金属的断裂韧性

金属的断裂韧性金属的断裂韧性 §1 线弹性 条件 下断 裂韧 性 K IC 一、 传统 设计 思路 与断裂 力学 ： 1．传 统设 计： 一般 传统 设计 要求 ： 工 ≤ [] = 0. 2/n，然而 该条 件只 能保 证材 料不 发生 塑性 变形 及其以 后产 生的 塑性 断裂，不能 防止 脆性 断裂尤 其是 低应 力脆 断；对 构件 的脆 性断 裂及 材料 的脆性 断裂 倾向 的检 测，依传 统 的设 计方 法， 比较 难以解 决。 为此 ，还 须对 材料 的塑性 指标 δ 、ψ K、冲击 韧性 αK、冷脆 转变 温 度 T K 指标等 作一 定的要 求（根 据经 验及 积累 的大 量数 据资 料）。实验证 明，该法 行之 有效 。然而 据经 验，由于 对各种 服役 条件 不能 完全地 定性 确认，对于 一些 构件（尤其 是中、小截 面的构 件）的 设计，常 提出 过高 要求，形成 浪费（ 原材料、机械 加工 均以 吨来 计算 产量，以及 能耗、人 力运 输等 ）； 而一 些高强 度材 料（b1000kgl/mm ²）及 重型 、大 型截 面构 件，该法 又不 完全安 全可 靠。曾发 生①火 箭发 动机 壳体（高强 钢）， 其α K 值合格 ，而 水压试 验时 脆断 ；② 120T 氧气项 吹转 炉主 轴(40C r)发 生突 然断 裂（ 在使 用 61 次后 ）的 重大 事故 。 一般 地，工作 应力 远低于 致重 大安 全事 故。 0. 2 发生的 脆性 断裂 ，叫低应 力脆 断，常导 2．低 应力 脆断 原因 ：构 件或 材料 内部 存在有 一定 尺寸 的宏 观裂纹 ，而 该裂 纹发 生失稳扩展的力学条件则成为该构件或材料的强度设计基础。 即：断裂力 学——— —断裂强度 设计 理论 ：分 析和讨 论材 料对 裂纹 扩展 的抗 力与裂 纹尺 寸、工作 应力之 间的 关系 以及 裂纹失 稳扩 展的 条件 ，并在该 基础上 建立 的表 征材 料抵抗 裂纹 扩展 的能 力的力 学性 能指 标，称 之为 材料 的断 裂韧 性或 断裂 韧度，这 是一 个综 合的 力学 性能 指标 ：反 应了 塑性 与强度 的综 合。 3．裂 纹扩 展的 三种 基本 方式 裂纹 沿裂 纹面 扩展 方式：张开 型(Ⅰ型)滑(移)推开 型(Ⅱ 型)撕开型 (Ⅲ型) 引起 裂纹 扩展 的应 力：拉应 力切应 力剪切 应力 其中 ：Ⅰ型扩 展方 式最为 危险 ，最易引 起低应 力脆 断，材料 对该型 裂纹 扩展 的抗 力最 低，故其它 型式 或混 合型 式的裂 纹扩 展也 常按 Ⅰ型裂 纹处 理， 会更 安全 。 二、 裂纹 尖端 应力 场强度 因子 K1 在一 无限 宽板 内， 有长为 2α 的Ⅰ型 扩展 裂纹 ，板 上承 受有 大小为 ζ 的 拉应 力，则该 裂纹 尖端（即缺 口根 部）存在有 三向 拉应 力，据 弹性 力学 分析 ，在 裂纹 尖端 前任一 点(r，θ )，可 建立 其应 力场 的各 应力分 量如 下： 对于 裂纹 前端 任意 点，均 有一 一对 应的 r，θ ，其 应力 场的 应力分 量的 大小 则取 决于 K I 及 f x（θ ）、 f y（θ ）、 f z（θ ）、 f xy（θ ） 和 r 其中 f x（θ ）、f y（θ ）、f z（θ ）、f xy （θ ）和 r 均是该 应力 场的 应力 分量 的几何 尺寸 因子 ，表示了裂 纹前 端的 应力 场的分 布情 况； 而 K I =ζ √π α 为该应力 场所 有应 力分 量都共 有的 因子 ，表示了裂 纹前 端的 应力 场的 强弱， 称为 裂纹 尖端 应力场 强度 因子 K I K I 的量 纲为 ：kgf/mm 3/ 2或 kgf.mm-3/ 2 对应 地， 对于 Ⅱ、 Ⅲ型扩 展裂 纹， 其对 应的应 力场 强度 因子 为 K Ⅱ 、K Ⅲ 对于 一般 情况 ：K 1=Yζ √α ， 其中 ：α =1/2 裂 纹长 度； 而 Y 为常 数，与 裂纹 形状 ，加载 方式 、含 裂纹 的构件 的几 何因 素等 有关 ，无 量纲 ；对于 中心 有穿 透裂 纹的无 限宽 板： Y=√ π 三、 平面 应力 及平 面应变 ： 平面 应力 ：在 Z 方向上 可自 由变 形而 不受任 何约 束， 其ζ z = 0 ，ε z≠0，是两 向拉应 力状 态， 一般 为薄 板的 应力 表现状 态； 平面 应变 ：在 Z 方向上 受约 束而 固定 不可自 由变 形， 其ε z = 0 而ζ z≠0，为三 向拉应 力状 态， 为厚 板的 应力 表现 状态。 其ζ z =μ (ζ X+ζY)，为 三向 拉应 力状态 ，塑 变 困难 ，裂 纹易 于扩 展， 其断裂 时的 脆性 明显 ，是 一种 较危 险的应 力状 态 四、 临界 裂纹 尖端 应力场 强度 因子 ——断裂韧 性 K IC K 1=Yζ √α 带有 裂纹 的构 件在 受应力 作用 时，随 应力 的增 加或 裂纹 的逐 渐扩展（ 裂 纹尺 寸 2α 的增 加），其 裂纹 尖端 的应 力场强 度因 子 K I 也随之增 大，当 K I 达到 一个 临界 值 K IC 时，裂 纹将 发生 失稳快 速扩 展（ 指突 然断裂 ）， 而该 临界 值 K IC 则成 为该 尺寸 为 2α 的裂 纹不 发生 快速 失稳 扩展的 最大 允许 应力 场强度因子值，成为材料抵抗已有裂纹失稳扩展的最大抗力。 称之 为临 界应 力场 强度因 子 K IC，即 断裂 韧性 KIC 断裂 韧性 K IC 综合了 应力 ζ 及裂纹 尺寸 α 两方 面的 因素 ，是 仅与材 料的 内部 品质 如成 分、相 结构 与组 织结 构、压 力加 工状 态与 热处 理状态 等相 关的 常数 ，与构件 的尺寸 、构件所 受到 的应力 ，构件内 部所 含的裂 纹尺 寸无 关；表 征材 料抗 裂纹 失稳 扩展 的最 大能力，也可 认为 是裂 纹扩 展的 阻力 （裂 纹扩 展的 动力即是外加应力ζ 或裂纹尖端应力场强度因子 K I） 平面 应变 条件 下该 临界值 称为 K IC；平面 应力 条件 下临 界值 则称为 K C； 且有 ：K CKIC 对于 Ⅱ、 Ⅲ型扩 展裂 纹， 其对应 的临 界裂 纹尖 端应 力场 强度 因子为 K Ⅱ C、 K Ⅲ C 且有： K IC K Ⅲ C K Ⅱ C 一般 地， 只讨 论 K IC ，其 状态 较为 危险 。 当 K 1≥KIC 时，裂纹将 失稳 快速 扩展，材料 将发 生断 裂；— —裂 纹失 稳扩 展判 据 该判 据成 为描 述脆 性材料 断裂 的力 学条 件 对于 一定 的裂 纹尺 寸 2α ，使 裂纹 发生 失稳 扩展 的应 力ζ 叫裂纹 扩展 临 界应 力， 或裂 纹断 裂强度 ，记 为ζ C：ζC = K IC /Y√α ； 而在 一定 的应 力ζ 下，裂纹 如达 到可 发生 失稳 扩展 的长 度，称 之为 临界 裂纹 ，其 尺寸 叫临 界裂纹 尺寸 ，记 为α C：αC = K IC²/ Y²ζ ² 裂纹 失稳 扩展 的判 据成为 ：①K 1≥KIC； ②ζ ≥ζ C； ③α ≥α