材料力学性能第四章—金属的断裂韧度.ppt

江苏科技大学材料科学与工程学院 第四章金属的断裂韧度 四大强度理论 自由轮美国海事委员会在二战期间 紧急设计建造的货轮 1940 1945年间共建造2751艘全焊接自由轮 有将近1000艘发生严重脆性破坏 其中145艘断为两截 10艘的破坏是在平静的海面上发生的 1950年 爆炸 低应力脆断与断裂力学 北极星导弹 超高强度钢 D6AC 1400MPa 断裂力学 机件设计 s n 不考虑裂纹出现低应力脆断 宏观裂纹存在 应力集中断裂 裂纹扩展引起 研究裂纹体的扩展 主要内容 影响断裂韧度的因素 弹塑性条件下金属断裂韧度的基本概念 金属断裂韧度的测试 线弹性条件下的金属断裂韧度 断裂K判据应用案例 断裂力学断裂强度科学1922 Griffith 首先在强度与裂纹尺度建立关系1948 Irwin FractureDynamics 1968 Rice提出J积分Hutchinson证明可用来描述弹塑性体中裂纹的扩展 断裂力学研究裂纹尖端的应力 应变和应变能的分布情况 建立了描述裂纹扩展的新的力学参量 断裂判据和对应的力学性能指标 断裂韧度 断裂强度 1922 Griffith 首先在强度与裂纹尺度建立关系 格雷菲斯断裂强度 从吸收能量的角度考虑 弹性能降低足以满足裂纹表面能的增加和塑性变形能从而导致材料脆性断裂 断裂韧度 从阻止裂纹扩展的角度考虑 用应力应变分析方法 考虑裂纹尖端附近的应力场强度 得到相应的K判据 一 裂纹扩展的基本形式 张开型 I型 滑开型 II型 撕开型 III型 容器纵向 内压轴横向 拉 弯 二 应力场强度因子KI及断裂韧度KIC 平面应力 弹塑性状态 平面应变 一 裂纹尖端应力场 欧文 G R Irwin I型 张开型 裂纹尖端应力应变 应力场 位移场 设有一承受均匀拉应力 的无限大板 厚薄均可 含有长为2 的I型穿透裂纹 裂纹扩展从裂纹尖端开始 应力 应变状态 应力分量 位移分量 平面应变状态 二 应力场强度因子KI 裂尖应力分量除了决定其位置外 还与KI有关 对于某确定的点 其应力分量由KI决定 KI 则应力场各应力分量也 KI表示应力场的强弱程度 称为应力场强度因子K K K a 1 2裂纹长度Y 裂纹形状系数 无量纲量 一般Y 1 2KI量纲MPa m1 2或MN m 3 2 表4 1几种裂纹的KI表达式 无限大板穿透裂纹 裂纹形状参数 应力场强度因子 无限大物体表面半椭圆裂纹 裂纹形状系数 应力场强度因子 椭圆积分 可以根据a c查表P238 三 断裂韧度KIC和断裂K判据 平面应力断裂韧度Kc MPa m1 2 或 和 a K c 或 a ac裂纹失稳扩展 断裂 K Kc KI是决定应力场强弱的一个复合力学参量 推动裂纹扩展的动力 建立裂纹失稳扩展的力学判据与断裂韧度 断裂应力 临界裂纹尺寸 平面应变断裂韧度KICKC与试样厚度有关 当厚度增加时 KC下降 趋于一个稳定的最低值平面应变状态下 K c与厚度无关 是真正的材料常数 断裂韧度临界或失稳状态的KI值 记作 KIC或KC断裂判据KIKIC发生裂纹扩展 直至断裂 根据KI和KIC的相对大小 断裂K判据 平面应变最危险 常用KIC KIC和KI的区别 KI 临界值KIC时 断裂 KIC 断裂韧度 KI是力学参量 与载荷 试样尺寸有关 和材料本身无关 KIC是力学性能指标 只与材料组织结构 成分有关 与试样尺寸和载荷无关 根据KI和KIC的相对大小 断裂K判据 四 裂纹尖端塑性区及KI的修正 裂尖 或大或小塑性区 但小范围屈服 KI适当修正 1 塑性区的形状和尺寸塑性变形临界条件的函数表达式r f 图形 塑性区边界形状边界值 塑性区尺寸 主应力公式 裂纹尖端附近任一点P r 的主应力 X方向塑性区小 塑性区宽度 裂纹易沿X方向扩展 令 0 x轴裂尖 y ys的AB 没有考虑影线部分面积内应力松弛应力松弛可以增大塑性区 由r0扩大至R0 ys y向有效屈服应力 在y方向发生屈服时的应力平面应力 ys s平面应变 ys 2 5 s 求R0 S阴影 SBCED或S阴影 SABDO SACEO 平面应力 薄板 ys s平面应力条件下 考虑了应力松弛之后 平面应力塑性区宽度正好是r0的两倍 平面应变 厚板 塑性区 立体哑铃形中心平面应变状态两个表面平面应力状态 ys小于2 5 s 注意 裂纹塑性区宽度和 KI s 2成正比 测量KIC时要保证裂纹尖端小范围屈服 需要考虑 KIc s 2 2 有效裂纹及KI的修正 修正原因 塑性区的存在 将会降低裂纹体的刚度 相当于增加了裂纹长度 因而影响了应力场及KI的计算有效裂纹 a ry 带入应力场强度公式 得到修正后的应力场强度公式 两种重要裂纹的KI修正公式 无限大板I型裂纹 平面应力 平面应变 大件表面半椭圆裂纹 平面应力 平面应变 三 裂纹扩展能量释放率G及断裂韧度GIC 一 裂纹扩展时的能量转化关系绝热条件下 动力 阻力 从能量转换关系 研究裂纹扩展力学条件及断裂韧度 塑性功 表面能 外力做功 系统弹性应变能变化 二 裂纹扩展能量释放率 裂纹扩展能量释放率 裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值 简称能量释放率或能量率 用G表示 MJ m 2 系统势能等于系统的应变能减去外力功 工程力学 当裂纹长度为a 裂纹体的厚度为B时 B 1时 物理意义 GI为裂纹扩展单位长度时系统势能的变化率 裂纹扩展力 MN m 1 由于裂纹扩展的动力为GI 而GI为系统势能U的释放率 所以确定GI时必须知道U的表达式 格雷菲斯公式 是在恒位移条件下导出裂纹长度为2a 且B 1时 平面应变 GI也是应力 和裂纹尺寸a的复合参量 平面应力 三 断裂韧度GIC和断裂G判据 随着 和a单独或共同增大 GI增大 当GI 到某一临界值 GI能克服阻力 裂纹失稳扩展断裂定义 将GI的临界值记为GIC 也称为断裂韧度或平面应变断裂韧度 表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量 单位与GI相同 断裂应力 断裂G判据 临界裂纹尺寸 四 GIC与KIC的关系 平面应变 裂纹扩展能量释放率G 裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值 断裂G判据 断裂韧度GIC 4 2断裂韧度KIC的测试 一 试样的形状 尺寸及制备四种试样 三点弯曲 紧凑拉伸 C型拉伸 圆形紧凑拉伸试样 GB T4161 1984金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方法GB T7732 1987金属板材表面裂纹断裂韧度KIC试验方法 根据 s和KIC估计B y E值确定B 表4 3 保证 平面应变 小范围屈服 二 测试方法 条件裂纹失稳扩展载荷FQ 由于材料性能及试样尺寸不同 F V曲线有三种类型 1 材料较脆 试样尺寸足够大时 III型2 材料韧性较好或试样尺寸较小时 I型3 居中时 II型 从F V曲线确定FQ的方法 FQ 条件裂纹失稳扩展载荷 斜率减少5 的割线 裂纹扩展2 时载荷F5 三 试验结果的处理 满足 否则 重做试验 1 5倍试样尺寸 KI 应力场强度因子 4 1线弹性条件下的金属断裂韧度 裂纹尖端应力场 断裂韧度KIC 断裂K判据 4 3影响断裂韧性KIC的因素 一 KIC与强度 塑性强度升高 KIC降低无论是解理断裂还是韧性断裂 KIC都是强度和塑性的综合性能 一 KIC与常规力学性能指标之间的关系 二 KIC与冲击吸收功AKV之间的关系 韧脆转变 温度 应变速度影响由于裂纹 缺口 加载速率不同 温度变化曲线不一样 由KIC确定的韧脆转变温度比AKV的高 57 二 影响断裂韧度的因素 一 内部因素 二 外部因素 内部因素 合金元素 晶体结构 杂质及第二相 显微组织 能细化晶粒的 KIC 固溶强化的 KIC 形成化合物的 KIC 晶粒大小 FCC 塑性好 n高 KIC 细化晶粒 n KIC 利于形成微孔 KIC KIC随体积分数增加而降低 第二相形状 球状 片状 网状 杂质偏聚在晶界降低KIC 一 影响KIC的内部因素 钢的显微组织对KIC的影响 马氏体 位错型板条 孪晶型针状 强度和塑性较高 KIC较高 硬脆 KIC很低 回火马氏体 基体脆 第二相小 裂纹阻力小 KIC很低 回火索氏体 基体塑性好 第二相颗粒状且间距大 KIC较高 回火托氏体 回火马氏体和索氏体中间 回火组织 残余奥氏体 FCC 有利于提高KIC值 奥氏体的断裂韧度比马氏体高 因此 在马氏体基体上有少量奥氏体的存在可以使材料断裂韧性提高 通过改变奥氏体化温度 获得不同残余奥氏体量 从而使断裂韧性明显变化 相变诱发塑性钢 TRIP 室温奥氏体应力作用下切变马氏体相变 二 影响KIC的外界因素 材料的断裂韧性KC随试样尺寸增加而减小 最终趋于一个稳定的最低值 即KIC 只有在全部形成平断口时 才能得到平面应变断裂韧度KIC 二 影响KIC的外界因素 材料的断裂韧性KIC随温度降低而减小 材料的断裂韧性KIC随应变速率增大而减小 4 4断裂K判据应用案例 第一是设计 包括结构设计和材料选择 根据材料的断裂韧度 计算结构的许用应力 根据结构的承载要求 可能出现的裂纹类型 计算最大应力强度因子 依据材料的断裂韧度进行选材 第二是校核 根据结构要求的承载能力 材料的断裂韧度 计算材料的临界裂纹尺寸 与实测的裂纹尺寸相比较 校核结构的安全性 判断材料的脆断倾向 第三是材料开发 根据对断裂韧度的影响因素 有针对性地设计材料的组织结构 开发新材料 一 材料选择 例1 有一火箭壳体承受很高的工作压力 其周向最大工作拉应力 1400MPa 采用超高强度钢制造 焊接后往往发现有纵向表面半椭圆裂纹 尺寸为a 1 0mm a 2c 0 3 现有两种材料 其性能如下 A 0 2 1700MPa KIC 78MPa m1 2 B 0 2 2100MPa KIC 47MPa m1 2 从断裂力学角度考虑 选用哪种材料较为合适 对于材料A 当a c 0 6时 查表可得 2 1 62 将有关数据代入上式 得 说明使用材料A不会发生脆性断裂 可以选用 必需考虑塑性区的修正 KI KIC 同样查表可得 2 1 62 将有关数据代入上式 得 由此可见 KI KIC 说明使用材料B会发生脆性断裂 不可选用 不必考虑塑性区的修正 对于材料B 二 安全校核 例2 有一大型圆筒式容器由高强度钢焊接而成 如图所示 钢板厚度t 5mm 圆筒内径D 1500mm 所用材料的 0 2 1800MPa KIC 62MPa m1 2 焊接后发现焊缝表面有纵向半椭圆裂纹 尺寸为2c 6mm a 0 9mm 试问该容器能否在p 6MPa的压力下正常工作 根据材料力学 裂纹所受垂直拉应力为 将有关数据代入上式得 不必考虑塑性区的修正 还可以用什么方法进行计算 显然 c 不会发生爆破 可以正常工作 对于表面半椭圆裂纹 当a c 0 9 3 0 3时 查附录表得 1 10 将有数值代入上式得 例3 有一化工合成塔 直径为D 3200mm 工作压力p 6MPa 选用材料为 0 2 1200MPa KIC 58MPa m1 2 厚度t 16mm 制作过程中 经探伤发现在纵焊缝中 存在一纵向椭圆裂纹 2a 4mm 2c 6mm 试校核该合成塔能否安全运行 KI KIC 说明不会发生脆性断裂 该合成塔可以安全使用 三 失效分析 例4 某冶金厂大型纯氧顶吹转炉的转动机械主轴 在工作时经61次摇炉炼钢后发生低应力脆断 其断口示意图如图4 14所示 该轴材料为40Cr钢 经调质处理后常规力学性能指标完全合格 0 2 600MPa b 860MPa AKU 38J 8 现用断裂力学分析其失效原因 断口分析 该轴为疲劳断裂 裂纹源在圆角处 形成深度达185mm的疲劳扩展区 相当于一个 c 185mm的表面环状裂纹 金相分析 疲劳裂纹源处的硫化物夹杂级别较高 该处是薄弱区 受力分析 外 内 25MPa 120MPa 145MPa表面环状裂纹为浅长表面半椭圆裂纹 c 185mm Y 1 95 KIC 120MPa m1 2 表面半椭圆裂纹Y 2 四 评价材料脆性 断裂韧度KIC断裂应力 c临界裂纹尺寸ac 1 超高强度钢的脆断倾向 0 2 800 1200MPa D6AC 18Ni 40CrNiMo等KIC 75MPa m1 2 工作应力1500MPa 选材原则 KIC较高而 0 2较低材料 2 中 低强度钢的脆断倾向 0 2 700MPa BCC低温脆性 韧性区 KIC 150MPa m1 2 脆性区 KIC 30 40MPa m1 2 工作应力200MPa 3 高强度钢的脆断倾向 0 2 800 1200MPa 韧度适当低碳多元合金强化 M低碳或B下 4 球墨铸铁的脆断倾向AK 16J KIC 20 40MPa m1 2 45 64J 90MPa m1 2 工作应力 10 50MPa 第四章结束 4 5弹塑性条件下金属断裂韧度的基本概念 高强钢的塑性区尺寸很小 属于小范围屈服 可用线弹性断裂力学 中 低强度钢测试材料的KIC 要求试样厚度B 2 5 KIC s 2 中等强度钢B 99mm 试样太大 浪费发展弹塑性断裂力学来解决其断裂问题 原则 线弹性原理进行延伸 试验基础目前常用的方法有J积分法和COD法 J积分法是由GI延伸出来的一种断裂能量判据 COD法是由KI延伸出来的一种断裂应变判据 一 J积分及断裂韧度JIC 赖斯 J R Rice 1968 裂纹周围 U 线积分 弹塑性应变能 线弹性条件下JI GI 在小应变条件下 J积分和积分路线无关 J积分反映了裂纹尖端区的应变能 即应力集中程度 弹塑性条件下由于塑性变形是不可逆的 只有在单调加载