第四章材料断裂韧性.ppt
第四章材料断裂韧性,第四章材料的断裂韧性,第四章材料断裂韧性,前 言,经典的强度理论把材料和构件作为连续、均匀和各向同性的受载物体，进行力学分析，确定危险部位的应力和应变，考虑安全系数和环境因素的影响后，对材料提出相应的强度、塑性、韧度缺口敏感度、冷脆转变温度等性能的要求，防止断裂和其他失效形式的发生，这样的设计应该是安全的，不会发生塑性变形和断裂。,第四章材料断裂韧性,但是，用传统的强度理论设计的结构发生了很多断裂事故，如高强度钢、超高强度钢的机件，中、低强度钢的大型机件常常在工作应力并不高，甚至远低于屈服极限的情况下，发生脆性断裂现象，这就是所谓的低应力脆断。 大量断裂事例表明，低应力脆断是由于工件中宏观裂纹（工艺裂纹或使用裂纹）的存在引起的。,第四章材料断裂韧性,材料和构件中裂纹的存在是很难避免的，它可以在材料的生产和机件的加工过程中产生，如冶金缺陷、锻造裂纹、焊接裂纹、淬火裂纹、机加工裂纹等，也可以在使用过程中产生，如疲劳裂纹、腐蚀裂纹等。 正是裂纹的存在破坏了材料和构件的连续性和均匀性，改变了材料内部应力状态和应力分布，使得传统的设计方法无法定量计算裂纹体的应力和应变。,第四章材料断裂韧性,经典的强度理论是在不考虑裂纹的萌生和裂纹的扩展的条件下进行强度计算的，认为断裂是瞬时发生的。 然而实际上无论哪种断裂都有裂纹萌生、扩展直至断裂的过程，因此，断裂在很大程度上决定于裂纹萌生抗力和扩展抗力，而不是总决定于用断面尺寸计算的名义断裂应力和断裂应变。 显然需要发展新的强度理论，解决低应力脆断的问题。,第四章材料断裂韧性,断裂力学正是在这种背景下发展起来的一门新兴断裂强度科学。 1922年Griffith首先在强度与裂纹尺度间建立了定量关系： 裂纹失稳扩展的临界应力为 c=(2E/a)1/2 临界裂纹半长为 ac=2E/2,第四章材料断裂韧性,1948年Irwin发表了经典性论文Fracture Dynamics，它标志着断裂力学成为了一门独立的工程学科，随后大量的研究集中于线弹性断裂力学。 1968年，Rice提出了J积分，Hutchinson证明J积分可以用来描述弹塑性体中裂纹的扩展，在这之后，逐步发展起来弹塑性断裂力学。,第四章材料断裂韧性,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、断裂判据和对应的材料力学性能指标断裂韧度，以此对机件进行设计和校核。 本章将以断裂力学的基本原理为基础，简要介绍材料断裂韧度的意义、影响因素及应用。,第四章材料断裂韧性,第一节 线弹性条件下的断裂韧性,线弹性断裂力学认为在脆性断裂过程中，裂纹体各部分的应力和应变处于线弹性阶段，只有裂纹尖端极小区域处于塑性变形阶段。 它处理问题有两种方法： 一种是应力应变分析方法，研究裂纹尖端附近的应力应变场，提出应力场强度因子及对应的断裂韧度和K判据； 另一种是能量分析方法，研究裂纹扩展时系统能量的变化，提出能量释放率及对应的断裂韧度和G判据。,第四章材料断裂韧性,一、裂纹扩展的基本方式,根据外加应力的类型及其与裂纹扩展面的取向关系，裂纹扩展的基本方式有3种 1张开型(I型)裂纹扩展 2滑开型(型)裂纹扩展 3撕开型(型)裂纹扩展,第四章材料断裂韧性,1张开型(I型)裂纹扩展,拉应力垂直作用于裂纹面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展。 例如，容器纵向裂纹在内应力作用下的扩展。,第四章材料断裂韧性,2滑开型(型)裂纹扩展,切应力平行作用于裂纹面，并且与裂纹前沿线垂直，裂纹沿裂纹面平行滑开扩展。 例如，花键根部裂纹沿切应力方向的扩展，传动轴周向裂纹的扩展。,第四章材料断裂韧性,3撕开型(III型)裂纹扩展,切应力平行作用于裂纹面，并且与裂纹前沿线平行，裂纹沿裂纹面撕开扩展。 例如，轴类零件的横裂纹在扭矩作用下的扩展。,第四章材料断裂韧性,实际裂纹的扩展过程并不局限于这3种形式，往往是它们的组合，如I、 I、型的复合形式。 在这些裂纹的不同扩展形式中，以I型裂纹扩展最危险，最容易引起脆性断裂。所以，在研究裂纹体的脆性断裂问题时，总是以这种裂纹为对象。,第四章材料断裂韧性,二、裂纹尖端的应力场及应力场强度因子KI,由于裂纹扩展总是从其尖端开始向前进行的，所以应该分析裂纹尖端的应力应变状态，建立裂纹扩展的力学条件。 Inwin等人运用线弹性理论研究了裂纹体尖端附近的应力应变分布情况。,第四章材料断裂韧性,设有一承受均匀拉应力的无限大板，含有长为2a的I型穿透裂纹,第四章材料断裂韧性,若裂纹尖端沿板厚方向(即z方向)的应变不受约束，因而有Z=0，此时，裂纹尖端处于平面应力状态。其尖端附近(r，)处应力近似地表达如下。,第四章材料断裂韧性,若裂纹尖端沿z方向的应变受到约束，z=O，则裂纹尖端处于平面应变状态。 此时，裂纹尖端处于三向拉伸应力状态，应力状态软性系数小，因而是危险的应力状态。 平面应变状态应变分量为,第四章材料断裂韧性,平面应变状态x、y轴方向的位移分量为,第四章材料断裂韧性,可以看出，裂纹尖端任意一点的应力、应变和位移分量取决于该点的坐标(r，)、材料的弹性模数以及参量KI。 对于如图所示的平面应力情况，KI可用下式表示。,第四章材料断裂韧性,若裂纹体的材料一定，裂纹尖端附近某一点的位置(r，)给定，则该点的各应力、应变和位移分量唯一决定于KI值，KI值愈大，则该点各应力、应变和位移分量之值愈高，因此，KI反映了裂纹尖端区域应力场的强度，故称之为应力场强度因子，它综合反映了外加应力、裂纹形状、裂纹长度对裂纹尖端应力场强度的影响，其一般表达式为 式中：Y为裂纹形状系数，取决于裂纹的形状。 KI的脚标表示I型裂纹，同理，K、K表示型和型裂纹的应力场强度因子。 对于不同形状的I型裂纹裂纹，KI和Y的表达式见附表。,第四章材料断裂韧性,第四章材料断裂韧性,第四章材料断裂韧性,见P70,第四章材料断裂韧性,三、断裂韧度KIC和断裂K判据,由上述可知，KI是描述裂纹尖端应力场强度的一个力学参量，单位为MPam1/2。或KNm-3/2。 当应力和裂纹尺寸a单独或同时增大时，KI增大，裂纹尖端的各应力、应变分量也随之增大。 当应力或裂纹尺寸a增大到临界值时，裂纹尖端的应力达到了材料的断裂强度，裂纹便失稳扩展而导致材料的断裂，这时KI也达到了一个临界值，这个临界状态的KI记为KIC或KC，称之为断裂韧度，单位为MPam1/2。或KNm-3/2。,第四章材料断裂韧性,由此可见，材料的KIC或KC越高，则裂纹体断裂时的应力或裂纹尺寸就越大，表明越难断裂。所以，KIC或KC表示材料抵抗断裂的能力。 KIC为平面应变断裂韧度，表示材料在平面应变状态下抵抗裂纹失稳扩展的能力。 KC为平面应力断裂韧度，表示材料在平面应力状态下抵抗裂纹失稳扩展的能力。 同一材料的KCKIC(?)。,第四章材料断裂韧性,裂纹失稳扩展的临界状态所对应的平均应力，称为断裂应力或裂纹体的断裂强度，记为C；对应的裂纹尺寸称为临界裂纹尺寸（ Griffith理论 ），记为aC三者的关系为,第四章材料断裂韧性,KI和KIC是两个不同的概念，KI是一个力学参量，表示裂纹体中裂纹尖端的应力应变场强度的大小，它决定于外加应力、试样尺寸和裂纹形状，而和材料无关；但KIC是材料的力学性能指标，它决定于材料的成分、组织结构等内在因素，而与外加应力及试样尺寸等外在因素无关。KI和KIC的关系与和S的关系相同，KI和都是力学参量，而KIC和S都是材料的力学性能指标。,第四章材料断裂韧性,根据应力场强度因子KI和断裂韧度KIC的相对大小，可以建立裂纹失稳扩展脆断的断裂K判据，即 裂纹体在受力时，只要满足上述条件，就会发生脆性断裂。反之，即使存在裂纹，也不会发生断裂，这种情况称为破损安全。,第四章材料断裂韧性,四、裂纹尖端塑性区及KI的修正,当r=0时，x、Y、XY等各应力分量均趋向于无穷大，这实际上是不可能的。对于实际金属，当裂纹尖端附近的应力等于或大于屈服强度时，金属就要发生塑性变形,使应力松弛，改变了裂纹尖端的应力分布。,第四章材料断裂韧性,第四章材料断裂韧性,不考虑松弛时推得的塑性区边界方程为 在z轴上，=0，不考虑松弛时塑性区的宽度r0为,第四章材料断裂韧性,平面应力状态下应力松弛后的塑性区扩大了一倍。 平面应变应力松弛后塑性区宽度R0也是原r0的两倍。,第四章材料断裂韧性,由于裂纹尖端区域发生塑性变形，改变了应力分布，为使线弹性断裂力学的分析仍然适用，必须对塑性区的影响进行修正。 对于不同的应力状态，求得修正后的KI值，为,第四章材料断裂韧性,重要提示,计算应力场强度因子KI时，应注意修正的条件： 当应力增大时，裂纹尖端的塑性区也增大，影响就越大，其修正就必要，通常情况下，当S0.60.7时，就需要修正。,第四章材料断裂韧性,五、裂纹扩展能量释放率GI,Griffith提出，驱使裂纹扩展的动力是弹性应变能的释放率，即 令 GI称为裂纹扩展的能量释放率，单位为Jmm2或kNmm,第四章材料断裂韧性,平面应力的能量释放率GI表达式 对于平面应变，GI的表达式为 可见，GI和KI相似，也是外加应力和裂纹尺寸a的复合参量，是一个力学参量。,第四章材料断裂韧性,六、断裂韧度GIC和断裂G判据,随着应力和裂纹尺寸a的单独或共同增大，都会使GI增大，当GI增大到某一临界值GIC，满足了 裂纹便失稳扩展而断裂。 GIC也称为断裂韧度，单位为Jmm2或kNmm，它表示材料裂纹失稳扩展单位面积需要消耗的能量。 如果裂纹扩展释放的能量达不到该值，则不扩展。,第四章材料断裂韧性,尽管GI和KI的表达式不同，但都决定于应力和裂纹尺寸，其间必有相互联系。 如对于具有穿透裂纹的无限大板 由此可见，KI不仅可以度量裂纹尖端的应力场强度，而且可以度量裂纹扩展时系统能量的释放率。,第四章材料断裂韧性,根据GI和GIC的相对大小，也可建立裂纹失稳扩展的力学条件，即断裂G判据：,第四章材料断裂韧性,第二节 弹塑性条件下的断裂韧性,一、J积分的概念 二、J积分的能量率表达式 三、断裂韧度JIC及断裂J判据 是裂纹开始扩展的断裂判据，而不一定是最后裂纹失稳扩展的断裂判据 实际生产中很少用JIC积分判据计算裂纹体的承载能力 。,第四章材料断裂韧性,裂纹尖端张开位移(COD)的概念,裂纹尖端张开位移法起源于英国，在英国、日本等国首先得到发展，其后在其他工业发达国家也得到广泛应用，主要用于压力容器、管道和焊接结构等产品的安全分析上。 对于大量使用的中、低强度钢构件，如船体和压力容器，曾发生不少低应力脆断事故，断口具有90以上的结晶状特征，而从这些断裂构件上制取的小试样，却在整体屈服后发生纤维状的韧断，由此推断，是由于构件承受多向应力，使裂纹尖端的塑性变形受到约束，当应变量达到某一临界值，材料就发生脆性断裂。,第四章材料断裂韧性,这个应变量很小，难以准确测量，于是人们提出裂纹尖端的张开位移COD(crack opening displacement)来间接表示应变量的大小。,第四章材料断裂韧性,所谓裂纹尖端张开位移，是裂纹体受载后，在裂纹尖端沿垂直裂纹方向所产生的位移，用表示。,第四章材料断裂韧性,在平面应变条件下 对于型穿透裂纹， 对于一定材料和厚度的板材，不论其裂纹尺寸如何，当裂纹张开位移达到同一临界值C时，裂纹就开始扩展。 临界值C也称为材料的断裂韧度，表示材料阻止裂纹开始扩展的能力。,第四章材料断裂韧性,根据和C的相对大小的关系，可以建立断裂判据： 判据和J判据一样，都是裂纹开始扩展的判据，而不是裂纹失稳扩展的断裂判据，显然，按这种判据设计构件是偏于保守的。,第四章材料断裂韧性,第三节 影响材料断裂韧度的因素,断裂韧度作为评价材料抵抗断裂的能力的力学性能指标，它取决于材料的化学成分、组织结构等内在因素，同时也受到温度、应变速率等外部因素的影响。,第四章材料断裂韧性,一、化学成分、组织结构对断裂韧度的影响,1化学成分的影响 细化晶粒的合金元素因提高强度和塑性，可使断裂韧度提高； 强烈固溶强化的合金元素因大大降低塑性而使断裂韧度降低，并且随合金元素的浓度的提高，降低的作用更加明显； 形成金属间化合物并呈第二相析出的合金元素，因降低塑性有利于裂纹扩展而使断裂韧度降低。,第四章材料断裂韧性,2基体相结构和晶粒尺寸的影响,基体相的晶体结构不同，断裂韧度发生变化。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。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，并且形变硬化指数较高，其断裂韧度较高，奥氏体钢的断裂韧度高于铁素体钢和马氏体钢。,第四章材料断裂韧性,基体的晶粒尺寸也是影响断裂韧度的一个重要因素。一般来说，细化晶粒既可以提高强度，又可以提高塑性，那么断裂韧度也可以得到提高。,第四章材料断裂韧性,3夹杂和第二相的影响,对于金属材料，非金属夹杂物和第二相的存在对断裂韧度的影响可以归纳为：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。,第四章材料断裂韧性,4显微组织的影响,显微组织的类型和亚结构将影响材料的断裂韧度。如钢铁材料中，相同强度条件下，低碳钢中的回火马氏体的断裂韧度高于贝氏体，而在高碳钢中，回火马氏体的断裂韧度高于上贝氏体，但低于下贝氏体。这是由于低碳钢中，回火马氏体呈板条状，而高碳钢中，回火马氏体呈针状，上贝氏体由贝氏体铁素体和片层间断续分布的碳化物组成，下贝氏体由贝氏体铁素体和其中弥散分布的碳化物组成，可见组织类型的不同导致材料的断裂韧度不同。,第四章材料断裂韧性,板条马氏体主要是位错亚结构，具有较高的强度和塑性，裂纹扩展阻力较大，呈韧性断裂，因而断裂韧度较高；针状马氏体主要是孪晶亚结构，硬度高而脆性大，裂纹扩展阻力小，呈准解理或解理断裂，因而断裂韧度较低。,第四章材料断裂韧性,二、外界因素对断裂韧度的影响,环境因素、加载条件对材料的断裂韧度都有影响 1温度 对于大多数材料，温度的降低通常会降低断裂韧度，大多数结构钢就是如此，但是，不同强度等级的钢材，变化趋势有所不同。一般中、低强度钢都有明显的韧脆转变现象：在韧脆转变温度以上，材料主要是微孔聚集型的断裂机制，发生韧性断裂，KIC较高；而在韧脆转变温度以下，材料主要是解理型断裂机制，发生脆性断裂，KIC较低。随着材料强度水平的提高，KIC随温度的变化趋势逐渐缓和，断裂机理不再发生变化，温度对断裂韧度的影响减弱。,第四章材料断裂韧性,2应变速率 应变速率对断裂韧度的影响类似于温度。增加应变速率相当于降低温度，也可使KIC下降。一般认为应变速率每增加一个数量级，KIC约降低10。但是，当应变速率很大时，形变热量来不及传导，造成绝热状态，导致局部温度升高，KIC又回升，如图所示。,第四章材料断裂韧性,第四节 断裂韧度在工程中的应用,断裂韧度在工程中的应用可以概括为三方面。 第一就是设计，包括结构设计和材料选择。1、可以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；2、可以根据结构的承载要求、可能出现的裂纹类型，计算可能的最大应力强度因子，依据材料的断裂韧度进行选材。,第四章材料断裂韧性,第二就是校核，可以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。 第三就是材料开发，可以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，开发断裂韧度高的新材料。,第四章材料断裂韧性,第四章材料断裂韧性,第四章材料断裂韧性,第四章材料断裂韧性,第四章材料断裂韧性,第四章材料断裂韧性,
