金属材料的断裂韧度参考幻灯片

❖ 当加载速度提高时，塑性变形来不及充 分进行。
❖ 在冲击载荷下，塑性变形比较集中在某 些局部区域，从而会导致塑性变形极不 均匀。塑性变形极不均匀，必然限制塑 性变形的发展，导致变形抗力（主要是 屈服强度）提高。
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变形速度对断裂的影响
❖ 变形速度增加时，断裂过程的变化比较复杂， 塑性的变化与断裂方式有关：
从而导致脆性断裂。
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❖ 实际上，即使在解理断裂中，裂纹形核 也是塑性变形的结果，而当应力达到 c 时（c<s）尚无裂纹成核，不满足裂纹 失稳的充分条件。因此，只有当应力继
续增大到s时，因塑性变形使裂纹成核 和裂纹扩展同时进行，即断裂强度与屈 服强度重合，材料呈脆性断裂。
因此，Tk称为冷脆转变温度。
❖ 若塑性功占比例很大，裂纹扩展的撕裂功 也大，则断口则是以呈纤维状为主的韧性 断口。
❖ 因此，Ak值的大小并不能直接反映材料的 韧或脆的性质，只有其中的塑性功，特别 是撕裂功的大小才显示材料的韧性本质。
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冲击实验的应用
❖ 冲击试验采用了缺口试样，在缺口根部由于三向应力的 形成，使所处的应力状态变“硬”，加之冲击加载在缺 口根部形成很高的应变速率，这些作用提高了材料的脆 化倾向，而且这种脆化倾向主要是缺口所致（因为冲击 加载使缺口周围区域产生塑性变形，而松弛应力集中的 过程来不及进行）。所以，从这个意义上说，冲击吸收 功主要是反映材料的缺口敏感性。
❖ 主要机制与位错被钉扎有关。当位错运动与其它 位错交割或因遇到内应力峰而受阻从而暂时停滞 时，在一定温度下溶质原子可借热激活而扩散并 重新在位错周围聚集形成气团，钉扎位错使之运 动受到更大的阻力，相应地提高变形抗力，并使 塑性下降而呈现出脆性。
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❖重结晶脆性是在A1 A3温度区间，钢 中为+二相混合组织，冲击值降低 的现象。

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同样，可以计算平面应变塑性区宽度为：
塑性 区宽 度
R0
( K
s
)2
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2.有效裂纹及KI的修正
当 塑 性 区 一 经产生 并且修 正之后 ，原来 裂纹尖 端的应 力分布 已经改 变。原 来的应 力分布 为DBC线 ，现 改变为 ABEF线 。
虚拟有效裂纹长度a+ry代替实际裂 纹长度。
金属断裂韧
高 强度材 料
宏 观尺寸 的裂纹 扩展
夹杂
原
因
焊 接质量 不高
经 过焊接 大 型构件
原因
意 外事故
应 力集中
列车
屈 服前断 裂
轮船
飞机
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2
传 统设计
σ许 ≤σs /n
≠
实 际材料
宏 观裂纹
断 裂强度
应 力应变 场
裂 纹体的 断裂力 学
断 裂判据
断 裂韧性
断 裂机制
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向） y x θ=0 xy 0
k1
2r
拉应力分量最大；切应力分
量为0；
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∴裂纹最易沿X轴方向扩展。
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（二）应力场强度因子KI
由 应 力 分 量的 表达式 可知， 对于某 一确定 的点， 其应力 分量就 由KI决 定；KI越 大， 则应力 场各应 力分量 越大∴ KI值可 以反映 应力场 的强弱 程度， 称之为 应力场强度因子。
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主要内容
第一节 线弹性条件下的断裂 韧度
第二节 断裂韧度的测试 第三节 影响断裂韧度的因素 第四节 断裂韧度在工程上的
应用 第五节 弹塑第性3页/共条86页件下的断裂

多个微裂纹通过滑移长大、聚集 连接，扩展过程需要消耗大量能 量
宏观：平行于最大剪切应力或垂 直于最大主应力方向 微观：穿晶
通过滑移变形慢速扩展
沿晶分离（可能伴有微量塑性 变形），或沿一定晶面快速劈 开，扩展过程只需要很少能量 宏观：垂直于正应力 微观：沿晶、解理
通过沿晶分离或解理快速扩展
断裂控制因素 应变控制 ε＞ εf
应力控制 σ＞ σf
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项目
断口形态
断口颜色 塑性变形
断裂原因
韧性断裂和脆性断裂的比较
韧性断裂
脆性断裂
宏观：纤维状 微观：蛇形滑移、涟波、延伸、 韧窝
粗糙、灰暗
宏观：放射状（人字纹）、颗粒 状
微观：解理扇形、河流、舌状花 样、沿晶韧窝、岩石状
细瓷状、光亮
伴有大量塑性宏观变形：拉伸— —缩颈，扭转——扭角，冲击— —转角，弯曲——挠度，压缩— —镦粗
2）纤维区是断裂过程中某瞬间的裂纹前沿， 各排纤维的法线方向代表裂纹扩展方向，沿此 方向可以找到冲击力作用点。
3）微观上成撕裂型韧窝，匹配断口上韧窝 弯曲方向相同，且被拉长。
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4、压缩
1）断口为剪切型。 2）裂纹走向与正应力成45°。 3）微观断口上出现半弧形韧窝，匹配断口 上弯曲方向相反。
过载或强度不足
无宏观塑性变形
材质：白点、分层、夹杂 工艺：过热、过烧、回火脆、焊 接脆、时效脆等 环境：应力腐蚀、氢脆、低温脆 应力：低应力脆断、应力状态过 硬引起的脆断
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不同形状的韧窝 第11页/共22页
无夹杂韧窝
有夹杂韧窝 第12页/共22页

扭转晶界——在亚晶界出产生新的裂纹，河流激增
大角度晶界：河流不能通过，在晶界出产生新的裂纹，向外扩展 ，
形成扇形花样
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大角度晶界，扇形花样
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3、舌状花样
特点：形状象“舌头”，一般在钢铁材料中成组出 现。
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形成机理：
解理裂纹沿着孪晶面｛112｝产生二次解理及局部塑性变 形撕裂的结果。在低温、高速变形时容易发生孪生变形， 也就容易出现舌状花样。
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例1： 1、结晶状脆性断口（过热脆性结晶状断口） 2、产生原因：
①锻造温度过高，使原奥氏体晶粒过分粗大。 ②压下量不足，终锻温度过高，晶粒破碎不够，而再
结晶充分进行并发生了晶粒长大，使晶粒过粗或粗 细不均造成沿晶断裂裂纹所致。 3、正火发生可使晶粒细化，改善锻件质量。
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例2 晶粒过分粗大—细化晶粒处理 晶界弱化——净化晶界 环境介质——改善工作环境 热应力——退火消除
存在确定的位向关系
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准解理裂纹形成机理示意图
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准解理断口形貌
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准解理断口形貌
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第四章 沿晶断裂
1、定义：材料沿晶界（原奥氏体晶界、相界、焊合界面） 发生的断裂。
2、类型：韧性沿晶断裂（沿晶韧断） 脆性沿晶断裂（沿晶脆断）
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3、产生原因
※脆性沉淀相沿晶界析出：钢中的碳化物
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青鱼骨花样、瓦纳线
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§3、影响解理断裂的因素
1、晶体结构 bcc、hcp—易发生解理断裂 fcc——不易发生解理断裂

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理论断裂强度 （P45）
基于弹性变形的双原子
模型给出的原子内结合
力随原子间距的变化关
系可得晶体沿某晶面被
拉开产生纯弹性正断的
理论断裂强度 ：
c
E
a0
可见，金属晶体纯弹性正断的理论断裂强度
是由三个材料常数决定的。
❖ 例：纯铁的理论断裂强度为40000MPa，经过一系列强化
，实际断裂强度也大致在2000 MPa左右。
如图，设有一单位厚度的无限宽 平板，先使其受均匀拉应力作用 而弹性伸长后，将两端固定形成 一个隔离系统。然后在此平板上 开一垂直于拉应力的、长度为2a 的裂纹，则平板内总能量为：
U U0 Ue Ur
释放的弹性应变能：U e
2a 2
E
裂纹新表面形成消耗的能量：U r 2(2a s ) 4a s
则系统总能量：
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4.2裂纹体的断裂强度-Griffith准则
❖ Griffith理论的出发点： 假定在实际材料中已经存在裂纹(可视为裂
纹体)，当名义应力很低时，在裂纹尖端的局 部应力已经达到很高数值（达到理论断裂强
度 ），从c 而使裂纹快速扩展并导致材料
脆性断裂。
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Griffith准则
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3．材料脆性或韧性的相对性
工程材料的韧脆是由内在和外在二方面因素共同决定 的。
❖ 内在因素：主要是材料的塑性和强度。如纯铁与玻璃。 前者塑性优良、强度较高，通常呈韧性断裂；后者塑 性差、强度较低，则一般呈脆性断裂。特别是在冲击 条件下。
❖ 外在因素：主要是温度、加载速度和应力状态（加载 方式）等。如：同一灰铸铁材料试样，分别进行拉伸 和硬度（相当于侧压）实验，结果是前者呈脆性断裂， 后者可只压出压痕而不断裂。

材料的ak值愈大，韧性就愈好； 材料的ak值愈小，材料的脆性愈大。 通常把ak值小的材料称为脆性材料 研究表明，材料的ak值随试验温度的降低而降低。
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2. 断裂韧性
低应力脆断 工程零（构）件有时在应力低于许用应力的情况
下也会发生突然断裂，称为低应力脆断。
低应力脆断的原因 由于实际应用的材料中常常存在一些裂纹和本身
缺陷，如夹杂物、气孔等或加工和使用过程中产生 的缺陷，裂纹在应力的作用下失稳而扩展，最终导 致零（构）件断裂。
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1.1.5 疲劳强度
① 疲劳破坏
零件、工具等即使在低于材料屈服强度的交变载荷作用下， 经过一定的循环次数后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳 断裂。 表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。
（4）应用：广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度 检验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。
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1.1.4 冲击韧性
1. 冲击韧性
是指金属材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。
冲击韧性的测定方法
摆锤式一次冲击试验 小能量多次冲击试验
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摆锤式一次冲击试验 摆锤式冲击实验机
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试验原理
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拉伸试验（应力—应变）曲线
e — 弹性极限点 S — 屈服点 b — 极限载荷点
（缩颈点） K — 断裂点
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拉伸过程变化的三个阶段
（1） 弹性变形阶段 （2） 屈服变形阶段 （3） 强化阶段 （4） 缩颈阶段
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
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弹性与塑性
弹性: 金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能回复 其原来形状的性能，叫做弹性。 弹性变形: 随着外力消失而消失的变形，叫做弹性变形。 塑性变形: 在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形，叫 做塑性变形。

九江学院材料科学与工程学院 杜大明
材料力学性能 第4章 金属的断裂韧度
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K Ic的意义： (1)材料是否断裂的判据
KI > KIc，断裂；KI < KIc，不断裂 (2)断裂韧性K Ic
K Ic 越大，则裂纹体的断裂应力或临界裂纹尺寸越大，表明难以
断裂。K
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材料力学性能 第4章 金属的断裂韧度
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1、塑性区的形状和尺寸
�Irwin根据Von Mises屈服判据，计算出裂纹尖端塑性区 的形状和尺寸。 �将主应力公式代入Von Mises 屈服准则中，便可得到裂 纹尖端塑性区的边界方程。
σ1
=
σx
+σ 2
y
+
⎛ ⎜⎜⎝
σ
σx
=
k1
(2π r )1/2
cos θ 2
⎡⎢⎣1
−
sin
θ 2
sin
3θ 2
⎤ ⎥⎦
σ
y
=
k1
(2π r )1/2
cos θ 2
⎡⎢⎣1 +
sin
θ 2
sin
3θ 2
⎤ ⎥⎦
τ xy
=
k1
(2π r )1/ 2
sin θ 2
cos θ 2
cos 3θ 2
�当r→0时，σx,σy,σz,τxy等各应力分量均趋于无穷大 。这实际上是不可能的。对于实际金属，当裂纹尖端附 近的应力等于或大于屈服强度时，金属要发生塑性变形 ，改变了裂纹尖端的应力分布。
图 具有Ⅰ型穿透裂纹无限大板的应力分析
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材料力学性能 第4章 金属的断裂韧度

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临界强度(qiángdù)因子
当材料的应力强度因子KI到达某一临界值KIc时， 裂纹体发生失稳扩展。平安判据： KI <=KIc KIc是表征材料抗断裂性能的一个(yī ɡè)材料常数， 通常叫断裂韧性。
第四页，共11页。
常用(chánɡ yònɡ)材料的 KIc
KIc
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3.9a/W+2.7a2/w2)]/[2(1+2a/W)(1-a/W)F/(BW1/2)f(a/W) f(a/W)=(2+a/W)[0.886-4.64a/W-
13.32(a/W)2+14.72(a/W)3-5.6(a/W)4]/(1a/W)3/2]
第七页，共11页。
测量(cèliáng)系统：
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影响(yǐngxiǎng)断裂韧性的因素
〔1〕晶粒尺寸
晶粒尺寸
强度(qiángdù)和韧性
〔2〕夹杂
夹杂
强度(qiángdù)和韧性
〔3〕组织结构
〔4〕温度和加载速度
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第十页，共11页。
复习题
• 什么叫材料(cáiliào)的断裂韧性？通常用什么符号表示， • 断裂韧性通常采用什么方法测试？ • 材料(cáiliào)的断裂韧性越大说明材料(cáiliào)塑性越好，
断裂韧性的测试(cèshì)
试件： 〔1〕三点弯曲(wānqū)； 〔2〕紧 凑拉伸。
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〔KI1=〕FL三/(B点W弯3曲/K2)If(a公/W式) (gōngshì)
F---载荷； L---名义跨距 f(a/W)=3(a/W)1/2[(1.99-a/W)(1-a/W)(2.15-