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1、4 金属材料的断裂和断裂韧性金属材料的断裂和断裂韧性现代设计与分析研究所现代设计与分析研究所何雪浤何雪浤1在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4 金属材料的断裂和断裂韧性金属材料的断裂和断裂韧性工程构件的主要失效形式工程构件的主要失效形式n断裂断裂、弹塑性失稳、磨损、腐蚀等、弹塑性失稳、磨损、腐蚀等断裂的不同形式断裂的不同形式n疲劳断裂、蠕变断裂、应力腐蚀或腐蚀疲劳断裂等疲劳断裂、蠕变断裂、应力腐蚀或腐蚀疲劳断裂等室温环境下单向加载时的金属断裂室温环境下单向加载时的金属断裂n断裂类型：脆性断裂、韧性断裂断裂类型：脆性断裂、
2、韧性断裂n断裂过程与微观机制断裂过程与微观机制 n断裂的基本理论断裂的基本理论 n韧脆转化韧脆转化 区分依据：区分依据：断裂前是否发生明显的宏观塑性变形；断裂前是否发生明显的宏观塑性变形；断裂前是否明显地吸收了能量断裂前是否明显地吸收了能量 2在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4 金属材料的断裂和断裂韧性金属材料的断裂和断裂韧性4.1 脆性断裂脆性断裂 4.2 延性断裂延性断裂 4.3 脆性脆性韧性转变韧性转变 4.4 线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下的断裂韧性 4.5 影响断裂韧性的因素影响断裂韧性的因素 4.6 金
3、属的韧化金属的韧化4.7 弹塑性条件下断裂韧性的概述弹塑性条件下断裂韧性的概述 3在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4.1 脆性断裂脆性断裂脆性断裂的宏观特征脆性断裂的宏观特征n断裂前无明显的塑性变形，吸收的能量很少，而裂纹的断裂前无明显的塑性变形，吸收的能量很少，而裂纹的扩展速度往往很快，几近音速，故脆性断裂前无明显的扩展速度往往很快，几近音速，故脆性断裂前无明显的征兆可寻，且断裂是突然发生的，因而往往引起严重的征兆可寻，且断裂是突然发生的，因而往往引起严重的后果后果。在工程应用中，一般把在工程应用中，一般把k 5定为
4、韧性断裂。定为韧性断裂。材料处于脆性状态还是韧状态并不是固定不变的，往往因材料处于脆性状态还是韧状态并不是固定不变的，往往因材质、应力状态和环境等因素而相互转化。材质、应力状态和环境等因素而相互转化。常见的脆性断裂有解理断裂和晶间断裂。常见的脆性断裂有解理断裂和晶间断裂。4在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4.1.1 解理断裂解理断裂解理断裂是材料在拉应力的作用下，由于原子间结合键遭到破坏，解理断裂是材料在拉应力的作用下，由于原子间结合键遭到破坏，严格地沿一定的结晶学平面（即所谓严格地沿一定的结晶学平面（即所谓“解理面解
5、理面”）劈开而造成的。）劈开而造成的。解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指数低指数的晶面。的晶面。解理断口的宏观形貌是较为平坦的、发亮的结晶状断面。解理断口的宏观形貌是较为平坦的、发亮的结晶状断面。在电子显微镜下，解理断口的特征是在电子显微镜下，解理断口的特征是河流状花样河流状花样。河流状花样是由。河流状花样是由解理台阶的侧面汇合而形成的。解理台阶的侧面汇合而形成的。“河流河流”的流向的流向与裂纹扩展方向与裂纹扩展方向一致一致。在通过扭曲晶界或在通过扭曲晶界或大角度晶界大角度晶界时，由于相邻晶粒内解理面的位向差时，由于相邻晶粒内解理面的位向差很大，裂
6、纹在晶界受阻，裂纹尖端的高应变能激发了在晶界另一侧很大，裂纹在晶界受阻，裂纹尖端的高应变能激发了在晶界另一侧面的解理裂纹成核，即出现了新的河流花样，而且往往数量大增。面的解理裂纹成核，即出现了新的河流花样，而且往往数量大增。解理断裂的另一个微观特征是解理断裂的另一个微观特征是舌状花样舌状花样，它是解理裂纹沿孪晶界扩，它是解理裂纹沿孪晶界扩展而留下的舌状凸台或凹坑。展而留下的舌状凸台或凹坑。5在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确一些金属的解理面一些金属的解理面 6在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置
7、具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确解理断口的河流花样（箭头所指为扩展方向）解理断口的河流花样（箭头所指为扩展方向）7在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确裂纹扩展和河流方向裂纹扩展和河流方向 8在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确裂纹穿过大角度晶界的解理河流花样裂纹穿过大角度晶界的解理河流花样 9在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确解理断口的舌状花样解理断口的舌状花样10
8、在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4.1.2 准解理断裂准解理断裂准解理断裂多在马氏体回火钢中出现，回火产物中细小的准解理断裂多在马氏体回火钢中出现，回火产物中细小的碳化物质点影响裂纹的产生和扩展。碳化物质点影响裂纹的产生和扩展。准解理断裂时，其解理面除（准解理断裂时，其解理面除（0 01）面外，还有（）面外，还有（1 1 0）、）、（1 1 2）等晶面。）等晶面。准解理断裂的解理小平面间有明显的撕裂棱。其微观形貌准解理断裂的解理小平面间有明显的撕裂棱。其微观形貌中，出现大量短而弯曲的中，出现大量短而弯曲的撕裂棱撕裂棱，
9、河流花样已不十分明显。，河流花样已不十分明显。撕裂棱是由一些单独形核的裂纹撕裂棱是由一些单独形核的裂纹相互连接相互连接而形成的。而形成的。11在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确准解理断口准解理断口 12在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确撕裂棱的形成过程示意图撕裂棱的形成过程示意图 13在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确准解理断裂和解理断裂的主要不同点准解理断裂和解理断裂的主要
10、不同点准解理裂纹常起源于晶内硬质点，向四周准解理裂纹常起源于晶内硬质点，向四周放射状地放射状地扩展，扩展，而解理裂纹则自晶界一侧向另一侧延伸；而解理裂纹则自晶界一侧向另一侧延伸；准解理断口有许多准解理断口有许多撕裂棱撕裂棱；准解理断口上准解理断口上局部区域出现韧窝局部区域出现韧窝，是解理与微孔聚合的，是解理与微孔聚合的混混合型合型断裂。但准解理断裂的主要机制仍是解理。其宏观表断裂。但准解理断裂的主要机制仍是解理。其宏观表现是脆性的。所以，常将准解理断裂归入脆性断裂。现是脆性的。所以，常将准解理断裂归入脆性断裂。14在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由
11、浅入深，所提出的问题也很明确4.1.3 沿晶断裂沿晶断裂沿晶断裂是裂纹沿晶断裂是裂纹沿晶界扩展沿晶界扩展的一种脆性断裂的一种脆性断裂。沿晶断裂发生的主要原因沿晶断裂发生的主要原因 n晶界存在连续分布的脆性第二相；晶界存在连续分布的脆性第二相；n微量有害杂质元素在晶界上偏聚；微量有害杂质元素在晶界上偏聚；n由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力腐蚀、应力由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力腐蚀、应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。和高温的复合作用在晶界造成损伤。n例：例：钢的高温回火脆性是微量有害元素钢的高温回火脆性是微量有害元素P，Sb，As，Sn等偏等偏聚于晶界，降低了晶界原子间的
12、结合力，从而大大降低了裂聚于晶界，降低了晶界原子间的结合力，从而大大降低了裂纹沿晶界扩展的抗力，导致沿晶断裂。纹沿晶界扩展的抗力，导致沿晶断裂。15在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确沿晶断裂断口形貌沿晶断裂断口形貌 16在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4.2.1 延性断裂特征及过程延性断裂特征及过程 延性断裂的微观特征是延性断裂的微观特征是韧窝形貌韧窝形貌。在电子显微镜下，可以。在电子显微镜下，可以看到断口由许多凹进或凸出的微坑组成。在微坑中可以
13、发看到断口由许多凹进或凸出的微坑组成。在微坑中可以发现有第二相粒子。现有第二相粒子。一般情况下，断口具有韧窝形貌的构件，其宏观断裂是韧一般情况下，断口具有韧窝形貌的构件，其宏观断裂是韧性的，性的，断口的宏观形貌大多呈纤维状断口的宏观形貌大多呈纤维状。延性断裂的过程是：延性断裂的过程是：“微孔形核微孔形核微孔长大微孔长大微孔聚合微孔聚合”三部曲。微孔聚合有三部曲。微孔聚合有三种不同的模式三种不同的模式。韧窝的韧窝的形状因应力状态而异形状因应力状态而异。如在正应力作用下，韧窝是。如在正应力作用下，韧窝是等轴形的；在扭载荷作用下，韧窝被拉长为椭圆形。等轴形的；在扭载荷作用下，韧窝被拉长为椭圆形。微观
14、上的延性断裂（其特征为微孔聚合、韧窝形貌），往微观上的延性断裂（其特征为微孔聚合、韧窝形貌），往往与宏观上的韧性断裂（断裂前有较大的宏观塑性变形）往与宏观上的韧性断裂（断裂前有较大的宏观塑性变形）相联系，但并无严格的对应关系。相联系，但并无严格的对应关系。17在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确延性断裂断口形貌延性断裂断口形貌韧窝韧窝 18在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确剪切裂纹一般沿滑移线发生.高强度钢常发生这种模式的微孔聚合，其韧性较“正常的”
15、微孔聚合模式要差。微孔聚合的三种形式微孔聚合的三种形式（a）正常的微孔聚合；（）正常的微孔聚合；（b）快速剪切断开；（）快速剪切断开；（c）大片夹杂相连）大片夹杂相连 内颈缩内颈缩剪切裂纹剪切裂纹夹杂夹杂微孔成核源：第二相粒子。在应力作用下，基体和第二相粒子的界面脱开，或第二相粒子本身开裂，于是出现微孔。材料内部本身存在着大片的夹杂，微孔通过脆弱的夹杂连成裂纹。这是不合格材料出现的一种缺陷 19在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确不同韧窝形式不同韧窝形式(a)等轴韧窝等轴韧窝(b)抛物线型韧窝抛物线型韧窝 (c)拉长型韧窝
16、拉长型韧窝20在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4.2.2 影响延性断裂扩展的因素影响延性断裂扩展的因素 1 第二相粒子第二相粒子 n第二相粒子分为两大类，一类是第二相粒子分为两大类，一类是夹杂物夹杂物，如钢中的，如钢中的MnS，它很，它很脆，在不大的应力作用下，这些夹杂物粒子便与基体脱开，或脆，在不大的应力作用下，这些夹杂物粒子便与基体脱开，或本身裂开而成为微孔；另一类是本身裂开而成为微孔；另一类是强化相强化相，如钢中的弥散碳化物、，如钢中的弥散碳化物、铝合金中的弥散强化相，它们本身比较坚实，与基体结合也牢，铝合金中的
17、弥散强化相，它们本身比较坚实，与基体结合也牢，是位错塞积引起的应力集中，或在高应变条件下，第二相与基是位错塞积引起的应力集中，或在高应变条件下，第二相与基体塑性变形不协调而萌生微孔的。体塑性变形不协调而萌生微孔的。n随第二相体积分数的增加，钢的韧性都下降，硫化物比碳化物随第二相体积分数的增加，钢的韧性都下降，硫化物比碳化物的的影响影响要明显得多。要明显得多。2 基体的形变强化基体的形变强化 n基体的形变强化基体的形变强化指数越大指数越大，则塑性变形后的强化越强烈，其结，则塑性变形后的强化越强烈，其结果是各处均匀的变形。微孔长大后的聚合，将按正常模式进行，果是各处均匀的变形。微孔长大后的聚合，将
18、按正常模式进行，韧性好韧性好；相反地，如果基体的；相反地，如果基体的形变强化指数小形变强化指数小，则变形容易局，则变形容易局部化，较易出现快速剪切裂开。这种聚合模式部化，较易出现快速剪切裂开。这种聚合模式韧性低韧性低。21在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第二相对断裂应变的影响第二相对断裂应变的影响 22在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4.3 脆性脆性韧性转变韧性转变 构件或材料的韧性或脆性并不是固定不变的，构件或材料的韧性或脆性并不是固定不变的
19、，除了材料本身的除了材料本身的组织结构组织结构有很大影响外，还取有很大影响外，还取决于决于应力状态应力状态，温度温度和和加载速率加载速率等等。与其说等等。与其说某一材料本质是脆性的或韧性的，还不如说该某一材料本质是脆性的或韧性的，还不如说该材料是处于脆性状态或韧性状态。材料是处于脆性状态或韧性状态。23在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4.3.1 应力状态、柔度系数与破坏形式应力状态、柔度系数与破坏形式切应力促进塑性变形，对韧性有利；拉应切应力促进塑性变形，对韧性有利；拉应力促进断裂，不利于韧性。力促进断裂，不利于韧性。
20、柔度系数（软性系数）柔度系数（软性系数）值愈大，应力状态愈值愈大，应力状态愈“柔柔”，愈易变形而，愈易变形而较不易开裂，即愈易处于韧性状态。较不易开裂，即愈易处于韧性状态。值愈值愈小，则相反，愈易倾向脆性断裂小，则相反，愈易倾向脆性断裂 24在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确某一材料的力学状态图某一材料的力学状态图 正断正断屈服屈服切断切断弹性变形区弹性变形区弹塑性变形区弹塑性变形区切断切断正断正断25在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4.3.2
21、温度和加载速率的影响温度和加载速率的影响 温度对韧脆转变温度对韧脆转变影响显著影响显著，这是由于温度对正断强，这是由于温度对正断强度影响不大，而对屈服强度影响甚大度影响不大，而对屈服强度影响甚大。随着温度升高，断裂应力变化不大，而屈服强度变随着温度升高，断裂应力变化不大，而屈服强度变化很大，化很大，c和和s交点就是交点就是韧韧脆转变温度脆转变温度，低于，低于此温度是无屈服的断裂，即脆断；高于此温度是此温度是无屈服的断裂，即脆断；高于此温度是韧断。韧断。提高加载速率起着与温度相反的作用提高加载速率起着与温度相反的作用。加载速率提。加载速率提高，容易激发解理断裂，即使是微孔聚合的延性高，容易激发解
22、理断裂，即使是微孔聚合的延性断裂机理，微孔聚合的模式也只能是快速剪切裂断裂机理，微孔聚合的模式也只能是快速剪切裂开，因而增加了脆性倾向。开，因而增加了脆性倾向。26在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确碳含量对钢冲击转变温度的影响碳含量对钢冲击转变温度的影响 27在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确脆性韧性转变示意图脆性韧性转变示意图 28在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4.3.
23、3 材料微观结构的影响材料微观结构的影响（1）晶格类型的影响晶格类型的影响 n面心立方晶格的金属，一般不出现解理断裂，也没有韧面心立方晶格的金属，一般不出现解理断裂，也没有韧脆转脆转变温度，其韧性可以维持到低温。变温度，其韧性可以维持到低温。n体心立方晶格的金属，韧脆转变受温度及加载速率的影响很大，体心立方晶格的金属，韧脆转变受温度及加载速率的影响很大，因为在低温和高加载速率下，它们易发生孪晶，也容易激发解因为在低温和高加载速率下，它们易发生孪晶，也容易激发解理断裂。理断裂。（2）成分的影响成分的影响 n微量的氧、氮以及间隙原子溶于体心立方晶格中会阻碍滑移，微量的氧、氮以及间隙原子溶于体心立方
24、晶格中会阻碍滑移，促进其脆性。促进其脆性。n钢中含碳量增加，塑性抗力增加钢中含碳量增加，塑性抗力增加。n合金元素的影响比较合金元素的影响比较复杂复杂。（3）晶粒大小的影响晶粒大小的影响 n晶粒细化既提高了材料的强度，又提高了它的塑性和韧性，还晶粒细化既提高了材料的强度，又提高了它的塑性和韧性，还降低了韧脆转变温度降低了韧脆转变温度。（4）第二相粒子的影响第二相粒子的影响 n细小的第二相粒子有利于降低韧脆转变温度。细小的第二相粒子有利于降低韧脆转变温度。29在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确合金元素对钢冲击韧性转变温度的影
25、响合金元素对钢冲击韧性转变温度的影响 30在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确断裂力学和断裂韧性断裂力学和断裂韧性为防止裂纹体的低应力脆断，不得不对其强度为防止裂纹体的低应力脆断，不得不对其强度断裂抗断裂抗力进行研究，从而形成了断裂力学这样一个新学科。力进行研究，从而形成了断裂力学这样一个新学科。断裂力学的研究内容包括裂纹尖端的应力和应变分析；建断裂力学的研究内容包括裂纹尖端的应力和应变分析；建立新的断裂判据；断裂力学参量的计算与实验测定，其中立新的断裂判据；断裂力学参量的计算与实验测定，其中包括材料的力学性能新指标包括材
26、料的力学性能新指标断裂韧性及其测定，断裂断裂韧性及其测定，断裂机制和提高材料断裂韧性的途径等。机制和提高材料断裂韧性的途径等。断裂力学用于构件的安全性评估或断裂控制设计，是对静断裂力学用于构件的安全性评估或断裂控制设计，是对静强度设计的重大发展和补充，具有重大的工程应用意义。强度设计的重大发展和补充，具有重大的工程应用意义。断裂力学的发展经历了从线弹性断裂力学到弹塑性断裂力断裂力学的发展经历了从线弹性断裂力学到弹塑性断裂力学的阶段。学的阶段。31在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4.4 线弹性条件下的断裂韧性线弹性条件下
27、的断裂韧性 4.4.1 三种断裂的类型三种断裂的类型 张开型张开型张开型张开型(I I I I)滑开型滑开型滑开型滑开型()撕开型撕开型撕开型撕开型()32在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确三种基本断裂类型的实例三种基本断裂类型的实例 33在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 叶轮中的叶轮中的I型裂纹型裂纹 34在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确联接螺栓中的联接螺栓中的II型裂
28、纹型裂纹35在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4.4.2 应力强度因子应力强度因子KI和断裂韧性和断裂韧性KIcn裂纹尖端应力应变场分析得裂纹尖端应力场的裂纹尖端应力应变场分析得裂纹尖端应力场的一般表达式：一般表达式：中心贯穿裂中心贯穿裂纹无限大板纹无限大板36在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4.4.2 应力强度因子应力强度因子KI和断裂韧性和断裂韧性KIc应力强度因子的临界值应力强度因子的临界值是材料本身的是材料本身的固有属性固有属性 37在整
29、堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确断裂韧性随板厚的变化断裂韧性随板厚的变化38在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确一些工程材料在常温下的一些工程材料在常温下的KIc值值 39在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4.4.2 应力强度因子应力强度因子KI和断裂韧性和断裂韧性KIc脆性断裂的脆性断裂的K准则准则:nKI和和KIc的物理意义的物理意义KI：应力强度因子，计算得到。：应力强度因
30、子，计算得到。KIc：断裂韧性：材料抵抗脆性断裂的能力断裂韧性：材料抵抗脆性断裂的能力。nKIc的试验获得的试验获得n平面应变断裂韧性平面应变断裂韧性40在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4.4.3 裂纹扩展的能量释放率裂纹扩展的能量释放率GI和断裂韧性和断裂韧性GIc 分析原理：能量法分析原理：能量法扩展扩展稳定稳定临界临界裂纹临界条件：裂纹临界条件：G准则准则41在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确K与与G的关系的关系42在整堂课的教学中，刘教师
31、总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确K准则的工程应用准则的工程应用uK准则准则:n临界应力临界应力n临界裂纹长度临界裂纹长度43在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确K准则的工程应用准则的工程应用应用场合：应用场合：n已知应力，求临界裂纹长度；已知应力，求临界裂纹长度；n已知裂纹长度，求临界应力（剩余强度）。已知裂纹长度，求临界应力（剩余强度）。应用步骤：应用步骤：n通过无损检测，确定裂纹通过无损检测，确定裂纹a的长度及位置；的长度及位置；n对缺陷进行分析，计算或查表得到应力强
32、度因子对缺陷进行分析，计算或查表得到应力强度因子K的表达式；的表达式；n通过试验或查表，确定材料的平面应变断裂韧性通过试验或查表，确定材料的平面应变断裂韧性KIc值；值；n根据根据K准则，进行断裂力学分析，确定临界裂纹长度准则，进行断裂力学分析，确定临界裂纹长度ac或临界或临界应力（剩余强度）值。应力（剩余强度）值。44在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确工程应用实例工程应用实例1950年，美国北极星导弹发动机壳体发生年，美国北极星导弹发动机壳体发生爆炸事件。已知壳体材料为爆炸事件。已知壳体材料为D6GC高强度钢，高强度钢
33、，传统检验合格，水压实验时爆炸，破坏应传统检验合格，水压实验时爆炸，破坏应力为力为 。材料的断裂韧。材料的断裂韧性为性为 ，试分析其低应力脆断的原因。，试分析其低应力脆断的原因。45在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确工程应用实例工程应用实例应力分析应力分析周周向向应应力力和和轴轴向应力图向应力图46在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确工程应用实例工程应用实例传统强度分析传统强度分析n未超过许用应力，强度合格。未超过许用应力，强度合格。断裂分析断裂分析
34、n临界裂纹长度临界裂纹长度0.36mm，易漏检。，易漏检。改进措施改进措施n选用选用KIc较高的材料，提高临界裂纹长度，确保较高的材料，提高临界裂纹长度，确保检出率。检出率。47在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4.4.4 平面应变断裂韧性的测定平面应变断裂韧性的测定 1.试样及其制备试样及其制备 n用于测定用于测定KIc 的的标准试样标准试样主要采用三点弯曲和紧凑拉伸试主要采用三点弯曲和紧凑拉伸试样。样。n为引发裂纹，可先用线切割加工宽度为引发裂纹，可先用线切割加工宽度0.13mm的切口，的切口，然后用高频疲劳试验机预
35、制长度然后用高频疲劳试验机预制长度1.3mm的疲劳裂纹。的疲劳裂纹。n疲劳预制中的疲劳预制中的Kmax应小于应小于0.6KIc，特别是在最终达到要求，特别是在最终达到要求裂纹长度时，应尽量减小负荷，以保证裂纹有足够的尖锐裂纹长度时，应尽量减小负荷，以保证裂纹有足够的尖锐度。度。48在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确两种典型的断裂韧性试样两种典型的断裂韧性试样（a）三点弯曲）三点弯曲（b）紧凑拉伸）紧凑拉伸49在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4.4
36、.4 平面应变断裂韧性的测定平面应变断裂韧性的测定2.测试设备和方法测试设备和方法n测试的装置测试的装置如图所示。测试时，通过载荷传感器和位移如图所示。测试时，通过载荷传感器和位移传感器以及动态电阻应变仪和函数记录仪，连续记录负传感器以及动态电阻应变仪和函数记录仪，连续记录负荷荷F和裂纹嘴张开位移和裂纹嘴张开位移v，从而得到，从而得到Fv曲线。由此曲曲线。由此曲线如果能定出临界载荷线如果能定出临界载荷Fc以及由断口上测定的裂纹长度以及由断口上测定的裂纹长度a，代入确定的，代入确定的KIc计算公式，就可以求得材料的断裂韧计算公式，就可以求得材料的断裂韧性性KIc值。值。50在整堂课的教学中，刘教
37、师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确KIc测试装置系统测试装置系统 51在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4.5 影响断裂韧性的因素影响断裂韧性的因素1.材料的组织和结构材料的组织和结构（1）晶粒尺寸）晶粒尺寸 n晶粒愈细，晶界所占比例愈大，裂纹尖端附近从产生一定尺寸晶粒愈细，晶界所占比例愈大，裂纹尖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，因此的塑性区到裂纹扩展所消耗的能量也愈大，因此KIc也愈高。一也愈高。一般说来，般说来，细化晶粒是使强度和韧性同时提
38、高的有效手段细化晶粒是使强度和韧性同时提高的有效手段。（2）夹杂和第二相）夹杂和第二相 n钢中的钢中的夹杂物夹杂物，如硫化物、氧化物等往往偏析于晶界，导致晶，如硫化物、氧化物等往往偏析于晶界，导致晶界弱化，增大沿晶断裂的倾向，而在晶内分布的杂质则常常起界弱化，增大沿晶断裂的倾向，而在晶内分布的杂质则常常起着缺陷源的作用。所有这些都着缺陷源的作用。所有这些都使材料的使材料的KIc值下降值下降。n至于至于脆性第二相脆性第二相，如随碳含量的增加，渗碳体增多，强度提高，如随碳含量的增加，渗碳体增多，强度提高，但但KIc 值值急剧下降急剧下降。n夹杂物和第二相的形状对夹杂物和第二相的形状对KIc值也有很
39、大影响值也有很大影响。n回火脆性也是引起钢的断裂韧性大幅度下降的重要因素。回火脆性也是引起钢的断裂韧性大幅度下降的重要因素。52在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4.5 影响断裂韧性的因素影响断裂韧性的因素（3）组织结构）组织结构n通过淬火、回火获得回火马氏体组织的综合力学性能最通过淬火、回火获得回火马氏体组织的综合力学性能最好，即好，即s和和KIc值都高。值都高。n调整贝氏体的成分和工艺，使针状铁素体细化就可使其调整贝氏体的成分和工艺，使针状铁素体细化就可使其韧性提高。韧性提高。n奥氏体的韧性比马氏体高，所以在马氏体基
40、体上有少量奥氏体的韧性比马氏体高，所以在马氏体基体上有少量残余奥氏体，就相当于存在韧性相，使材料断裂韧性升残余奥氏体，就相当于存在韧性相，使材料断裂韧性升高。高。53在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4.5 影响断裂韧性的因素影响断裂韧性的因素2.温度和加载速度温度和加载速度 n随着随着试验温度试验温度的下降，材料塑性变形能力降低，的下降，材料塑性变形能力降低，相应相应KIc值也有所下降。值也有所下降。n变形速度变形速度增大，影响材料塑性变形能力的发挥，增大，影响材料塑性变形能力的发挥，促使材料的韧性下降。促使材料的韧性
41、下降。54在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确NiCrMoV钢钢KIc随温度的变化随温度的变化 55在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 KIc与变形速度的关系与变形速度的关系56在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4.6 金属的韧化金属的韧化 1提高冶金质量提高冶金质量 2控制钢的成分和组织控制钢的成分和组织 3压力加工压力加工 4热处理热处理 57在整堂课的教学中，刘教师总是让
42、学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确复习思考题复习思考题解理断裂的微观形貌有哪些主要特征。脆性断裂与解理断裂解理断裂的微观形貌有哪些主要特征。脆性断裂与解理断裂是否等同。是否等同。随着结构的大型化、设计应力水平的提高、高强度材料的应随着结构的大型化、设计应力水平的提高、高强度材料的应用、焊接工艺的普遍采用以及服役条件的严酷化，试说明在用、焊接工艺的普遍采用以及服役条件的严酷化，试说明在传统强度设计的基础上，还应进行断裂力学设计的原因。传统强度设计的基础上，还应进行断裂力学设计的原因。如何正确认识断裂判据如何正确认识断裂判据KI=KIc的含义。的含义。什么是材料的断裂韧性？影响断裂韧性有哪些主要因素？什么是材料的断裂韧性？影响断裂韧性有哪些主要因素？58