低温冲击试验
42
韧脆转变温度
韧脆转变温度测试方法
基本方法 将试样冷却到不同温度 测定冲击功，观察断口形貌特征 绘制冲击功和温度关系曲线，确定韧脆转变温度 断口形貌法
50%FATT 结晶状断口面积50%
43
韧脆转变温度
韧脆转变温度测试方法
能量法 低于某一温度NDT时，冲 击功基本不随温度变化，材 料断裂前无塑性变形，断口 100%结晶区组成（解理断 口）——低阶能 高于某一温度FTP，对应 100%纤维状断口——高阶能 高低阶能平均值FTE——韧 脆转变温度
习题2
30
*弹塑性条件下的断裂韧性
裂纹尖端张开位移CTOD
4 K I2 4GI = δ = 2V = πEσ s πσ s
断裂判据
δ ≥ δc
J积分与J判据
1 −ν 2 2 J IC = GIC = K IC E
31
4. 冲击韧性
32
切口强度
切口
定义 影响 改变零件应力和应变的分布 造成应力集中和应力多向性 促使材料发生低应力脆断 切口敏感性 使零构件外形具有几何不连续性
裂纹长度与塑性区尺度的对比
衡量指标和判据
线弹性条件 应力场强度因子与K判据 裂纹扩展能量释放率与G判据 *弹塑性条件 J积分与J判据 裂纹尖端张开位移
19
线弹性条件下的断裂韧性
裂纹尖端的应力场
裂纹扩展模式
裂纹尖端应力场 应力场强度因子
K I = σ πa
一般形式
K I = Yσ a
20
线弹性条件下的断裂韧性
例题1
已知材料的断裂韧度ＫＩＣ与实际裂纹长度ａ， 材料的剩余强度是多少？
剩余强度
例题2
σ r = K IC / Y a
已知材料的断裂韧度ＫＩＣ与实际工作应力σ， 材料的允许最大裂纹尺寸是多少？
临界裂纹尺寸
例题3
a = (K IC / Yσ )
2
（旧书） Ｐ７９例题１ Ｐ７９例题２
29
断裂韧性的应用
裂纹扩展
断裂
宏观塑性变形分类 脆性断裂 韧性断裂 裂纹扩展途径分类 穿晶断裂 沿晶断裂 微观断裂机理分类 解理断裂 剪切断裂
4
断裂的类型
按宏观塑性变形程度
脆性断裂 基本不发生明显宏观塑性变形 没有明显预兆，突然发生 断口齐平光亮 韧性断裂 有明显宏观塑性变形 裂纹扩展缓慢，消耗大量变形能 断口呈灰暗色，纤维状 主要区别 断裂前所产生的应变大小 以断面收缩率5%作为界限
26
断裂韧性的影响因素
显微组织 不同组织和亚结构对断裂韧度有很大影响 第二相弥散强化的材料断裂韧度较高 热处理和压力加工对断裂韧度的影响也很大 温度 温度降低通常会降低断裂韧度——韧脆转变 强度较高的材料，温度对断裂韧度的影响减弱 应变速率 增加应变速率会降低断裂韧度 应变太快时，形变热量来不及 传导，造成局部区域绝热状态引 起温度升高，断裂韧度反而上升
7
断裂的类型
按微观断裂机理
解理断裂 正应力下原子结合键断裂引起的穿晶断裂 断口微观形貌有大量台阶汇成的河流花样 解理是脆性断裂 的微观机理之一 机制——裂纹与螺型位错相交形成台阶 其他机制——裂纹沿孪晶扩展形成舌状花样
8
断裂的类型
按微观断裂机理
解理断裂——河流花样 同号台阶汇合长大 异号台阶相互抵消 河流方向与裂纹扩展方向一致 准解理断裂 起源于晶内硬质点 河流纹不完全，局部有韧窝
冲击吸收功AK 低阶能 高阶能
0
韧脆转变温度FTT
T/ ℃
44
低温脆性的影响因素
内在因素
晶体结构 化学成分 金相组织 晶粒尺寸
晶界
阻碍裂纹扩展 塞积的位错减少，降低应力集中 杂质浓度减少，避免沿晶断裂
外部因素
试样外形尺寸 加载速率
45
应力场强度因子
*不同形状因子
K I = Yσ a
中心穿透裂纹
体内椭圆裂纹
表面半椭圆裂纹
Y = π sec( πa / W )
Y = π / ϕ0
Y = 1.1 π / Q
21
线弹性条件下的断裂韧性
应力场强度因子
裂纹失稳扩展的临界状态下
临界应力场强度因子KIC
断裂韧度
断裂K判据
K Ic = Yσ c ac
*切口强度估算 切口强度只能定性判定材料的切口敏感度
35
冲击韧性
冲击载荷的特点
作用时间短 冲击力F是一个变力
用能量变化来衡量
冲击韧性实验
试件
夏氏切口 梅氏切口
36
冲击韧性
冲击韧性实验
实验原理
实验设备 实验结果——冲击吸收功
Ak = GH1 − GH 2 = Ai + Ap + A f + ∆E
5
断裂的类型
按裂纹扩展途径
沿晶断裂 裂纹沿晶界扩展 晶界结合力较弱，有脆性第 二相、夹杂物、晶界损伤等 断口呈结晶状脆性断口 共价键晶体较为常见 穿晶断裂 裂纹沿晶内扩展 可能是脆断，也可能是韧断 离子键晶体较为常见
6
断裂的类型
按微观断裂机理
剪切断裂 切应力下滑移面分离引起的断裂 韧性断裂通常是剪切断裂 断口宏观形貌大多呈纤维状 断口微观形貌分布着大量的韧窝 机制——微孔形核、长大、聚合，最后断裂 微孔来源——夹杂物、第二相质点、气孔、微裂纹
习题1
有一个构件，实际应力１．３ＧＰａ，试从传统安 全系数设计观点和断裂力学观点判断那种材 料最优，并以此判断应选择那种材料？Ｙ＝１．５， 最大裂纹尺寸２．０ｍｍ，有两种备选材料： 甲钢：σ=1950MPa，KIC=45MPa · m1/2 乙钢：σ=1560MPa，KIC=75MPa · m1/2 有一大型板件，材料的σ0.2=1200MPa， KIC=115MPa · m1/2 ，探伤发现有２０ｍｍ长的裂纹， 若在平均轴向应力９００ＭＰａ下工作，该构件是 否安全？ Ｙ＝π１／２
断裂G判据 裂纹失稳扩展的力学条件
GI ≥ GIc
25
断裂韧性的影响因素
化学成分和结构 细化晶粒的合金元素提高强度和塑性，提高断裂韧度 强固溶元素大大降低塑性，从而降低断裂韧度 形成金属间化合物的元素因第二相引起断裂韧度降低 增强键合强度的组元，都将提高断裂韧度 基体相 易发生塑性变形和韧性断裂，断裂韧度高 形变强化对断裂韧度有影响 晶粒尺寸 夹杂和第二相的影响
定义 表征材料在平面应变状态下抵抗裂纹失稳扩展的能力 KIc越大，断裂裂纹尺寸或应力越大，越难断裂 用KIc表征材料的力学性能指标 K I ≥ K Ic 脆性断裂的条件
22
线弹性条件下的断裂韧性
断裂韧度的测定
试验方法与试样
紧凑拉伸试验
三点弯曲单边裂纹试验
四点弯曲单边裂纹试验
试验步骤 加工试样，预制裂纹 加载让裂纹扩展，测定载荷与裂纹张开位移 测量裂纹长度，求断裂韧度
不能真正反映材料的韧脆程度
37
冲击韧性
冲击韧性
定义 特点
Akv α kv = SN
SN——缺口处截面积
揭示材料的变脆倾向
不能真正代表材料的韧脆程度 缺口冲击韧性对材料内组织变化及外界温度很敏感 冲击试验简单易行 用途 评定原材料冶金质量和热处理后的产品质量 确定材料的冷脆倾向和韧脆转变温度，用于低温材料设计 反映材料一次或少数次大能量冲击断裂的抗力 建立冲击功和其他力学性能指标间的关系，代替复杂实验
裂纹扩展
12
2. 断裂强度
13
断裂强度
理论断裂强度
Eγ σm = a 0
1/ 2
实际材料的断裂强度仅 为理论的1/10~1/1000
裂纹
14
断裂强度
Griffith裂纹理论
裂纹失稳扩展
塑性变形功
临界应力 临界裂纹半长
2 Eγ σc = π a
2 S k2 − σ 0 .2 ac = 2D
材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力
衡量材料韧性大小的力学性能指标
应力σ /MPa
静力韧度
弹性能
0
应变ε / %
18
断裂韧性
断裂韧性概述
实际材料的断裂强度仅为理论的1/10~1/1000
裂纹
研究方法 断裂力学 线弹性条件下的断裂韧性 弹塑性条件下的断裂韧性
9
断裂的类型
几种断裂类型小结
脆性断裂 解理断裂 穿晶断裂 沿晶断裂 宏观塑性变形 微观断裂机理 裂纹扩展方式
10
韧性断裂 剪切断裂
断口特征与分析
分析方法
宏观断口观察断裂类型 微观断口形貌分析确认断裂机理 成分与夹杂分析辅助
常见断口特征
11
裂纹形核与扩展
*裂纹形核
位错塞积理论 位错反应理论 脆性第二相开裂理论
本章要点
材料的断裂简介
断裂的类型与断裂机理 断口特征与分析 裂纹形核扩展过程
断裂强度 断裂韧性
线弹性条件下的断裂——断裂韧度 断裂韧性的影响因素 工程领域的应用
冲击韧性 低温脆性
2
1. 材料的断裂
3
断裂的概述
断裂的定义 固体材料在力的作用下分成若干部分的现象 断裂的过程
裂纹形核
断裂的分类
ac = 2 Eγ
1/ 2
实际材料Orowan修正
πσ 2
E (2γ + W ) σc = πa
1/ 2
15
断裂强度
真实断裂强度
真应力应变曲线
应力σ /MPa
真实断裂强度Sk
静力韧度a
0
应变ε / %
16
3. 断裂韧性
17
韧性概述
韧性 韧度
定义 分类 静力韧度——静拉伸曲线下塑性变形和断裂功 断裂韧度——断裂力学方法研究材料抵抗断裂的能力 冲击韧度——切口和冲击条件下的断裂韧性