FH3.2-材料的断裂韧性

1、2022-3-281材料性能学材料性能学付华付华石家庄铁道大学石家庄铁道大学2 22022-3-28第第3章章 材料的断裂与断裂韧性材料的断裂与断裂韧性n3.1 材料的断裂材料的断裂3.1.1 断裂的类型及断裂机理断裂的类型及断裂机理3.1.2 断口分析断口分析3.1.3 裂纹的形核与扩展裂纹的形核与扩展3.1.4 断裂强度断裂强度n3.2 断裂韧性断裂韧性3.2.1缺口效应缺口效应3.2.2 线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性3.2.3 弹塑性条件下的断裂韧性弹塑性条件下的断裂韧性3.2.4 影响材料断裂韧度的因素影响材料断裂韧度的因素n3.3 断裂韧性在工程中的应用断裂韧性在工程

2、中的应用3 32022-3-28n3.2.1 缺口效应缺口效应n3.2.2 线弹性条件下的断裂韧性 断裂韧度断裂韧度K KCC及及G GCC （重点）（重点）n3.2.3 弹塑形条件下的断裂韧性 J积分与COD的概念（简述）n3.2.4 影响断裂韧度的因素3.2 断裂韧性 4 42022-3-283.2.1 缺口效应n缺口效应缺口效应缺口截面上的应力状态发生变化。汽车曲轴汽车曲轴n均匀光滑试样：截面均匀变化，方形、圆柱n“缺口”工件 截面急剧截面急剧变化 键槽、油孔、轴肩、螺纹、退刀槽、焊缝等。5 52022-3-28 缺口效应：（3个）（一）缺口试样在弹性状态弹性状态下的应力分布无限大薄板无

3、限大薄板：6 62022-3-287 72022-3-281.轴向应力y：n缺口根部最大，n远离根部，y下降。n缺口第一效应：缺口第一效应：n缺口引起应力应变集中。缺口引起应力应变集中。（与缺口几何参数有关）8 82022-3-282. 横向应力x：n横向收缩程度不同。 横向拉应力x 。l 缺口根部无约束 x = 09 92022-3-283. z（板厚方向）（板厚方向）l平面应力状态：平面应力状态： (x, y)( x, y, z) (内侧2向拉应力状态向拉应力状态)。l无限薄板无限薄板（ z / z ？）：）：lZ方向：无约束，自由变形，z=0 。10102022-3-28无限大厚板无限大

4、厚板： 轴向应力y：（同薄板） 横向应力x：（同薄板）3. Z方向？方向？ z =0， z =（x +y） (内侧3向拉应力状态向拉应力状态)变形被无限约束，产生内应力：11112022-3-28l缺口第二效应：缺口第二效应：l缺口前方由单向拉伸应力状态缺口前方由单向拉伸应力状态 2 2向、向、3 3向拉伸应力状态。向拉伸应力状态。l平面应变状态：平面应变状态：l 3向拉应力状态向拉应力状态 (x, y，z)( x, y) l平面应力状态。平面应力状态。l2向拉应力状态向拉应力状态(x, y)( x, y, z) 哪个更危险哪个更危险? ?l更危险更危险：平面应变状态。平面应变状态。 l3 3

5、向拉应力状态向拉应力状态12122022-3-28(二)缺口在塑性状态下的应力分布 n塑性好塑性好的材料，缺口根部产生塑变的材料，缺口根部产生塑变 应力重新分布（塑性区）。应力重新分布（塑性区）。厚板厚板：屈雷斯加判据： 屈服时max=y -x = s。l缺口根部根部：lx=0 , max=y =s ,l缺口根部最先屈服最先屈服。13132022-3-28l内侧：内侧： ly不断增大，满足y=s+x 才能屈服。l缺口前方缺口前方三向拉应力状态三向拉应力状态使屈服应力单向拉伸时使屈服应力单向拉伸时s 。14142022-3-28l“缺口强化缺口强化”是三向拉应力抑制了塑变；是三向拉应力抑制了塑变

6、；l塑变被约束，缺口使材料塑性降低塑变被约束，缺口使材料塑性降低变脆变脆 （缺口脆化）（缺口脆化） 。l材料材料Property无变化，不是强化材料的手段。无变化，不是强化材料的手段。l缺口第三效应：缺口第三效应：l缺口前方塑变困难。缺口前方塑变困难。 缺口缺口“强化强化” （缺口脆化）（缺口脆化） 15152022-3-28第一效应第一效应-造成应力应变集中。造成应力应变集中。第二效应第二效应-（2323向）多向拉伸应力状态：向）多向拉伸应力状态： 平面应力平面应力状态、状态、平面应变平面应变状态状态第三效应第三效应-缺口强化（缺口脆化）缺口强化（缺口脆化）小结：缺口效应小结：缺口效应缺口使

7、材料变脆，缺口使材料变脆，降低了安全使用性。降低了安全使用性。缺口敏感性。缺口敏感性。16162022-3-283.2.2 线弹性条件下的断裂韧性 n假设假设： 裂纹体材料脆性断裂裂纹体材料脆性断裂，应力应变处于线弹性线弹性状态，只有裂纹尖端极小区域裂纹尖端极小区域处于塑变塑变阶段。n研究方法研究方法：(1) 应力应变分析方法-应力场强度因子K， 断裂韧性 KC, K判据。(2) 能量分析方法-能量释放率，G判据。17172022-3-28一、裂纹尖端的应力场及应力场强度因子 n均匀拉应力，无限大板，长2a的I型穿透裂纹；nIrwin等，线弹性理论，裂纹尖端附近(r，)处 应力/应变分量可近似

8、表示：18182022-3-28沿板厚Z方向上： 薄板薄板：自由变形Z=0，平面应力状态平面应力状态。（2）厚板厚板：应变约束Z=0平面应变状态平面应变状态； （危险危险的应力状态）。19192022-3-28讨论讨论：（1）近似表达，适用于ra情况，越接近裂纹尖端，精度越高。（2）在裂纹延长线X轴上，=0，此处拉应力分量最大，切应力分量为0，裂纹最易扩展。20202022-3-28讨论讨论：（3 3）影响因素：）影响因素：位置（位置（r,)r,)，材料弹性模量，材料弹性模量E E，参量，参量K KI I。lKI应力场强度因子（表示应力场的强弱程度）l表示I型裂纹；lK，K分别表示，型裂纹的应

9、力场强度因子。21212022-3-28lKI应力场强度因子（表示应力场的强弱程度）lKI一般表达式：一般表达式：l裂纹形状系数裂纹形状系数,取决于裂纹的类型。取决于裂纹的类型。 无限大板穿透裂纹：lKI单位为单位为Mpam 1/2。22222022-3-2823232022-3-28二、断裂韧度K及判据c：裂纹失稳扩展的临界应力，：裂纹失稳扩展的临界应力， 裂纹体材料的断裂应力或断裂强度；裂纹体材料的断裂应力或断裂强度； ac：临界裂纹尺寸：临界裂纹尺寸(半长）。半长）。 JKc：平面应变平面应变断裂韧度；断裂韧度；JKc ：平面应力平面应力断裂韧度；断裂韧度；J 同一材料同一材料JKc K

10、c24242022-3-281. 断裂韧度K和和Kc的意义lKc 、Kc：l裂纹材料抵抗断裂的能力。JKc：平面应变平面应变断裂韧度，断裂韧度，表示平面应变状态下材料表示平面应变状态下材料抵抗抵抗裂纹失稳扩展裂纹失稳扩展的能力。的能力。JKc：平面应力平面应力断裂韧度，断裂韧度，表示平面应力状态下材料表示平面应力状态下材料抵抗抵抗裂纹失稳扩展裂纹失稳扩展的能力。的能力。25252022-3-282. Kc与与K的关系的关系lK：力学参量力学参量，裂纹尖端应力应变场强度。lKc：材料的力学性能指标力学性能指标；l和s的关系： l 力学参量l s力学性能指标l材料成分、组织结构：材料成分、组织结构

11、：l 、 a 、 Y ：l材料成分、组织结构：材料成分、组织结构： l 、 a 、 Y ： 26262022-3-283.断裂断裂K判据判据KI Kc ： 裂纹失稳扩展裂纹失稳扩展 脆性断裂。脆性断裂。KI Kc ： 存在的断裂不会引起断裂。存在的断裂不会引起断裂。27272022-3-28KI的修正：nr=0r=0时时, , x/y /XY等趋于无穷大等趋于无穷大不可能。不可能。n裂纹尖端裂纹尖端应力应力s s时，出现时，出现塑性区塑性区（屈服区）（屈服区）n 应力分布改变应力分布改变 。修正条件：/s 0.6-0.7。28282022-3-28三、裂纹扩展的能量判据（三、裂纹扩展的能量判据

12、（释放率释放率GI）（一）裂纹扩展的能量释放率一）裂纹扩展的能量释放率GIGriffith：裂纹扩展的动力是：裂纹扩展的动力是弹性能的释放率弹性能的释放率。GI：与：与KI相似，是裂纹长度相似，是裂纹长度a和应力和应力的复合参量，的复合参量， 称为裂纹扩展的能量释放率。称为裂纹扩展的能量释放率。EaaUG2平面应力: 平面应变: EaG22129292022-3-28（二）断裂韧度（二）断裂韧度GIC和断裂和断裂G判据判据 l，aGI,l当当GI2（或（或2+P）（裂纹失稳扩展阻力）（裂纹失稳扩展阻力）.l裂纹失稳扩展GIC，断裂韧度。lGIC ：阻止裂纹失稳扩展时单位面积消耗的能量。lG判据

13、：GI GIC221KEGK: 裂纹尖端的应力场强度， 也可度量裂纹扩展时系统势能的释放率。 30302022-3-283.2.3 弹塑性条件下的断裂韧性 l 脆性材料：脆性材料：塑性区小塑性区小，小范围屈服，小范围屈服 线弹性断裂力学（高强度钢）。线弹性断裂力学（高强度钢）。l 塑性材料：塑性材料：塑性区大塑性区大，大范围屈服，大范围屈服 弹塑性力学（中弹塑性力学（中/低强度钢）。低强度钢）。l将线弹性原理进行延伸： J积分，断裂能量能量判据GI，JI COD，断裂应变应变判据 KI，31312022-3-28一、J积分及断裂韧度 JICRice于1968年提出了J积分理论， sTxuyJd

14、d（1 1）J J积分反映了裂纹尖端区的积分反映了裂纹尖端区的应变能应变能， 即应力应变集中程度。即应力应变集中程度。 能量线积分J1 应力T做功 应变能。：弹塑性应变能密度 （2）塑变不可逆塑变不可逆裂纹扩展不连续裂纹扩展不连续 J不是裂纹扩展不是裂纹扩展的弹性能释放率。的弹性能释放率。J是裂纹扩展时是裂纹扩展时形变功差率形变功差率。 同同G GI I的不同？的不同？32322022-3-28*（4）断裂韧度JIC ：l 表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力抵抗裂纹开始扩展的能力。l J判据：JI JIC （保守设计）（5）J积分判据实际使用很少裂纹开裂亚稳扩展失稳扩展，断裂。（3）J积分的临界值

15、是积分的临界值是裂纹开裂点裂纹开裂点， 不一定是不一定是失稳断裂点失稳断裂点。33332022-3-28二、裂纹尖端张开位移COD( crack opening displacement) n 船体、压力容器、管道、焊接结构低应力脆断，结晶状断口。n 原因：多向应力状态下，裂纹尖端塑性区被约束塑性区被约束， 当应变量应变量达到临界值临界值 断裂。n 用裂纹张开位移表示应变量。 c，与JIC 一样， 是裂纹开始扩展裂纹开始扩展的判据。34342022-3-28n3.2.1 缺口效应（3个）个）n3.2.2 线弹性条件下的断裂韧性 断裂韧度断裂韧度K KCC（平面应变）平面应变）（重点）（重点）

16、材料抵抗材料抵抗裂纹失稳扩展裂纹失稳扩展的能力。的能力。G GCC：裂纹失稳扩展裂纹失稳扩展时消耗的能量时消耗的能量。n3.2.3 弹塑形条件下的断裂韧性 J J积分与积分与CODCOD： 材料抵抗材料抵抗裂纹开始扩展裂纹开始扩展的能力。的能力。小结35352022-3-283.2.4 影响断裂韧性的因素 nKIc是材料是材料强度强度和和塑性塑性的综合表现。的综合表现。n 一般情况下，随强度指标的降低而升高， 随塑性指标的降低而降低。 s ，b KIc ,KIc n 通常人们认为KIc是塑性、韧性一类指标， 与强度类指标的变化规律相反。（有例外）n 内在：成分、组织 、结构。n 外在：温度T、

17、应变速率。36362022-3-28一、成分及组织结构的影响 （一）化学成分（一）化学成分l细化晶粒的合金元素 强度塑性，KIc l陶瓷： 提高强度提高强度的组元 KIc l高分子： 结合键键合强度强度KIc 37372022-3-28（二）基体相二）基体相：lfcc易塑变，KIc 。 A钢钢的KIc F、M钢。l一般情况下，细化晶粒：b 、KIc l某些情况下，粗晶粒的某些情况下，粗晶粒的KIc 高。高。l40CrNiMo：1200 淬火，01级，KIc =56 ； 870 淬火，淬火， 78级，级，KIc =36 。l大的位错型大的位错型M板条间有板条间有A残残 膜，膜，碳化物充分溶入碳化

18、物充分溶入A残残。38382022-3-28（三）夹杂、第二相（三）夹杂、第二相 l 韧性第二相，细小、弥散、适当量韧性第二相，细小、弥散、适当量 KIc （四）组织四）组织lKIc（B下下） KIc（ M回回 ） KIc（B上上）l KIc（板条板条M）KIc（针状M ）l S回回KIc lA残残KIc39392022-3-28 二、特殊热处理 （一）亚温淬火：亚共析钢 F+M b ， KIc （二）超高温淬火：A粗化，KIc (三) 形变热处理（控轧控冷技术） 高温形变：动态再结晶，细化晶粒动态再结晶，细化晶粒（A,M）b ， KIc 20%。 低温形变：细化晶粒细化晶粒，碳化物弥散沉淀弥

19、散沉淀b ， KIc 18%。40402022-3-28 三、外界因素 n （一）温度： T韧脆转变 TTk：韧性断裂 TTk：脆性断裂n （二）应变速率： KIc 41412022-3-28n我国GB416184（金属材料平面应变断裂韧度 试验方法）；n国际上，如美国宇航局、美国材料试验学会颁发的ASTME39978。 nKIc：试验方法：试验方法。n 预制裂纹。n 试样必须满足平面应变条件。 在静载下受力。42422022-3-282)(5 . 2yICKB43432022-3-28Vicker 压痕法：陶瓷（脆性材料）KcnVicker硬度试验机，压痕+裂纹H:维氏硬度；维氏硬度； E：

20、弹性模量；：弹性模量；：约束因子（：约束因子（3）44442022-3-283.3 断裂韧度在工程中的应用 设计设计、校核、材料开发校核、材料开发n结构设计：KIc ， 形状、尺寸。n材料选择：，裂纹KIc ，KI 比较、选材。45452022-3-28断裂力学：例1：有一构件，实际使用应力=1300 Mpa，设最大设最大裂纹尺寸裂纹尺寸a=1mm, Y=1.5。有2种钢待选： 甲：s=1950 Mpa，KIc =45 MPam1/2。 乙：s=1560 Mpa，KIc =75 MPam1/2。传统设计：安全系数屈服强度s 。甲：n=s/=1.5, 乙：n=1560/1300=1.2 甲钢安全。甲：c=1000 Mpa 1300 Mpa 不安全乙：c=1670 Mpa 1300 Mpa 安全46462022-3-28n例2. 某材料的s=2.5J/m2，E=210GPa，a0=0.32nm，用该材料制成的无限大薄板内有一条长1mm的裂纹。求：（1）该材料完美晶体的理论断裂强度；（2）含裂纹的薄板的脆性断裂应力。0aErsm2ac=1mm, ac=0.5mm, （2101092.5/3.210-10）1/2 = 4.051010 (Pa)= 4.05104 (MPa)（2101092.5/0.510-3）1/2 =32.5106