第四章材料力学性能.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 金属的断裂韧度,Email:shihaifang,第四章 金属的断裂韧度,0.,引言,按传统力学设计，工作应力,小于许用应力,为安全。,塑性材料,S,/n,脆性材料,b,/n,然后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,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。,随着高强度材料的使用，尤其在经过焊接的大型构件中常发生,断裂应力低于屈服强度的低应力脆 断意外事故,，传统或经典的强度理论无法解释。,1965,年英国的一个氨合成塔，设计压力为,36MPa,，水压试验压力为,49MPa,，材料的屈服强度为,460MPa,，此容器在试压过程中加压到,35.2MPa,时，就突然爆炸，其中有一块重达,2T,的碎片竟飞出数十米远。,第四章 金属的断裂韧度,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，设计时的工作应力远低于材料的屈服强度发射点火不久，就发生爆炸。,4.1,线性弹性下的金属断裂韧度,4.2,断裂韧度 的测试,4.3,影响断裂韧度 的因素,4.4,断裂,K,判据应用案例,4.5,弹塑性条件下金属断裂韧度的基本概念,第四章 金属的断裂韧度,第四章 金属的断裂韧度,一、裂纹扩展的基本形式,1.,张开型裂纹（,型）,1,线弹性条件下的金属断裂韧度,2.,滑开型裂纹（,型）,切应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹线垂直，裂纹沿裂纹面平行滑开扩展。,如花键根部裂纹沿切向力的扩展。,1,线弹性条件下的金属断裂韧度,Y,裂纹形状系数，一般,Y=l-2,对于,、,型裂纹,三、断裂韧度,K,C,和断裂,K,判据,1.,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。,K,IC,：,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。,这个临界或失稳状态的,K,I,值就记作,K,IC,或,K,C,称为断裂韧度。,表征材料对宏观裂纹失稳扩展的抗力。,当,和,a,单独或共同增大时，,K,I,和裂纹尖端的各应力分量随之增大,当,K,I,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裂。,1,线弹性条件下的金属断裂韧度,K,C,：,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。,因,K,C,K,IC,，故用,K,IC,设计较为安全，且符合大型工程构件的实际情况。,2.,断裂,K,判据,应力场强度因子,K,I,和断裂韧度,K,IC,的相对大小，可以建立裂纹失稳扩展的断裂,K,判据,:,K,I,K,IC,3.,K,IC,的应用,如果,塑性区尺寸较裂纹尺寸,a,和截面尺寸小一个数量级以上,，只要对,K,I,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,在塑性区内应力应变关系不是线性关系，上述,K,I,判据不再适用,四、裂纹尖端屈服区及修正,按,K,I,建立的脆性断裂判据：,K,I,K,IC,，只适用于弹性状态下的断裂分析。,第四章 金属的断裂韧度,2,断裂韧性,K,C,的测试,1.,试样,试样应足够厚以保证裂纹尖端为平面应变,保证尖端处于小范围屈服状态,2.,测试方法,一、三点弯曲法,2,断裂韧性,K,C,的测试,28,在加载过程中，随载荷,F,的增加，裂纹嘴张开位移,V,增大。用记录仪记录曲线,F,-,V,，进而用,F,-,V,曲线确定裂纹失稳扩展时的载荷,F,Q,。,由于材料性能及试样尺寸不同，,F-V,曲线有三种类型：,1,）材料较脆、试样尺寸足够大时，,F-V,曲线为,III,型,2,）材料韧性较好或试样尺寸较小时，,F-V,曲线为,I,型,3,）材料韧性或试样尺寸居,中时，,F-V,曲线为,II,型,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,F,5,。,如,F,5,前无比,F,5,大的载荷，则,F,Q,=,F,5,；,如,F,5,前有比,F,5,大的载荷，此最高载荷为,F,Q,。,2,断裂韧性,K,C,的测试,S,4W,否则无效，试样尺寸放大,.,倍,将测定的裂纹失稳扩展的临界载荷,F,Q,及试样断裂后测出的裂纹长度,a,代入，即可求出,K,I,的条件值，记为,K,Q,。,然后再依据下列规定判断,K,Q,是否为平面应变状态下的,K,IC,，即判断,K,Q,的有效性。,2,断裂韧性,K,C,的测试,二、紧凑拉伸法,这一构型的应力场强度表达式为,:,三、,Vicker,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 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。,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,Vicker,压头，在抛光的陶瓷材料试件上压出压痕。,2,断裂韧性,K,C,的测试,在正方形压痕的四角，沿辐射方向出现 裂纹。,若选用荷载适当，在压痕对角线方向的抛面接近半圆形。一般要求,c2.5,a,。,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。,H,、,E,、,a,、,c,分别是材料的维氏硬度、弹性模量、压痕对角线与裂纹 的长度；,为约束因子（,3,）。,通过压痕法求一系列的,c,，,a,值，按上式的通式,以,ln,a,和,ln,c,为变量进行拟合，求得,u,、,V,值；,应用所得,u,、,V,值于待测的同类材料上，再测,a,、,c,值，并利用已知的,H,、,E,，可求得,K,IC,。,3,影响断裂韧性,K,IC,的因素,第四章 金属的断裂韧度,一、内因（材料因素）,1,）晶粒尺寸,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 的能量也愈大，因此,K,IC,也愈高。,2,）合金化,固溶使得,K,IC,降低；,*,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。,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,弥散分布的第二相数量越多，其间距越小，,K,IC,越低；,第二相沿晶界网状分布，晶界损伤，,K,IC,降低；,球状第二相的,K,IC,片状,3,）夹杂,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 起缺陷源的作用，都使材料 的,K,IC,值下降。,3,影响断裂韧性,K,IC,的因素,4,）显微组织,（,1,）,M,组织,板条,M,：精细结构位错具有较高强度和塑性，裂纹扩展阻力大，,K,IC,高,针状,M,：孪晶使滑移系减少,4,倍，并易感应裂纹硬而脆，,K,IC,低,混合,M,：介于二者之间,（,2,）,M,回火组织,回火马氏体：基体为过饱和,F,，塑性差，质点小且弥散，间距小，裂纹扩展阻力小，,K,IC,低,回火索氏体：基体为再结晶,F,，,K,粒子为粒状，间距大，,K,IC,高,回火屈氏体：介于二者之间,（,3,）贝氏体组织,上贝氏体：,F,片层间分布有断续,K,，裂纹扩展阻力小，,K,IC,低,下贝氏体：过饱和针状,F,中弥散,K,，裂纹扩展阻力大，,K,IC,高,（,4,）,B,与,M,3,影响断裂韧性,K,IC,的因素,（,5,）残余奥氏体：,塑性高，松弛应力、裂纹扩展阻力大，可以提高,K,IC,二、特殊热处理对断裂韧度的影响,1,）形变热处理,高温形变热处理细化奥氏体亚结构，细化淬火马氏体，强度、韧性提高，,K,IC,提高。,低温形变热处理细化,A,亚结构，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，,K,IC,提高。,2,）亚温淬火,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,A,大若干倍，杂质偏析浓度低，,F,溶解杂质多，,K,IC,提高。,3,）超高温淬火,M,由孪晶变为板条,M,板条束间有稳定,A,膜,K,溶入,A,，减少微孔形核,三、外因（板厚和实验条件）,1,）板厚,3,影响断裂韧性,K,IC,的因素,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，即平面应 变断裂韧度,2,）温度,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,影响断裂韧性,K,IC,的因素,3,）应变速率,应变速率每提高一个数量级，断裂韧性将降低,10%,。,很大时，绝热温度升高，断裂韧性反而提高。,3,影响断裂韧性,K,IC,的因素,四、,K,IC,与其它力学性能指标的关系,K,IC,的测定技术比较复杂。试图根据常规力学性能估算,K,IC,的模型和经验关系式,（一）,K,IC,与其它静载荷力学性能指标的关系,Krafft,模型：,假定材料为含有均匀分布第二相质点的两相合金，质点间距为,，物体受力后裂纹顶端出现一塑性区，随着外力增加，塑性区增大，当 塑性区与裂纹前方的第一个质点相遇时，即塑性区 尺寸,r,时，质点与基体界面开裂形成孔洞。,孔洞与裂纹之间的材料断裂时，裂纹便开始向前扩展，材料的断裂条件就是裂纹扩展的条件。这时的,K,I,因子，就是材料的断裂韧性,K,IC,。,根据虎克定律，在弹性区与塑性区的交界处，即,r,点的应变,y,为,K,IC,与其它力学性能指标的关系,塑性区符合,Hollomon,方程,当,y,=e,b,时，第二相断裂、脱落，形成微孔，裂纹长大，扩展断裂。,而,e,b,=,n,，因此，裂纹扩展的临界条件为：,所以，,微孔集聚型断裂的断裂韧性,为：,在,Krafft,模型中，还使用了一个潜在的假设，将虎克定律外延到塑性变形阶段。这 显然是一种近似做法。,Hahn,和,Bosenfield,由裂纹前沿在受载时塑性应变区达到断裂应变作为裂纹体失稳的临界状态，导出下列关系,K,IC,与其它力学性能指标的关系,解理及沿晶脆断,裂纹尖端某一特征距离内的应力达到解理断裂强度时，裂纹失稳。若该特征距离为晶粒直径的倍，则有,无论是解理断裂或韧性断裂，,K,IC,都是强度和塑性的综合反映。,第四章 金属的断裂韧度,（二）断裂韧度与冲击韧度的关系,对,Charpy,冲击试样的应力应变分析表明，冲击试样断裂时的应力状态为平面应变状态，试样的最大横 向收缩应力接近于最大约束产生的结果。,冲击功是在冲击条件下测得的打断试样所吸收的功，而断裂韧度则是在缓慢加载条件下测得的尖 裂纹起裂时的应力场强度因子的临界值，,二者都反映 材料的韧性，冲击功高的材料，其断裂韧度也高，且 冲击功中也包含一部分裂纹扩展功。,由于裂纹和缺口不同，以及加载速率不同，所以,A,KV,和,K,IC,的温度变化曲线不一样，由,K,IC,确定的韧脆转 变温度比,A,KV,的高,断裂韧度与冲击韧度的关系,Barson,，,Rolfe,和,Novak,研究了,11,种钢的上平台,A,KV,与,K,IC,的关系，发现与成直线关系。,对于某些中高强钢,第四章 金属的断裂韧度,4,提高陶瓷材料断裂韧性的常用方法,陶瓷材料和金属材料的抗拉屈服强度并不存在很大差异。而断裂韧性,K,IC,值比金属小,12,个数量级。,1,）氧化锆相变增韧,当材料受到外力作用时，裂纹扩展到亚稳的,t,-ZrO,2,粒子，裂纹尖端的应力集中使基体对,t,-ZrO,2,的压抑作用首先在裂纹尖端得到松弛，促发,t,-ZrO,2,m,-ZrO,2,的相变，产生体积膨胀形成相变区。由此产生的相变应力又反作用于裂纹尖端，降低了裂纹尖端 的应力集中程度，发生所谓的钝化反应，减缓或完 全抑制了裂纹的扩展，从而提高断裂韧性,2,）微裂纹增韧,在陶瓷基体相和分散相之间，由于温度变化引起的热膨胀差或相变引起的体积差，会产生弥散均布的微裂纹,4,提高陶瓷材料断裂韧性的常用方法,当主裂纹扩展时，这些均匀分布的微裂 纹会促使主裂纹分叉，使主裂纹扩展路径曲折前进，增加了扩展过程中的表面 能，从而使裂纹快速扩展受到阻碍，增加了 材料的韧性。,3,）裂纹偏转增韧机制,裂纹在扩展过程中遇到晶界、第二相颗粒或残余应力场时，将偏离原来运动方向产生非 平面型裂纹，称之为裂纹偏转。,4,提高陶瓷材料断裂韧性的常用方法,裂纹偏转意味着裂纹扩展路径将被增长，同时，由于裂纹平面不再垂直于张应 力方向而使得裂纹尖端的应力强度降低，因而，裂纹偏转将增大材料的韧性。,4,）裂纹弯曲增韧机制,裂纹弯曲是由于裂纹障碍（基体相中存在断裂能更大的第 二相增强剂如颗粒、晶须）形成的。裂纹扩展时，其前沿越过第二障碍相，形成裂纹弯曲。,5,）裂纹桥联增韧机制,桥联增韧是指由增强元连接扩展裂纹的两表面形成裂纹闭合力而导致脆性基体 材料增韧的方法,裂纹表面桥联作用可以分为两种形式,4,提高陶瓷材料断裂韧性的常用方法,刚性第二相导致裂纹桥联,韧性第二相导致裂纹桥联,当桥联相为刚性时，桥联增韧需要第二相增强组元与基体相有,显微结构,特征要求以及,残余热应力,的存在或适当的,相界面结合状态,。,显微结构特征,指第二相具有一定的长径比，它们可 以是纤维或者晶须、柱状粒子、片状粒子、甚至具 有大长径比的基体相颗粒同样可以发挥桥联作用。,热膨胀性能失配引起,的较大残余应力可能在裂纹 尖端的尾部上形成一个,压应力区,作为一个完整的韧 带存在,4,提高陶瓷材料断裂韧性的常用方法,弱的界面结合,可以通过界面滑动、解离甚至第二相拔出来形成裂纹表面桥联作用而增韧,6,）韧性相增韧,陶瓷材料中分布着韧性相，韧性相会在裂纹扩展中起附加吸收能量的作用。,裂纹尖端附近韧性相出现较大范围的塑性变形，消耗变形功；,裂纹尖端塑变可以松弛应力。,7,）纤维、晶须增韧,弥散于陶瓷基体构成复合材料时，纤维或晶须能为 基体分担大部分外加应力而产生强化,弥散于陶瓷基体构成复合材料，纤维或晶须能为基体分担大部分外加应力而产生强化。,当有裂纹时，裂纹为避开纤维或晶须，沿着基体与纤维或晶须界面传播，使裂纹扩展途径出现弯曲从而使断裂能增加而增韧。,纤维或晶须也可能从基体中拔出，消耗部分能量；同时在接近尖端后部，部分未拔出或末断裂的纤 维或晶须桥接上下裂纹面，降低应力集中，提高韧性。,8,）表面残余压应力增韧,第四章 金属的断裂韧度,5,弹塑性条件下金属断裂韧度概述,广泛使用的中、低强度钢,s,低，,K,IC,高，其中对于小型机件而言，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。,大尺寸构件，尺寸大，平面应变，屈服区小，,K,IC,适用。测试时，试样尺寸大，困难。,一、,J,积分的意义和特性,设有一单位厚度的,I,型裂纹体，逆时针取一回路,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,.,在弹性状态下，,所包围体积的系统势能，等于弹性应变能和外力功之差,U,=,U,e,-,W,第四章 金属的断裂韧度,因厚度为,1,，故裂纹尖端的,G,为,内总应变能为,:,外力在该点所做的功为,:,这就是在线弹性条件下,G,的能量线积分的表达式。,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。,J,I,为,I,型裂纹的能量线积分,在线弹性条件下，,J,I,=G,I,=,K,I,2,/,E,在弹塑性小应变条件下，上式也成立。同时，在小应变条件下，,J,积分和路径,无关，即,J,的守恒性。,第四章 金属的断裂韧度,J,积分的断裂判据就是,G,判据的延伸，或将线弹性条件下,G,延伸到弹塑性断裂，,J,表达形式,G,相似。,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,G,的概念是一个含有裂纹尺寸为,a,的试样，当裂纹尺寸扩展为,a,+d,a,时系统能量的释放率。,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,+d,a,，两者在加载过程中形变功之差。,J,不能描述裂纹的扩展过程，不允许卸载情况发生。,5,弹塑性条件下金属断裂韧度概述,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，,J,I,=,G,I,成立，这是用试验方法测定,J,IC,的理论根据。,只要测出阴影面积,OABO,和,a,，便可计算,J,I,值。,塑性变形是不可逆的，因此求,J,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。,所以，在弹塑性条件下，,J,I,不能象,G,I,那样理解为裂纹扩展时系统势能的释放率。,应理解为：,裂纹相差单位长度的两个等同试样，加载到等同位移时，势能差值与裂纹面积差值的比率，即所谓形变功差 率。,通常,J,积分不能处理裂纹的连续扩张问题，其临界值只是开裂点，不一定是失稳断裂点。,5,弹塑性条件下金属断裂韧度概述,J,IC,判据,1,）在弹塑性小应变条件下,J,I,J,IC,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，,J,积分的临界值,J,IC,也称断 裂韧度，,表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力,。,2),在线弹性条件下,平面应力,平面应变,为线弹性条件下的断裂判据,亦为断裂判据,目前，,J,I,判据及,J,IC,测试目的，主要期望用小试样测出,J,IC,，换算成大试样的,K,IC,，然后再按,K,I,判据去解决中、低强度钢大型件的断裂问题。,5,弹塑性条件下金属断裂韧度概述,二、裂纹尖端张开位移,(COD),和断裂韧度,C,由于裂纹尖端的应变量较小，难于精确测定。而裂纹尖端的张开位移,COD(Crack Opening Displacement),可以间接表示应变量的大小,1.,线弹性条件下,裂纹尖端由,O,点虚移到,O,点，裂纹长度由,a,变为,a,*,a,+,r,y,。,原裂纹尖端,O,处要张开，张开位移量为,2V,。这个张开位移就是,COD,，即,。在线弹性和平面应力条件下，,I,型裂纹顶端的张开位移为：,可见，,与,K,I,，,G,I,可以定量换算。在小幅范围内，,K,I,K,IC,，,G,I,G,IC,既然可以作为断裂判据，则,C,亦可作为断裂判据,裂纹尖端张开位移,(COD),和断裂韧度,C,2.,弹塑性条件,假设一个中、低强度钢无限大的板 中有,I,型穿透裂纹，在平均应力作用下裂纹两端出现塑性区，,裂纹尖端因塑性变形而钝化，在,2,a,不增加时,裂纹沿,方向张开的位移,只适用与裂纹前端产生大范围屈服,而不适合用于全屈服。,理想塑性材料无限大薄板中有一,长,2,a,的,型穿透裂纹，受均匀应,力,作用，尖端塑性区为劈尖。,设裂纹长度由,2,a,扩展到,2c,时，将塑性区割开。,裂纹尖端张开位移,(COD),和断裂韧度,C,则,A,、,B,两点裂纹张开位移,c,称为材料断裂韧性，表示材料阻止裂纹开始扩展的能力,3),与、的关系,断裂应力 时，,平面应力,平面应变,n,：尖端硬化及出现三向应力状态修正系数,裂纹尖端张开位移,(COD),和断裂韧度,C,