《工程材料力学性能》期末复习笔记(4)

材料无屈服直接断裂（表现为脆性）。

心立方和面心立方金属低温脆性的差异：体心立方金属的低温脆性比面心立方金属的低温脆性显著。原因：这是因为派拉力对其屈服强度的影响占有很大比重，而派拉力是短程力，对温度很敏感，温度降低时，派拉力大幅增加，则其强度急剧增加而变脆。

2、韧脆转变指金属材料的脆性和韧性是金属材料在不同条件下表现的力学行为和力学状态，两者是相对的并且相互转化。

韧性温度储备：材料使用温度和韧脆转变温度的差值，保证材料的低温服役行为。

韧脆转变温度：材料表现出低温的脆性的临界温度称为韧脆转变温度。

（1）、按能量法定义:低阶能NDT，以下为100%结晶区（解理区）；高阶能FTP，以上为100%纤维状断口；以低阶能和高阶能平均值定义tk，FTE.

(2)、按断口形貌定义：取结晶区面积占整个断口面积50%时的温度为tk并记作50%FATT

3、落锤试验和断裂分析图

-2-1

由本人自己,基于机械工业出版社《工程材料力学性能》第2版(束德林主编),针对四川大学材料学院金属材料工程系期末复习整理。

随试样温度下降其力学行为变化：不裂-拉伸侧表面部分形成裂纹但未发展到边缘-拉伸侧表面裂纹发展到另一侧边或两边（此时最高温度定义为NDT）-试样断为两部分。

三、影响韧脆性转变温度的冶金因素

① 金因素：

a晶体结构：体心立方金属及其合金存在低温脆性。

b化学成分：1）间隙溶质元素↑→韧脆转变温度↑2）置换型溶质元素一般也能提高韧脆转变温度，但Ni和一定量Mn例外。 3）杂质元素S、P、As、Sn、Sb等使钢的韧性下降

c晶粒大小，细化晶粒提高韧性的原因有：晶界是裂纹扩展的阻力；晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；晶界总面积增加，使晶界上杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂。

d纤维组织：1） 对低强度钢：按tk由高到低的顺序：珠光体→上贝氏体→铁素体→下贝氏体→回火马氏体2）对中碳合金钢且强度相同，tk：下贝氏体＜回火马氏体；贝氏体马氏体混合组织＞回火马氏体；3低碳合金钢的韧性：贝氏体马氏体混合组织＞单一马氏体或单一贝氏体；4）马氏体钢的韧性：奥氏体的存在将显著改善韧性钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的韧性有重要影响，影响的程度与第二相质点的大小、形状、分布、第二相的性质及其与基体的结合力等性质有关。

Q:（课后第2题）说明下列力学性能指标的意义

（1）AK——材料的冲击吸收功

AKV (CVN) 和AKU——V型缺口和U型缺口试样测得的冲击吸收功

（2）FATT50——结晶区占整个端口面积50%是的温度定义的韧脆转变温度

（3）NDT——以低阶能开始上升的温度定义的韧脆转变温度

（4）FTE——以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义的韧脆转变温度

（5）FTP——高阶能对应的温度

Q:J积分的主要优点是什么?为什么用这种方法测定低中强度材料的断裂韧性要比一般的KIC测定方法其试样尺寸要小很多？

答案：J积分有一个突出的优点就是可以用来测定低中强度材料的KIC。

对平面应变的断裂韧性KIC，测定时要求裂纹一开始起裂，立即达到全而失稳扩展，并要求沿裂纹全长，除试样两侗表面极小地带外，全部达到平面应变状态。而JIC的测定，不一定要求试样完全满足平面应变条件，试验时，只在裂纹前沿中间地段首先起裂，然后有较长的亚临界稳定扩展的过程，这样只需很小的试验厚度，即只在中心起裂的部分满足平面应变要求，而韧带尺寸范围可以大而积的屈服，甚至全面屈服。因此．作为试样的起裂点．仍然是平面应变的断裂韧度，这时JIC的是材料的性质。当试样裂纹继续扩展时，进入平面应力的稳定扩展阶段，此时的J不再单独是材料的性质，还与试样尺寸有关。

第四章 金属的断裂韧度

一、线弹性条件下的金属断裂韧度

方法：应力应变分析方法，得断裂K判据；能量分析方法，得断裂K判据；

1、 裂纹扩展的基本形式

张开型（I型）、滑开型（II）、撕开型（III）

2、 应力场强度因子KI和断裂韧度（KIC）

（1） 裂纹尖端附近应力场分析P67

（2） 应力场强度因子KI（表示I型裂纹）：应力场强度因子KI是表示应力场强度的力学参量

KI越大，则应力场各应力分量越大。

常见几种裂纹KI表达式：P69，表4-1.

一般表达式： √Y为裂纹形状系数，一般Y=1～2。KI的量纲：[应力]X[长度]。

对于II和III型裂纹，应力场强度因子表达式： √ √.

断裂韧度KIC和断裂K判据

断裂韧度：当KI 增大达到临界值时，也就是在裂纹尖端足够大的范围内达到了材料的断裂强度，裂纹便失稳扩1/2

由本人自己,基于机械工业出版社《工程材料力学性能》第2版(束德林主编),针对四川大学材料学院金属材料工程系期末复习整理。

展而导致材料断裂。这个临界或失稳状态的kI 值记作KIc，称为断裂韧度。

断裂应力 c，临界裂纹尺ac

发生脆性断裂判据：KI≥KIC，或 √≥KIC，反之，则不断裂，称为破损安全

低应力脆断：当容器或构件存在宏观裂纹时，在应力水平不高，甚至低于材料屈服极限的情况下所发生的突然断裂现象称为低应力脆断。

裂纹尖端塑性区及KI的修正：

（1）塑性区的形状和尺寸：P71-P74，裂纹尖端塑性区宽度计算公式P74表4-2。

（2）有效裂纹及KI的修正：P74-P75

3、裂纹扩展能量释放率GI和断裂韧度GIC

（1）裂纹扩展时能量转化关系，P75

（2）裂纹扩展时能量释放率GI，P76

（3）断裂韧度 ( )

G判据：GI>=GIC （4）GIC和KIC关系：

三、影响断裂韧度KIC的因素P81

四、★断裂韧度在金属材料中的应用举例P84-P88。（计算题，要考）

五、弹塑性条件下金属断裂韧度的基本概念

J积分：裂纹尖端区的应变能，即应力应变集中程度

COD：裂纹尖端沿应力方向张开所得到的位移。

Q:课后习题

16.有一大型板件，材料的σ0.2=1200MPa，KIc=115MPa*m1/2，探伤发现有20mm长的横向穿透裂纹，若在平均轴向拉应力900MPa下工作，试计算KI及塑性区宽度R0，并判断该件是否安全？

解：由题意知穿透裂纹受到的应力为σ=900MPa

根据σ/σ0.2的值，确定裂纹断裂韧度KIC是否休要修正

因为σ/σ0.2=900/1200=0.75>0.7，所以裂纹断裂韧度KIC需要修正

对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的KI为：

KI a

2 0.177( / s) 9000.01 2 0.177(0.75) 168.13=R0 122 KI s 2 （MPa*m1/2）

塑性区宽度为： =0.004417937(m)= 2.21(mm)

比较K1与KIc：因为K1=168.13（MPa*m1/2），KIc=115（MPa*m1/2）

所以：K1>KIc ，裂纹会失稳扩展 , 所以该件不安全。

17.有一轴件平行轴向工作应力150MPa，使用中发现横向疲劳脆性正断，断口分析表明有25mm深度的表面半椭圆疲劳区，根据裂纹a/c可以确定φ=1，测试材料的σ0.2=720MPa ，试估算材料的断裂韧度KIC为多少？

解：

因为σ/σ0.2=150/720=0.208<0.7，所以裂纹断裂韧度KIC不需要修正

对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的KI为：KIC=Yσcac1/2

对于表面半椭圆裂纹，Y=1.1/φ=1.1

所以，KIC=Yσcac1/2=1.1 150 25 10 3=46.229（MPa*m1/2）

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