材料的韧性及断裂力学简介.PDF

第二节 材料的韧性及断裂力学简介 一、低应力脆断及材料的韧性 人们在对船舶的脆断、无缝输气钢管的脆断裂缝、铁桥的脆断倒塌、飞机因脆断而失事、 石油、电站设备因脆断而发生重大事故的分析中，发现了一些它们的共同特点： 1.通常发生脆断时的宏观应力很低，按强度设计是安全的； 2.脆断事故通常发生在比较低的工作温度环境下； 3.脆断从应力集中处开始，裂纹源通常在结构或材料的缺陷处，如缺口、裂纹、夹杂等； 4.厚截面、高应变速率促进脆断。 由此，人们发现了传统设计思想和材料的性能指标在强度设计上的不足，试图提出新的 性能指标和安全判据，找到防止脆断的新的设计方法。 传统的强度设计所依据的性能指标主要为弹性模量 E 、屈服极限σs、抗拉强度σb ，而 塑性指标延伸率δ和面收缩率φ在设计中只是参考数据，通常还会考虑应力集中现象，即使 如此，设计的安全判据仍不足以防止脆断的发生，这说明材料的强度、塑性、弹性这些性能 指标还不能完全反映材料抵抗脆断的发生。经过对众多脆断事故的分析和研究，人们提出了 一个便于反映材料抗脆断能力的新的性能指标——韧性，从使脆性材料和韧性材料断裂所消 耗的能量不同，归纳出韧性的定义为：所谓韧性是材料从变形到断裂过程中吸收能量的太小， 它是材料强度和塑性的综合反映。 例如图 l-2 为球墨铸铁和低碳钢的拉伸曲线，可以用拉伸曲线下的面积来表示材料的韧性， 即 图中可见，虽然球墨铸铁的抗拉强度 σb 比低碳钢高，但其断裂时的塑性应变 εp 确远 较低碳钢小，综合起来看，低碳钢的韧性高。 图 1-2 球铁和低碳钢拉伸曲线表示的韧性 材料的韧性可用实验的方法测试和判定。应用较早和较广泛的是缺口冲击试验，这种方 法已经规范化。具体方法是将图 1-3 所示的缺口试样用专用冲击试验机施加冲击载荷，使试 样断裂，用冲击过程中吸收的功除以断口面积，所得即为材料的冲击韧性，以 αk 表示，单 位为 J/cm^2 。目前国际上多用夏氏V 型缺口试样，我国多用 U 型缺口试样。由于缺口冲击 试验能较准确地测定材料的韧性且简单易行，至今仍有广泛使用。设计中材料的冲击韧性是 一个参考数据，由经验来确定对材料冲击韧性值的要求。 图 1-3 横粱式冲击试验 (a)冲击试样(试样外形尺寸 10×10×55mm^3) (b)冲击试样安放 实践证明，环境温度对材料的韧性有很明显的影响，随着温度的降低，材料的韧性将 减小，当温度降到某一值 T τ后，冲击韧性值将大大降低，材料变脆。美国的焊接船舶发生 脆断事故都是发生在-10～15℃的较低温环境下，因此有人用材料的脆性转变温度 T τ作为 防止脆断的安全判据，设计时根据结构的工作温度来选择具有合适脆化温度 T τ的材料，以 保证工作温度高于脆化温度来防止脆断。现在测定材料脆性转化温度τt 的标准方法为落锤 试验。方法如图 1-4 所示，在大于 16mm 硼厚度的板状试样的中心堆焊小焊球，在焊球上制 备一个缺口，缺口不伤及母板，试样放在图示的试验装置上，用 60～100 磅的重锤从 4～14 英尺的高度上自由下落冲击试件中央。在系列不同温度条件下进行试验，即可测得材料的脆 性转化温度 T τ。 以冲击韧性αk 或脆性转变温度 T τ作韧性指标，在研究钢材的热加工工艺对材料韧 性的影响上是很方便的，但是在设计中这些指标不能用于计算发生脆断时的载荷，而只 能作为一种定性的参考依据。 为了在设计中直接应用材料的韧性指标，人们又用力学知识分析脆断问题与材料断裂 韧性的关系，研究反映脆断裂纹发生和发展的力学参量，在大量实验的基础上对带裂纹材料 的断裂韧度进行了深人的研究，探索了带裂纹构件在各种工作条件下裂纹的扩展、失效和止 裂的规律，建立了可用于工程设计的准则，形成了新的力学分支——断裂力学。 图 1-4 落锤试验方法示意图 （a ）装置示意图； （b ）试样反面的焊珠和切口 二、断裂力学简介 断裂力学是一个以带裂纹体为研究对象的新的力学分支。主要研究裂纹萌生和扩展的条 件与机理。确定裂纹体材料实际强度的力学参量和测定方法，探讨防止构件脆断的途径。现 在断裂力学研究取得了很大的进展