金属材料的断裂韧

一、断裂韧度KIC与常规力学性能指标之间的关系1030250060章新洋

二、影响断裂韧度KIC的因素1030250047盛振栋三、高压容器承载能力计算1030250043韩敏四、高压壳体的热处理工艺选择1030250050姬天亮五、大型转轴断裂分析1030250038阮冬祥六、超高强度和中低强度钢的脆断倾向分析1030250033邓雄文七、高强度钢和球墨铸铁的脆断倾向分析1030250057李天杭八、J积分及断裂韧度JIC1030250001贾金斗九、裂纹尖端张开位移（CTOD）及断裂韧度δc

1030250056邵利超金属的裂韧度KIC现在是1页\一共有70页\编辑于星期四断裂韧度与常规力学性能指标之间的关系章新洋10材料科学（2班）学号：1030250060现在是2页\一共有70页\编辑于星期四（一）断裂韧度与强度、塑性之间的关系1、韧性断裂模型克拉夫特提出韧断模型：认为具有第二相质点而又均匀分布的两相合金，裂纹在基体相中扩展时，将要受到第二相质点间距(dT)的影响。σyσSdT塑性区应变为ey现在是3页\一共有70页\编辑于星期四r=dT时ey=eb=n时KⅠ=KⅠC钢中夹杂物对KⅠC影响.夹杂物越多,间距越小,KⅠC越小.σyσSdT塑性区应变为ey现在是4页\一共有70页\编辑于星期四n-应变硬化指数Xc-特征距离,第二相质点间的平均距离σys-屈服强度-临界断裂应变现在是5页\一共有70页\编辑于星期四2、解理或沿晶脆性断裂特尔曼等人提出:当裂纹尖端某一特征距离内的应力达到材料解理断裂强度σC,裂纹就失稳扩展,产生脆性断裂.取特征距离为晶粒直径的两倍(2d)ρ0裂纹尖端曲率半径n-应变硬化指数Xc-特征距离,2~3个晶粒尺寸现在是6页\一共有70页\编辑于星期四（二）断裂韧度与冲击韧度之间的关系静力韧度、冲击韧度、断裂韧度度量材料韧性的指标应力集中程度、应力状态、加载速率现在是7页\一共有70页\编辑于星期四tK1tK2t0tAKVKICAKVKIC茹尔夫对中、高强度钢试验得到：MPa.m1/2现在是8页\一共有70页\编辑于星期四影响断裂韧度KIC的因素10材科（2）班1030250047盛振栋现在是9页\一共有70页\编辑于星期四(一)材料的成分，组织对KIC的影响(内因)1、化学成分的影响(1)C%↑，KIC↓。(2)细化晶粒的合金元素，KIC提高。晶粒细化强度提高，塑性提高KIC提高(3)强烈固溶强化元素明显降低KIC。强烈固溶强度增加，塑性降低KIC降低（综合影响）(4)形成金属间化合物并呈第二相析出的元素，降低KIC。金属间化合物(σ相和Loves相)降低塑性KIC降低影响断裂韧度KIC的因素

现在是10页\一共有70页\编辑于星期四2、基体相结构和晶粒大小的影响(1)基体相结构一般来说，基体相晶体结构易于发生塑性变形，产生韧性断裂，材料的断裂韧度就高。如钢铁材料，基体可以是面心立方固溶体，也可以是体心立方固溶体。面心立方固溶体容易发生滑移塑性变形而不产生解理断裂，并且形变硬化指数n较高，其断裂韧度较高。

影响断裂韧度KIC的因素（4）瓷材料，提高材料强度的组元，都将提高断裂韧度。（5）对于高分子材料，增强结合键的元素都将提高断裂韧度。A钢KIC>

P钢KIC、M钢KIC现在是11页\一共有70页\编辑于星期四A钢KIC>

P钢KIC、M钢KIC应用实例：超高强度奥氏体钢又称相变诱发塑性钢——断裂韧性极高添加大量Ni、Mn元素获得奥氏体钢。*室温温加工后产生大量的位错和沉淀，强度大大提高。*裂纹前端存在应力集中，可诱发马氏体，切变中消耗大量能量——提高断裂韧性影响断裂韧度KIC的因素现在是12页\一共有70页\编辑于星期四(2)晶粒大小一般而言，晶粒越细，KIC越高。晶粒细小n和σc越大KIC提高

措施：合金化(加入Al，Ti，V，Zr，Nb)；冷热加工(如控制轧制)；热处理(如循环热处理)，均可使晶粒细化，从而提高强韧性。

例外：如超高温淬火。尽管组织粗大，但由于在超高温淬火时，组织中含有较多的残余奥氏体，对韧性有利，在两者的联合作用下，使KIC提高。影响断裂韧度KIC的因素现在是13页\一共有70页\编辑于星期四3、钢中夹杂物和第二相对KIC的影响。钢中夹杂物和某些第二相，其韧性比基体材料要差，称脆性相。由于其本身脆裂或再相界面开裂而形成微孔，微孔和主裂纹连接使裂纹扩展，从而降低KIc。影响断裂韧度KIC的因素

影响程度与夹杂物或第二相的类型，形状，大小，数量及分布有关。一般可归纳如下：

第一，非金属夹杂物往往使断裂韧度降低。第二，脆性第二相随着体积分数的增加，使得断裂韧度降低。第三，韧性第二相当其形态和数量适当时，可以提高材料的断裂韧度。现在是14页\一共有70页\编辑于星期四4、显微组织对的影响(1)板条M的KIC>孪晶M的KIC。(2)KIC(回火索氏体)>KIC(回火屈氏体)>KIC(回火马氏体)(3)上B：KIC↓；下B：KIC↑。KIC(B下)≈KIC(M板条)>KIC(B上)(4)A的KIC>M的KIC，所以残余A为韧性相，使KIC↑。

要求：少，小，匀，圆（球）。

措施：冶金质量的控制、添加稀土改性夹杂物、合理选择热处理工艺。影响断裂韧度KIC的因素现在是15页\一共有70页\编辑于星期四影响断裂韧度KIC的因素总的来说，使材料的强度、塑性提高的或者使裂纹扩展阻力增加的因素都能使材料的KIC提高。

要注意的是要考虑某个因素对KIC综合影响，不能仅考虑因素的片面作用。

如强烈固溶强化的元素Si、P，虽然能够增强材料的强度，但是严重降低材料的塑性。两个因素的综合结果使KIC下降。现在是16页\一共有70页\编辑于星期四高压容器承载能力计算10材科（2）班1030250043韩敏现在是17页\一共有70页\编辑于星期四断裂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，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，计算最大应力强度因子，依据材料的断裂韧度进行选材。现在是18页\一共有70页\编辑于星期四第二是校核：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，开发新材料现在是19页\一共有70页\编辑于星期四安全校核

例1：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t=5mm，圆筒内径D=1500mm；所用材料的σ0.2=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？现在是20页\一共有70页\编辑于星期四根据材料力学，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现在是21页\一共有70页\编辑于星期四还可以用什么方法进行计算？显然，σ＜σc，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Φ=1.10，将有数值代入上式得现在是22页\一共有70页\编辑于星期四高压壳体的热处理工艺选择10材科（2）班1030250050姬天亮现在是23页\一共有70页\编辑于星期四断裂K判据应用案例

一、高压容器承载能力的计算

二、高压壳体的热处理工艺选择

三、高强钢容器水爆断裂失效分析

现在是24页\一共有70页\编辑于星期四高压壳体的热处理工艺选择有一火箭壳体承受很高的工作压力，其周向工作拉应力σ=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(a=lmm,a/c=0.6)。现有两种材料，其性能如下:(A)=1700MPa,；(B)=2100MPa,。

问从断裂力学角度考虑，应选用哪种材料为妥?

现在是25页\一共有70页\编辑于星期四现分别求得两种材料的断裂应力和。对于材料A:由于=1400/1700=0.82，所以必须考虑塑性区修正问题。因将其代入（4-16），可得的修正值:根据此式，求得断裂应力的计算式为因a/c=0.6，查表得父爱=1.28。将有关数值代入上式后，得:现在是26页\一共有70页\编辑于星期四对于材料B:由于=1400/2100=0.67，不必考虑塑性区的修正，则有:说明会产生脆性断裂，因而不安全。下面比较KI与来选择材料KIC现在是27页\一共有70页\编辑于星期四对于材料A：当a/c=0.6时，查表可得Φ2=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现在是28页\一共有70页\编辑于星期四同样查表可得Φ2=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：现在是29页\一共有70页\编辑于星期四高强钢容器水爆断裂失效分析解题思路简介

1、确定裂纹处的应力状态2、根据K判据估算裂纹处的脆断应力3、是否要对塑性区修正4、仿前例做出判断现在是30页\一共有70页\编辑于星期四例3：有一化工合成塔，直径为D=3200mm，工作压力p=6MPa，选用材料为σ0.2=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。现在是31页\一共有70页\编辑于星期四KI＜KIC，说明不会发生脆性断裂，该合成塔可以安全使用。现在是32页\一共有70页\编辑于星期四大型转轴断裂分析

10材科2阮冬祥1030250038

现在是33页\一共有70页\编辑于星期四失效分析

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，σ0.2=600MPa，σb=860MPa，AKU=38J，δ=8%。现用断裂力学分析其失效原因。现在是34页\一共有70页\编辑于星期四断口分析：

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αc＝185mm的表面环状裂纹。现在是35页\一共有70页\编辑于星期四金相分析：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：

σ=σ外+σ内=25MPa+120MPa=145MPa表面环状裂纹为浅长表面半椭圆裂纹，αc＝185mm；现在是36页\一共有70页\编辑于星期四KIC=120MPa·m1/2Y≈1.95这就是按断裂力学算得的转轴低应力脆断的临界裂纹尺寸。和实际断口分析的185mm相比，比较吻合，说明分析正确。现在是37页\一共有70页\编辑于星期四由此可见，对于中、低强度钢，尽管其临界裂纹尺寸很大，但对于大型机件来说，这样大的裂纹（如疲劳裂纹）仍然可以容纳得下，因而会产生低应力脆断，而且断裂应力很低，远低于材料的屈服强度。现在是38页\一共有70页\编辑于星期四评定钢铁材料的韧脆性103025003310材科2班邓雄文现在是39页\一共有70页\编辑于星期四表面半椭圆裂纹Y=2评定钢铁材料的韧脆性断裂韧度KIC断裂应力σc临界裂纹尺寸ac现在是40页\一共有70页\编辑于星期四1.超高强度钢的脆断倾向这类刚强度很高，σ0.2≥1400MPa主要用于宇航事业，典型材料有D6AC超高强度合金结构钢、18Ni、40CrNiMo等

超高强度钢，材料的断裂韧度往往较低。如18Ni马氏体时效钢，当σ0.2=1700MPa时KIC=78MPa·m1/2

现在是41页\一共有70页\编辑于星期四选材原则：KIC较高而σ0.2较低材料若壳体的工作应力σ=1250MPa这类钢的高压壳体中只要有1mm深的表面裂纹，就会引起壳体爆破。这样小的裂纹在壳体焊接时很容易产生，极易漏检，所以脆断几率很大。现在是42页\一共有70页\编辑于星期四2.中、低强度钢的脆断倾向

这类钢强度不高（σ0.2≤700MPa）在低温下发生韧脆转变。一般bcc类型的中、低碳结构钢，在正火或调质状态下多属这类强度等级。具有明显的韧脆转变现象在韧性区，KIC=150MPa·m1/2,在脆性区，KIC=30~40MPa·m1/2甚至更低。现在是43页\一共有70页\编辑于星期四

这类钢的设计工作应力很低，往往在200MPa以下。取工作应力为200MPa，则在韧性区KIC=150MPa·m1/2，ac＝0.25(150/200)2=140mm。

因用中低强度钢制造构件，在韧性区不会发生脆断；即使出现裂纹，也易于检测和修理。而在脆性区ac=0.25(30/200)2=5.6mm。所以中低强度钢在脆性区仍有脆断的可能。以韧脆转变温度为界，在韧脆转变温度以上，中小型机件不存在脆断问题，在此温度下，则会发生脆断。现在是44页\一共有70页\编辑于星期四高强度钢和球墨铸铁的脆断倾向10材科2班李天杭学号：1030250057现在是45页\一共有70页\编辑于星期四高强度刚的脆断倾向这类钢强度较高Ơ0.2

=800~1200MPa，韧度也适当，具有较好的强度韧度配合，所以用于制造中小截面机件。如何使钢具有较好强度和韧度的综合性能：一是淬火及低温回火后可获得低碳马氏体组织；二是用中碳钢等温淬火后获得下贝氏体组织。现在是46页\一共有70页\编辑于星期四球墨铸铁的脆断倾向球墨铸铁（简称球铁）是一种加工工艺简单，价格低廉的材料，常用来代替某些结构钢制造机器零件。但是，它是一种脆性材料。球铁的aKU→0现在是47页\一共有70页\编辑于星期四球墨铸铁的化学成分球墨铸铁的大致化学成分范围是：3.6～3.9%C，2.0～3.2%Si，0.3～0.8%Mn，<0.1%P，<0.07%S，0.03～0.08%Mg残。由于球化剂的加入将阻碍石墨化，并使共晶点右移造成流动性下降，所以必须严格控制其含量。

球墨铸铁的显微组织由球形石墨和金属基体两部分组成。随着成分和冷却速度的不同，球铁在铸态下的金属基体可分为铁素体、铁素体加珠光体、珠光体三种。现在是48页\一共有70页\编辑于星期四可切屑加工性能好耐磨性强抗氧化性高耐蚀性强球墨铸铁的优点现在是49页\一共有70页\编辑于星期四球墨铸铁主要缺陷飞边胀砂气孔缩孔、疏松球化不良和球化衰退主要缺陷裂纹冷隔偏芯砂眼现在是50页\一共有70页\编辑于星期四球墨铸铁主要缺陷特征现在是51页\一共有70页\编辑于星期四球墨铸铁的显微组织现在是52页\一共有70页\编辑于星期四10材科（1）1030250001贾金斗J积分原理及断裂韧度JIc

现在是53页\一共有70页\编辑于星期四KIC可作为断裂判据，但有适用条件。(1)裂纹前端无塑性区弹塑性条件下金属断裂韧度

(2)裂纹前端小范围屈服，且塑性区只有裂纹尺寸的几十分之一，此时采用有效裂纹长度方式进行修正。

KIc断裂判据适用的材料：高强度、超高强度材料。现在是54页\一共有70页\编辑于星期四发展目前常用的方法有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。现在是55页\一共有70页\编辑于星期四一、J积分原理及断裂韧度JIc

1、J积分的概定义(1)来源：由裂纹扩展能量释放率GI延伸出来。(2)定义：它由围绕裂纹尖端周围区域的应力、应变和位移组成的线积分来定义。应力矢量系统应变能密度位移矢量弧长增量现在是56页\一共有70页\编辑于星期四(3)J积分的表达式来源(见图4-5)①有一单位厚度（B=1）的I型裂纹体；②逆时针取一回路Γ，Γ上任一点的作用力为T，该点的位移矢量为du；③包围体积内的应变能密度为ω；④线弹性条件下有：现在是57页\一共有70页\编辑于星期四图4-5J积分的定义现在是58页\一共有70页\编辑于星期四将GⅠ的能量表达式用线积分方式表达，可推导出在线弹性条件下：

在弹塑性条件下，上式右端的能量线积分仍然存在，但ω为弹塑性应变能密度。此时定义为J积分。

现在是59页\一共有70页\编辑于星期四1.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。2.弹塑性条件下由于塑性变形是不可逆的，只有在单调加载，不发生卸载时，才存在积分与路径无关。所以，通常J积分不能处理裂纹的连续扩展问题(连续扩展时裂纹长度的变化应该为da，而此处是△a)，其临界值对应点只是开裂点，而不一定是最后失稳断裂点。现在是60页\一共有70页\编辑于星期四弹塑性，表示裂纹尺寸分别为a和(a+△a)的两个等同试样，在加载过程中的势能差值△U与裂纹长度差值△a的比率—形变功差率。J积分的