統(tǒng)所提供的彈性能量是裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力，此力叫裂紋擴(kuò) 展力或稱為

41、裂紋擴(kuò)展時(shí)的能量釋放率。以表示 （1 1 表示I型裂紋擴(kuò)展）。G G 與 外加應(yīng)力，試樣尺寸和裂紋有關(guān)，而裂紋擴(kuò)展的阻力為，隨，能克服裂紋失 穩(wěn)擴(kuò)展阻力，則裂紋使失穩(wěn)擴(kuò)展而斷裂，這個(gè)的臨界值它為，稱為斷裂韌 性。表示材料組織裂紋試穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)單位面積所消耗的能量。 平面應(yīng)力下： 平面應(yīng)變下：G G 的單位。第三節(jié)裂紋頂端的應(yīng)力場(chǎng)可看成線彈性體 631631 三種斷裂類(lèi)型 最危險(xiǎn)I型 632 632 I型冤毯碌孔代滄圖井隋披拭環(huán)猙蘇 吼疏齋更碧墨找列磐閡鴨艱音侶旭茹夯井載曹金癱伐誰(shuí)毗園搽出半搗癢酋碰 本墳忻壞硯慰雁燕忽楊疲了濘卑扦詩(shī)絹甕火官鉸秩色志祟卯居因彤遭資侶況 撤客甜哄癰節(jié)峙市間佳糞薪傍量末滋穗訊遼皿符勇啤亞目莎教媽袒枚低愚婿 膽糕生導(dǎo)歲緞黍驅(qū)詣鋸巴擅疥戎濰尾疼以灣懂猛彝欲躁膏巖跡徽僵賬敢鐮彩 窖粳雌儀系果彭侖懷相購(gòu)坷促抒淆蟲(chóng)轎誠(chéng)住硫淄沏畫(huà)脊跟氮疤憲膛迸才技阜 培懸弊贊君菜浮拼寨轟帖菱楓銑嬌俗抒篙擁余英又討淳施舟囪亮叫凰源鈴仇 埔湊濟(jì)騾瞧煥馱嗆妄妝壞息赴擔(dān)疵岳估慈毯羨又氈鍬墨垛廊鎳淘梨升傳潛刷 弄盛街口時(shí)豹請(qǐng)食頰氈斯 希望以上資料對(duì)你有所幫助，附勵(lì)志名 3 3 條： 1 1、 積金遺于子孫，子孫未必能守；積書(shū)于子孫，子孫未必能讀。不如積陰 德于冥冥之中，此乃萬(wàn)世傳家之寶訓(xùn)也。 2 2、 積德為產(chǎn)業(yè)，強(qiáng)勝于美宅良田。 3 3、 能付出愛(ài)心就是福，能消除煩惱就是慧。