第六节断裂韧性 、基本概念 工程设计中,是用屈服强度确定材料许用应力的。一般认为,零件低于许用应力下工作, 就不会发生塑性变形,更不会发生断裂,然而,随着高强度钢和大型焊接结构的广泛应用,尽管 设计时曾保证了足够的伸长率和冲击刨性,但有时会在远低于屈服状态下发生脆性断裂,如 高压容器的爆炸,桥梁、轮船、大型轧辊的突然折断等。对这些脆断事例进行分析及研究发 现,脆性破坏总是同材料中裂纹的扩展有关。在金属材料的生产工艺中,如冶炼铸造、锻压, 焊接、热处理等总会产生或多或少的缺陷,这些缺陷的本身就是裂纹,有的后米发展为裂纹。 低应力脆断实际上就是由于裂纹在应力作用下,发生所谓失稳扩展而引起的。因此裂纹扩展 的难易,也就是裂纹扩展所需要的能量大小,成为材料是否易于断裂的一个重要指标。所以, 金属材料对裂纹失稳扩展的抗力,就反映了抵抗脆性断裂的强度。这种抵抗脆性断裂性能的 指标,称为断裂韧性。 断裂韧性同合金的冶炼质量有密切关系,其中非金属夹杂物的影响很大,钢的强度愈高, 其影响愈大。所以,对于要求断裂韧性高的高强度钢,必须使非金属夹杂物含量最少。 、断裂韧性的评定 对于大量的由于脆性破坏事例的析,裂纹在外力作用下的扩展形式有多种较为常见又 较危险的是张开型(又称为I型)裂纹的扩展,如图1-11所示。 图1-12所示为在一无限宽板内有一条长2a的中心贯穿裂纹,在无限远处受应力的作 用,图中y6是以裂纹尖端为原点的极坐标,表示研究点的位置。根据断裂力学分析,可以得 到下列关系式: 图1-11晚连破坏《张开型) 图1-12应力作用下的张开型裂纹 式中,K1(I表示I型裂纹)为引入的个参量,称为应力强度因子。它的大小确定了裂纹前 端各点的应力大小。 上式中o√ma反映了裂纹的形状、尺寸及位置、加载方式、载荷大小等因素对裂纹尖端
附近一点应力大小的影响 对于任意形状的构件,垂直于裂纹面受拉时,K可用下式表示 K1=Yo√a 式中,Y为形状因子。不同形状的构件,其Y值不间,可从有关手册中查出 主上述公式可知,拉伸时,随着a的增大,五;也增大,而裂纹前端的应力也随之增大,当 五;增大到某…临界值吋,裂纹失稳扩展,最终可使材枓断裂,此时的K1称为临界应力强度因 子,用Kc标记,它老示了对裂纹扩展的阻力。Ktc愈大,裂纹就不易扩展,材料就愈不容易 发生脆性破坏。 Kc值是材料本身的一种特性,由材料的成分组织状态所决定,其值可由试验得出。 如果材料的Km已知,并已知构件的形状因子Y和裂纹长度(由无损探伤测出),即可确 定构件能够承受的最大应力。 Kr是根据裂纹前端处于线弹性状态所得的力学参量,Kr是相应的性能指标,它只适用 于小范围居服条件下使用。对于一般中小型零件,屈服范围就很大(或整体屈服),目前是以裂 纹顶端张开位移(COD)理论和J积分理论作为鉴定材料质量的断裂韧性指标,可参阅有关 书籍 复习思考题 1-1有一钢制匠棒,承受7000N的拉伸载荷而未产生塑性变形,此时的应变值不大于 1%。问该国棒的截面积最小应是多少?其屈服强度最低是多少? 1-2同一种材料的a和10是否相同 为什么?哪一个值大 35%c 1-3题图1-3中所示为不同材料的拉停 曲线。试棒直径为d10mm,标距长度均为 100mm (1)当应力为380MPa时,各试棒处于何 种状态?此时若将载荷除去,各试棒的应变值 约为多少? (2)用035%C钢制成的轴,如果使用中 题图1-24L(mm) 发现在弹性变形范園内有较大的弯曲变形,此 时如果改用045%C钢成铝青铜,能否使变形 减小?若弯曲变形已有塑性变形,也改用上述两种材料,是否可避免产生塑性变形? (3)硬铝和铝青铜分别制成相同的零件,且均在弹性变形范围内受到相同的拉力,问哪 种材料制成的零件所产生的弹性变形可能大些?为什么? (4)问45钢的、OB和8各是多少? 1-4oa的含意是什么?低碳钢为什么不用此摧标 1-5材料强度离,是否塑性一定小,为什么?材料硬度大,是否刚度一定大,为什么? 6如题图1-3所示,某支承杆需要具有抗拉强度大于300MPa,伸长率大于15%,问在 铜、硬铝和铝青铜中选用何种材料方能满足要求?为什么?
下列材料或零件上测量硬度,应当用什么硬度计才合理:1)灰铸铁;2) 刀;3)弹簧;4)硬质合金刀片;5)薄铝片;6)铜。 1-8球墨铸铁的冲击韧性不高,为什么能成功地用作承受冲击载荷的曲轴材料? 1-9什么情况下会产生疲劳断裂?其断有何特征?
y 第二章金属的晶体结构与结晶 不同的金属具有不同的性能,例如铁的强度、硬度比铜高,而导电和导热性能较铜低即使 同样成分的金属,由于冷却条件或加工处理不同,其性能也会有差异。这一切都说明,金属的 性能与内部结构有关,而内部结构的形成,又与结晶条件密切相连。因此,有必要了解金属原 子的结合方式、品体中原了的聚集状态和分布规律,以及金属的结晶过程等。 实践表明,学习金属的晶体结构与结品,不仅冇助于掌握念属材料的性能,而且对进一步 改善和发展金属材料都有重要的指导意义。 第一节金属特性与金属键 百态金属的特性主要有:1)金属光泽;2)良好的塑性;3)良好的导电性和导热性 4)正的电阻温度系数,即金属的电阻随温度的升高而增加。 研究表明,金属的上述特性是由金属结合键决定的 金属原子的结构特点在于:最外层的电子数很少,只有I~2个,一般不超过4个。而且这 些最外层电子和原子核的结合力较弱,很容易脱离原子核的束缚,变成为整个金属共有的自由 电子,在金属内部快速运动形成所谓“电子气”,而金属原子则由于丢失外层电子便成为正离 子。当然,少数自由电子也可能和某些正离子结合成为中性原子。固态金属正是依靠各正离子 和自由电子的相互作用使金属原子紧密地结合在一起的。金属原子间的这种结合方式,称为 金属键。图2-1为金属键的模型示意图。 根据企展键,可以解释固态金属的一些特性。金属所以 具有光泽,是由于自由电子容易被可见光激发,跳到较高 能级,当它重新跳回到原来的低能级时,就把所吸收的可见光 的能量以电磁波形式辐射出来,从而表现出金属光泽。出于 正离子的周围都充满了自由电子,各个方向上的结合力相同, 因此,当固态金属各层原子发生相对位移时,仍可保持金属键 的结合力,使金属能发生较大变形仍不断裂,具有较好的塑 性。金属中的热能传递不仅依靠正离子的振动,而且也依靠 自由电子的运动,故有良好的导热性。自由电子沿电场方向 正离子电汽气中性原子 作定向运动,形成电流,所以金属具有良好的导电性。金属中 图2-1金属键的模型 正离子的热振动振牺,随着温度升高而增大,使自由电子定向运动的阻力增加,电阻升高,款金 属具有正的电阻温度系数 第二节金属的晶体结构 金属键固然决定了金属的基本特征,但原子在空的排列方式,即金属的晶体结构,对金
属的性能也有非常显著的影响 体的基本概念 一)晶体和非晶休 切固态物质按其原子排列的特征,可分为晶体和非晶体两大类 所谓品休,是指原子按规则排列的固态物质,如金属、食盐石墨等;反之,非晶体的原子排 列是无规则的,如玻璃、松香、沥青等 (二)晶格和晶胞 晶体中原子的排列情况,可用X射线分析等方法进行测定。现用刚性球模型说明排列情 况,如图2-2a)所示。这种图形虽有直戏性,但要定量分析各原子间的空间位置就比较因难 为了便于描述晶体中原子排列的规则,可把每个原子看成一个点,把这些点用假想的线条连接 起来,使形成一个空间格子,称为晶格(图2-2b)。 由于晶体中原子按照一定规则排列,只要取出如图2-2b)中粗线所示的单元,就能清楚地 显示出品体中原子的排列规律。这种组成晶格的基本几何单元,称为晶胞如图2-2c)所示。 而晶格则由晶胞堆积而成 )品体中最简单的原子排列 b)晶格 c)晶胞 图2-2晶体结构示意图 为定量研究晶体结构,如图2-3所示,常取晶胞角上某一点,沿其三条棱边作为坐标轴 ax、以、Oz,称为晶轴。沿品轴的品胞各边尺寸(常用abc表示)称为晶格常数,单位为A (埃),1A=10cm;校边间的夹角(常用a只、y表示)称为晶轴夹角,单位为度。如果a=b =c,a=B=y=90°,这种晶胞称为简单立方晶胞。具有简单立 方晶胞的晶格,称为简单立方晶格 二、三种常见的金属晶格 上述简单立方晶格中的原子排列并非十分紧密。作为金 屑晶格,由于存在强劲的金属键,使得会属原子(实际上是正 离予)大都具有紧密排列的趋势,并具有高对称性的简单晶格 形式。据统计,约有90%以上的金属元素属于下列三种常见 的金属晶格。 图2-3品格常数的表示法 (一)体心立方晶格 它的晶胞是…个立方体在其各顶点和中心处各有一个原子如图2-4示