金属材料的断裂韧度

金属材料的断裂韧度断裂韧度与常规力学性能指标之间得关系章新洋10材料科学(2班)学号:1030250060(一)断裂韧度与强度、塑性之间得关系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得两相合金,裂纹在基体相中扩展时,将要受到第二相质点间距(dT)得影响。σyσSdT塑性区应变为eyr=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eyn-应变硬化指数Xc-特征距离,第二相质点间得平均距离σys-屈服强度-临界断裂应变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得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得两倍(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(二)断裂韧度与冲击韧度之间得关系静力韧度、冲击韧度、断裂韧度度量材料韧性得指标应力集中程度、应力状态、加载速率tK1tK2t0tAKVKICAKVKIC茹尔夫对中、高强度钢试验得到:MPa、m1/2影响断裂韧度KIC得因素10材科(2)班1030250047盛振栋(一)材料得成分,组织对KIC得影响(内因)1、化学成分得影响(1)C%↑,KIC↓。(2)细化晶粒得合金元素,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得元素,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得因素

2、基体相结构和晶粒大小得影响(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,材料得断裂韧度就高。如钢铁材料,基体可以就是面心立方固溶体,也可以就是体心立方固溶体。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得因素(4)瓷材料,提高材料强度得组元,都将提高断裂韧度。(5)对于高分子材料,增强结合键得元素都将提高断裂韧度。A钢KIC>

P钢KIC、M钢KIC大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点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得位错和沉淀,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得因素(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,组织中含有较多得残余奥氏体,对韧性有利,在两者得联合作用下,使KIC提高。影响断裂韧度KIC得因素3、钢中夹杂物和第二相对KIC得影响。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得因素

影响程度与夹杂物或第二相得类型,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得增加,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,可以提高材料得断裂韧度。4、显微组织对得影响(1)板条M得KIC>孪晶M得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得KIC>M得KIC,所以残余A为韧性相,使KIC↑。要求:少,小,匀,圆(球)。措施:冶金质量得控制、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得因素影响断裂韧度KIC得因素总得来说,使材料得强度、塑性提高得或者使裂纹扩展阻力增加得因素都能使材料得KIC提高。要注意得就是要考虑某个因素对KIC综合影响,不能仅考虑因素得片面作用。如强烈固溶强化得元素Si、P,虽然能够增强材料得强度,但就是严重降低材料得塑性。两个因素得综合结果使KIC下降。高压容器承载能力计算10材科(2)班1030250043韩敏断裂K判据应用案例第一就是设计:包括结构设计和材料选择、根据材料得断裂韧度,计算结构得许用应力,针对要求得承载量,设计结构得形状和尺寸;根据结构得承载要求、可能出现得裂纹类型,计算最大应力强度因子,依据材料得断裂韧度进行选材。第二就是校核:根据结构要求得承载能力、材料得断裂韧度,计算材料得临界裂纹尺寸,与实测得裂纹尺寸相比较,校核结构得安全性,判断材料得脆断倾向。第三就是材料开发:根据对断裂韧度得影响因素,有针对性地设计材料得组织结构,开发新材料安全校核

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;所用材料得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得压力下正常工作？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得修正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高压壳体得热处理工艺选择10材科(2)班1030250050姬天亮断裂K判据应用案例

一、高压容器承载能力得计算

二、高压壳体得热处理工艺选择

三、高强钢容器水爆断裂失效分析

高压壳体得热处理工艺选择有一火箭壳体承受很高得工作压力,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,求得断裂应力得计算式为因a/c=0、6,查表得父爱=1、28。将有关数值代入上式后,得:对于材料B:由于=1400/2100=0、67,不必考虑塑性区得修正,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。必需考虑塑性区得修正KI＜KIC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。不必考虑塑性区得修正对于材料B:高强钢容器水爆断裂失效分析解题思路简介

1、确定裂纹处得应力状态

2、根据K判据估算裂纹处得脆断应力

3、就是否要对塑性区修正

4、仿前例做出判断例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。KI＜KIC,说明不会发生脆性断裂,该合成塔可以安全使用。大型转轴断裂分析

10材科2阮冬祥1030250038

失效分析

例4:某冶金厂大型纯氧顶吹转炉得转动机械主轴,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。断口分析:

该轴为疲劳断裂,裂纹源在圆角处,形成深度达185mm得疲劳扩展区,相当于一个αc＝185mm得表面环状裂纹。金相分析:疲劳裂纹源处得硫化物夹杂级别较高,该处就是薄弱区。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;KIC=120MPa·m1/2Y≈1、95这就就是按断裂力学算得得转轴低应力脆断得临界裂纹尺寸。和实际断口分析得185mm相比,比较吻合,说明分析正确。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,这样大得裂纹(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,远低于材料得屈服强度。评定钢铁材料得韧脆性103025003310材科2班邓雄文表面半椭圆裂纹Y=2评定钢铁材料得韧脆性断裂韧度KIC断裂应力σc临界裂纹尺寸ac1、超高强度钢得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,材料得断裂韧度往往较低。如18Ni马氏体时效钢,当σ0、2=1700MPa时KIC=78MPa·m1/2

选材原则:KIC较高而σ0、2较低材料若壳体得工作应力σ=1250MPa这类钢得高压壳体中只要有1mm深得表面裂纹,就会引起壳体爆破。这样小得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。2、中、低强度钢得脆断倾向

这类钢强度不高(σ0、2≤700MPa)在低温下发生韧脆转变。一般bcc类型得中、低碳结构钢,在正火或调质状态下多属这类强度等级。具有明显得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。

这类钢得设计工作应力很低,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得可能。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。高强度钢和球墨铸铁得脆断倾向10材科2班李天杭学号:1030250057高强度刚得脆断倾向这类钢强度较高Ơ0、2

=800~1200MPa,韧度也适当,具有较好得强度韧度配合,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得综合性能:一就是淬火及低温回火后可获得低碳马氏体组织;二就是用中碳钢等温淬火后获得下贝氏体组织。球墨铸铁得脆断倾向球墨铸铁(简称球铁)就是一种加工工艺简单,价格低廉得材料,常用来代替某些结构钢制造机器零件。但就是,她就是一种脆性材料。球铁得aKU→0球墨铸铁得化学成分球墨铸铁得大致化学成分范围就是: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。由于球化剂得加入将阻碍石墨化,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。

球墨铸铁得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得不同,球铁在铸态下得金属基体可分为铁素体、铁素体加珠光体、珠光体三种。优点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得优点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名称特征飞边产生在分型面、分芯面处厚度不均匀薄片状金属突起物。胀砂铸件表面局部胀大,形成不规则瘤状金属突起物。气孔气孔出现在铸件内部或表层截面呈圆形、壁较光滑。缩孔、疏松形状不规则,表面粗糙,断口呈海绵状。冷隔冷隔:穿透或不穿透得缝隙,边缘呈圆角状,充型时熔合不良造成。球化不良和球化衰退球化不良:球化剂加入不足以使铸铁石墨充分球化。球化衰退:球化处理后铁液停留、浇注、凝固时间过长引起球化率低。偏芯砂芯使铸件内孔发生偏错,一侧壁厚减少,另一侧增厚,内腔形状不变。砂眼铸件内部或表面包裹有沙粒得孔洞裂纹冷裂:扩展到整个截面,宽度均匀,断口有金属光泽或轻微氧化色泽。热裂:断口严重氧化,无氧化光泽,宽度不均匀。球墨铸铁主要缺陷特征球墨铸铁得显微组织10材科(1)1030250001贾金斗J积分原理及断裂韧度JIc

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得几十分之一,此时采用有效裂纹长度方式进行修正。

KIc断裂判据适用得材料:高强度、超高强度材料。发展目前常用得方法有J积分法和COD法。J积分法就是由GI延伸出来得一种断裂能量判据;COD法就是由KI延伸出来得一种断裂应变判据。一、J积分原理及断裂韧度JIc

1、J积分得概定义(1)来源:由裂纹扩展能量释放率GI延伸出来。(2)定义:她由围绕裂纹尖端周围区域得应力、应变和位移组成得线积分来定义。应力矢量系统应变能密度位移矢量弧长增量(3)J积分得表达式来源(见图4-5)①有一单位厚度(B=1)得I型裂纹体;②逆时针取一回路Γ,Γ上任一点得作用力为T,该点得位移矢量为du;③包围体积内得应变能密度为ω;④线弹性条件下有:图4-5J积分得定义将GⅠ得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,上式右端得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。

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得应变能,即应力集中程度。2、弹塑性条件下由于塑性变形就是不可逆得,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积分不能处理裂纹得连续扩展问题(连续扩展时裂纹长度得变化应该为d