材料性能学-第4章解析.pptVIP

第四章 材料的断裂韧性 4.1 前言 4.2 线弹性条件下的断裂韧性 4.3 弹塑性条件下的断裂韧性 4.4 影响材料断裂韧度的因素 4.5 断裂韧度在工程中的应用 本章复习思考题 附：本章知识点基本要求 4.4.1 化学成分、组织结构的影响 对金属材料的断裂韧度研究较多，对其他材料的研究较少。 化学成分 化学成分对金属材料的断裂韧度影响与对冲击韧度的影响类似。 大致规律：合金元素细晶强化提高断裂韧度、合金元素固溶强化和第二相强化降低断裂韧度。 基体相结构和晶粒尺寸 基体相晶体结构(如fcc)易发生塑性变形，产生韧性断裂，材料的断裂韧度就高。 细化晶粒(细晶强化)同时提高材料的强度和塑性，因而断裂韧度也可得到提高。 原因：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KIC 也愈高。 但是，有时粗晶粒的KIC反而较高，也即基体晶粒大小对KIC的影响与对常规力学性能的影响不一定相同。 夹杂和第二相 对于金属材料，非金属夹杂和第二相对断裂韧度的影响 非金属夹杂往往降低断裂韧度 夹杂物往往偏析于晶界，导致晶界弱化，增大沿晶断裂的倾向性，而在晶内分布的夹杂物则常常起着缺陷源的作用。所有这些都使材料的KIC值下降。 材料的断裂韧度随脆性第二相体积分数增加而降低 当形态和数量适当时，韧性第二相可提高断裂韧度 对于陶瓷材料，常利用第二相在基体中形成吸收裂纹扩展能量的机制的设计，提高陶瓷材料的断裂韧性。 显微组织 显微组织的类型和亚结构影响材料的断裂韧度。 不同的组织(如马氏体、贝氏体、奥氏体、珠光体等)其断裂韧度也不一样。 如：低碳钢—回火马氏体(板条状)贝氏体 高碳钢—下贝氏体回火马氏体(针状)上贝氏体 裂纹尺寸 一般而言，断裂韧度对材料中的裂纹尺寸不敏感，这一点与强度存在很大不同。 A和B是取自同种材料的试件，分别进行σ和KIC测试。 A试件首先沿裂纹最长的bb面断裂，其次是cc，接下来为dd，最后为ee。而且，σb σc σd σe。 然而，B试件测KIC，却得到彼此相当的结果。 — 强度是材料内部最大缺陷所控制的材料性质参数，对试件的形状和尺寸相当敏感。断裂韧度是与试件内裂纹尺度无关的材料特征参数。 图4-13 断裂韧性与强度的比较 4.4.2 特殊改性处理的影响 亚温淬火 亚温淬火可以获得未溶铁素体和马氏体的复相组织，由于晶粒细化、相界面增加、杂质浓度降低等，使得亚共析钢的强度和韧性提高。 超高温淬火 对中碳合金钢进行高温淬火，尽管奥氏体晶粒显著粗化，塑性和冲击吸收功降低，但断裂韧度提高。 原因见教材P77。 形变热处理 高温形变热处理由于动态再结晶细化奥氏体晶粒，因而细化淬火后的马氏体，使强度和韧性都提高。 低温形变热处理在细化奥氏体晶粒的同时，还可增加位错密度，促进合金碳化物弥散沉淀，降低奥氏体含碳量和增加细小马氏体的含量，因而提高强度和韧性。 4.4.3 外界因素的影响 板厚 图4-14 试样厚度对临界应力 强度因子和断口形貌的影响 材料的断裂韧度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KIC。 随板厚增加，应力状态变硬，试样由平面应力状态向平面应变状态过渡。 在平面应力条件时，形成斜断口，相当于薄板的断裂情况；而在平面应变条件下，变形约束充分大，形成平断口，相当于厚板的情况；介于上述二者之间，形成混合断口。 温度 金属材料断裂韧度随着温度的降低，有一急剧降低的温度范围(?200~200℃)，低于此温度范围，断裂韧度保持在一个稳定的水平(下平台)。 从各种结构钢测得的数据表明，KIC随温度降低而减小的这种转变温度特性，与试样几何尺寸无关，是材料的固有特性。 图4-15 断裂韧性KIC与温度的关系 应变速率 应变速率对断裂韧性的影响与温度相似，增加应变速率和降低温度都增加材料的脆化倾向。 实验证实，应变速率每提高一个数量级，断裂韧度将降低10%。 图4-16 应变速率和温度 对断裂韧度的影响 4.4.4 KIC与静载力学性能指标的关系 图4-17 Kraft模型 Krafft模型： 假定含有均匀分布第二相质点的两相合金，质点间距为dT。当裂纹顶端塑性区与前方第一个质点相遇时(r＝dT) ，质点与基体界面开裂形成孔洞。 孔洞与裂纹之间的材料好像一个小的拉伸试样。当其断裂时，裂纹便开始向前扩展。 小拉伸试样的断裂条件就是裂纹扩展的条件。这时的KI因子，就是材料的断裂韧性KIC。 韧断模型 根据虎克定律，在弹性区与塑性区的交界处， 即r＝dT点的应变εy为