材料的断裂韧性 材料科学与工程学院.pptVIP

  四、断裂韧度与强度、塑性和冲击韧性的关系 二、安全校核 三、失效分析 1.有一大型圆筒容器由中高强度钢焊接而成，钢板厚度t=5mm。圆筒内径D=1500mm。所用材料的σ0.2=1800MPa, KIc=62MPa·m1/2，焊接后发现焊缝中有纵向半椭圆裂纹，尺寸为2c=6mm,a=0.9mm,试问该容器能否在p=6MPa的压力下正常工作？(a/c=0.3,φ2=1.21) 2.有一大型板件，材料σ0.2=1200MPa, KIc=115MPa·m1/2，探伤发现有20mm长的横向穿透裂纹。若在平均轴向应力900MPa下工作，试计算KI和塑性区宽度，并判断该件是否安全。 3.设有σ0.2=为415MPa，断裂韧性KIc为132MPa·m1/2，厚度分别为100mm和260mm的两块很宽的合金钢板。如果板都受400MPa拉应力作用，并设板内都有长为46mm的中心穿透裂纹，问此两板内裂纹是否都扩展？ 2、脆性断裂模型 第四节 断裂韧度在工程中的应用 断裂韧度在工程中的应用可以概括为三个方面： 设计 结构设计，选材 校核 结构安全性 材料开发 根据断裂韧度的影响 因素设计材料的组织 结构，开发新材料 一、材料选择 根据结构的承载要求、可能出现的裂纹类型， 计算可能的最大应力场强度因子，依据材料的 断裂韧度进行选材。 有一火箭壳体承受很高的工作压力，其周向最大工 作压力σ=1400MPa.采用超高强度钢制造，焊接后 往往发现有纵向表面半椭圆裂纹，尺寸为a=1.0mm, a/2c=0.3。现有两种材料，其性能如下： A: б0.2=1700MPa，KIc=78MPa·m1/2 B: б0.2=2800MPa，KIc=47MPa·m1/2 对于这一类型问题，也可以通过计算临界裂纹尺寸 ac和临界应力σc，利用a ac和σ σc的安全判 据进行选材。 通过以上分析可以发现，从断裂力学的观点 出发，对于裂纹体，并不是材料的强度越高 越安全，这与传统的强度理论是矛盾的。 安全 不安全 断口宏观分析表明，该轴为疲劳锻炼，裂纹源在圆角 处，在一定循环应力作用下，裂纹发生亚稳扩展， 形成深度达185mm的疲劳扩展区，相当于一个 ac=185mm的表面环状裂纹，金相分析表明，疲劳裂纹 源处的硫化物夹杂级别较高，达3-3.5级。 在应力集中影响下，该处最先形成裂纹源，在61次摇 炉炼钢过程中，实际经受5×104次应力循环作用， 使疲劳裂纹向内扩展了185mm，达到脆断的临界裂纹 尺寸，从而发生低应力脆断。 用断裂力学进行定量分析，裂纹临界尺寸的计算公 式为： 根据轴的受力分析，作用于裂纹面上的垂直拉应力为： σ=145Mpa； 根据材料的σ0.2值，查得 KIc=120 MPa·m1/2，由于 a/c→0，该裂纹是一个浅长表面半椭圆裂纹，其 Y=1.95，代入上式求出ac=180 mm，和实际断口分析 的185mm相比，较吻合。 由此例可见，对于中、低强度钢而言，尽管其 临界裂纹尺寸很大，但对于大型机件来说，仍 可能产生这样大的裂纹，因而会产生低应力脆 断，断裂应力远低于材料的屈服强度。 四、评价材料脆性 计算零件中的临界裂纹尺寸，可以评价材料 的 脆性。一般零件中，较常见的是表面半椭 圆裂纹，从安全角度取Y=2，如不考虑塑性区 的影响，则临界裂纹尺寸可由下式估算： 1、超高强度钢 这类钢屈服强度很高，但断裂韧度较低。 如零件的工作应力为1500 MPa，而材料的 KIC=75MPa·m1/2，则：ac=0.625 mm，由此可见， 只要零件上出现0.625mm深的裂纹，就会失稳断 裂，这样小的裂纹在实际中很容易形成，且不 易检测。因此，要选用断裂韧度高的钢或降低 工作应力，以保证安全。 2、中、低强度钢 这类钢具有低温脆性，易发生韧脆转变。在韧性区， KIC高达150 MPa·m1/2 ，而在脆性区只有30-40 MPa·m1/2 ,甚至更低。这类钢的设计工作应力很低， 在200 MPa左右，取工作应力为200 MPa，则在韧性 区ac=140 mm，因而一般不会发生脆性断裂，即使 出现这种裂纹，也容易检测。而在脆性区， ac=5.6 mm，所以易发生脆性断裂。 3、球墨铸铁 球墨铸铁廉价且易于加工，具有与45钢相当的强度， 只是塑性较低，但用球墨铸铁制造的零件工作应力 很低，只有10-50 MPa，如取：KIC=25MPa·m1/2 ， 则ac=40-1000 mm，因此，用球墨铸铁制造的小零 件不会发生脆断，但大型零件可能发生脆断。 五、材料开发 最大裂纹起关键性的作用 E—弹性模量，γf—断裂能。 开发新材料思路：设置裂纹扩展过程中的附加能量 耗损机制；设置裂纹扩展的