金属材料的断裂韧学习教案

1、会计学1金属材料的断裂韧金属材料的断裂韧第一页，编辑于星期三：三点 三十六分。第1页/共70页第二页，编辑于星期三：三点 三十六分。（一）断裂韧度与强度、塑性之间的关系（一）断裂韧度与强度、塑性之间的关系1 1、韧性断裂模型、韧性断裂模型克拉夫特提出韧断模型：认为具有第二相质点而又均匀分布的两相合金，裂纹在基体相中扩展时，将要受到第二相质点间距( dT)的影响。ySdTrKIy2塑性区应变为ey第2页/共70页第三页，编辑于星期三：三点 三十六分。rEKEeIyy2r=dT时dTEKeIy2ey=eb=n时K = KCdTEnKIC2钢中夹杂物对KC影响.夹杂物越多,间距越小, KC越小.yS

2、dTrKIy2塑性区应变为ey21*)(CfysICXEK第3页/共70页第四页，编辑于星期三：三点 三十六分。2/1*)(cfsyICXEKn-应变硬化指数Xc-特征距离,第二相质点间的平均距离ys-屈服强度*f-临界断裂应变第4页/共70页第五页，编辑于星期三：三点 三十六分。2 2、解理或沿晶脆性断裂、解理或沿晶脆性断裂特尔曼等人提出:当裂纹尖端某一特征距离内的应力达到材料解理断裂强度C,裂纹就失稳扩展,产生脆性断裂.取特征距离为晶粒直径的两倍(2d)2/102/1 1) 1exp(9 . 2SCSICK0 裂纹尖端曲率半径2/12/ )1 (2/ )1 ()/()(cnsyncICXK

3、n-应变硬化指数Xc-特征距离,23个晶粒尺寸第5页/共70页第六页，编辑于星期三：三点 三十六分。（二）断裂韧度与冲击韧度之间的关系（二）断裂韧度与冲击韧度之间的关系静力韧度、冲击韧度、断裂韧度度量材料韧性的指标应力集中程度、应力状态、加载速率第6页/共70页第七页，编辑于星期三：三点 三十六分。tK1tK2t0tAKVKICAKVKIC茹尔夫对中、高强度钢试验得到：茹尔夫对中、高强度钢试验得到：)01. 0(79. 02/12 . 02 . 0KVICAKMPa.m1/2第7页/共70页第八页，编辑于星期三：三点 三十六分。影响断裂韧度KIC的因素10材科（2）班 1030250047 盛

4、振栋 第8页/共70页第九页，编辑于星期三：三点 三十六分。影响断裂韧度KIC的因素 第9页/共70页第十页，编辑于星期三：三点 三十六分。影响断裂韧度KIC的因素 （4）瓷材料，提高材料强度的组元，都将提高断裂韧度。（5）对于高分子材料，增强结合键的元素都将提高断裂韧度。A钢KIC P钢KIC 、M钢KIC第10页/共70页第十一页，编辑于星期三：三点 三十六分。A钢KIC P钢KIC 、M钢KIC应用实例：超高强度奥氏体钢又称相变诱发塑性钢断裂韧断裂韧性极高性极高 添加大量Ni、Mn元素获得奥氏体钢。 *室温温加工后产生大量的位错和沉淀，强度大大提高。 *裂纹前端存在应力集中，可诱发马氏体

5、，切变中消耗大量能量提高断裂韧性提高断裂韧性影响断裂韧度KIC的因素 第11页/共70页第十二页，编辑于星期三：三点 三十六分。影响断裂韧度KIC的因素 第12页/共70页第十三页，编辑于星期三：三点 三十六分。影响断裂韧度KIC的因素 影响程度与夹杂物或第二相的类型，形状，大小，数量及分布有关。一般可归纳如下： 第一，非金属夹杂物往往使断裂韧度降低。 第二，脆性第二相随着体积分数的增加，使得断裂韧度降低。 第三，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度。第13页/共70页第十四页，编辑于星期三：三点 三十六分。 要求：少，小，匀，圆（球）。 措施：冶金质量的控制、添加稀土改性夹

6、杂物、合理选择热处理工艺。影响断裂韧度KIC的因素 第14页/共70页第十五页，编辑于星期三：三点 三十六分。影响断裂韧度KIC的因素 总的来说，使材料的强度强度、塑性塑性提高的或者使裂纹扩展阻力增加的因素都能使材料的KIC提高。 要注意的是要考虑某个因素对KIC综合影响，不能仅考虑因素的片面作用。 如强烈固溶强化的元素Si、P，虽然能够增强材料的强度，但是严重降低材料的塑性。两个因素的综合结果使KIC下降。第15页/共70页第十六页，编辑于星期三：三点 三十六分。高压容器承载能力计算 10材科（2）班1030250043 韩敏 第16页/共70页第十七页，编辑于星期三：三点 三十六分。第17

7、页/共70页第十八页，编辑于星期三：三点 三十六分。第二是校核：第二是校核：根据结构要求的承载能力、材料的断裂韧度，计算材料的根据结构要求的承载能力、材料的断裂韧度，计算材料的临界裂纹尺寸临界裂纹尺寸，与实测的裂纹尺寸相比较，校核结构的，与实测的裂纹尺寸相比较，校核结构的安全性，判断材料的脆断倾向。安全性，判断材料的脆断倾向。第三是材料开发：第三是材料开发：根据对断裂韧度的影响因素，有针对性地设计材料的组织结根据对断裂韧度的影响因素，有针对性地设计材料的组织结构，开发新材料构，开发新材料第18页/共70页第十九页，编辑于星期三：三点 三十六分。安全校核 例例1 1：有一大型圆筒式容器由高强度钢

8、焊接而成，如图有一大型圆筒式容器由高强度钢焊接而成，如图4-16所示。钢板厚度所示。钢板厚度t=5mm，圆筒内径，圆筒内径D=1500mm；所用材料的；所用材料的0.2=1800MPa，KIC=62MPam1/2。焊接后发现焊缝表面有纵向半焊接后发现焊缝表面有纵向半椭圆裂纹，尺寸为椭圆裂纹，尺寸为2c=6mm，a=0.9mm。试问该容器能否在。试问该容器能否在p=6MPa的压力下正常工作？的压力下正常工作？第19页/共70页第二十页，编辑于星期三：三点 三十六分。根据材料力学，裂纹所受垂直拉应力为：根据材料力学，裂纹所受垂直拉应力为：将有关数据代入上式得将有关数据代入上式得5 . 018009

9、002 . 0由于不必考虑塑性区的修正不必考虑塑性区的修正第20页/共70页第二十一页，编辑于星期三：三点 三十六分。还可以用什么方法进行计算？还可以用什么方法进行计算？显然，显然， c，不会发生爆破，可以正常工作。，不会发生爆破，可以正常工作。对于表面半椭圆裂纹，对于表面半椭圆裂纹，当当a/c=0.9/3=0.3时，查附录表得时，查附录表得=1.10，将有数值代入，将有数值代入上式得上式得aKYICc1/1.1Y第21页/共70页第二十二页，编辑于星期三：三点 三十六分。高压壳体的热处理工艺选择高压壳体的热处理工艺选择 10材科（2）班1030250050 姬天亮第22页/共70页第二十三页

10、，编辑于星期三：三点 三十六分。第23页/共70页第二十四页，编辑于星期三：三点 三十六分。2 . 02 . 02178mMPaKc2147mMPaKc第24页/共70页第二十五页，编辑于星期三：三点 三十六分。现分别求得两种材料的断裂应力现分别求得两种材料的断裂应力 和和 。 对于材料对于材料A: 由于由于 =1400/1700=0.82，所以必须考虑塑性区修，所以必须考虑塑性区修正问题。正问题。 因因 将其代入（将其代入（4-16），可得），可得 的修正值的修正值:CACB2 . 01.1YK22212. 01 . 1saK根据此式，求得断裂应力根据此式，求得断裂应力 的计算式为的计算式为

11、因因 a/c =0.6，查表得，查表得 父爱父爱=1.28。将有关数值代入上式后，得。将有关数值代入上式后，得:22 . 0212. 08 . 3cccKaKMPaMPaCA1532170078212. 0001. 08 . 37828. 12第25页/共70页第二十六页，编辑于星期三：三点 三十六分。2 . 02 . 0MPaMPaaKaKYccCB976001. 01 . 14728. 11 . 11下面比较下面比较K KI I与来选择材料与来选择材料K KICIC第26页/共70页第二十七页，编辑于星期三：三点 三十六分。对于材料对于材料A：82.0170014002.0由于22.02I

12、)/(212.0a1.1K)(71)1700/1400(212. 062. 1001. 014. 314001 . 1K212ImMPa当当a/c=0.6时，查表可得时，查表可得2=1.62，将有关数据代入上式，得：，将有关数据代入上式，得：说明使用材料说明使用材料A不会发生脆性断裂，可以选用。不会发生脆性断裂，可以选用。必需考虑塑性区的修正必需考虑塑性区的修正KIKIC第27页/共70页第二十八页，编辑于星期三：三点 三十六分。67. 0210014002 . 0由于a1.1KI)(6862. 1001. 014. 314001 . 1K21ImMPa同样查表可得同样查表可得2=1.62，将

13、有关数据代入上式，得：，将有关数据代入上式，得：由此可见，由此可见，KIKIC，说明使用材料，说明使用材料B会发生脆性断裂，不可选会发生脆性断裂，不可选用。用。不必考虑塑性区的修正不必考虑塑性区的修正对于材料对于材料B：第28页/共70页第二十九页，编辑于星期三：三点 三十六分。第29页/共70页第三十页，编辑于星期三：三点 三十六分。 例例3 3：有一化工合成塔，直径为有一化工合成塔，直径为D=3200mm ，工作压力，工作压力p=6MPa，选用材料为选用材料为0.2=1200MPa，KIC=58MPam1/2，厚度，厚度t=16mm。制。制作过程中，经探伤发现在纵焊缝中，存在一纵向椭圆裂纹

14、作过程中，经探伤发现在纵焊缝中，存在一纵向椭圆裂纹，2a=4mm， 2c=6mm。试校核该合成塔能否安全运行。试校核该合成塔能否安全运行。第30页/共70页第三十一页，编辑于星期三：三点 三十六分。)(4490cos003. 0002. 090sin74. 1002. 014. 36002/ 14/ 12222mMPaKIKIKIC，说明不会发生脆性断裂，该合成塔可以安全使用。，说明不会发生脆性断裂，该合成塔可以安全使用。第31页/共70页第三十二页，编辑于星期三：三点 三十六分。第32页/共70页第三十三页，编辑于星期三：三点 三十六分。 例例4 4：某冶金厂大型纯氧顶吹转炉的转动机械主轴，

15、在工作某冶金厂大型纯氧顶吹转炉的转动机械主轴，在工作时经时经61次摇炉炼钢后发生低应力脆断。其断口示意图如图次摇炉炼钢后发生低应力脆断。其断口示意图如图4-14所示所示，该轴材料为，该轴材料为40Cr钢，经调质处理后常规力学性能指标完全合钢，经调质处理后常规力学性能指标完全合格，格，0.2=600MPa，b=860 MPa，AKU=38J，=8%。现用断裂力。现用断裂力学分析其失效原因。学分析其失效原因。第33页/共70页第三十四页，编辑于星期三：三点 三十六分。断口分析：断口分析： 该轴为疲劳断裂，裂纹源在圆角该轴为疲劳断裂，裂纹源在圆角处，形成深度达处，形成深度达185mm185mm的疲劳

16、扩展区，的疲劳扩展区，相当于一个相当于一个c c185mm185mm的表面环状裂的表面环状裂纹纹。第34页/共70页第三十五页，编辑于星期三：三点 三十六分。第35页/共70页第三十六页，编辑于星期三：三点 三十六分。)(180)(180.014512095.1122mmmacKIC=120MPam1/2Y1.95221CICcKYa这就是按断裂力学算得的转轴低应力脆断的临界裂纹这就是按断裂力学算得的转轴低应力脆断的临界裂纹尺寸。和实际断口分析的尺寸。和实际断口分析的185mm相比，比较吻合，说相比，比较吻合，说明分析正确。明分析正确。第36页/共70页第三十七页，编辑于星期三：三点 三十六分

17、。第37页/共70页第三十八页，编辑于星期三：三点 三十六分。第38页/共70页第三十九页，编辑于星期三：三点 三十六分。表面半椭圆裂纹表面半椭圆裂纹Y=2评定钢铁材料的韧脆性评定钢铁材料的韧脆性断裂韧度断裂韧度K KICIC断裂应力断裂应力c c 临界裂纹尺寸临界裂纹尺寸a ac caYKI 225. 0ICcKa第39页/共70页第四十页，编辑于星期三：三点 三十六分。KIC=78MPam1/2第40页/共70页第四十一页，编辑于星期三：三点 三十六分。)( 11250/7825. 02mmac选材原则：选材原则：KIC较高而较高而0.2较低材料较低材料若壳体的工作应力=1250MPa这类

18、钢的高压壳体中只要有1mm深的表面裂纹，就会引起壳体爆破。这样小的裂纹在壳体焊接时很容易产生，极易漏检，所以脆断几率很大。第41页/共70页第四十二页，编辑于星期三：三点 三十六分。第42页/共70页第四十三页，编辑于星期三：三点 三十六分。 因用中低强度钢制造构件，在韧性区不会发生脆断；即使出现裂纹，也易于检测和修理。而在脆性区ac=0.25(30/200)2=5.6 mm。所以中低强度钢在脆性区仍有脆断的可能。以韧脆转变温度为界，在韧脆转变温度以上，中小型机件不存在脆断问题，在此温度下，则会发生脆断。第43页/共70页第四十四页，编辑于星期三：三点 三十六分。第44页/共70页第四十五页，

19、编辑于星期三：三点 三十六分。第45页/共70页第四十六页，编辑于星期三：三点 三十六分。第46页/共70页第四十七页，编辑于星期三：三点 三十六分。第47页/共70页第四十八页，编辑于星期三：三点 三十六分。可切屑加工性能好耐磨性强抗氧化性高耐蚀性强球墨铸铁的优点第48页/共70页第四十九页，编辑于星期三：三点 三十六分。球墨铸铁主要缺陷飞边胀砂气孔缩孔、疏松球化不良和球化衰退主要缺陷裂纹冷隔偏芯砂眼第49页/共70页第五十页，编辑于星期三：三点 三十六分。球墨铸铁主要缺陷特征球墨铸铁主要缺陷特征第50页/共70页第五十一页，编辑于星期三：三点 三十六分。第51页/共70页第五十二页，编辑于

20、星期三：三点 三十六分。 10材科（材科（1）1030250001 贾金斗贾金斗J积分原理及断裂韧度积分原理及断裂韧度JIc 第52页/共70页第五十三页，编辑于星期三：三点 三十六分。 弹塑性条件下金属断裂韧度弹塑性条件下金属断裂韧度 (2) 裂纹前端小范围屈服，且塑性区只有裂纹尺寸的几十分之一，此时采用有效裂纹长度方式进行修正。 KIc断裂判据适用的材料：高强度、超高强度材料。第53页/共70页第五十四页，编辑于星期三：三点 三十六分。第54页/共70页第五十五页，编辑于星期三：三点 三十六分。应力矢量应力矢量)(dsTxudyJ系统应变能密度系统应变能密度位移矢量位移矢量弧长增量弧长增量

21、第55页/共70页第五十六页，编辑于星期三：三点 三十六分。；n 线弹性条件下有：(1)IUUUGBAB aa 第56页/共70页第五十七页，编辑于星期三：三点 三十六分。图4-5 J积分的定义第57页/共70页第五十八页，编辑于星期三：三点 三十六分。 在弹塑性弹塑性条件下，上式右端的能量线积分仍然存在，但为弹塑性应变能密度为弹塑性应变能密度。此时定义为J积分积分。 ()IUuGdyTdsax )(dsTxudyJ第58页/共70页第五十九页，编辑于星期三：三点 三十六分。第59页/共70页第六十页，编辑于星期三：三点 三十六分。vJ积分的临界值积分的临界值JIC也称断裂也称断裂韧度，表示材

22、料抵抗裂纹韧度，表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力。开始扩展的能力。J积分的能量率表达积分的能量率表达线弹性：线弹性： 表示含有裂表示含有裂纹尺寸纹尺寸a a的试样，扩展为的试样，扩展为a+a+a a后系统势能的释放率后系统势能的释放率。aU aU 第60页/共70页第六十一页，编辑于星期三：三点 三十六分。 3、断裂韧度JIC、断裂J判据 断裂判据：JIJIC J判据及JIC测试的目的，主要期望用小试样测出JIC，换算出KI，利用K判据解决中、低强度大型构件的断裂问题。21IcIcEKJ平面应变第61页/共70页第六十二页，编辑于星期三：三点 三十六分。裂纹尖端张开位移（CTOD）及断裂韧度c 10材科（材科（2）班）班 1030250056 邵利超邵利超第62页/共70页第六十三页，编辑于星期三：三点 三十六分。裂纹尖端附近应力集中裂