第四章金属的断裂韧度

1、材料性能学第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of PetroleumCH3 金属在冲击载荷下的力学性能金属在冲击载荷下的力学性能l 冲击韧性，冲击韧性，AKVl 低温脆性低温脆性l tk NDT、FTP、FTE 50%FATT t=t0-tkl晶体结构、化学成分、晶粒尺寸、显微组织晶体结构、化学成分、晶粒尺寸、显微组织材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum主要内容

2、主要内容影响断裂韧度的因素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金属断裂韧度的测试线弹性条件下的金属断裂韧度线弹性条件下的金属断裂韧度断裂断裂K判据应用案例判据应用案例材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum1950年，爆炸年，爆炸低应力脆断与断裂力学低应力脆断与断裂力学北极星导弹北极星导弹超高强度钢，超高强度钢，D6AC，1400MPa断裂力学断裂力学l 机件设计，机件设计，s s/n/n，不考虑裂纹，不考虑裂纹l 出现低应

3、力脆断出现低应力脆断 宏观裂纹宏观裂纹存在存在应力集中应力集中l 断裂断裂裂纹扩展引起，研究裂纹体的裂纹扩展引起，研究裂纹体的扩展扩展材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml 断裂力学断裂力学断裂强度科学断裂强度科学1922，Griffith，首先在强度与裂纹尺度建立关系，首先在强度与裂纹尺度建立关系1948，Irwin Fracture Dynamics1968，Rice提出提出J积分积分 Hutchinson证明可用来描述弹塑性体中裂纹的扩展证明可用来描述弹塑性体中裂纹的扩展l 断裂力

4、学研究裂纹尖端的应力、应变和应变能的分布情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对应的力学性能指标断裂韧度断裂韧度材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum几个概念：l 韧度：韧度： 材料断裂前吸收材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功塑性变形功和断裂功的能力。的能力。 包括静力韧度、冲击韧度、包括静力韧度、冲击韧度、断裂韧度断裂韧度l 理论断裂强度理论断裂强度( (理想晶体理

5、想晶体脆性断裂脆性断裂) )：l 断裂强度的裂纹理论断裂强度的裂纹理论( (格里菲斯裂纹理论格里菲斯裂纹理论) )l 解理断裂裂纹解理断裂裂纹l 低应力脆断低应力脆断 在拉应力作用下在拉应力作用下, ,其应力水平低于材料的其应力水平低于材料的s s的情况下突然的情况下突然发生断裂发生断裂210aEsm212aEscdkGGdnbdGyscsii22)()(材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum4.1 线弹性条件下的金属断裂韧度 断口，低应力脆断断口，低应力脆断无宏观塑性变形无宏观塑性变形裂

6、尖处裂尖处于弹性状态于弹性状态-线性关系线性关系弹性力学理论弹性力学理论线弹性断裂力学线弹性断裂力学l分析裂纹体断裂问题分析裂纹体断裂问题应力应变分析方法：应力应变分析方法：裂纹尖端附近的应力场，裂纹尖端附近的应力场，断裂断裂K判据判据能量分析方法：能量分析方法：裂纹扩展时系统能量的变化，裂纹扩展时系统能量的变化， 断裂断裂G判据判据材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum一、裂纹扩展的基本形式l 张开型张开型（I I型）型）l 滑开型滑开型（IIII型）型）l 撕开型撕开型（IIIIII型

7、）型）容器纵向，内压容器纵向，内压轴横向，拉、弯轴横向，拉、弯材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum应力应力裂纹面裂纹面裂纹线裂纹线扩展方向扩展方向张开型张开型（I I型型 ）正应力正应力滑开型（滑开型（型）型）切应力切应力撕开型撕开型（ 型）型）切应力切应力材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum二、应力场强度因子KI及断裂韧度KIC平面应力平面应力弹塑性状态弹塑性状态平面应变平面应变

8、材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum（一）裂纹尖端应力场 欧文（欧文（G. R. IrwinG. R. Irwin）II型型（张开型）裂纹尖端（张开型）裂纹尖端 应力应变应力应变应力场、位移场。应力场、位移场。 设有一承受均匀拉应力设有一承受均匀拉应力的无限大板的无限大板( (厚薄均可厚薄均可) )，含有，含有长为长为2 2a的的I I型穿透裂纹。型穿透裂纹。l 裂纹扩展从裂纹扩展从裂纹尖端裂纹尖端开始开始应力、应变状态应力、应变状态材料性能学材料性能学Property of Mater

9、ials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum平面应力状态（薄板）平面应力状态（薄板）材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum平面应变状态（厚板）平面应变状态（厚板）材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum3cos(1sinsin)22223cos(1sinsin)2222()(0(3sincoscos2222IxIyzxyzIxyKrKrKr

10、平面应变)平面应力)应力分量：应力分量：020 xyIxyrK，则在裂纹延长线上材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum2212cos12sin2212sin2(1)cos22IIruKErvKE位移分量（平面应变状态）：位移分量（平面应变状态）：材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum（二）应力场强度因子KIl 裂尖应力分量除了决定其裂尖应力分量除了决定其位置外，还与位置外，还与K KI

11、 I有关。有关。l 对于某确定的点，其应力对于某确定的点，其应力分量由分量由K KI I决定，决定，K KI I，则，则应力场各应力分量也应力场各应力分量也。l K KI I表示应力场的强弱程度，表示应力场的强弱程度，称为称为应力场强度因子应力场强度因子l K K、K K、K K3cos(1sinsin)22223cos(1sinsin)2222()(0(3sincoscos2222IxIyzxyzIxyKrKrKr 平面应变)平面应力)材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of PetroleumP64 表表4

12、-1aKIbafaKI无限大板穿透裂纹无限大板穿透裂纹材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of PetroleumaK，abbafaKII12.1时当)()(623bafabMKI材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum2/02/122222222)sin(cos:cossindcacaaKKII是第二类椭圆积分为在裂纹边缘上任一点的2/02/12222)sin(cos1 . 1dcaaKKAII为点的无限大

13、物体表面有半椭圆裂纹，无限大物体表面有半椭圆裂纹，远处受均匀拉伸远处受均匀拉伸无限大物体内部有椭圆片裂纹，无限大物体内部有椭圆片裂纹，远处受均匀拉伸远处受均匀拉伸材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of PetroleumaYKI a：1/2裂纹长度裂纹长度 Y裂纹形状系数（无量纲量）裂纹形状系数（无量纲量）一般一般Y=12KI量纲量纲 MPam1/2 或或 MNm-3/2aYKaYKIIIII材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University

14、 of Petroleum（1 1）无限大板穿透裂纹）无限大板穿透裂纹 YaaYKI 裂纹形状参数：裂纹形状参数：应力场强度因子：应力场强度因子：材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum（2 2）无限大物体表面半椭圆裂纹）无限大物体表面半椭圆裂纹裂纹形状系数：裂纹形状系数： 1 . 1Y应力场强度因子：应力场强度因子： a1 . 1KI 椭圆积分，可以根据椭圆积分，可以根据a/c查表查表P238材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China

15、University of Petroleum（三）断裂韧度KIC和断裂K判据l 平面应变平面应变断裂韧度断裂韧度K KC (MPa(MPa m m1/21/2) ) (或，和或，和) aK，c (或或) a a c 裂纹裂纹失稳扩展失稳扩展断裂断裂 K=KCaKI K KI I是决定应力场强弱的一个是决定应力场强弱的一个复合力学参量复合力学参量， 推动裂纹扩展的动力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建立裂纹失稳扩展的力学判据与断裂韧度CICaKC断裂应力断裂应力临界裂纹尺寸临界裂纹尺寸材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学

16、China University of Petroleum平面应力断裂韧度平面应力断裂韧度KcKc (或，和或，和) ) a aKK，c c ( (或或) ) a a a a c c 裂纹失稳扩展裂纹失稳扩展断裂断裂KK=K=Kc c K Kc c与试样厚度有关，与试样厚度有关， K KCC 无关，是真正的材料常数，无关，是真正的材料常数，K Kc cKKccaKI材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum断裂韧度断裂韧度 临界或失稳状态的临界或失稳状态的KI值，记作：值，记作：KIC或或KC

17、断裂判据断裂判据 KI KIC 发生裂纹扩展，直至断裂发生裂纹扩展，直至断裂 根据根据KI和和KIC的相对大小，的相对大小，断裂断裂K判据，平面应变最判据，平面应变最危险，常用危险，常用KICIICKK材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of PetroleumKIC和KI的区别 KI临界值临界值KIC时，断裂，时，断裂，KIC断裂韧度断裂韧度。 KI是是力学参量力学参量，与载荷、试样尺寸有关，和材料本身无关。，与载荷、试样尺寸有关，和材料本身无关。 KIC是是力学性能指标力学性能指标，只与材料组织结构、成分有

18、关，与试样，只与材料组织结构、成分有关，与试样尺寸和载荷无关。尺寸和载荷无关。 根据根据KI和和KIC的相对大小的相对大小断裂断裂K判据判据IICKK材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum裂纹尖端应力场3cos(1 sinsin)22223cos(1 sinsin)2222()(0(3sincoscos2222IxIyzxyzIxyKrKrKr 平面应变)平面应力)KI应力场强度因子aYKI 低应力脆断低应力脆断!材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中

19、国石油大学China University of PetroleumaYKI CICaKC断裂应力断裂应力临界裂纹尺寸临界裂纹尺寸断裂韧度断裂韧度KIC 临界或失稳状态的临界或失稳状态的KI值值断裂断裂K判据判据IICKK材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum（四）裂纹尖端塑性区及KI的修正裂尖，或大或小裂尖，或大或小塑性区塑性区，但，但小范围屈服小范围屈服，K KI I适当修正适当修正材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China Uni

20、versity of Petroleum1. 1. 塑性区的形状和尺寸塑性区的形状和尺寸 塑性变形临界条件的函数表达式塑性变形临界条件的函数表达式r=f(r=f() )， 图形图形塑性区边界形状塑性区边界形状 边界值边界值塑性区尺寸塑性区尺寸221222312()22()22()xyxyxyxyxyxy 主应力公式：主应力公式：材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleumn裂纹尖端附近任一点裂纹尖端附近任一点P(r,P(r,) )的主应力：的主应力：1233cos(1sin)222cos(1si

21、n)2220(2cos(22IIIKrKrKr平面应力)平面应变)3cos(1sinsin)22223cos(1sinsin)2222()(0(3sincoscos2222IxIyzxyzIxyKrKrKr 平面应变)平面应力)221222312()22()22()xyxyxyxyxyxy 材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum 2s2132322212 22222221() cos(1 3sin)()22213() (1 2 ) cossin)(2242IsIsKrKr 平面应力平面应变

22、)材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum22222221() cos(13sin)()22213() (12 ) cossin)(2242IsIsKrKr平面应力平面应变)（平平面面应应变变）（）（平平面面应应力力）（2202022121SISIKrKr 屈雷斯加屈服判据，塑性区是什么样的？屈雷斯加屈服判据，塑性区是什么样的？X方向塑性区小方向塑性区小塑性区宽度塑性区宽度，裂纹易沿裂纹易沿X方向扩展方向扩展，令，令=0)(24120平面应变欧文修正SIKr材料性能学材料性能学Propert

23、y of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum x x轴裂尖轴裂尖,y yysys的的ABAB，没有考虑影线部分面积没有考虑影线部分面积内内应力松弛应力松弛 应力松弛可以增大塑性应力松弛可以增大塑性区，由区，由r r0 0扩大至扩大至R R0 0。 ysys ( ( y y向有效屈服应向有效屈服应力力):):在在y y方向发生屈服时方向发生屈服时的应力的应力 平面应力，平面应力，ysys=s s 平面应变，平面应变，ysys=2.5=2.5s s材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学

24、China University of Petroleumn求求R R0 0 ：nS S阴影阴影=S=SBCEDBCEDn或或S S阴影阴影+S+SABDOABDO=S=SACEOACEO0002rIysKdrRr002IysrKR002rKRysI材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleumn平面应力平面应力( (薄板薄板) )nysys=s sn平面应力条件下，考虑了应力松弛之后，平面应力塑性平面应力条件下，考虑了应力松弛之后，平面应力塑性区宽度正好是区宽度正好是r r0 0的两倍。的两倍。

25、（平面应变）（平面应力）（202024121SISIKrKr002rKRysI2001()2IsKRr材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum平面应变平面应变( (厚板厚板) )22yss201()42IsKrl 塑性区塑性区-立体哑铃形立体哑铃形 中心平面应变状态中心平面应变状态 两个表面平面应力状态两个表面平面应力状态 ys小于小于2.5s002rKRysI0202221rKRSI ）（ 材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China U

26、niversity of Petroleum注意：注意： 裂纹塑性区宽度和裂纹塑性区宽度和(K(KI I/s s) )2 2成正比，成正比，测量测量K KICIC时要保证时要保证裂纹尖端小范围屈服，需要考虑裂纹尖端小范围屈服，需要考虑(K(KIcIc/s s) )2 2。材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum2. 有效裂纹及KI的修正n修正原因：修正原因：塑性区的存塑性区的存在，将会降低裂纹体的刚在，将会降低裂纹体的刚度，相当于增加了裂纹长度，相当于增加了裂纹长度，因而影响了应力场及度，因

27、而影响了应力场及KI的计算的计算n有效裂纹有效裂纹=a+ryyIraYK 0021rRry材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum带入应力场强度公式带入应力场强度公式22056.0241SIsIyKKr2216.021SIsIyKKr（平面应力）（平面应力）（平面应变）（平面应变）yraYKI 得到修正后的应力场强度公式：得到修正后的应力场强度公式：2222(1 0.16(/)(1 0.056(/)IsIsYaKYYaKY 平面应力)平面应变)材料性能学材料性能学Property of Ma

28、terials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum两种重要裂纹的KI修正公式l 无限大板无限大板I I型裂纹型裂纹: :2sI5.01aK 2sI177.01aK （平面应力）（平面应力）（平面应变）（平面应变）Y材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml 大件表面半椭圆裂纹大件表面半椭圆裂纹 1.1Y 2s2I608.0a1 .1K 2s2I212. 0a1 . 1K（平面应力）（平面应力）（平面应变）（平面应变）材料性能学材料性能学Prope

29、rty of Materials中国石油大学中国石油大学China University of PetroleumKI应力场强度因子4.1 线弹性条件下的金属断裂韧度aYKI 裂纹尖端应力场CICaKC断裂韧度KICIICKK断裂K判据材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum（平面应变）（平面应力）（202024121SISIKrKr002rR 材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of PetroleumyI

30、raYK 2222(1 0.16(/)(1 0.056(/)IsIsYaKYYaKY 平面应力)平面应变)0021rRry材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum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（一）裂纹扩展时的能量转化关系 绝热条件下绝热条件下动力动力阻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。从能量转换关系，研究裂纹扩展力学条件及断裂韧度。AAUWspe2塑性功塑性功表面能表面能外力做功外力做功系统弹性应变能变化系统弹性应变能变化 AWU

31、SPe2设一裂纹体在外力作用下裂纹扩展设一裂纹体在外力作用下裂纹扩展材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum（二）裂纹扩展能量释放率（二）裂纹扩展能量释放率l 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：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，用数值，简称能量释放率或能量率，用G G表示，表示，MJMJm m-2-2。eUUWAUGI aUBGI 1aUGI 系统势能等于系统的应变能减去外力功（工程力学）系统势能等于系统的应变能减去外力功（工

32、程力学）当裂纹长度为当裂纹长度为a a，裂纹体的厚度为，裂纹体的厚度为B B时时B=1时时物理意义：物理意义：G GI I为裂纹扩展单位长度时系统势能的释放率，为裂纹扩展单位长度时系统势能的释放率， 裂纹扩展力，裂纹扩展力，MNMN m m-1-1材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleumn确定确定GI时必须知道时必须知道U的表达式的表达式1() (1() (eIFeIUGBaUGBa 恒载荷)恒位移)aUBGI 1材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国

33、石油大学China University of Petroleumn格雷菲斯公式，是在格雷菲斯公式，是在恒位移条件恒位移条件下导出下导出EaUe22EaG22)1 (平面应变平面应变G GI I也是应力也是应力和裂纹尺寸和裂纹尺寸a a的复合参量的复合参量平面应力平面应力EaEaaaUGeI222)2()2(EaUe)(1 (222材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum（三）断裂韧度（三）断裂韧度GIC和断裂和断裂G判据判据l 随着随着和和a a单独或共同增大，单独或共同增大，G GI I

34、增大。增大。l 当当G GI I到某一临界值，到某一临界值， G GI I能克服阻力，裂纹失稳扩展能克服阻力，裂纹失稳扩展l 定义：将定义：将GI的临界值记为的临界值记为GIC，也称为断裂韧度，也称为断裂韧度，表示材料表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量。阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量。EaGccc22)1 (ICIGG 断裂应力断裂应力断裂断裂G判据判据:临界裂纹尺寸临界裂纹尺寸材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum(四四) GIC与与KIC的关系的关系EaGccc22

35、)1 (材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of PetroleumEaG22)1 (平面应变平面应变EaGI2l 裂纹扩展能量释放率裂纹扩展能量释放率G：裂纹扩展单位面积时系统释：裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值放势能的数值AUGI EaGccc22)1 (ICIGG 断裂G判据:断裂韧度GIC材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum4.2 断裂韧度KIC的测试一、试样的形状、尺寸及制备一、试样的形状、

36、尺寸及制备 四种试样：三点弯曲，紧凑拉伸，四种试样：三点弯曲，紧凑拉伸， C C型拉伸，圆形紧凑拉伸试样。型拉伸，圆形紧凑拉伸试样。GB/T 4161-1984 金属材料平面应变断裂韧度金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方法试验方法GB/T 7732-1987 金属板材表面裂纹断裂韧度金属板材表面裂纹断裂韧度KIC试验方法试验方法材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum2225.2)(5.25.2yICyICyICKaWKaKB根据根据s和和KIC估计估计By/E值确定值确定B(表表4-3)

37、保证裂尖附近保证裂尖附近平面应变、平面应变、小范围屈服状态小范围屈服状态三点弯曲试样三点弯曲试样材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum紧凑拉伸试样紧凑拉伸试样材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum二、测试方法条件裂纹失稳扩条件裂纹失稳扩展载荷展载荷FQ材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petro

38、leumF-VF-V曲线有三种类型：曲线有三种类型：1. 1. 材料较脆、试样尺寸足够材料较脆、试样尺寸足够大时，大时，IIIIII型型2. 2. 材料韧性较好或试样尺寸材料韧性较好或试样尺寸较小时，较小时，I I型型3. 3. 居中时，居中时，IIII型型从F-V曲线确定FQ的方法： FQ条件裂纹失稳扩展载荷相对相对OA，斜率减少，斜率减少5%的割线的割线裂纹扩展裂纹扩展2%时载荷时载荷F5材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum三、试验结果的处理2max)/(5 . 210. 1/yQQ

39、KBFF? QKICQKK 满足：满足：WaYBWFSKI123否则，重做试验，否则，重做试验，1.5倍试样尺寸倍试样尺寸材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum4.3 影响断裂韧度KIC的因素（一）（一） KIC与强度、塑性与强度、塑性 强度升高，强度升高，K KICIC降低降低 无论是解理断裂还是韧性断裂，无论是解理断裂还是韧性断裂， K KIC

40、IC都是强度和塑性都是强度和塑性的综合性能的综合性能。2/12/ )1(2/ )1(/CnyncICXK一、KIC与常规力学性能指标之间的关系2/1*cfyICXEK材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum（二）（二） K KICIC与冲击吸收功与冲击吸收功A AKVKV之间的关系之间的关系韧脆转变韧脆转变 温度、应变速度影响温度、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，由于裂纹、缺口、加载速率不同，温度变化曲线不一样，由由KIC确定的确定的tk比比AKV的高。的高。材

41、料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum二、影响断裂韧度KIC的因素（一）内在因素（一）内在因素1. 化学成分的影响化学成分的影响 细化晶粒的元素，提高强度和塑性，细化晶粒的元素，提高强度和塑性，K KICIC提高；提高； 强烈固溶强化的元素，使强烈固溶强化的元素，使K KICIC下降；下降； 形成金属化合物并呈第二相析出的合金元素，降低形成金属化合物并呈第二相析出的合金元素，降低K KICIC2. 基体相结构和晶粒大小的影响基体相结构和晶粒大小的影响 FCC： KIC高；高； 晶粒小：晶粒小

42、： KIC高高3. 杂质和第二相的影响杂质和第二相的影响 杂质多，杂质多， KIC低低4. 显微组织的影响显微组织的影响材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum（二）影响KIC的外界因素1. 1. 温度温度nT，KICn中低强度钢，有韧脆转变，中低强度钢，有韧脆转变，tk以上，以上， KIC较高，较高， tk以下，以下， KIC很低。很低。2. 2. 应变速率应变速率n应变速率应变速率，KIC，应变速率，应变速率10倍，倍，KIC降降10%。 很大时，绝热状态，局部升温，很大时，绝热状态，局

43、部升温，KIC 材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum4.4 断裂K判据应用案例第一是设计：包括结构设计和第一是设计：包括结构设计和材料选择材料选择 根据材料的断裂韧度，计算结构的许用应力，根据材料的断裂韧度，计算结构的许用应力， 针对要求的承载量，设计结构的形状和尺寸；针对要求的承载量，设计结构的形状和尺寸； 根据结构的承载要求、可能出现的裂纹类型，计算最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。大应力强度因子，依据材料的断裂韧度进行选材。

44、材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum第二是校核：第二是校核：根据结构要求的承载能力、材料的断裂韧度，计算材料根据结构要求的承载能力、材料的断裂韧度，计算材料的的临界裂纹尺寸临界裂纹尺寸，与实测的裂纹尺寸相比较，校核结构，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。的安全性，判断材料的脆断倾向。第三是材料开发：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。织结构，开发新材料。材料性能学材

45、料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum一、材料选择 例例1 1：有一火箭壳体承受很高的工作压力，其周向最大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工作拉应力=1400MPa。采用超高强度钢制造，焊接后往。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：。现有两种材料，其性能如下： A. 0.2=1700MPa，KIC=78MPam1/2； B. 0.2=2100MPa,，KIC=47

46、MPam1/2；从断裂力学角度考虑，选用哪种材料较为合适？从断裂力学角度考虑，选用哪种材料较为合适？材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum对于材料对于材料A：82.0170014002.0由于22.02I)/(212.0a1.1K)(71)1700/1400(212. 062. 1001. 014. 314001 . 1K212ImMPa当当a/c=0.6时，查表可得时，查表可得2=1.62，将有关数据代入上式，得：，将有关数据代入上式，得：说明使用材料说明使用材料A不会发生脆性断裂，可以

47、选用。不会发生脆性断裂，可以选用。必需考虑塑性区的修正必需考虑塑性区的修正KIKIC材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum67. 0210014002 . 0由于a1.1KI)(6862. 1001. 014. 314001 . 1K21ImMPa同样查表可得同样查表可得2=1.62，将有关数据代入上式，得：，将有关数据代入上式，得：由此可见，由此可见，KIKIC，说明使用材料，说明使用材料B会发生脆性断裂，不会发生脆性断裂，不可选用。可选用。不必考虑塑性区的修正不必考虑塑性区的修正对于材

48、料对于材料B：材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum二、安全校核 例例2 2：有一大型圆筒式容器由高强度钢焊接而成，如图有一大型圆筒式容器由高强度钢焊接而成，如图4-16所示。钢板厚度所示。钢板厚度t=5mm，圆筒内径，圆筒内径D=1500mm；所用；所用材料的材料的0.2=1800MPa，KIC=62MPam1/2。焊接后发现焊缝表面有纵向半焊接

49、后发现焊缝表面有纵向半椭圆裂纹，尺寸为椭圆裂纹，尺寸为2c=6mm，a=0.9mm。试问该容器能否在。试问该容器能否在p=6MPa的压力下正常工作？的压力下正常工作？材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum根据材料力学，裂纹所受垂直拉应力为：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将有关数据代入上式得5 . 018009002 . 0由于不必考虑塑性区的修正不必考虑塑性区的修正材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China U

50、niversity of Petroleum还可以用什么方法进行计算？还可以用什么方法进行计算？显然，显然， c，不会发生爆破，可以正常工作。，不会发生爆破，可以正常工作。对于表面半椭圆裂纹，对于表面半椭圆裂纹，当当a/c=0.9/3=0.3时，查附录表得时，查附录表得=1.10，将有数值代，将有数值代入上式得入上式得aKYICc1/1.1Y材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum 例例3 3：有一化工合成塔，直径为有一化工合成塔，直径为D=3200mm ，工作压力，工作压力p=6MPa，选

51、用材料为，选用材料为0.2=1200MPa，KIC=58MPam1/2，厚，厚度度t=16mm。制作过程中，经探伤发现在纵焊缝中，存在一。制作过程中，经探伤发现在纵焊缝中，存在一纵向椭圆裂纹，纵向椭圆裂纹，2a=4mm， 2c=6mm。试校核该合成塔能否。试校核该合成塔能否安全运行。安全运行。材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum)(4490cos003. 0002. 090sin74. 1002. 014. 36002/14/12222mMPaKIKIKIC，说明不会发生脆性断裂，该合成

52、塔可以安全使用。，说明不会发生脆性断裂，该合成塔可以安全使用。材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum三、失效分析 例例4 4：某冶金厂大型纯氧顶吹转炉的转动机械主轴，在工作某冶金厂大型纯氧顶吹转炉的转动机械主轴，在工作时经时经61次摇炉炼钢后发生低应力脆断。其断口示意图如图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，该轴材料为所示，该轴材料为40Cr钢，经调质处理后常规力学性能指钢，经调质处理后常规力学性能指标完全合格，标完全合格，0.2=600MPa，b=860 MPa，A

53、KU=38J，=8%。现用断裂力学分析其失效原因。现用断裂力学分析其失效原因。金相分析：金相分析： 疲劳裂纹源处的疲劳裂纹源处的硫化物夹杂硫化物夹杂级别较高，该处是薄弱区。级别较高，该处是薄弱区。受力分析：受力分析： =外外+内内=25MPa+120MPa=145MPa=25MPa+120MPa=145MPa表面环状裂纹为表面环状裂纹为浅长表面半椭圆裂纹浅长表面半椭圆裂纹 a/c0， c185mm；断口分析：断口分析： 该轴为疲劳断裂，裂纹源在该轴为疲劳断裂，裂纹源在应力集中处，形成深度达应力集中处，形成深度达185mm185mm的疲劳扩展区，的疲劳扩展区，相当于一个相当于一个c c185mm

54、185mm的表面环状裂纹的表面环状裂纹。材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum受力分析：受力分析： =外外+内内=25MPa+120MPa=145MPa=25MPa+120MPa=145MPa表面环状裂纹为表面环状裂纹为浅长表面半椭圆裂纹浅长表面半椭圆裂纹 a/c0，c185mm221CICcKYa)(180)(180.014512095.1122mmmacY1.95KIC=120MPam1/2材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China

55、 University of Petroleum表面半椭圆裂纹表面半椭圆裂纹Y=2四、评价材料脆性 断裂韧度断裂韧度K KICIC 断裂应力断裂应力c c 临界裂纹尺寸临界裂纹尺寸a ac caYKI 225. 0ICcKa材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum1. 1. 超高强度钢的脆断倾向超高强度钢的脆断倾向0.21400MPa，D6AC、18Ni、40CrNiMo等等KIC=75MPam1/2，工作应力，工作应力1500MPa)(625. 01500/7525. 02mmac选材原则

56、：选材原则：KIC较高而较高而0.2较低材料较低材料材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum2. 2. 中、低强度钢的脆断倾向中、低强度钢的脆断倾向0.2700MPa，BCC 低温脆性，低温脆性，tk韧性区，韧性区，KIC=150MPam1/2,脆性区，脆性区，KIC=3040MPam1/2,工作应力工作应力200MPa, )(140)(14. 0200/15025. 02mmmac)(6 . 5200/3025. 02mmac材料性能学材料性能学Property of Materials中

57、国石油大学中国石油大学China University of Petroleum3. 3. 高强度钢的脆断倾向高强度钢的脆断倾向 0.2=8001200MPa，韧度适当，韧度适当 低碳多元合金强化，低碳多元合金强化，M低碳低碳或或B下下4. 4. 球墨铸铁的脆断倾向球墨铸铁的脆断倾向AK=16J，KIC2040MPam1/2 (45，64J，90MPam1/2 )工作应力工作应力(1050MPa)mmmmac63063. 050/2525. 02材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum4.5

58、 弹塑性条件下金属断裂韧度的基本概念osIrKR2)(120 高强钢的塑性区尺寸很小，属于高强钢的塑性区尺寸很小，属于小范围屈服小范围屈服，可用，可用线弹性线弹性断裂力学断裂力学。 中、低强度钢中、低强度钢 测试测试材料的材料的KIC，要求试样厚度，要求试样厚度 B2.5（KIC/s）2， 中等强度钢中等强度钢B=99mm，试样太大，浪费，试样太大，浪费 发展发展弹塑性断裂力学弹塑性断裂力学来解决其断裂问题。来解决其断裂问题。材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml 原则：原则：n线弹性原

59、理进行延伸线弹性原理进行延伸 + 试验基础试验基础l 常用方法：常用方法：J积分法积分法和和COD法法 J积分法是由积分法是由GI延伸出来的一种断裂延伸出来的一种断裂能量能量判据判据; COD法是由法是由KI延伸出来的一种断裂延伸出来的一种断裂应变应变判据。判据。材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum一、 J积分及断裂韧度JICn赖斯（赖斯（J. R. Rice, 1968）n裂纹周围，裂纹周围，U，线积分线积分：n弹塑性应变能弹塑性应变能积分路线材料性能学材料性能学Property of

60、 Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml 线弹性条件下线弹性条件下 J JI I=G=GI I 在小应变条件下，在小应变条件下，J J积分和积分路线无关积分和积分路线无关， J J积分反映了裂纹尖端区的应变能，即积分反映了裂纹尖端区的应变能，即应力集中程度应力集中程度。l 弹塑性条件下弹塑性条件下 由于塑性变形是不可逆的，只有在单调加载，不发生卸由于塑性变形是不可逆的，只有在单调加载，不发生卸载时，才存在积分与路径无关。载时，才存在积分与路径无关。材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大