金属材料的断裂韧性
断裂韧性
断裂韧性(fracture toughness)带裂纹的金属材料及其构件抵抗裂纹开裂和扩展的能力。
从20世纪50年代开始在欧文(G．R．Irwin)等的努力下，形成了线弹性断裂力学，随后又发展成弹塑性断裂力学。
在用它们对断裂过程进行分析和不断完善实验技术的基础上，逐步形成了平面应变断裂韧性KIC 、临界裂纹扩展能量释放率GIC、临界裂纹顶端张开位移δIC 、临界J积分JIC等断裂韧性参数。
其中下标I表示I型即张开型裂纹，下标c表示临界值。
这些参数可通过实验测定，其值越高，材料的断裂韧性越好，裂纹越不易扩展。
断裂韧性参数(1)平面应变断裂韧性KIC。
欧文分析平面问题的I型裂纹尖端区域的各个应力分量中都有一个共同的因子KI，其值决定着各应力分量的大小，故称为应力强度因子。
KIC=yσ(πa)1/2，式中σ为外加拉应力；a为裂纹长度，y为与裂纹形状、加载方式和试件几何因素有关的无量纲系数。
KI 增大到临界值KIC，KI≥KIC时，裂纹失稳扩展，迅速脆断。
(2)临界裂纹扩展能量释放率GIC 。
裂纹扩展能量释放率GI=-(aμ/aA)，式中μ为弹性能，A为裂纹面积。
平面应力条件下，GI =kI2/E;平面应变条件下，G I =(kI2/E)(1-v2)，式中E为弹性模量，v为泊松比。
GI是裂纹扩展的动力，GIC增大到临界值G。
即GI ≥GIC时，裂纹将失稳扩展。
(3)临界裂纹顶端张开位移δC。
裂纹上、下表面在拉应力作用下，裂纹顶端出现张开型的相对位移叫裂纹顶端张开位移δ，δ增大到临界值δC，裂纹开始扩展。
(4)临界J积分JIC。
弹塑性断裂力学中，一个与路径无关的能量线积分叫做J积分。
式中r为积分回路，由裂纹下边缘到上边缘，以逆时针方向为正，ds为弧元，ω为单位体积应变能，u为位移矢量，T是边界条件决定的应力矢量。
线弹性和弹塑性小应变条件下，I型裂纹的J积分JI=-B-1(aμ/aA)，式中B为试样厚度，a为裂纹长度。
金属材料韧性名词解释汇总
金属材料韧性名词解释汇总引言金属材料韧性是描述金属材料在受力条件下抵抗断裂的能力。
在工程领域中，韧性是一个重要的材料性能指标，它直接影响到材料的使用寿命和应用范围。
本文将对金属材料韧性相关的名词进行解释和汇总，以帮助读者更好地理解该领域的知识。
1. 韧性韧性指的是材料在受力下能够发生塑性变形而不断裂的能力。
韧性取决于材料的弯曲、拉伸和扭转等性能，在实际应用中，韧性主要通过材料的延伸、断面收缩等指标来表征。
2. 断裂韧性断裂韧性是指材料在断裂前能够承受的能量，通常用断裂韧性指数来表示，可以通过冲击试验等实验手段进行测量。
断裂韧性的高低直接关系到材料的抗断裂能力，需要综合考虑材料的强度和延展性等因素。
3. 冲击韧性冲击韧性是指材料在承受冲击载荷时的抵抗能力。
冲击韧性主要用于描述材料在低温和高速加载下的性能，决定材料的抗冲击能力和抗振动能力。
常用的测试方法有冲击弯曲试验和冲击拉伸试验等。
4. 韧性转变温度韧性转变温度是指材料从脆性向韧性转变的临界温度。
在一定温度范围内，材料的韧性取决于温度的变化。
低于韧性转变温度时，材料更加脆性，容易发生断裂；高于韧性转变温度时，材料的韧性较好，能够发生塑性变形。
5. 韧性断裂韧性断裂是指材料在受力条件下经历塑性变形后断裂。
与脆性断裂相比，韧性断裂具有相对较高的能量吸收能力，能够减轻出现断裂的可能性。
韧性断裂通常发生在材料的高应变和高应力区域，可以通过断口形貌的观察来判断。
6. 金属材料的韧性影响因素金属材料的韧性受到多种因素的影响，包括以下几个方面：•晶体结构：晶体结构的不同会影响金属材料的变形能力和断裂方式。
•温度：温度的升高会导致金属材料的韧性增加，因为高温下分子相对运动能力增强。
•缺陷和纯度：材料中存在的缺陷（如气泡、裂纹等）会降低其韧性，高纯度的金属材料通常具有较好的韧性。
•加工和热处理：适当的加工和热处理能够提高金属材料的韧性，如冷变形和退火处理等。
结论金属材料的韧性是一个重要的性能指标，影响着材料的使用寿命和适用领域。
国产结构用铝合金断裂韧性参数校准
国产结构用铝合金断裂韧性参数校准一、铝合金断裂韧性参数的含义铝合金断裂韧性参数是指在一定外加载荷的作用下，材料发生断裂前能够吸收的能量大小。
在材料科学中，通常采用断裂韧性参数来描述金属材料的抗断裂能力。
铝合金断裂韧性参数的常见指标包括KIC值和JIC值等。
1. KIC值：KIC值是指在断裂发生前给定的外加载荷下，材料周边的应力强度因子K 达到临界值时，材料开始产生裂纹并扩展的能量大小。
KIC值能够反映材料抗裂纹扩展的能力，是金属材料断裂韧性的重要参数之一。
国产结构用铝合金作为重要的结构材料，其断裂韧性参数的准确性直接影响着工程结构的安全性和稳定性。
通过对铝合金断裂韧性参数进行准确的校准，可以更加科学地评估材料的抗断裂能力，为工程结构的设计和使用提供可靠的依据。
特别是在高速列车、航空航天等领域，对铝合金材料的断裂韧性参数的要求更为严格，因此对其进行准确的校准尤为重要。
1. 实验测试：实验测试是校准铝合金断裂韧性参数的主要方法之一。
常用的实验测试方法包括冲击试验、拉伸试验、钉扎试验等。
通过对材料在不同外加载荷下的断裂行为进行实验测试，可以获得其断裂韧性参数的具体数值。
2. 理论计算：在实验测试的基础上，还可以采用理论计算的方法对铝合金断裂韧性参数进行校准。
常用的理论计算方法包括有限元分析、线性弹性断裂力学理论等。
通过建立材料的力学模型，结合实际工程条件进行计算，可以获得铝合金断裂韧性参数的具体数值。
1. 校准标准：选择合适的标准进行校准，确保校准结果的可靠性和准确性。
2. 校准工艺：合理安排校准实验和计算流程，确保校准结果的科学性和有效性。
3. 校准设备：采用先进的测试设备和计算软件，保证校准过程的精准性和可控性。
4. 校准人员：具有丰富经验和专业知识的技术人员进行校准工作，确保校准结果的可信度和可靠性。
随着现代材料科学技术的不断进步和发展，国产结构用铝合金断裂韧性参数校准的发展趋势主要体现在以下几个方面：1. 多学科交叉：结合材料科学、力学、数值计算等多个学科领域的知识，综合分析和研究铝合金断裂韧性参数，形成多学科交叉的研究模式。
热处理对金属材料的断裂韧性的影响
热处理对金属材料的断裂韧性的影响金属材料在实际应用中广泛使用，而其断裂韧性是评价其性能和可靠性的重要参数之一。
热处理作为一种常见的金属加工工艺，在一个或多个工序中改变金属材料的物理和化学性质，从而影响了材料的断裂韧性。
本文将介绍热处理对金属材料断裂韧性的影响，包括亮点提纯、晶粒尺寸和长大导向等方面。
亮点提纯对断裂韧性的影响热处理过程中的亮点提纯是通过升温和保温来使固溶体中的杂质迁移或析出的过程。
亮点提纯可以显著改变材料中的微观组织，并影响断裂韧性。
通常，亮点提纯可以去除金属材料中的非金属夹杂物、气体夹杂物和金属间化合物等，从而提高材料的纯度和断裂韧性。
首先，亮点提纯可以减少夹杂物对金属材料的影响。
夹杂物是金属中的一种杂质，会对材料的物理性能和力学性能产生明显的负面影响。
例如，硫和氧等夹杂物会降低材料的延展性和韧性，提高材料的脆性。
通过亮点提纯，这些夹杂物的含量得到减少，可以有效提升材料的断裂韧性。
其次，亮点提纯还可以减少金属材料中的气体夹杂物。
在热处理过程中，高温可以加速金属材料中的气体从固相向液相的扩散，使气体夹杂物得以移除。
这些气体夹杂物在金属材料中能够形成孔洞，降低材料的密度和机械性能，同时还会对断裂韧性造成负面影响。
因此，通过亮点提纯去除气体夹杂物，可以提高金属材料的断裂韧性。
最后，亮点提纯可以改变金属材料中的金属间化合物含量和分布。
金属间化合物一般都是脆性的，其存在会导致材料在应力作用下易发生断裂。
通过亮点提纯可以使金属间化合物析出或重新分布，进而减少在材料中的存在，从而提高金属材料的断裂韧性。
晶粒尺寸对断裂韧性的影响晶粒尺寸是指金属材料中晶粒的大小，而晶粒尺寸的变化会直接影响金属材料的断裂韧性。
热处理可以通过控制升温和保温时间来改变金属材料的晶粒尺寸。
一般来说，较细小的晶粒有助于提高断裂韧性。
这是因为细小的晶粒对应的晶界面积相对增大，因此能够更好地吸收和阻挡裂纹扩展，从而提高材料的断裂韧性。
金属材料表面裂纹拉伸试样断裂韧度试验方法
金属材料是工程领域中广泛应用的材料之一，其性能对于工程结构的安全性和稳定性有着重要的影响。
而金属材料的表面裂纹拉伸试样断裂韧度试验方法是评定金属材料韧性能的重要手段之一。
本文将介绍金属材料表面裂纹拉伸试样断裂韧度试验方法的具体步骤和注意事项。
一、试验目的金属材料的表面裂纹拉伸试样断裂韧度试验旨在评定金属材料在受力状态下的抗拉性能和韧性能，为工程结构设计和材料选用提供参考依据。
二、试验样品的准备1. 样品的选择：一般选用金属材料的板材作为试验样品，尺寸一般为200mm*50mm*10mm。
2. 表面处理：样品的表面应保持平整，无凹凸不平或者明显的划痕。
三、试验步骤1. 样品标记：在样品上标注好试验样品的编号和方向。
2. 制作缺口：在样品上制作缺口，缺口长度为10mm，宽度为0.5mm。
3. 夹具安装：将样品安装在试验机的夹具上，夹具的张合长度为100mm。
4. 载荷施加：在试验机上施加加载，载荷速度控制在1mm/min。
5. 记录数据：在试验过程中，记录载荷和位移的数据，以便后续分析。
四、试验注意事项1. 缺口制作：缺口的制作应该尽量避免产生裂纹，可以使用慢速切割或者加工。
2. 夹具安装：夹具的安装要稳固，保证试验过程中的样品不会出现偏移或者松动。
3. 载荷施加：载荷的施加速度要均匀，避免过快或者过慢导致试验结果的偏差。
4. 安全防护：在试验过程中，要保证操作人员的安全，并严格遵守安全操作规程。
五、试验结果分析根据试验数据，可以得到金属材料在受拉状态下的应力-应变曲线，并据此分析金属材料的屈服强度、最大应力、断裂韧性等性能指标。
通过以上试验方法，我们可以准确评定金属材料在受拉状态下的韧性能，并为工程设计和材料选用提供科学依据。
试验过程中需要特别注意安全事项，确保工作人员的安全。
希望本文对金属材料表面裂纹拉伸试样断裂韧度试验方法有所帮助。
六、试验结果分析通过表面裂纹拉伸试样断裂韧度试验得到的金属材料在受拉状态下的应力-应变曲线，可以为工程设计和材料选择提供重要参考信息。
针对金属材料断裂韧性的相关研究
针对金属材料断裂韧性的相关研究摘要：研究影响金属材料断裂韧性的因素对于提高金属的断裂韧性具有重要意义。
而影响金属材料断裂韧性的因素非常多，且很复杂。
因此，本文针对这些问题全面分析，认真地进行了研究相关的研究。
关键词：金属材料断裂韧性；影响金属断裂韧性因素1. 金属材料断裂韧性断裂韧性——指金属材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是金属材料抵抗脆性破坏的韧性参数。
它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。
是金属材料固有的特性，只与金属材料本身、热处理及加工工艺有关。
是应力强度因子的临界值。
常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。
例如应力-应变曲线下的面积。
韧性金属材料因具有大的断裂伸长值，所以有较大的断裂韧性，而脆性金属材料一般断裂韧性较小，是表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料的韧性好坏的一个定量指标。
在加载速度和温度一定的条件下，对某种材料而言它是一个常数。
当裂纹尺寸一定时，材料的断裂韧性值愈大，其裂纹失稳扩展所需的临界应力就愈大；当给定外力时，若材料的断裂韧性值愈高，其裂纹达到失稳扩展时的临界尺寸就愈大。
2. 课题研究的主要内容通过对金属材料断裂韧性的影响因素进行了系统分析。
假定影响金属材料断裂韧性的其它因素均保持不变，把温度对断裂韧性的影响进行单独研究。
一些关于压力容器钢断裂韧性的研究结果表明，当温度达到上平台温度之后，断裂韧性会随着温度的继续升高而下降，即存在韧性劣化的现象。
相对于低温范围断裂韧性的研究，中、高温范围内断裂韧性的研究仍显不足，且实际工程中许多构件在高温条件下工作，按照常温力学性能设计的构件存在某种意义上的安全隐患，因而研究温度对断裂韧性的影响就显得相当重要。
文中结合钢韧断机理的研究成果与点缺陷在应力场中的迁移运动规律，通过理论分析建立了断裂韧性JIC与温度T的数学模型，在此基础上对多种压力容器钢断裂韧性的实验数据进行了分析，最后验证了模型的合理性。
文中通过对断裂参量J积分进行了数值分析，分析了温度对J积分的影响。
第4章 金属的断裂韧性全(材料07)
2
1 2
2 2 cos 2 1 3 sin 2 （平面应变状态）
K
I s
2
c o s
2
2
1
3
s i n
2
2
3 2 2 2 1－2 cos sin （平面应力状态） 2 4 2
37
3、两种重要裂纹的KI修正公式 （1）无限大板I型裂纹
K I＝
Y＝
（平面应力状态）
a
1－0.5 s
2
K I＝
a
1－0.177 s
2
（平面应变状态）
（2）大件表面半椭圆裂纹
K I＝ 1.1 a
Y＝
1.1
－0.608 s
1 KI R 0 ＝2r0 s
2
2
（平面应力状态）
1 KI ＝2r0 R0 （平面应变状态） 2 2 s
34
五、应力场强度因子的修正
1、修正条件：σ/ σs≥0.6～0.7 原因：比值大，塑性区大，影响应力场。
2、修正方法：虚拟有效裂纹
应力 张开型 （I型 ） 正应力 裂纹面 裂纹线 扩展方向 ⊥ ⊥ ⊥ 图例
滑开型 切应力 （Ⅱ型） 撕开型 切应力 （Ⅲ 型）
∥ ∥
⊥ ∥
∥ ⊥
提高：裂纹扩展的基本形式
二、裂纹顶端的应力场分析
1、裂纹尖端各点应力—弹性力学推导
2a
有I型穿透裂纹无限大板的应力分析图
西安交通大学材料力学性能试验报告——断裂韧性
材料力学性能实验报告姓名: 班级: 学号: 成绩:
K的测定
实验名称实验六断裂韧性
1C
实验目的了解金属材料平面应变断裂韧性测试的一般原理和方法。
实验设备 1.CSS-88100万能材料试验机；
2.工具读数显微镜一台；
3.位移测量器；
4.千分尺一把；
5.三点弯曲试样40Cr和20#钢试样各两个。
试样示意图
图1 三点弯曲试样
由于三向应力的存在，使得裂纹扩展区域的位错运动困难，受到更大的摩擦力，从而塑性变差，更易发生脆断。
附录一:
断裂韧性试验中断口照片:
附录二:
%根据试验的数据画P-V 曲线的matlab 程序
%在运行程序之前, 需要将数据导入到matlab 中: “File ”|“Import Data ” (a)试样01的断口图 (b)试样02的断口图
图7 40Cr800℃淬火+100℃回火断口图
(a)试样412的断口图 (b)试样415的断口图
图8 20#退火态试样的断口图
图3 40Cr800℃+100℃回火试样01的P-V 曲线
0.5
1.5
2.5
4
变形/mm
力/N
图4 40Cr800℃+100℃回火试样02的P-V 曲线
4
变形/mm
力/N
变形/mm
力/N
图5 20#钢退火态试样412的P-V 曲线
变形/mm 力/N
图6 20#钢退火态试样415的P-V 曲线。
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（1）含中心穿透裂纹的有限宽板 （2）紧凑拉伸试样 （3）单边裂纹弯曲试样 （4）体内椭圆裂纹 （5）表面半椭圆裂纹
KIC：材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量 与裂纹大小、形状和外加应力无关 与材料成分、热处理工艺等有关，是材料特性参数
二、断裂韧性的影响因素
应力场强度因子
四、裂纹扩展的能量释放率
从能量角度考察断裂韧性
裂纹的扩展过程 裂纹前端塑性变形 消耗能量 裂纹新表面的形成
包围尖端塑性区的弹 性集中应力做功提供
裂纹扩展的能量释放率GI（裂纹扩展力）： 裂纹扩展单位面积时，弹性系统所能提供的能量
平面应力
平面应变
临界条件下
GIC的单位：MPa·m
GIC↑裂纹扩展需要的能量↑ 材料抵抗裂纹扩展的能力↑ GIC的物理意义：材料抵抗裂纹扩展能力的度量
KIC↑σ一定，则ac↑，允许存在更长裂纹 KIC↑ a一定，则σc↑，可提高使用应力 1、杂质 夹杂物：
n－应变硬化指数；d－夹杂物间距 d↑（夹杂物数量↓）KIC↑
杂质晶界偏聚：晶界结合力↓KIC↓
2、晶粒尺寸 晶粒尺寸↓：1）晶界面积↑裂纹扩展阻力↑KIC↑ 2）晶界面积↑单位面积杂质含量↓KIC↑
三、裂纹尖端塑性区及其修正
1. 裂纹尖端塑性区大小 2. 应力松弛对塑性区的影响 3. 线弹性理论公式的修正
四、裂纹扩展的能量释放率
裂纹扩展的能量释放率GI（裂纹扩展力）及其物理意义； GIC的物理意义；K与G的关系；
五、平面应变断裂韧性KIC的测定
1. 试样制备 2. 测试方法
本章完
力水平、裂纹尺寸和形状，是各因素在裂纹顶端产生效果 的综合体现
临界应力场强度因子KC或KIC－断裂韧性： 裂纹失稳扩展的临界状态所对应的应力场强度因子，
表示对裂纹扩展的阻力，是材料本身固有的性能 KC：平面应力状态断裂韧性 KIC：平面应变状态断裂韧性
断裂判据：KI ≥ KIC
KI和KIC的区别：
能量分析：ABD等于BEHG
平面应力状态 平面应变状态
应力松弛使得塑性区扩大1倍
3、线弹性理论公式的修正 修正方法：有效裂纹长度 修正思路：塑性区松弛弹性应力的作用等同于裂纹长度增加 后松弛弹性应力的作用
有效裂纹长度
有效裂纹与真实裂纹塑性区之外（r≥R）的应力场分布相同 平面应力状态 平面应变状态
试样类型
试样厚度
裂纹长度
韧带宽度
KIC为材料断裂韧性的估算值或类似材料的断裂韧性值
2、测试方法 试验装置
条件断裂韧性KQ的计算公式 三点弯曲试样
载荷－裂纹口张开位移曲线 紧凑拉伸试样
PQ－试样断裂或裂纹失稳扩展时的载荷
临界载荷PQ的确定
裂纹长度a的确定
有效性检验： KQ = KIC （1） （2）
压力容器
滑开型－II型 切应力平行于裂纹面 扩展方向与切应力平行
撕开型－III型 切应力平行于裂纹前缘 扩展方向与切应力垂直
I型裂纹最危险：缺口根部为三向应力状态
2、裂纹尖端应力场 用线弹性断裂力学分析
应力场强度因子 Y －裂纹形状因子
3、应力场强度因子KI的物理意义 KI是衡量裂纹顶端应力场强烈程度的参量，决定于应
第六章 金属材料的断裂韧性
主要内容
1.应力场强度因子 2.断裂韧性的影响因素 3.裂纹尖端塑性区及其修正 4.裂纹扩展的能量释放率 5.平面应变断裂韧性KIC的测定
一、应力场强度因子
1、裂纹体的三种断裂模式 （1）张开型 －I型（2）滑开型－II型（3）撕开型－III型
张开型－I型 正应力垂直于裂纹面 扩展方向与正应力垂直
3、组织结构 回火马氏体：回火温度↑塑性与韧性↑ 残余奥氏体： KIC↑ 应力诱发相变： KIC↑↑
4、热处理制度
三、裂纹尖端塑性区及其修正
弹性应力场计算存在的问题： r→0时，σx、σy、τxy→∞
线弹性力学不适用
实际情况： 应力超过屈服强度后，材料产生塑性变形
公式修正： 塑性区很小时，修正后线弹性力学仍有效
断裂判据：GI ≥ GIC
K与G的关系：
K I a
GI
2
a
E
KI GI E
GI
K
2 I
E
讨论： 1）K、G都有明确物理意义，G的意义更明确
2） KI ≥ KIC GI ≥ GIC
都可做断裂判据
KIC易测 GIC难测
五、平面应变断裂韧性KIC的测定
1、试样制备 制备要求：1）预制疲劳裂纹 2赛斯屈服判据
平面应力状态
平面应变状态
θ= 0时
θ= 0时
表面塑性区大，平面应力状态 中心塑性区小，平面应变状态
2、应力松弛对塑性区的影响
应力松弛效应： σy达到σys以后，把高出的
应力部分传递给r > r0的区域， 使r0前方区域发生屈服 应力松弛结果：
屈服区域从r0扩大到R
a = (a2 + a3 + a4) / 3
注：a与(a1 + a5) / 2的 差小于10％
金属材料的断裂韧性 小 结
一、应力场强度因子
1. 裂纹体的三种断裂模式 2. 裂纹尖端应力场 3. 应力场强度因子KI的物理意义
二、断裂韧性的影响因素
1. 杂质 2. 晶粒尺寸 3. 组织结构 4. 热处理