斷裂韌性斷裂韌性結(jié)果

在斷裂韌性的測定中，有三個(gè)階段，在第一階段里，F(xiàn)PZ逐漸形成，應(yīng)力強(qiáng)度因子K_I值將會(huì)單調(diào)增加；在第二階段里，裂紋發(fā)生穩(wěn)定擴(kuò)展；然后在第三階段，出現(xiàn)了K_I值的突然減少到K_IC值。對(duì)于這種現(xiàn)象的一種可能解釋是數(shù)值方法的固有假定所至。在有限元標(biāo)定中假定了理想的線彈性系統(tǒng)，但隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，此假定卻進(jìn)一步失去正確性。因?yàn)橛邢蘖鸭y長度增加，可以觀察到大的殘余CMOD。這個(gè)影響，在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)可以忽略，但到實(shí)驗(yàn)的后期此影響是相當(dāng)大的。

一般地，僅僅第二階段時(shí)的斷裂韌性值可以作為靜力分析時(shí)用。它們的平均值總結(jié)于下表中。從表中，我們可以觀察到如下現(xiàn)象：

①上面的表中所列的相對(duì)偏差都在范圍20%以內(nèi)，斷裂韌性的客觀值與試件的尺寸無關(guān)，并可以獲得；

②基于水平方向上的相對(duì)誤差，也可發(fā)現(xiàn)斷裂韌性與MSA的尺寸無關(guān)；

③這些結(jié)果是在無限制條件的實(shí)驗(yàn)室里得到的，對(duì)于限制應(yīng)力對(duì)斷裂韌性的影響可見1990年Saouma等人的研究結(jié)果。

如能提高斷裂韌性，就能提高材料的抗脆斷能力。因此必須了解斷裂韌性是受哪些因素控制的。影響斷裂韌性的高低，有外部因素，也有內(nèi)部因素。

外部因素

外部因素包括板材或構(gòu)件截面的尺寸、服役條件下的溫度和應(yīng)變速率等。

材料的斷裂韌性隨著板材或構(gòu)件截面尺寸的增加而逐漸減小，最后趨于一穩(wěn)定的最低值，即平面應(yīng)變斷裂韌性K_IC。這是一個(gè)從平面應(yīng)力狀態(tài)向平面應(yīng)變狀態(tài)的轉(zhuǎn)化過程。

斷裂韌性隨溫度的變化關(guān)系和沖擊韌性的變化相類似。隨著溫度的降低，斷裂韌性可以有一急劇降低的溫度范圍，低于此溫度范圍，斷裂韌性趨于一數(shù)值很低的下平臺(tái)，溫度再降低也不大改變了。

關(guān)于材料在高溫下的斷裂韌性，Hahn和Rosenfied提出了以下經(jīng)驗(yàn)公式：

σ_s——高溫下材料的屈服應(yīng)力，MPa；

ε_f——高溫下單向拉伸時(shí)的斷裂真應(yīng)變，

Ψ——高溫下單向拉伸時(shí)的斷面收縮率。

應(yīng)變速率的影響和溫度的影響相似。增加應(yīng)變速率和降低溫度的影響是一致的。

內(nèi)部因素

內(nèi)部因素有材料成分和內(nèi)部組織。作為材料成分與內(nèi)部組織因素的綜合，材料強(qiáng)度是一宏觀表現(xiàn)。從力學(xué)上而不是冶金學(xué)的角度，人們總是首先從材料的強(qiáng)度變化出發(fā)來探討斷裂韌性的高低。只要知道材料強(qiáng)度，就可大致推斷材料的斷裂韌性。圖1為AISI 4340（40CrNiMo）鋼的斷裂韌性和經(jīng)淬火、回火熱處理成不同屈服強(qiáng)度后的相互關(guān)系?？梢姡瑪嗔秧g性是隨材料屈服強(qiáng)度的降低而不斷升高的。這一試驗(yàn)結(jié)果是有代表性的，大多數(shù)低合金鋼均有此變化規(guī)律。即使像馬氏體時(shí)效鋼（18Ni）也是如此，只不過同樣強(qiáng)度下斷裂韌性值較高些而已。

斷裂韌性壓痕法

測試試樣表面先拋光成鏡面，在顯微硬度儀上，以10Kg負(fù)載在拋光表面用硬度計(jì)的錐形金剛石壓頭產(chǎn)生一壓痕，這樣在壓痕的四個(gè)頂點(diǎn)就產(chǎn)生了預(yù)制裂紋。根據(jù)壓痕載荷P和壓痕裂紋擴(kuò)展長度C計(jì)算出斷裂韌性數(shù)值（KIC）。 計(jì)算公式為：

斷裂韌性試樣類型

國內(nèi)常用的斷裂韌性試樣有兩種：

1）三點(diǎn)彎曲試樣SE（B）；

2）緊湊拉伸試樣C（T）。

斷裂韌性試驗(yàn)方法

在試樣中間開一裂紋，通過三點(diǎn)或四點(diǎn)抗彎斷裂測試，計(jì)算材料的斷裂韌性。

斷裂韌性測試方法比較

①IM法比SENB法簡便經(jīng)濟(jì)，但測得的數(shù)據(jù)不如SENB法可靠；

②SENB法是普遍公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)測試方法；

③為了實(shí)際方便，要對(duì)IM法測試公式修正，使結(jié)果更接近SENB法。

斷裂韌性表征材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是度量材料的韌性好壞的一個(gè)定量指標(biāo)。在加載速度和溫度一定的條件下，對(duì)某種材料而言它是一個(gè)常數(shù)，它和裂紋本身的大小、形狀及外加應(yīng)力大小無關(guān)，是材料固有的特性，只與材料本身、熱處理及加工工藝有關(guān)。當(dāng)裂紋尺寸一定時(shí)，材料的斷裂韌性值愈大，其裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展所需的臨界應(yīng)力就愈大；當(dāng)給定外力時(shí)，若材料的斷裂韌性值愈高，其裂紋達(dá)到失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)的臨界尺寸就愈大。它是應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值。常用斷裂前物體吸收的能量或外界對(duì)物體所作的功表示。例如應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積。韌性材料因具有大的斷裂伸長值，所以有較大的斷裂韌性，而脆性材料一般斷裂韌性較小。

斷裂韌性在工程中受到重視的原因是，它表征與光滑試樣中強(qiáng)度特性完全相反的特性。例如，很粗略地說，同一系列的材料的斷裂韌性值隨屈服強(qiáng)度增加而下降。因此，盡管按屈服強(qiáng)度準(zhǔn)則認(rèn)為已進(jìn)行十分安全設(shè)計(jì)的高強(qiáng)度材料的結(jié)構(gòu)，由于其構(gòu)件中某種原因或有缺陷或產(chǎn)生裂紋，甚至也會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定斷裂造成致命的損傷。由于材料屈服強(qiáng)度隨溫度下降而增大，在設(shè)計(jì)過程中未考慮低溫?cái)嗔秧g性的情形，也會(huì)造成同樣結(jié)果。過去結(jié)構(gòu)物斷裂事故中，由于對(duì)上述斷裂韌性認(rèn)識(shí)不足而發(fā)生的事故一定不少。

一般地說，在不穩(wěn)定斷裂之前，隨著載荷增加斷裂徐徐進(jìn)行，即所謂穩(wěn)定斷裂的情形不少。雖是一種穩(wěn)定斷裂，但由于疲勞，應(yīng)力腐蝕裂紋，蠕變等原因，裂紋擴(kuò)展后轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定斷裂的情形也不少。

如把臨界缺陷擴(kuò)展稱為不穩(wěn)定斷裂，把亞臨界缺陷擴(kuò)展叫做穩(wěn)定斷裂，不管穩(wěn)定斷裂的內(nèi)容如何，斷裂韌性均表示材料在穩(wěn)定斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定斷裂時(shí)的阻抗值。當(dāng)然，斷裂韌性受事先進(jìn)行的穩(wěn)定斷裂的影響是明顯的。同時(shí)，我們知道斷裂韌性值有顯著的尺寸效應(yīng)。尺寸效應(yīng)是產(chǎn)生應(yīng)力狀態(tài)和屈服范圍問題的原因，尤其是屈服范圍構(gòu)成選擇表示斷裂韌性的力等參數(shù)問題。

金屬材料的斷裂韌性、裂紋擴(kuò)展速率和裂紋擴(kuò)展的門檻值等力學(xué)性能指標(biāo)已為廣大的力學(xué)測試、材料研究和金相專家所了解，并已在零部件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)、新材料的研制、材料的應(yīng)用研究、材料強(qiáng)度規(guī)律的試驗(yàn)研究、熱處理工藝的選擇以及失效分析中得到了廣泛的應(yīng)用。本文的目的，是圍繞斷裂韌性的“基本原理”和“工程應(yīng)用”這兩個(gè)方面，為力學(xué)、材料和金相專家們提供更全面、更深入的內(nèi)容，以便在今后的試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用中發(fā)揮更大的效益。

金屬材料的平面應(yīng)變斷裂韌性K_IC，是在斷裂力學(xué)這門學(xué)科形成后提煉出來的一個(gè)新型的力學(xué)性能指標(biāo)。而早期斷裂力學(xué)的誕生則是研究防止脆性破壞的結(jié)果，因此，我們還得先談一點(diǎn)有關(guān)脆性破壞的情況。

脆性破壞是機(jī)械零件失效的重要方式之一。它是在零件受載過程中，在沒有產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的情況下，突然發(fā)生的一種破壞。由于事先沒有明顯的跡象，所以脆性破壞的危險(xiǎn)性很大。

防止零部件發(fā)生脆性破壞的傳統(tǒng)方法是：

①要求選用的材料具有一定的塑性指標(biāo)δ和Ψ，并具有一定的沖擊韌性A_k值。這種選材方法完全是根據(jù)零部件的使用經(jīng)驗(yàn)來定的，它既沒有充足的理論根據(jù)，又不能保證零部件工作的安全性。例如，1950年美國北極星導(dǎo)彈固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體在實(shí)驗(yàn)發(fā)射時(shí)，發(fā)生了爆炸事故，而所使用的1373MPa屈服強(qiáng)度的D6AC鋼是經(jīng)過嚴(yán)格檢驗(yàn)的：其塑性和沖擊韌性指標(biāo)都是完全合格的。又如，我國生產(chǎn)的120T氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐的轉(zhuǎn)軸也曾經(jīng)發(fā)生過斷軸事故，而所使用的40Cr鋼的強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性指標(biāo)都是經(jīng)過檢驗(yàn)而達(dá)到設(shè)計(jì)要求的。

②采用轉(zhuǎn)變溫度的方法，對(duì)材料的轉(zhuǎn)變溫度提出一定的要求。由于一次沖斷試驗(yàn)，只考慮了應(yīng)力集中和加大應(yīng)變速率這兩個(gè)因素，還沒有考慮溫度降低對(duì)材料脆性破壞的影響。為此，設(shè)計(jì)了系列沖擊試驗(yàn)，即在一系列不同溫度下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，得到A_k-T曲線和脆性斷口百分率-溫度T的曲線，由此確定脆性斷口轉(zhuǎn)變溫度，常用的是FATT₅₀。一般認(rèn)為，只要零部件的實(shí)際工作溫度大于材料的脆性轉(zhuǎn)變FAATT₅₀，就不會(huì)發(fā)生脆性破壞。

盡管如此，上面兩種方法都還是經(jīng)驗(yàn)性的，它們無法找到實(shí)驗(yàn)室中的轉(zhuǎn)變溫度與實(shí)際零部件的轉(zhuǎn)變溫度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。因此，按這種方法的設(shè)計(jì)和選材，要么很保守，要么照樣產(chǎn)生脆性破壞。國內(nèi)外大量的軸、轉(zhuǎn)子、容器和管道、焊接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的大量脆性破壞事故表明，傳統(tǒng)的防斷方法必須改變。

試驗(yàn)研究表明，大量的低應(yīng)力脆性破壞的發(fā)生，是和零件內(nèi)部存在宏觀缺陷有關(guān)的。這些缺陷有的是在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的，如在冶煉、鑄造、鍛造、熱處理和焊接中產(chǎn)生的夾雜、氣孔、疏松、白點(diǎn)、折疊、裂紋和未焊透等；有的是在使用過程中產(chǎn)生的，如疲勞裂紋、應(yīng)力腐蝕裂紋和蠕變裂紋等。所有這些宏觀缺陷，在斷裂力學(xué)中都被假設(shè)(抽象化)為裂紋，在零部件承受外加載荷時(shí)，裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中。如果材料的塑性性能很好，它就能使裂紋尖端的集中應(yīng)力得到充分的松弛，這就可能避免脆性開裂。但是．如果由于某些原因：或是材料的塑性性能很差；或是零件尺寸很大，約束了材料的變形；或是工作溫度的降低，使材料工作在轉(zhuǎn)變溫度以下；或是加載速率的提高，使材料塑性變形跟不上而呈脆性；或是腐蝕介質(zhì)或射線輻照的作用引起材料的脆化等等，就有可能使裂紋尖端產(chǎn)生脆性開裂，從而造成零件的脆性破壞。

當(dāng)帶缺陷的物體受力時(shí)，研究其內(nèi)部缺陷——裂紋附件近應(yīng)力應(yīng)變場情況及其變化規(guī)律，研究裂紋開裂的條件，以及裂紋在交變載荷下的擴(kuò)展規(guī)律等內(nèi)容，就形成了一門新的學(xué)科——斷裂力學(xué)。

隨著概率斷裂力學(xué)工程應(yīng)用的逐步深入，材料斷裂韌性分散性問題，已成為影響含缺陷結(jié)構(gòu)概率安全評(píng)定的關(guān)鍵因素之一。合理解決材料斷裂韌性分散性是一個(gè)十分復(fù)雜的問題。一方面由于冶金過程等方面的偏差，造成材料斷裂韌性的分散性；另一方面由于試樣幾何尺寸、裂紋長度測量等試驗(yàn)誤差，亦會(huì)導(dǎo)致測試結(jié)果的不確定性，還有不同測試規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測試數(shù)據(jù)的處理也會(huì)導(dǎo)致測試結(jié)果的不確定性。若缺陷位于焊接部位，影響因素將更加復(fù)雜。除上述原因外，還會(huì)有諸如焊接上藝、焊材、以及不同操作人員及焊后熱處理等因素導(dǎo)致斷裂韌性測試結(jié)果分散性更加嚴(yán)重。盡管分析和解決其分散性問題如此復(fù)雜，十分困難，然而，在對(duì)含缺陷焊接結(jié)構(gòu)(尤其是工業(yè)鍋爐、壓力容器和管道)進(jìn)行安全評(píng)定時(shí)，重點(diǎn)就是焊接接頭區(qū)而不是母材。如何處理斷裂韌性的分散性問題已成為工程界不可回避的問題，也是概率安全評(píng)定應(yīng)解決的基本問題之—。

對(duì)材料斷裂韌性分散性規(guī)律的研究，在理論和實(shí)踐上均已取得較大進(jìn)展。

Hauge和Thualow分別采用Weibull分布、LogNormal分布、Slather模型以及Neville模型，對(duì)兩組CTOD數(shù)據(jù)（86個(gè)母材和16個(gè)焊材）進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，其主要結(jié)論如下：

①兩組CTOD數(shù)據(jù)并非服從形狀參數(shù)為2的Weibull分布（或Slather模型）；雙參數(shù)Weibull分布、LogNormal分布和Neville分布都適宜擬合這些數(shù)據(jù)。

②90%置信限的中位期望值可較好地由LogNormal分布得到；對(duì)于只有三個(gè)子樣時(shí)，能較好地等效于三個(gè)值十取最小值的方法；對(duì)大子樣，LogNormal吻合更好。

③對(duì)于小子樣，LogNormal分布提供最為可靠的估計(jì)，Weibull分布和Neville模型在于樣為3和5時(shí)由于數(shù)據(jù)不夠，難以估計(jì)分布參數(shù)值。

④數(shù)值模擬結(jié)果及擬合結(jié)果均表明LogNormal分布無論對(duì)太子樣還是小于樣，擬合精度足夠，不是特別保守。

Mimura等對(duì)由于材料不均勻而引起斷裂韌性的分散性做了分析與試驗(yàn)研究。經(jīng)過從同一塊板上取樣的CharpyV型試塊試驗(yàn)分析，提出了區(qū)別材料不均勻性導(dǎo)致的分散性與測試中導(dǎo)致的分散性的方法。

已有許多研究人員用各種不同的方法試驗(yàn)了鋼材的缺口韌性。下表列出了用于評(píng)定缺口韌性的典型方法，大體可分成四類：

1．小試件的沖擊試驗(yàn)；

2．小試件的靜載試驗(yàn)，

3．焊件動(dòng)載斷裂試驗(yàn)；

4．寬板拉伸試驗(yàn)。

有些研究所的試驗(yàn)重點(diǎn)在研究解理裂紋的起裂，而另外一些則放在阻止解理裂紋的擴(kuò)展。但幾乎所有的試驗(yàn)都包含這樣的內(nèi)容，即試樣開有缺口并在試驗(yàn)溫度降低時(shí)觀察其脆性行為。既然每一種試驗(yàn)側(cè)重于脆性斷裂過程的不同特征，則用不同的方法去評(píng)定材料阻止解理斷裂的能力就不足為奇了。這些試驗(yàn)幾乎總能確定一個(gè)轉(zhuǎn)變溫度，低于這個(gè)轉(zhuǎn)變溫度在試驗(yàn)條件下就會(huì)發(fā)生解理斷裂。

下面僅介紹一種試驗(yàn)原理——小試樣的擺錘沖擊試驗(yàn)

試驗(yàn)的原理是將試樣置于擺錘沖擊刃所經(jīng)路徑的最低點(diǎn)處。開始時(shí)將擺錘提到某一高度然后釋放，擺錘就橫擊試樣并使之?dāng)嗔?。此時(shí)擺錘繼續(xù)前進(jìn)，并升至試樣另一邊的某一高度（小于初始的高度），兩個(gè)高度之差乘以擺錘的質(zhì)量就相當(dāng)于試樣斷裂時(shí)所吸收的能量。斷口表面的現(xiàn)象（晶狀斷面百分率）和試樣的變形情況對(duì)評(píng)價(jià)斷口的脆性提供了補(bǔ)充線索。

一般是在不同溫度下對(duì)一系列試樣進(jìn)行這類試驗(yàn)，以考察溫度對(duì)其它變數(shù)的影響。

通常采用兩種試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。在艾索德（Izod）試驗(yàn)機(jī)中，試樣夾在虎鉗內(nèi)，成為懸臂粱伸入擺錘所經(jīng)路徑中。因試樣及虎鉗須同時(shí)保持所要求的試驗(yàn)溫度，故控制溫度比較困難。這種裝置不如卻貝（Charpy）試驗(yàn)機(jī)好，目前很少使用。

簡介

材料的一種力學(xué)性能指標(biāo)，反映材料在特定腐蝕介質(zhì)‘}，抵抗應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展的能力，用It }xw表示，單位是MPa"mz} Kis二值越高，材料在給定介質(zhì)中發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂的傾向越低。