斷裂韌性基礎(chǔ)

1、第六章斷裂韌性根底第一節(jié)Griffith斷裂理論第二節(jié)裂紋擴(kuò)展的能量判據(jù)能量釋放率G裂紋擴(kuò)展單位面積時(shí)，系統(tǒng)所提供的彈性能量是裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力，此力叫裂紋擴(kuò)展力A或稱為裂紋擴(kuò)展時(shí)的能量釋放率。以G1表示(1表示I型裂紋擴(kuò)展)。G與外加應(yīng)力，試樣尺寸和裂紋有關(guān)，而裂紋擴(kuò)展的阻力為2( s p), 隨展而斷裂，這個(gè)Gi的臨界值它為,aGi增大到某一臨界值時(shí)，Gi能克服裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展阻力，那么裂紋使失穩(wěn)擴(kuò)Gic ,稱為斷裂韌性。表示材料組織裂紋試穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)單位面積所消耗的能量。平面應(yīng)力下:Gi2a,GicE2cac平面應(yīng)變下:Gi2 2(i v ),Gic2 2、C ac(1 V )EG的單位MPa第三節(jié)

2、裂紋頂端的應(yīng)力場玻璃,陶瓷可看成線彈性體1200MPa高強(qiáng)鋼s 500 1000MPa的橫截面中強(qiáng)鋼低溫下的中低強(qiáng)度鋼三種斷裂類型張開型斷裂滑開型斷裂撕開型斷裂最危險(xiǎn)I型632 I型裂紋頂端的應(yīng)力場無限大平板中心含有一個(gè)長為2a的穿透裂紋，受力如圖歐文(Go Ro Irwin )等人對(duì)I型裂紋尖端附近的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了分析，提出應(yīng)力應(yīng)變場的裂韌性K,c。假設(shè)用極坐標(biāo)表達(dá)式表達(dá)，那么有近似數(shù)字表達(dá)式:當(dāng)裂尖某點(diǎn)不確定，即 r, 一定后，應(yīng)力大小均由K,決定盈利強(qiáng)度因子K,故Ki大小反映了裂紋尖端應(yīng)力場的強(qiáng)弱，取決于應(yīng)力大小，裂紋尺寸。應(yīng)力場強(qiáng)度因子及判據(jù) 將上面應(yīng)力場方程寫成：Y :形狀系數(shù)。iK

3、,: MPa m 2對(duì)無限大板丫=1。11心是一個(gè)決定于和a的復(fù)合物理量a ,不變 K1當(dāng)此參量到達(dá)臨界時(shí)，在裂紋尖端足夠大的范圍內(nèi)，應(yīng)力便會(huì)到達(dá)斷裂強(qiáng)度，裂紋便沿著X 軸失穩(wěn)擴(kuò)展，從而使材料斷裂。這個(gè)臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的K1值記為K1C斷裂韌性。Kic為平面應(yīng)變的斷裂韌性，表示在平面應(yīng)變下材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力，顯然K1C 丫 云可見，材料的K1C越高，那么裂紋體的斷裂應(yīng)力或臨界斷裂尺寸就越大，說明難以斷裂。因此K1C是材料抵抗斷裂的能力和K 力學(xué)參量，且和載荷，試樣尺寸有關(guān)，和材料無關(guān)當(dāng)臨界時(shí)s,材料屈服當(dāng)K,臨界時(shí)K1C，材料斷裂s和K1C材料的力學(xué)性能指標(biāo)，且和材料成分，組織結(jié)構(gòu)有關(guān)而

4、和載荷及試樣尺寸無關(guān)斷裂判據(jù)：ac裂紋體在受力時(shí)，只要滿足上式條件，就會(huì)發(fā)生脆性斷裂。反之，即使存在裂紋，假設(shè)K1 K1C , 也不會(huì)斷裂，這種情況稱為破損平安。應(yīng)用這個(gè)關(guān)系，可解決以下幾個(gè)問題： 確定構(gòu)件臨界斷裂尺寸： 由材料的 K1C 急構(gòu)件的平均工作應(yīng)力去估算其中允許的最大裂紋尺寸即 A，求ac為制定裂紋探傷標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù) 確定構(gòu)件承載能力：由材料的Kic及構(gòu)件中的裂紋尺寸 a,去估算其最大承載能力“已知Kic，a求 Q為載荷設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 確定構(gòu)件平安性：據(jù)工作應(yīng)力及裂紋尺寸a ,確定材料的斷裂韌性，a求K1C為正確選用材料提供理論依據(jù)3 Kic 和 K 的區(qū)別在于： 相對(duì)于 Kic 裂

5、紋試樣來說， cVN 或 K 試樣缺口根部都是相當(dāng)鈍的，應(yīng)力集中數(shù)要小 得多。 AK 中包括了裂紋形成功和擴(kuò)散功局部，而Kic 試樣已預(yù)制了裂紋，不再需要裂紋形成功。 Kic試樣必須滿足平面應(yīng)變條件，而一次沖擊試樣那么不一定滿足平面應(yīng)變條件。 K 是在應(yīng)變速率高的沖擊載荷下得到，而 Kic 試驗(yàn)是在靜載下進(jìn)行的。Ki與Gi，Kic與Gic的異同Ki描述了裂紋前端內(nèi)應(yīng)力場的強(qiáng)弱，Gi是裂紋擴(kuò)展單位長度或單位面積時(shí)，裂紋擴(kuò)展力或系統(tǒng)能量釋放率，它們與裂紋及物體的大小形狀，外加應(yīng)力等參數(shù)有關(guān)。KiC和GiC都是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)Ki和G的臨界值。表示材料阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力，是材料的力學(xué)性能， 稱為斷

6、裂韌性。 并與材料的成分，組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。 盡管兩種分析方法不同， 但其結(jié)論是完全 一至的平面應(yīng)力：GK2G1Ce平面應(yīng)變：G(1-v2) KcG1Ce平面應(yīng)力：G2EaKG K2 G E平面應(yīng)變：G(1-v2) K2E1(a)°第四節(jié)裂紋尖端塑區(qū)性及其修正思路：塑性區(qū)尺寸J塑性區(qū)形狀J屈服判據(jù)J主應(yīng)力J應(yīng)力分量6-19 6-18 6-17 6-15 6-16 6-10 丫，一裂紋前端屈服區(qū)大小屈服區(qū)邊界曲線方程1 r2K22cos (1 3sin-)平面應(yīng)力2s222(6-17)1 rK(1 2v)2co$ 3 . 2 sin平面應(yīng)變224在X軸上，=0,塑性區(qū)寬度r。r。平面應(yīng)力平

7、面應(yīng)變沿上述思路，由6-10所表達(dá)的裂紋尖端的應(yīng)力分量代入6-16 所表達(dá)的主應(yīng)力。即可得到裂紋尖端附近任一點(diǎn)P y,的主應(yīng)力6-16 表達(dá)試。由屈服判據(jù)，即可得到6-17表達(dá)的塑性區(qū)邊界曲線方程。也就得到6-8圖所示的塑性區(qū)形狀。在 X軸上 =0，所以又可以得到塑性區(qū)的尺寸寬度6-18表達(dá)試。由此也可以看到平面應(yīng)力的塑性區(qū)寬度比平面應(yīng)變的大許多。這說明平面應(yīng)變應(yīng)力狀態(tài)是最危險(xiǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。第五節(jié) 應(yīng)力強(qiáng)度因子的塑性區(qū)修正應(yīng)力松弛對(duì)塑性區(qū)尺寸的影響通常把塑性區(qū)的最大主應(yīng)力1叫做有效屈服應(yīng)力，用ys表示，換句話說， ys就是在Y 方向發(fā)生屈服的應(yīng)力。我們?cè)谏厦嬗懻撏瞥觯?由于裂紋尖端集中， 使應(yīng)力

8、場強(qiáng)度加大，當(dāng)它超過材料的有效屈服應(yīng)力 ys時(shí)，裂紋前端就會(huì)屈服，產(chǎn)生塑性變形，并計(jì)算了塑性區(qū)尺寸。但是上面忽略ys，了一個(gè)重要現(xiàn)象，即裂紋尖端一旦屈服，屈服區(qū)內(nèi)的最大主應(yīng)力恒等于有效屈服應(yīng)力也就是將原來的應(yīng)力峰前移，屈服區(qū)多出來的那局部應(yīng)力圖6-9影線P分區(qū)和A就要松弛掉。這局部松弛掉的應(yīng)力傳給了屈服區(qū)周圍的區(qū)域，從而使這些區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力值升高。 假設(shè) 這些區(qū)域的應(yīng)力 y高于 ys時(shí)，那么也會(huì)發(fā)生屈服。這就是說，屈服區(qū)內(nèi)應(yīng)力松弛的結(jié)果。使屈服區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大。屈服區(qū)寬度由r0增加至R0。如圖6-9所示。圖中DBC為裂紋尖端 y的分布曲線。ABEF為考慮到屈服區(qū)應(yīng)力松弛后的y分布曲線，ABE線恒重于

9、 ys。根據(jù)能量分析，影線面積與矩形BGHE相等。這樣即得到P81頁式。即盈利松弛后，平面s應(yīng)變塑性區(qū)的寬度 R0。平面應(yīng)力狀態(tài)下ys= s。平面應(yīng)變應(yīng)力狀態(tài)下ys= 1 2v由于平面應(yīng)變狀態(tài)下。板內(nèi)裂紋尖端處于平面應(yīng)變應(yīng)力狀態(tài)，而前面板面是平面應(yīng)力狀態(tài)，所以 ys并沒這么大。一般取 ys=.2."2 s，這樣就可以得到平面應(yīng)變狀態(tài)下的 r0及R0 值?？墒怯捎趹?yīng)力松弛的結(jié)果。均使塑性區(qū)擴(kuò)大了一倍。書上將這類結(jié)果歸納了表4-2,大家可以仔細(xì)看。二 塑性區(qū)修正由于裂紋前斷塑性區(qū)的存在，其應(yīng)力場分布?jí)驯厝话l(fā)生變化，這時(shí)應(yīng)力場應(yīng)如何來計(jì) 算呢？大量實(shí)驗(yàn)論證，當(dāng)材料的s值越高，而 K1c又較

10、低時(shí)R0值是很小的；或者 R0本身雖然不很小。但是由于試件的尺寸很大。相對(duì)來說R仍可看做很小。這種情況下，裂紋前端大局部區(qū)域?yàn)閺椥詤^(qū)，只是發(fā)生了小范圍屈服。這種性質(zhì)下，只要稍加修正線彈性斷裂力學(xué)分析結(jié)果仍然適用。修正的簡單方法是引入“有效裂紋尺寸的概念。根本思路是：把塑性區(qū)松弛應(yīng)力的 作用等效的看作是裂紋長度增加r,而松弛了彈性應(yīng)力場的作用，也就是說。塑性區(qū)的存在相當(dāng)于裂紋長度增加。從而引入有效裂紋長度a r來代替原有裂紋長度。就不再考慮塑性區(qū)的影響。原來推導(dǎo)出的線彈性應(yīng)力場的公式仍然適用。應(yīng)用彈性塑性斷裂力學(xué)裂紋，理論上遠(yuǎn)不及彈性斷裂力學(xué)完善。只能采用幾種近似方法，且前用及最廣的有裂紋尖端張

11、開位移COD與丁積分。一.丁積分1. 丁積分的定義丄 U由G1及u=Ue W對(duì)P111頁的圖4-9所示aU :位勢能 Ue :彈性應(yīng)變能 w：外力功的單位厚試樣。dv bdA dA設(shè)3為應(yīng)變能密度單為體積應(yīng)變能那么 dUe 3 dV= 3 dA是 Ue dUe3 dA 3 dA外力所做的功 W dW u T dS所以 G13dy T dSa線彈性條件下G1表達(dá)式。彈性條件下，等式右端和積分總是存在的。稱訂積分丁積分是2.丁積分能量表達(dá)式T1(3 dyaTdS)線性條件下：G1T1U!丄U)aBa彈塑性應(yīng)變條件下：T1U)u圍繞裂紋尖端的任意積分回路的能量線積分B a a這就是丁積分的能量表達(dá)式

12、。應(yīng)當(dāng)注意。塑變是不可逆的，卸載后仍存剩余塑變。故不允許卸載。裂紋擴(kuò)展意味著局部卸載。因此，在彈塑性條件下。T1不能認(rèn)為是裂紋擴(kuò)展單位長度的系位勢能下降率。a而應(yīng)當(dāng)把它解釋為裂紋相差單位長度的兩個(gè)等同試樣的勢能差。 正因?yàn)槿绱耍》e分原那么上不能處理裂紋擴(kuò)展。3. 丁積分特性丁積分與積分路徑無關(guān)。即丁積分的守恒性。丁積分可以描寫彈塑性狀態(tài)下裂紋頂端的應(yīng)力應(yīng)變場及其奇異性。它相當(dāng)于線彈性狀態(tài) 下的K1的作用。4 臨界丁積分與彈塑性條件下的斷裂判據(jù)。線彈性條件下，丁積分等于裂紋擴(kuò)展力G1,即T1 G1T1 G1K12(1 v2)E在臨界條件下，那么有T1cG1c(1 v2)EK1c2平面應(yīng)力平面應(yīng)

13、變平面應(yīng)變可以用試樣測得T1c后按此式算出心。，從而較方便地獲得等中低強(qiáng)度鋼的斷裂韌性數(shù)據(jù)。彈塑性條件下，大量實(shí)驗(yàn)說明。如果裂紋開始擴(kuò)展點(diǎn)如臨界點(diǎn)，那么當(dāng)試樣尺寸滿足一定要求后。所測的Tic是穩(wěn)定的。是一個(gè)材料常數(shù)。因此，Tc指的是裂紋開始擴(kuò)展的開裂點(diǎn)。而不是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展點(diǎn)。因此只要滿足T1 T1c，構(gòu)件就會(huì)開裂。二裂紋尖端張開位移 COD對(duì)于中低強(qiáng)度鋼。由于塑性大，往往要在發(fā)生大范圍屈服甚至全屈服后才發(fā)生斷裂，在全屈服下，塑性區(qū)擴(kuò)散到整個(gè)裂紋截面。如假定忽略形變無變化， 那么裂紋頂端附近的應(yīng)力就幾乎不再增加。這樣，斷裂條件就應(yīng)該相當(dāng)于裂紋頂端附近到達(dá)某一臨界值時(shí)，裂紋開始擴(kuò)展。裂紋頂端張開位

14、移COD就是這種關(guān)于裂紋頂端塑性應(yīng)變的一種度量。用臨界張開位移 c表示材料的斷裂韌性。COD概念圖4-12中，裂紋沿方向產(chǎn)生張開位移。即稱為COD。斷裂韌性c及斷裂韌據(jù)當(dāng)斷裂張開位移到達(dá)，某一臨界值c時(shí)，裂紋就開始擴(kuò)展。c即為斷裂韌性。表示材料阻止裂紋開始擴(kuò)展的能力?？煽醋饕环N推動(dòng)裂紋擴(kuò)展的能力。c為材料的一種固有性能，只和材料的成分和組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。c即為裂紋開列的斷裂判據(jù)。線彈性條件下的COD表達(dá)式 圖4-12裂紋頂端張開位移1 vKi.2sin2(1 v)2Vcos 一E22用r r(1/2)(ks)2代入得2V4 K214 G-iESSV為在正應(yīng)力y作用下沿Y方向的位移量，可由線彈性斷裂

15、力學(xué)的應(yīng)力場分析求出臨界狀態(tài)下:4 GecS彈塑性條件下的COD表達(dá)式平面應(yīng)力臨界條件下;平面應(yīng)力2acGcK；Tc =E SS E s s平面應(yīng)力，斷裂應(yīng)力0.5 S時(shí)G1RT，COD，K及G之間的關(guān)系 線彈性條件下：TGiKiEE平面應(yīng)力平面應(yīng)變1 VGiK2平面應(yīng)力彈塑性條件下，上述關(guān)系仍然成立。當(dāng)斷裂應(yīng)力 0.5 s時(shí);c g=圧覽正平面應(yīng)力2 2(1 v)Kic_GcTicnE s平面應(yīng)變n-關(guān)系因子1 n 1.5 2.0裂紋尖端為平面應(yīng)力狀態(tài)時(shí)n=1裂紋尖端為平面應(yīng)變狀態(tài)時(shí)n=2T,COD,K及G的物理意義都是表示材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)散的能力。阻力曲線：R曲線G1G :裂紋擴(kuò)展的推動(dòng)

16、力R :裂紋擴(kuò)展的阻力，反映材料的性質(zhì)；。在裂紋開始擴(kuò)展時(shí)R G 丄丫2 2aE如果G1R,裂紋不能擴(kuò)展。如果 G1 R，那么裂紋擴(kuò)展。隨著 及a的增加，裂紋擴(kuò)展力也增加。同時(shí)，由于裂紋尖端塑性區(qū)隨之增大，使Up增大，R也隨之增大。材料的R隨裂紋長度a而增大的變化曲線稱為阻力曲線R曲線它描述了裂紋體鈍化飽和開裂和隨后穩(wěn)定的亞臨界裂紋擴(kuò)展以至失穩(wěn)斷裂的全過程。P109頁 圖4-7裂紋的擴(kuò)展可分為亞臨界擴(kuò)展和失穩(wěn)擴(kuò)展兩個(gè)階段。裂紋由開始擴(kuò)展到失穩(wěn)擴(kuò)展階段稱為亞臨界擴(kuò)展。裂紋推動(dòng)臨界擴(kuò)展的條件就是 R曲線與G曲線相切，此時(shí)G R2Gi 2R2a2a裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，切點(diǎn)即為臨界點(diǎn)，對(duì)應(yīng)切點(diǎn)處的裂紋長度就

17、是臨界裂紋長度，亞臨界擴(kuò)展的開始點(diǎn)為開裂點(diǎn)。裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的條件為；2G 2R2a 2a第六節(jié)影響斷裂韌性的因素?cái)嗔秧g性表征材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，是材料固有的力學(xué)性能指標(biāo)，既然斷裂韌性是材料的性能指標(biāo)，當(dāng)然它就能和其他力學(xué)性能指標(biāo)一樣。主要取決于材料的成分，組織和結(jié)構(gòu)。因此，適當(dāng)調(diào)整成分，通過各種的冶煉，加工及熱處理工藝以獲得最正確的組織，就可能大幅度提高材料的斷裂韌性，從而也就提高了含裂紋構(gòu)件的承載能力。一.斷裂韌性與常規(guī)機(jī)械性能指標(biāo)之間的關(guān)系斷裂韌性Kic與其他性能的關(guān)系1964年Kraft首先提出微孔聚焦韌性模型。頂端塑性區(qū)大小等于夾雜間的平均距離dr-第二相顆粒夾雜的平均距離。設(shè)裂紋頂

18、端距最領(lǐng)近第二相粒子間的距離r=dr ,裂紋dr 塑性邊界以外的區(qū)域是彈性區(qū)。 沿裂紋延長線X軸的應(yīng)力為:y2 r在塑性區(qū)邊界r= dr處的應(yīng)力：K12 dr相應(yīng)應(yīng)變?yōu)椋簓1K1y E E-2 drHollomon公式。由于心隨之增大。裂紋假定塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)變變化規(guī)律和單向拉伸應(yīng)變變化規(guī)律一樣，即服從 平面應(yīng)變?cè)嚇恿鸭y尖端處欲三向拉應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)外加拉應(yīng)力增大,頂端由于應(yīng)力集中會(huì)使夾雜或第二相破裂，或沿夾雜與本體界面開裂。從而形成空洞。隨K1增大。空洞繼續(xù)長大并會(huì)合。和單向拉伸實(shí)驗(yàn)一樣。假定當(dāng)塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)變到達(dá)單向拉伸發(fā) 生緊縮時(shí)的真應(yīng)變 eB時(shí)。裂紋與空洞相連。導(dǎo)致裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展。即當(dāng)eeBn

19、, Ki Kic 時(shí)ey e ndrK1CnE ,2 dr這就是Kraft根據(jù)韌斷模型導(dǎo)出的Kic表達(dá)式。它把斷裂韌性Kic和強(qiáng)度矢量E。塑性矢量n及結(jié)構(gòu)參量d聯(lián)系在一起。1968年Hahn-Rosenfield從另外的角度導(dǎo)出類似的關(guān)系式，即仏 5n，3e s?.：f :真實(shí)延伸率上面二式均得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)，但二者都是根據(jù)韌斷模型提出的均不適用于脆斷情況。1963年Tetlemen等人提出了適用于脆斷沿晶斷裂，介理斷裂的關(guān)系式。假定當(dāng)裂紋頂端某一特征距離內(nèi)的應(yīng)力到達(dá)材料斷裂強(qiáng)度c時(shí)，試樣發(fā)生斷裂。K1C2.9 s exp(s1)1200 :裂紋頂端曲率半徑無論脆斷還是韌斷，K1C都與材料的強(qiáng)度和

20、塑性有關(guān)，因此K1C是強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。斷裂韌性與沖擊韌性之間的關(guān)系裂紋斷裂韌性 K1C和缺口沖擊韌性K 或CVN 都是材料的斷裂韌性指標(biāo)，因此，很多情況下，對(duì)提高沖擊韌性的有效措施均能提高K1C值。Rolfe親手做了十一種鋼號(hào)的性能數(shù)據(jù)，總結(jié)出K1C，n和0.2三者之間的經(jīng)驗(yàn)公式:CVN0.20.2但是Kic與CVN k 的物理含義不同。沖擊韌性反映裂紋形成和擴(kuò)展全過程所消耗的 總能量，而Kic只是反映裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展過程所消耗的能量。例如40CrNiMo鋼經(jīng)超高溫淬火奧氏體溫度 1200 1250°CF0晶粒度0-1級(jí)。正常淬火870oC 后晶粒度為7-8級(jí)。前者的Kic比后者搞

21、出了一倍。但沖擊值卻大幅度下降。造成此差異的原因在于： 相對(duì)于KiC裂紋試樣來說，CVN或k試樣的應(yīng)力集中要小的多。 k中包括了裂紋形成和擴(kuò)展功，而Kic試樣已預(yù)制了裂紋，不再需要裂紋形成功。 Kic試樣必須滿足平面應(yīng)變條件，而一次沖擊試樣不一定滿足平面平面應(yīng)變條件。 沖擊韌性是在應(yīng)變速度高的沖擊載荷下得到的，而 KiC 試驗(yàn)是在靜載荷下進(jìn)行的。二材料的成分組織結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂韌性的影響化學(xué)成分的影響i 鎂是最有效的韌化元素，它不僅改善鋼的斷裂韌性，還能有效地降低冷脆轉(zhuǎn)化溫度。2 鋼中的 P， S 是難以防止的有害元素，對(duì)斷裂韌性十分有害。3. 細(xì)化晶粒的合金元素，使 Kic提高。4. 形成金屬間化

22、合物程第二相析出的各合金元素，使Kic降低。因?yàn)橛不淖饔锰岣邚?qiáng)度，降低塑性，有利于裂紋的擴(kuò)展使KiC 降低。5. 強(qiáng)烈固溶強(qiáng)化合金元素使 Kic降低。 晶粒尺寸對(duì) KiC 的影響。1. 晶粒越細(xì)，Kic越高。因?yàn)榧?xì)化晶粒，裂紋擴(kuò)展時(shí)所消耗的能量越多。2. 細(xì)化晶粒，韌性提高，強(qiáng)度提高，脆性轉(zhuǎn)化溫度Tk 降低，回火脆性降低。3. 通過合金化，冷熱加工控制軋制 ，熱處理等方法到達(dá)細(xì)化晶粒，提高鋼的強(qiáng)韌性。 夾雜及第二相的影響i. 鋼中的夾雜物如硫化物，氫化物均使Kic降低，且隨夾雜物體積百分比的增加，Kic降低越多。因?yàn)樗鼈兊捻g性均比基體材料差。稱為脆性相。2. 脆性相呈球型或顆粒細(xì)小并均勻分布

23、，那么Kic 增高。如球狀滲碳體比線狀滲碳體的韌性組織結(jié)構(gòu)對(duì)Pq的影響1. 位錯(cuò)板條M, K1C 回火屈氏體回火M ;孿晶線狀M, K1C因?yàn)榍罢弑旧硭苄院?，且形成溫度高，不易在形成過程中產(chǎn)生裂紋。后者本身韌性差, 且易形成微裂紋。2. 回火索氏體的Kic 回火屈氏體回火M3.在強(qiáng)度水平大致相等的情況下，低碳M的Kic 中碳M的Kic。處理工 藝0.22MN /mb2MN /m4%K1CMN / m 3/220Si Mn 2MoV900°C淬火250°C回火1.2151.4805913.411340CrNiMo850°C淬火430°C回火1.3331.3

24、925212.3784. B下的Kg高于B上,B上的Kg比回火M差.B上裂紋擴(kuò)展阻力小,B下裂紋擴(kuò)展阻力大5. 奧氏體韌性大于M,鋼中存在一定量的的剩余奧氏體，可以為韌性相提高鋼材韌性 韌性相提高韌性的原因是： 裂紋擴(kuò)展遇到韌性相時(shí)，由于韌性相產(chǎn)生塑變，使裂紋前端鈍化，且韌性相變要有韌性 能量，使裂紋擴(kuò)展受阻 裂紋擴(kuò)展遇到韌性相，使裂紋難以直線前進(jìn)，而迫使裂紋改變方向或分岔，從而松弛了 能量提高了韌性 對(duì)奧氏體組織來說，在裂紋前端應(yīng)力集中的作用下，可以誘發(fā)馬氏體相變，這種局部相 變要消耗很大的能量，故對(duì)阻止裂紋擴(kuò)展，提高K1C有明顯的好處如一些奧氏體鋼，就可在應(yīng)力誘發(fā)下產(chǎn)生相變，使K1C提高這

25、類鋼稱為相變誘發(fā)塑性鋼(TRIP)，是目前斷裂韌性最好的強(qiáng)韌鋼三.變形熱處理對(duì)斷裂韌性的影響變形熱處理是目前行之有效的強(qiáng)韌方法之一.它通過變形加相變的綜合強(qiáng)化方法，可顯著改善材料的綜合機(jī)械性能如提高材料的強(qiáng)度，韌性，塑性疲勞強(qiáng)度，降低冷脆性就轉(zhuǎn)變溫度及 缺口敏感性，也是提高Kic的有效方法變形熱處理強(qiáng)韌化的原因，一般認(rèn)為是由于奧氏體形變形成了細(xì)小的亞結(jié)構(gòu)，淬火后獲得細(xì)小 M，且減小了孿晶M，增加了板條M的數(shù)量;另外，奧氏 體形成后位錯(cuò)密度很高，遺傳到轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中的位錯(cuò)密度也高，故強(qiáng)韌效果顯著四溫度，加載速度對(duì)裂紋韌性的影響溫度的影響一般來說，大多數(shù)鋼的斷裂韌性隨溫度的降低而減小當(dāng)T，鋼的Kic開

26、始緩慢下降，在某一范圍內(nèi)Kic明顯下降，這一 T區(qū)間為材料的冷脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)加載速度的影響一般來說，隨加載速度的增加，KiC降低，P120圖4-16增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，使Kic下降10%.第七節(jié)斷裂韌性的測試包括Kic，Tic，c的測試，常用的Kic測試 Kic測試原理k1 y a Y、afp那么只需要測試樣上裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)的臨Y:與裂紋試樣的幾何形狀，加力方式有關(guān) 如得證實(shí)驗(yàn)是在平面應(yīng)變及小范圍屈服條件下進(jìn)行 界力FQ，即可測Kic 試樣Kic試驗(yàn)用 1.形狀和尺寸四種試樣：三點(diǎn)彎曲，緊湊拉伸，c形拉伸和圓形緊湊拉伸，常用前兩種 測試前的兩個(gè)根本特點(diǎn)需預(yù)制疲勞裂紋滿足一定條件使其處于平面應(yīng)變及小范

27、圍屈 服由平面應(yīng)變小范圍屈服時(shí)的塑性區(qū)尺寸R1/ Kic 22.20.11準(zhǔn)2yy:測驗(yàn)T和加載速率與 Kic測試相同時(shí)的材料屈服強(qiáng)度故試樣尺寸需滿足如下條件2.5(KlC )y韌帶寬度這些尺寸比Ro大一個(gè)數(shù)量級(jí)可滿足平面應(yīng)變及小范圍屈服由此可見，為了確定試樣尺寸，首先 要預(yù)先測定所測試樣的y值和估計(jì)或參考相近材料的K1C值 據(jù)上式確定試樣的最小彎度B 根據(jù)試樣各尺寸方向的關(guān)系確定試樣其他尺寸注意: 所測試樣材料 Kic值范圍時(shí)，建議取偏高Kic值 所試材料的Kic值無法估計(jì)，可根據(jù)材料的y/E的值來確定K 當(dāng)確知2.5仝乞2比表4-3推薦的尺寸小得多時(shí)，可采用尺寸較小的試樣y2試樣的制備試樣

28、毛坯 粗加工 熱處理 磨削加工 開缺口預(yù)制疲勞裂紋在高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)床上進(jìn)行預(yù)制疲勞裂紋在線切割機(jī)上加工，裂紋尖端半徑0.08-0.1mm,裂紋長度 0.025wor 1.5mm,旦 0.450.55w預(yù)制疲勞裂紋時(shí)，先在試樣的兩個(gè)側(cè)面上垂直于裂紋擴(kuò)展方向用鉛筆或其他工具畫兩條標(biāo)線如圖其中標(biāo)線 AB與0.5W相對(duì)應(yīng)，標(biāo)線 CD在最近缺口一側(cè)，兩條標(biāo)線間的距離應(yīng)不 小于缺口 +疲勞裂紋總長度的 2.5%,即卩0.0125W.p s預(yù)制疲勞裂紋開始時(shí)載荷較大，但最大應(yīng)變載荷需保證KqQ3/2 Y Kfmax :B W預(yù)制疲勞裂紋時(shí)的最大應(yīng)力場強(qiáng)度因子交變載荷的最大值應(yīng)使最小載荷1 0.1最大載荷當(dāng)疲

29、勞裂紋長大到標(biāo)線 CD位置時(shí)，應(yīng)當(dāng)減小最大載荷，在裂紋擴(kuò)展的最后階段即在裂紋總長度最后的2.5%的距離內(nèi)應(yīng)使 Kfmax 60%K1C且Kfmax/E 0.01mm2，同時(shí)調(diào)整載荷在-10.1之間預(yù)制疲勞裂紋過程中，要用放大鏡或讀數(shù)顯微鏡仔細(xì)監(jiān)視裂紋的開展，遇到試樣兩側(cè)裂紋開展深度相差較大時(shí)，可將試樣調(diào)轉(zhuǎn)方向繼續(xù)加載3. 試驗(yàn)裝置采用三點(diǎn)彎曲試料，其斷裂試驗(yàn)點(diǎn)在萬能材料試驗(yàn)機(jī)床上進(jìn)行，通過X-Y函數(shù)記錄儀，獲得P-V.載荷與裂紋嘴張開位移曲線，從而可間接確定裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)的載荷Pq .4實(shí)驗(yàn)程序和方法用三點(diǎn)彎曲試樣測試斷裂韌性的程序及方法如下。測量試樣尺寸：在缺口附近至少三個(gè)位置上測量試樣水平

30、寬度W，精確到 0.025mm或0.1%w，然后WZ W2 W3W123從3從疲勞裂紋頂端至試樣的無缺口邊，沿著預(yù)期的裂紋擴(kuò)展線至少在三個(gè)垂直間隔位置上測量寬度B。精確到0.025 mm或0.1%W。然后取B B1一B2B33 安裝彎曲試樣支座，使加力線通過跨距S的中點(diǎn)。偏差在1%S以內(nèi)。放置試樣時(shí)，應(yīng)使裂紋頂端位于跨距的正中， 偏差不得超過1%S而且試樣與支撐輪的軸線應(yīng)成直角偏差20以內(nèi)。標(biāo)定引伸計(jì)用位移標(biāo)定器進(jìn)行標(biāo)定。把引伸計(jì)裝在標(biāo)定器上，對(duì)引伸計(jì)工作量程的10個(gè)等分點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，然后取下引伸計(jì)。再重新裝上。做第二次標(biāo)定。如此標(biāo)定三次。引伸計(jì)的線性應(yīng)當(dāng)滿足： 每個(gè)位移讀數(shù)與最小二乘法擬合直線間的最大偏差不超過0.0025mm。 在試樣上用502膠水粘貼刀口，安裝引伸計(jì)，使刀口與引伸