1、材料力学性能材料力学性能第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度线性弹性下的金属断裂韧度线性弹性下的金属断裂韧度1断裂韧度断裂韧度KIC的测试的测试2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4影响断裂韧度影响断裂韧度KIC的因素的因素32学习目标学习目标 掌握掌握KIC的测试方法、影响的测试方法、影响因素及其应用因素及其应用 了解了解GIC和和JIC的有关概念的有关概念3学习重点和难点学习重点和难点影响影响 KIC的因素的因素 力学行为及各种力学性能力学行为及各种力学性能指标的意义和应用。指标的意义和应用。KIC的含义及应用的含义及应用44.14.1线弹性条件下的
2、断裂韧度线弹性条件下的断裂韧度工学院工学院 材料系材料系0.引言引言 按传统力学设计，工作应力按传统力学设计，工作应力小于许用应力小于许用应力为安全。为安全。塑性材料塑性材料S/n脆性材料脆性材料b/n再考虑机件的一些特点（如存在缺口）及环境温度的影再考虑机件的一些特点（如存在缺口）及环境温度的影响，根据材料使用经验，对塑性、韧度及缺口敏感度提出响，根据材料使用经验，对塑性、韧度及缺口敏感度提出附加要求附加要求据此设计的机件，原则上来讲是不会发生塑性变形和断据此设计的机件，原则上来讲是不会发生塑性变形和断裂的，安全可靠。裂的，安全可靠。随着高强度材料的使用，尤其在经过焊接的大型构件中随着高强度
3、材料的使用，尤其在经过焊接的大型构件中常发生常发生断裂应力低于屈服强度的低应力脆断裂应力低于屈服强度的低应力脆 断意外事故断意外事故，传统或经典的强度理论无法解释。传统或经典的强度理论无法解释。54.14.1线弹性条件下的断裂韧度线弹性条件下的断裂韧度工学院工学院 材料系材料系1965年英国的一个氨合成塔，设年英国的一个氨合成塔，设计压力为计压力为36MPa，水压试验压力为，水压试验压力为49MPa，材料的屈服强度为，材料的屈服强度为 460MPa，此容器在试压过程中加，此容器在试压过程中加压到压到35.2MPa时，就突然爆炸，其时，就突然爆炸，其中有一块重达中有一块重达2T的碎片竟飞出数十的
4、碎片竟飞出数十米远。米远。1954年，美国发射北极星导弹，固年，美国发射北极星导弹，固体燃料发动机壳体，采用了超高强度体燃料发动机壳体，采用了超高强度钢钢D6AC，S为为1400MPa，按照传统，按照传统的强度设计与验收时，其各项性能指的强度设计与验收时，其各项性能指标包括强度与韧性都符合要求，设计标包括强度与韧性都符合要求，设计时的工作应力远低于材料的屈服强度时的工作应力远低于材料的屈服强度发射点火不久，就发生爆炸。发射点火不久，就发生爆炸。64.14.1线弹性条件下的断裂韧度线弹性条件下的断裂韧度工学院工学院 材料系材料系事后检查发现：在氨合成塔的焊缝区内埋藏有一长为事后检查发现：在氨合成
5、塔的焊缝区内埋藏有一长为 10mm的的内部裂纹内部裂纹；在导弹固体燃料发动机壳体爆炸碎片中发现；在导弹固体燃料发动机壳体爆炸碎片中发现残留的残留的宏观裂纹宏观裂纹。传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，没有裂纹的理传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，没有裂纹的理想固体。想固体。实际的工程材料在制备、加工及使用过程中，都会产生各种实际的工程材料在制备、加工及使用过程中，都会产生各种宏观缺陷乃至宏观裂纹宏观缺陷乃至宏观裂纹传统力学解决不了带裂纹构件的断裂问题，断裂力学就是研传统力学解决不了带裂纹构件的断裂问题，断裂力学就是研究带裂纹体构件的力学行为。究带裂纹体构件的力学行为。本章从材料的角度
6、出发，简要介绍本章从材料的角度出发，简要介绍断裂力学基本原理断裂力学基本原理，着重讨，着重讨论线论线弹性条件下金属断裂韧度的意义、测试原理和影响因素弹性条件下金属断裂韧度的意义、测试原理和影响因素。74.14.1线弹性条件下的断裂韧度线弹性条件下的断裂韧度工学院工学院 材料系材料系大量断口分析表明，金属机件的低应力脆断断大量断口分析表明，金属机件的低应力脆断断 口没有宏观塑口没有宏观塑性变形痕迹，所以可以认为裂纹性变形痕迹，所以可以认为裂纹 在断裂扩展时，尖端总处于在断裂扩展时，尖端总处于弹性状态，应力弹性状态，应力-应变应呈线性关系。应变应呈线性关系。研究低应力脆断的裂纹扩展问题时，可以用弹
7、性力学理论，研究低应力脆断的裂纹扩展问题时，可以用弹性力学理论，从而构成了线弹性断裂力学。从而构成了线弹性断裂力学。一、裂纹扩展的基本形式一、裂纹扩展的基本形式1.张开型裂纹（张开型裂纹（型）型）84.14.1线弹性条件下的断裂韧度线弹性条件下的断裂韧度工学院工学院 材料系材料系2.滑开型裂纹（滑开型裂纹（型）型）3.撕开型裂纹（撕开型裂纹（型）型）通常通常、组合，以组合，以型最型最为危险为危险94.14.1线弹性条件下的断裂韧度线弹性条件下的断裂韧度工学院工学院 材料系材料系二、二、型裂纹尖端应力场型裂纹尖端应力场设一无限大平板中心含有一长设一无限大平板中心含有一长为为2a的穿透裂纹，的穿透
8、裂纹，在垂直裂纹在垂直裂纹面方向受均匀的拉应力面方向受均匀的拉应力作用。作用。裂纹端部裂纹端部(r,)处的应力场为处的应力场为:23sin2sin12cos2rax23sin2sin12cos2ray平面应力：平面应力：0z平面应变：平面应变：zxy 23cos2cos2sin2 raxy104.14.1线弹性条件下的断裂韧度线弹性条件下的断裂韧度工学院工学院 材料系材料系令令aKI则则3cos1 sincos2222IxKr3cos1 sinsin2222IyKr3cossincos2222IxyKr当当0时，则时，则2yxKr0 xy在在x x轴上裂纹尖端的切应力分量为零，拉应力分量最大，
9、轴上裂纹尖端的切应力分量为零，拉应力分量最大，裂纹最易沿裂纹最易沿x x轴方向扩展。轴方向扩展。x越小，越小，x和和y越大；当越大；当x趋近于趋近于0时，时，x和和y趋近于趋近于无穷大，不成立。无穷大，不成立。114.14.1线弹性条件下的断裂韧度线弹性条件下的断裂韧度工学院工学院 材料系材料系型裂纹应力场强度因子的一般表达式为型裂纹应力场强度因子的一般表达式为:应力场强度因子应力场强度因子K K表示裂纹尖端应力场的强弱表示裂纹尖端应力场的强弱K越大，则应力场各应力分量也越大。越大，则应力场各应力分量也越大。裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于其位置裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于其位置(
10、r r，)外，外，尚与尚与K K有关。有关。二、二、应力场强度因子应力场强度因子KYaY 裂纹形状系数，裂纹形状系数，一般一般Y=l-2对于对于、型裂纹型裂纹aYKaYK124.14.1线弹性条件下的断裂韧度线弹性条件下的断裂韧度工学院工学院 材料系材料系134.14.1线弹性条件下的断裂韧度线弹性条件下的断裂韧度工学院工学院 材料系材料系三、三、断裂韧度断裂韧度KC和断裂和断裂K判据判据1.金属的断裂韧度金属的断裂韧度K是决定应力场强所的复合参量，所以可以将其当推动裂是决定应力场强所的复合参量，所以可以将其当推动裂纹扩展的动力，从而建立裂纹失稳扩展的力学判据及断裂韧纹扩展的动力，从而建立裂纹
11、失稳扩展的力学判据及断裂韧度。度。这个临界或失稳状态的这个临界或失稳状态的KI值就记作值就记作KIC或或KC称为称为断裂韧度。断裂韧度。表征材料对宏观裂纹失稳扩展的抗力。表征材料对宏观裂纹失稳扩展的抗力。当当和和a单独或共同增大时，单独或共同增大时，KI和裂纹尖端的各应力分量随和裂纹尖端的各应力分量随之增大之增大,当当KI增大到临界值时，也就是说裂纹尖端足够大的范增大到临界值时，也就是说裂纹尖端足够大的范围内应力达到了材料的断裂强度，裂纹便失稳扩展而导致断围内应力达到了材料的断裂强度，裂纹便失稳扩展而导致断裂。裂。144.14.1线弹性条件下的断裂韧度线弹性条件下的断裂韧度工学院工学院 材料系
12、材料系KIC：平面应变下的断裂韧度，表示在平面应变条件下材料：平面应变下的断裂韧度，表示在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。抵抗裂纹失稳扩展的能力。KC：平面应力断裂韧度，表示平面应力条件材料抵抗裂纹：平面应力断裂韧度，表示平面应力条件材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。失稳扩展的能力。因因KC KIC，故用，故用KIC 设计较为安全，且符合大型工程构件设计较为安全，且符合大型工程构件的实际情况。的实际情况。2.断裂断裂K判据判据应力场强度因子应力场强度因子KI和断裂韧度和断裂韧度KIC的相对大小，可以建立裂的相对大小，可以建立裂纹失稳扩展的断裂纹失稳扩展的断裂K判据判据:KIKIC 3.KI
13、C的应用的应用CCKYaCcKYa154.14.1线弹性条件下的断裂韧度线弹性条件下的断裂韧度工学院工学院 材料系材料系如果如果塑性区尺寸比裂纹尺寸塑性区尺寸比裂纹尺寸a和截面尺寸小一个数量级以上和截面尺寸小一个数量级以上，只要对只要对KI进行适当修正，则仍可以适用。进行适当修正，则仍可以适用。实际上，金属材料在裂纹扩展前，其尖端附近，由于应力实际上，金属材料在裂纹扩展前，其尖端附近，由于应力集中要先出现一个或大或小的塑性变形区集中要先出现一个或大或小的塑性变形区,在塑性区内应力在塑性区内应力应变关系不是线性关系，上述应变关系不是线性关系，上述KI判据不再适用判据不再适用四、裂纹尖端屈服区及修
14、正四、裂纹尖端屈服区及修正1.塑性区的形状和尺寸塑性区的形状和尺寸根据材料力学，通过一点的根据材料力学，通过一点的主应力主应力 1、2、3和和 x、y、z方向的各应力分量的关系为：方向的各应力分量的关系为：221222312()22()22()xyxyxyxyxyxy 161）材料较脆、试样尺寸足够大时，F-V曲线为III型脆性材料b/n2 断裂韧性KC的测试可见，与KI，GI可以定量换算。其所包围的体积内应变能密度为，回路上任一点作用应力为T.1线弹性条件下的断裂韧度裂纹尖端由O点虚移到O点，裂纹长度由a变为a*a+ry。3 影响断裂韧性KIC的因素1线弹性条件下的断裂韧度回火屈氏体：介于二
15、者之间2 断裂韧性KC的测试4 弹塑性条件下金属断裂韧度概述当x趋近于0时，x和y趋近于无穷大，不成立。3 影响断裂韧性KIC的因素*在陶瓷材料中，常利用第二相在基体中形成吸收裂纹扩展能量的机制提高陶瓷材料的断裂韧性。K越大，则应力场各应力分量也越大。1线弹性条件下的断裂韧度提高低温韧性，降低高温韧性。塑性材料S/n2 断裂韧性KC的测试4.14.1线弹性条件下的断裂韧度线弹性条件下的断裂韧度工学院工学院 材料系材料系裂纹尖端附近任一点裂纹尖端附近任一点(r,)的主应力为：的主应力为：1233cos(1 sin)222cos(1 sin)2220(2cos(22IIIKrKrKr平面应力)平面
16、应变)根据三向应力状态下屈服判据：根据三向应力状态下屈服判据：21332212222s174.14.1线弹性条件下的断裂韧度线弹性条件下的断裂韧度工学院工学院 材料系材料系可得到塑性区边界曲线方程：可得到塑性区边界曲线方程：2sin312cos21222sIKr平面应力状态平面应力状态平面应变状态平面应变状态2222sin432cos2121sIKr当当=0时时,在裂纹的前方，塑性区宽度：在裂纹的前方，塑性区宽度：2210sIKr2221210sIKr（平面应变）（平面应变）（平面应力）（平面应力）184.14.1线弹性条件下的断裂韧度线弹性条件下的断裂韧度工学院工学院 材料系材料系取取=0.
17、3，考虑下图中影线部分面积（屈服区）内应力松弛，考虑下图中影线部分面积（屈服区）内应力松弛的影响的影响平面应力状态下平面应力状态下2001()2IsKRr 平面应变状态下平面应变状态下2001()22 2IsKRr194.14.1线弹性条件下的断裂韧度线弹性条件下的断裂韧度工学院工学院 材料系材料系2.有效裂纹及有效裂纹及KI的修正的修正应力松驰可以有两种方式：一应力松驰可以有两种方式：一种是通过塑性变形；另一种方式种是通过塑性变形；另一种方式则是通过裂纹扩展。则是通过裂纹扩展。如认为这两种应力松驰的方式如认为这两种应力松驰的方式是等效的，设想裂纹的长度增加是等效的，设想裂纹的长度增加了，由原
18、来的长度了，由原来的长度a 增加到增加到a+ry计算表明，修正量计算表明，修正量ry等于应力等于应力松驰以后的塑性区宽度松驰以后的塑性区宽度R0的一半。的一半。204.14.1线弹性条件下的断裂韧度线弹性条件下的断裂韧度工学院工学院 材料系材料系则则yKYar2222(1 0.16(/)(1 0.056(/)IsIsYaKYYaKY 平面应力)平面应变)*越大，修正系数越大，一般越大，修正系数越大，一般 时，时，变化比较明显，变化比较明显，需要修正。需要修正。0.7ssK214.14.1线弹性条件下的断裂韧度线弹性条件下的断裂韧度工学院工学院 材料系材料系系统弹性应变能的变化系统弹性应变能的变
19、化塑性变形功塑性变形功表面能表面能五、裂纹扩展能量释放率五、裂纹扩展能量释放率GI及断裂韧度及断裂韧度GIC考虑到裂纹扩展时的能量关系，引出裂纹扩展的考虑到裂纹扩展时的能量关系，引出裂纹扩展的G判据。判据。绝热条件下，假设有一裂纹体在外力作用下裂纹扩展，绝热条件下，假设有一裂纹体在外力作用下裂纹扩展，外力外力做功为做功为WWeUpA2sA(2)epsWUA()(2)epsUWA()eUW系统势能，裂纹扩展驱动力系统势能，裂纹扩展驱动力(2)psA裂纹扩展阻力裂纹扩展阻力224.14.1线弹性条件下的断裂韧度线弹性条件下的断裂韧度工学院工学院 材料系材料系裂纹扩展能量释放率裂纹扩展能量释放率G：
20、裂纹扩展单位面积时系统释放势：裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值。能的数值。系统势能等于系统的应变能减去外力功系统势能等于系统的应变能减去外力功eUUW对于对于型裂纹，能量释放率型裂纹，能量释放率G（裂纹扩展单位面积释（裂纹扩展单位面积释放功）放功）AUG1则则EaG21平面应力平面应力EaG2211平面应变平面应变将将GI的临界值记为的临界值记为GIC，也称为，也称为断裂韧度断裂韧度或平面断裂韧度，或平面断裂韧度，表示表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量234.14.1线弹性条件下的断裂韧度线弹性条件下的断裂韧度工学院工学院 材料系材料系
21、六、六、GIC和和KIC的关系的关系2IaGE 1.平面应力平面应力aKI12KGE2.平面应变平面应变1221aGE aKI1221KGE244.2 4.2 断裂韧性断裂韧性KC的测试的测试工学院工学院 材料系材料系1.1.试样试样试样应足够厚以保证裂纹尖端试样应足够厚以保证裂纹尖端为平面应变为平面应变0.222.5ICKB一、三点弯曲法一、三点弯曲法保证尖端处于小范围屈服状态保证尖端处于小范围屈服状态22.05.2ICKa22.05.2ICKaW254.2 4.2 断裂韧性断裂韧性KC的测试的测试工学院工学院 材料系材料系2.2.测试方法测试方法 在加载过程中，随载荷在加载过程中，随载荷F
22、的增加，裂纹嘴张开位移的增加，裂纹嘴张开位移V增增大。用记录仪记录曲线大。用记录仪记录曲线F-V，进而用，进而用F-V曲线确定裂纹失稳曲线确定裂纹失稳扩展时的载荷扩展时的载荷FQ。26此时，裂纹就会开始扩展，但不能判断其是否失稳断裂。在小幅范围内，KIKIC，GIGIC既然可以作为断裂判据，则C亦可作为断裂判据Y 裂纹形状系数，一般Y=l-2原裂纹尖端O处要张开，张开位移量为2V。可见，与KI，GI可以定量换算。设有一单位厚度的I型裂纹体，逆时针取一回路J积分也可用能量率的形式来表达，即在弹塑性小应变条件下，JI=GI成立，这是用试验方法测定JIC的理论根据。了解GIC和JIC的有关概念针状M
23、：孪晶使滑移系减少4倍，并易感应裂纹硬而脆，KIC低保证尖端处于小范围屈服状态1线弹性条件下的断裂韧度当x趋近于0时，x和y趋近于无穷大，不成立。K越大，则应力场各应力分量也越大。如F5 前有比F5 大的载荷，此最高载荷为FQ。1）在弹塑性小应变条件下JI 为I型裂纹的能量线积分4 弹塑性条件下金属断裂韧度概述J：在弹塑性条件下，则是两个试样：一个尺寸为a的裂纹，而另一个试样的裂纹尺寸为a+da，两者在加载过程中形变功之差。再考虑机件的一些特点（如存在缺口）及环境温度的影响，根据材料使用经验，对塑性、韧度及缺口敏感度提出附加要求K是决定应力场强所的复合参量，所以可以将其当推动裂纹扩展的动力，从
24、而建立裂纹失稳扩展的力学判据及断裂韧度。4.2 4.2 断裂韧性断裂韧性KC的测试的测试工学院工学院 材料系材料系由于材料性能及试样尺寸不同，由于材料性能及试样尺寸不同，F-V曲线有三种类型：曲线有三种类型：1 1）材料较脆、试样尺寸足够大）材料较脆、试样尺寸足够大时，时，F-VF-V曲线为曲线为IIIIII型型2 2）材料韧性较好或试样尺寸较）材料韧性较好或试样尺寸较小时，小时，F-VF-V曲线为曲线为I I型型3 3）材料韧性或试样尺寸居中时，）材料韧性或试样尺寸居中时，F-VF-V曲线为曲线为IIII型型做一直线与弹性部分的斜率少做一直线与弹性部分的斜率少5%，以确定与裂纹扩展，以确定与
25、裂纹扩展2%时时相对应的载荷相对应的载荷F5。如如F5 前无比前无比F5 大的载荷，则大的载荷，则FQ=F5；如如F5 前有比前有比F5 大的载荷，此最高载荷为大的载荷，此最高载荷为FQ。274.2 4.2 断裂韧性断裂韧性KC的测试的测试工学院工学院 材料系材料系WaYBWFSK123S4Wiiaa5151将测定的裂纹失稳扩展的临界载荷将测定的裂纹失稳扩展的临界载荷FQ及试样断裂后测出的及试样断裂后测出的裂纹长度裂纹长度a代入，即可求出代入，即可求出KI 的条件值，记为的条件值，记为KQ。然后再依据下列规定判断然后再依据下列规定判断KQ是否为平面应变状态下的是否为平面应变状态下的KIC，即判
26、断即判断KQ的有效性。的有效性。10.1maxQFF20.22.5QKBICQKK u否则无效，试样尺寸放大否则无效，试样尺寸放大.倍倍284.2 4.2 断裂韧性断裂韧性KC的测试的测试工学院工学院 材料系材料系二、紧凑拉伸法二、紧凑拉伸法这一构型的应力场强度表达式为这一构型的应力场强度表达式为:12FaKfWBW135222297229.6185.5655.71017639aaaafWWWWaaWW294.2 4.2 断裂韧性断裂韧性KC的测试的测试工学院工学院 材料系材料系三、三、Vicker压痕法压痕法对陶瓷类脆性材料，裂纹可以由接触过程产生。压痕断裂对陶瓷类脆性材料，裂纹可以由接触过
27、程产生。压痕断裂力学的发展使得可以借助压痕裂纹进行脆性材料断裂韧性的力学的发展使得可以借助压痕裂纹进行脆性材料断裂韧性的测试。由于引测试。由于引 入裂纹容易和试样制备简单等特点，压痕法入裂纹容易和试样制备简单等特点，压痕法 测断裂韧性在陶瓷材料领域被广泛使用。测断裂韧性在陶瓷材料领域被广泛使用。选择与构件的成分、工艺相同的材料制备试件。在选择与构件的成分、工艺相同的材料制备试件。在Vicker硬度实验机上，在适当荷载下，用硬度实验机上，在适当荷载下，用Vicker压头，在抛光的陶压头，在抛光的陶瓷材料试件上压出压痕。瓷材料试件上压出压痕。304.2 4.2 断裂韧性断裂韧性KC的测试的测试工学
28、院工学院 材料系材料系在正方形压痕的四角，沿辐在正方形压痕的四角，沿辐射方向出现射方向出现 裂纹。裂纹。若选用荷载适当，在压痕对若选用荷载适当，在压痕对角线方向的抛面接近半圆形。角线方向的抛面接近半圆形。一般要求一般要求c2.5a。根据压痕断裂力学理论，处于平衡状态的压痕裂纹尖端的根据压痕断裂力学理论，处于平衡状态的压痕裂纹尖端的残余应力强度因子在数值上等于材料的断裂韧性。残余应力强度因子在数值上等于材料的断裂韧性。0.43 2/0.129CKHaH Ec aH、E、a、c分别是材料的维氏硬度、弹性模量、压痕对角分别是材料的维氏硬度、弹性模量、压痕对角线与裂纹线与裂纹 的长度；的长度；为约束因
29、子（为约束因子（3）。）。314.2 4.2 断裂韧性断裂韧性KC的测试的测试工学院工学院 材料系材料系通过压痕法求一系列的通过压痕法求一系列的c，a值，按上式的通式值，按上式的通式0.4/VCKHaH Eu c a以以lna和和lnc为变量进行拟合，求得为变量进行拟合，求得u、V值；值；应用所得应用所得u、V值于待测的同类材料上，再测值于待测的同类材料上，再测a、c值，值，并利用已知的并利用已知的H、E，可求得，可求得KIC。324.3 4.3 影响断裂韧性影响断裂韧性K KICIC的因素的因素工学院工学院 材料系材料系一、内因（材料因素）一、内因（材料因素）1）晶粒尺寸）晶粒尺寸晶粒愈细，
30、晶界总面积愈大，裂纹顶端附近从产生一定尺寸晶粒愈细，晶界总面积愈大，裂纹顶端附近从产生一定尺寸的塑性区到裂纹扩展所消耗的塑性区到裂纹扩展所消耗 的能量也愈大，因此的能量也愈大，因此KIC 也愈高。也愈高。2）合金化）合金化固溶使得固溶使得KIC 降低；降低；第二相对材料断裂韧性的作用常与具体的材料体系及其工艺第二相对材料断裂韧性的作用常与具体的材料体系及其工艺因素有关：因素有关：弥散分布的第二相数量越多，其间距越小，弥散分布的第二相数量越多，其间距越小，KIC 越低；越低；第二相沿晶界网状分布，晶界损伤，第二相沿晶界网状分布，晶界损伤，KIC 降低；降低；球状第二相的球状第二相的KIC 片状片
31、状334.3 4.3 影响断裂韧性影响断裂韧性K KICIC的因素的因素工学院工学院 材料系材料系*在陶瓷材料中，常利用第二相在基体中形成吸收裂纹扩展在陶瓷材料中，常利用第二相在基体中形成吸收裂纹扩展能量的机制提高陶瓷材料的断裂韧性。能量的机制提高陶瓷材料的断裂韧性。3）夹杂）夹杂夹杂物偏析于晶界，晶界弱化，增大沿晶断裂的倾向性；夹杂物偏析于晶界，晶界弱化，增大沿晶断裂的倾向性；在晶内分布的夹杂物在晶内分布的夹杂物 起缺陷源的作用，都使材料起缺陷源的作用，都使材料 的的KIC 值下值下降。降。4）显微组织）显微组织（1）M组织组织板条板条M：精细结构位错具有较高强度和塑性，裂纹扩展阻：精细结构
32、位错具有较高强度和塑性，裂纹扩展阻力大，力大，KIC高高针状针状M：孪晶使滑移系减少：孪晶使滑移系减少4倍，并易感应裂纹硬而脆，倍，并易感应裂纹硬而脆，KIC低低混合混合M：介于二者之间：介于二者之间344.3 4.3 影响断裂韧性影响断裂韧性K KICIC的因素的因素工学院工学院 材料系材料系（2）M回火组织回火组织回火马氏体：基体为过饱和回火马氏体：基体为过饱和F，塑性差，质点小且弥散，塑性差，质点小且弥散，间距小，裂纹扩展阻力小，间距小，裂纹扩展阻力小，KIC 低低回火索氏体：基体为再结晶回火索氏体：基体为再结晶F，K粒子为粒状，间距大，粒子为粒状，间距大，KIC高高回火屈氏体：介于二者
33、之间回火屈氏体：介于二者之间（3）贝氏体组织）贝氏体组织上贝氏体：上贝氏体：F片层间分布有断续片层间分布有断续K，裂纹扩展阻力小，裂纹扩展阻力小，KIC低低下贝氏体：过饱和针状下贝氏体：过饱和针状F中弥散中弥散K，裂纹扩展阻力大，裂纹扩展阻力大，KIC高高354.3 4.3 影响断裂韧性影响断裂韧性K KICIC的因素的因素工学院工学院 材料系材料系（4）B与与MMKIC上B MMB针板条下ICK（5）残余奥氏体：）残余奥氏体：塑性高，松弛应力、裂纹扩展阻力大，可以提高塑性高，松弛应力、裂纹扩展阻力大，可以提高KIC二、特殊热处理对断裂韧度的影响二、特殊热处理对断裂韧度的影响1）形变热处理形变
34、热处理高温形变热处理细化奥氏体亚结构，细化淬火马氏体，强高温形变热处理细化奥氏体亚结构，细化淬火马氏体，强度、韧性提高，度、韧性提高，KIC提高。提高。低温形变热处理细化低温形变热处理细化A亚结构，增加位错密度，促进碳化亚结构，增加位错密度，促进碳化物弥散沉淀，降低物弥散沉淀，降低A质量分数，板条质量分数，板条M增加，增加，KIC提高。提高。36高温形变热处理细化奥氏体亚结构，细化淬火马氏体，强度、韧性提高，KIC提高。1954年，美国发射北极星导弹，固体燃料发动机壳体，采用了超高强度钢D6AC，S为1400MPa，按照传统的强度设计与验收时，其各项性能指标包括强度与韧性都符合要求，设计时的工
35、作应力远低于材料的屈服强度发射点火不久，就发生爆炸。K是决定应力场强所的复合参量，所以可以将其当推动裂纹扩展的动力，从而建立裂纹失稳扩展的力学判据及断裂韧度。金属材料断裂韧性随着温度的降低，有一急剧降低的温度范围（-200200），低于此温度范围，断裂韧度保持在一个稳定的水平（下平台）3）材料韧性或试样尺寸居中时，F-V曲线为II型其所包围的体积内应变能密度为，回路上任一点作用应力为T.事后检查发现：在氨合成塔的焊缝区内埋藏有一长为 10mm的内部裂纹；表征材料对宏观裂纹失稳扩展的抗力。在线弹性条件下，JI=GI=KI2/E否则无效，试样尺寸放大.1线弹性条件下的断裂韧度低温形变热处理细化A亚
36、结构，增加位错密度，促进碳化物弥散沉淀，降低A质量分数，板条M增加，KIC提高。二、型裂纹尖端应力场JI 为I型裂纹的能量线积分裂纹尖端由O点虚移到O点，裂纹长度由a变为a*a+ry。1）在弹塑性小应变条件下大量断口分析表明，金属机件的低应力脆断断 口没有宏观塑性变形痕迹，所以可以认为裂纹 在断裂扩展时，尖端总处于弹性状态，应力-应变应呈线性关系。2 断裂韧性KC的测试应力松驰可以有两种方式：一种是通过塑性变形；如F5 前无比F5 大的载荷，则FQ=F5；4.3 4.3 影响断裂韧性影响断裂韧性K KICIC的因素的因素工学院工学院 材料系材料系2）亚温淬火）亚温淬火提高低温韧性，降低高温韧性
37、。因为形成细小的提高低温韧性，降低高温韧性。因为形成细小的F+A、F-A 相界面比相界面比A大若干倍，杂质偏析浓度低，大若干倍，杂质偏析浓度低，F溶解杂质多，溶解杂质多，KIC提高。提高。3）超高温淬火）超高温淬火M由孪晶变为板条由孪晶变为板条M板条束间有稳定板条束间有稳定A膜膜K溶入溶入A，减少微孔形核，减少微孔形核三、外因（板厚和实验条件）三、外因（板厚和实验条件）1）板厚）板厚材料的断裂韧性随板材厚度或构件截面尺寸的增材料的断裂韧性随板材厚度或构件截面尺寸的增加而减小，最终趋于一个稳定的最低值，即平面加而减小，最终趋于一个稳定的最低值，即平面应应 变断裂韧度变断裂韧度374.3 4.3
38、影响断裂韧性影响断裂韧性K KICIC的因素的因素工学院工学院 材料系材料系2）温度）温度金属材料断裂韧性随着温度的金属材料断裂韧性随着温度的降低，有一急剧降低的温度范围降低，有一急剧降低的温度范围（-200200），低于此温度范），低于此温度范围，断裂韧度保持在一个稳定的围，断裂韧度保持在一个稳定的水平（下平台）水平（下平台）3）应变速率）应变速率应变速率每提高一个数量级，应变速率每提高一个数量级，断裂韧性将降低断裂韧性将降低10%。很大时，绝热温度升高，断裂很大时，绝热温度升高，断裂韧性反而提高。韧性反而提高。384.3 4.3 影响断裂韧性影响断裂韧性K KICIC的因素的因素工学院工学
39、院 材料系材料系四、四、KIC与其它力学性能指标的关系与其它力学性能指标的关系1 20.790.01CsKVsKA对于某些中高强钢对于某些中高强钢MPa1687702.02126693mMPaKICJAKV12022394.4 4.4 弹塑性条件下金属断裂韧度弹塑性条件下金属断裂韧度概述概述工学院工学院 材料系材料系大尺寸构件，尺寸大，平面应变，屈服区小，大尺寸构件，尺寸大，平面应变，屈服区小，KIC 适用。适用。测试时，试样尺寸大，困难。测试时，试样尺寸大，困难。广泛使用的中、低强度钢广泛使用的中、低强度钢s低，低，KIC高，高，其中对于小型机件其中对于小型机件而言，裂纹尖端塑性区尺寸较大，
40、接近甚至超过裂纹尺寸，而言，裂纹尖端塑性区尺寸较大，接近甚至超过裂纹尺寸，已属于大范围屈服条件，裂纹扩展前已整体屈服。已属于大范围屈服条件，裂纹扩展前已整体屈服。一、一、J积分的意义和特性积分的意义和特性设有一单位厚度的设有一单位厚度的I型裂纹体，逆时型裂纹体，逆时针取一回路针取一回路其所包围的体积内应变能密度为其所包围的体积内应变能密度为，回路上任一点作用应力为回路上任一点作用应力为T.在弹性状态下，在弹性状态下，所包围体积的系统所包围体积的系统势能，等于弹性应变能和外力功之差势能，等于弹性应变能和外力功之差U=Ue-W404.4 4.4 弹塑性条件下金属断裂韧度弹塑性条件下金属断裂韧度概述
41、概述工学院工学院 材料系材料系因厚度为因厚度为1，故裂纹尖端的，故裂纹尖端的G为为IeUUGUWAB aa 内总应变能为内总应变能为:eeUdUdxdy外力在该点所做的功为外力在该点所做的功为:WdWu TdSdsTxudyGI这就是在线弹性条件下这就是在线弹性条件下G的能量线积分的表达式。的能量线积分的表达式。414.4 4.4 弹塑性条件下金属断裂韧度弹塑性条件下金属断裂韧度概述概述工学院工学院 材料系材料系在弹塑性条件下，如将应变能密度在弹塑性条件下，如将应变能密度定义为弹塑性应变能定义为弹塑性应变能密度，也存在该式等号右端的能量线积分，密度，也存在该式等号右端的能量线积分，Rice将其
42、定义为将其定义为J 积分。积分。uJd yT d sxJI 为为I型裂纹的能量线积分型裂纹的能量线积分在线弹性条件下，在线弹性条件下，JI=GI=KI2/E 在弹塑性小应变条件下，上式也成立。同时，在小应变在弹塑性小应变条件下，上式也成立。同时，在小应变条件下，条件下，J积分和路径积分和路径无关，即无关，即J的守恒性。的守恒性。424.4 4.4 弹塑性条件下金属断裂韧度弹塑性条件下金属断裂韧度概述概述工学院工学院 材料系材料系uJ积分的断裂判据就是积分的断裂判据就是G判据的延伸，或将线弹性条件下判据的延伸，或将线弹性条件下G延伸到弹塑性断裂，延伸到弹塑性断裂，J 表达形式表达形式G相似。相似
43、。在弹塑性条件下，表达式相同，但物理概念有所不同在弹塑性条件下，表达式相同，但物理概念有所不同G：在线弹性条件下：在线弹性条件下G的概念是一个含有裂纹尺寸为的概念是一个含有裂纹尺寸为a的试的试样，当裂纹尺寸扩展为样，当裂纹尺寸扩展为a+da 时系统能量的释放率。时系统能量的释放率。J：在弹塑性条件下，则是两个试样：在弹塑性条件下，则是两个试样：一个尺寸为一个尺寸为a的裂纹，的裂纹，而另一个试样的裂纹尺寸为而另一个试样的裂纹尺寸为a+da，两者在加载过程中形变，两者在加载过程中形变功之差。功之差。J不能描述裂纹的扩展过程，不允许卸载情况发生。不能描述裂纹的扩展过程，不允许卸载情况发生。434.4
44、 4.4 弹塑性条件下金属断裂韧度弹塑性条件下金属断裂韧度概述概述工学院工学院 材料系材料系J积分也可用能量率的形式来表积分也可用能量率的形式来表达，即在弹塑性小应变条件下，达，即在弹塑性小应变条件下，JI=GI成立，这是用试验方法测成立，这是用试验方法测定定JIC的理论根据。的理论根据。只要测出阴影面积只要测出阴影面积OABO和和a，便可计算便可计算JI 值。值。塑性变形是不可逆的，因此求塑性变形是不可逆的，因此求J值必须单调加载，不能有卸值必须单调加载，不能有卸载现象。但裂纹扩展意味着有部分区域卸载。载现象。但裂纹扩展意味着有部分区域卸载。u所以，在弹塑性条件下，所以，在弹塑性条件下，JI
45、不能象不能象GI那样理解为裂纹扩展那样理解为裂纹扩展时系统势能的释放率。时系统势能的释放率。应理解为：应理解为：裂纹相差单位长度的两个等同试样，加载到等裂纹相差单位长度的两个等同试样，加载到等同位移时同位移时，势能差值与裂纹面积差值的比率，即所谓形变功，势能差值与裂纹面积差值的比率，即所谓形变功差差 率。率。444.4 4.4 弹塑性条件下金属断裂韧度弹塑性条件下金属断裂韧度概述概述工学院工学院 材料系材料系u通常通常J积分不能处理裂纹的连续扩张问题积分不能处理裂纹的连续扩张问题，其临界值只是开，其临界值只是开裂点，不一定是失稳断裂点。裂点，不一定是失稳断裂点。JIC判据判据1）在弹塑性小应变
46、条件下）在弹塑性小应变条件下JIJIC此时，裂纹就会开始扩展，但不能判断其是否失稳断裂。此时，裂纹就会开始扩展，但不能判断其是否失稳断裂。平面应变条件下，平面应变条件下，J积分的临界值积分的临界值JIC也称断也称断 裂韧度，裂韧度，表示表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力材料抵抗裂纹开始扩展的能力。2)在线弹性条件下在线弹性条件下2IIKJGE221IIKJGE平面应力平面应力平面应变平面应变ICJEKIC2EKIC21454.4 4.4 弹塑性条件下金属断裂韧度弹塑性条件下金属断裂韧度概述概述工学院工学院 材料系材料系目前，目前，JI判据及判据及JIC测试目的，主要期望用小试样测出测试目的，主要期
47、望用小试样测出JIC，换算成大试样的换算成大试样的KIC，然后再按，然后再按KI判据去解决中、低强度钢大判据去解决中、低强度钢大型件的断裂问题。型件的断裂问题。二、裂纹尖端张开位移二、裂纹尖端张开位移(COD)和断裂韧度和断裂韧度C由于裂纹尖端的应变量较小，由于裂纹尖端的应变量较小，难于精确测定。而裂纹尖端的张难于精确测定。而裂纹尖端的张开位移开位移COD(Crack Opening Displacement)可以间接表示应变可以间接表示应变量的大小量的大小1.线弹性条件下线弹性条件下裂纹尖端由裂纹尖端由O点虚移到点虚移到O点，裂纹点，裂纹长度由长度由a变为变为a*a+ry。46在x轴上裂纹尖
48、端的切应力分量为零，拉应力分量最大，裂纹最易沿x轴方向扩展。将GI的临界值记为GIC，也称为断裂韧度或平面断裂韧度，表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量应力松驰可以有两种方式：一种是通过塑性变形；JI 为I型裂纹的能量线积分三、外因（板厚和实验条件）K越大，则应力场各应力分量也越大。做一直线与弹性部分的斜率少5%，以确定与裂纹扩展2%时相对应的载荷F5。2MPa时，就突然爆炸，其中有一块重达2T的碎片竟飞出数十米远。在弹塑性条件下，如将应变能密度定义为弹塑性应变能密度，也存在该式等号右端的能量线积分，Rice将其定义为J 积分。1线弹性条件下的断裂韧度但裂纹扩展意味着有部分区域卸载。
49、为约束因子（3）。根据材料力学，通过一点的主应力 1、2、3和 x、y、z方向的各应力分量的关系为：在小幅范围内，KIKIC，GIGIC既然可以作为断裂判据，则C亦可作为断裂判据应变速率每提高一个数量级，断裂韧性将降低10%。*在陶瓷材料中，常利用第二相在基体中形成吸收裂纹扩展能量的机制提高陶瓷材料的断裂韧性。可得到塑性区边界曲线方程：1线弹性条件下的断裂韧度则A、B两点裂纹张开位移此时，裂纹就会开始扩展，但不能判断其是否失稳断裂。4.4 4.4 弹塑性条件下金属断裂韧度弹塑性条件下金属断裂韧度概述概述工学院工学院 材料系材料系原裂纹尖端原裂纹尖端O处要张开，张开位移处要张开，张开位移量为量为
50、2V。这个张开位移就是。这个张开位移就是COD，即即。在线弹性和平面应力条件下，。在线弹性和平面应力条件下，I型裂纹顶端的张开位移为：型裂纹顶端的张开位移为：22442ssKaVEEscccEa24可见，可见，与与KI，GI可以定量换算。在小幅范围内，可以定量换算。在小幅范围内，KIKIC，GIGIC既然可以作为断裂判据，则既然可以作为断裂判据，则C亦可作为断裂判据亦可作为断裂判据474.4 4.4 弹塑性条件下金属断裂韧度弹塑性条件下金属断裂韧度概述概述工学院工学院 材料系材料系2.弹塑性条件弹塑性条件假设一个中、低强度钢无限大假设一个中、低强度钢无限大的板的板 中有中有I型穿透裂纹，在平均
