针对金属材料断裂韧性的相关研究
摘要：研究影响金属材料断裂韧性的因素对于提高金属的断裂韧性具有重要意义。

而影响金属材料断裂韧性的因素非常多，且很复杂。

因此，本文针对这些问题全面分析，认真地进行了研究相关的研究。

关键词：金属材料断裂韧性；影响金属断裂韧性因素
1. 金属材料断裂韧性
断裂韧性——指金属材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是金属材料抵抗脆性破坏的韧性参数。

它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。

是金属材料固有的特性，只与金属材料本身、热处理及加工工艺有关。

是应力强度因子的临界值。

常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。

例如应力-应变曲线下的面积。

韧性金属材料因具有大的断裂伸长值，所以有较大的断裂韧性，而脆性金属材料一般断裂韧性较小，是表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料的韧性好坏的一个定量指标。

在加载速度和温度一定的条件下，对某种材料而言它是一个常数。

当裂纹尺寸一定时，材料的断裂韧性值愈大，其裂纹失稳扩展所需的临界应力就愈大；当给定外力时，若材料的断裂韧性值愈高，其裂纹达到失稳扩展时的临界尺寸就愈大。

2. 课题研究的主要内容
通过对金属材料断裂韧性的影响因素进行了系统分析。

假定影响金属材料断裂韧性的其它因素均保持不变，把温度对断裂韧性的影响进行单独研究。

一些关于压力容器钢断裂韧性的研究结果表明，当温度达到上平台温度之后，断裂韧性会随着温度的继续升高而下降，即存在韧性劣化的现象。

相对于低温范围断裂韧性的研究，中、高温范围内断裂韧性的研究仍显不足，且实际工程中许多构件在高温条件下工作，按照常温力学性能设计的构件存在某种意义上的安全隐患，因而研究温度对断裂韧性的影响就显得相当重要。

文中结合钢韧断机理的研究成果与点缺陷在应力场中的迁移运动规律，通过理论分析建立了断裂韧性JIC与温度T的数学模型，在此基础上对多种压力容器钢断裂韧性的实验数据进行了分析，最后验证了模型的合理性。

文中通过对断裂参量J积分进行了数值分析，分析了温度对J积分的影响。

此外，还对试样几何因素以及裂纹尺寸和裂纹倾角等对J 积分的影响进行了数值分析。

文中最后结合实际工程算例，就中温范围内的韧性裂化行为对用于含缺陷压力容器和管道安全评定的失效评定图的影响进行了研究。

结果表明，使用失效评定图对结构安全进行评定时，不考虑韧性劣化行为的评定结果与考虑韧性劣化行为的评定结果之间存在较大差异。

因此，对于中温段工作的压力容器和管道的安全评定还应计入断裂韧性下降的影响。

文中得到的一些结论具有一定的普遍性，对于压力容器以及管道等的安全性设计和评定具有非常重要的意义。

主要研究内容和成果总结如下：
（1）对于所研究的压力容器钢，当达到上平台温度之后，其断裂韧性会随
着温度的继续升高而存在下降的趋势，即存在韧性劣化的现象；
（2）建立的断裂韧性JIC与温度T的关系与实验结果符合的很好，此数学模型可较方便准确地估算材料的断裂韧性值；
（3）有限元计算表明，随着温度的不断升高，恒定外力作用下，材料的断裂参量J积分呈现上升的趋势，且在温度变化的初始阶段，J积分变化较缓慢，随着温度的不断升高，J积分变化的幅度会越来越大；试样几何因素对J积分的计算结果产生显著的影响；裂纹尺寸对J积分也产生明显的影响，裂纹越长，构件破坏的可能性就越大；在倾角变化的开始阶段，J积分变化不怎么明显，随着倾角的不断增加，J积分呈现显著下降的趋势；且从裂纹张开位移δ得到的结论与J积分较为相似；
（4）实际工程算例的分析表明，在中温范围内，材料的韧性劣化行为对用于压力容器和管道安全评定的失效评定图产生显著的影响。

考虑韧性劣化行为的评定结果与不考虑韧性劣化行为的评定结果存在较大差别。

因此，使用失效评定图对含缺陷压力容器和管道进行安全评定时，应计入韧性劣化的影响。

（5）还有试样厚度严重影响裂纹前端的应力约束，进而影响材料的断裂韧性，数学模型表明金属材料的断裂韧性随着厚度的增加先升高后降低最终趋于一个稳定的值。

试样取向对韧性裂纹的影响，研究表明LS与TS是最危险的。

L-R 取向明显高于紧凑拉伸试样的断裂韧性明显高于R-L取样和C-R取样。

加速载体对断裂韧性的影响可通过应变速率来表示，增加速率可降低断裂韧性，一般认为应变速率每增加一个数量级，断裂韧性降低10%。

但是，当应变速率很大时形变热量来不及传导，造成绝热状态，导致局部温度升高，断裂韧性又升高。

3. 金属材料断裂韧性的影响因素
3.1 内部因素
3.1.1 组织结构的影响
马氏体，指淬火马氏体在回火后获得的，在不出现回火脆性的情况下，随着回火温度的提高，强度逐渐下降，塑性和韧性逐渐升高。

因此，通过淬火、回火获得回火马氏体组织的综合力学性能最好，即材料的屈服强度和断裂韧性值都高。

马氏体有两种精细结构：一种是孪晶马氏体，其呈透镜状，交叉排列（约成60°角），内部由孪晶组成。

它的特点是在孪晶相交处容易形成微裂纹，所以孪晶马氏体组织的形成会降低钢的断裂韧性。

另一种是板条马氏体，其呈板条状，平行排列。

板条马氏体的亚结构是位错，在其板条内不存在显微裂纹，回火过程中也没有碳化物沿孪晶带析出而造成韧性降低的缺点。

贝氏体，一般可分为无碳贝氏体、上贝氏体和下贝氏体。

无碳贝氏体因热加工工艺不当而变得非常脆，且冲击韧性非常低，即魏氏组织，使断裂韧性下降。

但调整成分和工艺，使针状铁素体细化就可使其韧性提高。

上贝氏体中在铁素体
片层之间有碳化物析出，裂纹扩展阻力较小，其断裂韧性较低。

下贝氏体的碳化物是在铁素体内部析出的，裂纹扩展阻力较大，其断裂韧性值比上贝氏体高。

奥氏体，奥氏体的韧性比马氏体高。

奥氏体本身的韧性比马氏体要高出很多，所以如果在金属材料的马氏体上残留一定的奥氏体时，也就相当于提高了金属材料的断裂韧性。

3.1.2 化学成分的影响碳含量的影响，碳是钢中主要的强化元素，也是控制断裂韧性最重要的参量。

碳含量的高低决定着断裂韧性与强度这一对矛盾的发展方向。

一般规律，随着碳含量的增加，断裂韧性单调下降。

合金元素的影响，合金元素主要通过对钢组织结构的影响来影响断裂韧性。

一般是通过两条途径来实现的一是改变钢的M 点，二是改变钢的奥氏体层错能。

杂质元素的影响，钢中常见杂质元素有硫（S）、磷（P）、氮（N）等。

这些杂质元素对钢的断裂韧性有着不同程度的影响，其对韧性的影响主要表现在使钢产生回火脆性上。

3.1.3 晶粒尺寸的影响
基体的晶粒尺寸也是影响断裂韧性的一个重要因素。

一般来说，晶粒越细，晶界总面积越大，会使碳化物析出相的取向变化增大，间接地改善了材料的韧性，断裂韧性就越高。

因此，细化晶粒不但利于提高材料的强度，还能提高材料的断裂韧性。

3.1.4 第二相粒子的影响
除了夹杂物粒子以外，金属材料断裂韧性的影响因素还应考虑到第二相粒子。

第二相粒子的存在对金属材料断裂韧性的影响可以归纳为：第一，脆性第二相随着体积分数的增加，使得断裂韧性降低；第二，韧性第二相当其形态和数量适当时，可以提高材料的断裂韧性。

3.2 外部因素
3.2.1 试样几何因素的影响
试样的几何因素包括：试样厚度、试样取向等。

试样厚度的影响，试样厚度首先影响着裂纹前端的应力约束，进而影响材料的断裂韧性。

大量实验证明：材料的断裂韧性随着厚度的增加而先升高后降低，最终趋于一个稳定的最低值。

试样取向的影响，关于其试样取向对断裂韧性的影响，研究表明：对于其裂纹面取向和裂纹扩展的方向而言，TS 和LS（第一个字母表示裂纹面的法线方向，第二个字母表示预期的裂纹扩展方向）方位是最危险的。

3.2.2 加载速率的影响
加载速率对断裂韧性的影响可通过应变速率来表示。

增加应变速率，可降低断裂韧性。

实验表明，在缺口弯曲试验中，裂纹沿着局限于缺口根部中心线上的
高应力区起裂并扩展；全层组织断裂韧性随加载速度的变快而增加，而双态组织断裂韧性随加载速率的增大几乎没有变化，这主要是由于在不同加载速度下全层组织在加载速度快和慢时的断裂过程不同，当应变速率很大时形变热量来不及传导，造成绝热状态，导致局部温度升高，断裂韧性又回升。

4.结语
研究金属材料断裂韧性的意义在于断裂韧性是金属材料自身所具有的一种机械性能，是一种材料阻止在外界因素作用下裂纹扩展的韧性指标，断裂韧性的大小能够决定构件的承载力与脆断倾向。

从一般理论上来说，人们都希望断裂韧性值能够提高，这样材料的抗裂能力就会增强提高。

由此可见，研究影响金属材料断裂韧性的因素对于提高金属的断裂韧性具有重要意义。

所以需要我们不懈的努力。

参考文献：
[1]张淑佳，任朝晖，梅国晖，卢炎麟.高温断裂韧性的温度和应变速率效应[J].东北大学学报，2009.
[2]周一志，张明友，陈铁群.化学成分对钢的断裂韧性的影响，2010.
[3]赵乐新，影响金属材料断裂的因素研究，2008.。