第六章 断裂韧性.ppt

6.2.2 断裂判据 若取KI临界值为Kc的最低值Kcmin，即：KIC，则按应力场强度因子建立的断裂判据是： KI≥ KIC 或： 应用：用以估算裂纹体的最大承载能力、允许的裂纹尺寸，以及材料的选择、工艺优化等。 不同应力状态下修正后的应力场强度因子: 平面应力 平面应变 注意：修正项为修正式中的分母项。 若?/?s 近于零，可不计塑形区影响； 若?/?s 近于1，修正值最大。 一般地，?/?s ≥0.7时需要进行修正。 板材厚度对Kc值的影响 夹杂和第二相 钢中存在的夹杂物，如硫化物、氧化物等往往偏析于晶界，导致晶界弱化，从而增大沿晶断裂的倾向，而在晶内分布的夹杂物又常常起缺陷源的作用。因此，存在夹杂物将使材料的KIc值降低。 脆性第二相（如钢中的渗碳体），随含碳量增加，渗碳体增多，可导致材料KIc值明显下降。 回火脆性也是引起钢的断裂韧性下降的重要因素。回火脆性是微量杂质元素富集在奥氏体晶界而降低晶界结合能，导致断裂呈沿晶型特征所致。 组织结构 马氏体：淬火马氏体在回火后得到回火马氏体。随回火温度升高，强度逐渐下降，塑性、韧性和断裂韧性升高。通过淬火+回火可获得综合力学性能最好的回火马氏体。 贝氏体：上贝氏体是在铁素体片层之间有碳化物析出，其断裂韧性比回火马氏体差。下贝氏体中的碳化物是在铁素体内部析出，类似于回火马氏体，其KIc值比上贝氏体高，可与马氏体相比。 奥氏体：奥氏体的韧性比马氏体高，因此在马氏体基体上有少量残余奥氏体，就相当于存在韧性相，可以明显提高断裂韧性。 6.5.2 温度和加载速度（外部因素） 1）温度 随温度降低，材料的塑性变形能力降低，相应的KIc值也下降。与冲击韧性与温度的关系类似，在某一较低温度范围内也可出现KIc值急剧下降的冷脆现象。 2）变形速度 在一定变形速度范围内，随变形速度（加载速度）的增大，材料的KIc明显降低，二者近似成线性关系。提高变形速度相当于降低温度。但当变形速度很大时，则出现KIc随变形速度提高而升高的现象。这是高应变率下，塑性变形所产生的热量来不及散失，甚至呈绝热状态而使裂纹前沿温度升高、塑性变形能力增强所致。 三种基本的断裂形式 ： 张开型 滑开型 撕开型 返 回 三种基本断裂类型的实例： I II III 返 回 裂纹体尖端区域应力分析示意图 A x y r ? ?x ?y ?xy O 返回 返回 (平面应力) (平面应变) (平面应变) (平面应力) 厚板中裂纹尖端的塑性区的形状、尺寸变化 返回 三种基本类型的F－?曲线 返 回 平面应变状态，?z ＝ 0，由广义虎克定律： 应用Von Mises判据得裂纹尖端区域平面应变 状态下的塑性区边界方程： 同样，在裂纹面上（?＝0），其塑性区宽度为： 若取泊松比?＝0.3， 平面应变 平面应变状态塑性区形状和尺寸 ◆平面应变状态（厚板）的塑性区尺寸远小于平面应力状态（薄板）的塑性区尺寸。 ◆在平面应变状态（厚板）下沿板厚方向的裂纹前端有较强的约束，使材料处于三向应力状态，不容易发生塑性变形所致。 若引入塑性抑制系数L，则两种应力状态下的塑性区尺寸可统一表示为： 平面应力状态下 L=1； 平面应变状态下 L＝1/（1-2?）。 在实际情况下： 沿板厚方向上的弹性约束是变化的，邻近表面约束最小，可认为处于平面应力状态，塑性区尺寸最大；而在板厚中部约束最大，可认为处于平面应变状态，塑性区尺寸最小。 因此，在裂纹尖端前沿区域，沿材料板厚方向的塑性区尺寸是连续变化的，一般呈哑铃形状。 应力松弛对塑性区的影响 在上述分析中，忽略了裂纹尖端因产生塑性区而松弛的应力。按照裂纹线上（?＝0时）的应力分量?y，其分布如右图中曲线ABC所示。 A B C D E F x a ?y ?ys r0 Ry O O1 E1 由于裂尖塑性区内的材料已经屈服，其内主应力应恒等于有效屈服应力?ys，于是?y(r, 0)变为DBC曲线的分布。 A B C D E F x a ?y ?ys r0 Ry O O1 E1 屈服