探讨低应力脆断与材料韧性问题

更新时间：2025-01-03 理论教育 版权反馈

【摘要】：随着材料强度的提高和设备的大型化、复杂化，在工程实践中，出现了大量无法用传统的强度设计理论解释的低应力脆性断裂的失效现象。这种现象称为冷脆，温度TK称为材料的韧脆转变温度，或称冷脆转变温度。各种材料的断裂韧度KIC值可以通过实验测定。由此便建立了定量的脆性断裂的安全判据：从而可以根据材料的性能指标KIC在设计中进行定量计算。

随着材料强度的提高和设备的大型化、复杂化，在工程实践中，出现了大量无法用传统的强度设计理论解释的低应力脆性断裂的失效现象。从对各种脆断失效的分析中，人们找出了它们的一些共同点：

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）脆断通常发生在比较低的工作温度下。

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、夹杂物等。

4）厚截面、高应变速率促进脆断。

如前所述，在强度设计中已经考虑了应力集中现象。但是强度设计的安全判据不足以防止脆断的发生，这说明仅用强度、塑性、弹性这些性能指标不能反映材料抵抗脆断的能力，于是韧性便被提出作为材料的一个新的性能指标。从使脆性材料和韧性材料断裂所耗费的能量不同，人们归纳出韧性的定义：所谓韧性是材料从变形到断裂全过程中吸收能量的大小，是强度和塑性的综合表现。在图2-28所示的拉伸曲线上，可以用拉伸曲线下的面积来表示韧性，即

从图2-28可以看出，尽管球墨铸铁的抗拉强度高于低碳钢的抗拉强度，但其断裂时的塑性却远远低于低碳钢，二者综合的结果，低碳钢的韧性远大于球墨铸铁。

图2-28 球墨铸铁和低碳钢拉伸曲线所表示的韧性

人们曾经试图用式（2-8）所表示的材料单位体积的断裂功作为材料的韧性指标，但由于测试和计算比较烦琐，因此在工程中使用得不多。Araki等提出用简化的计算σ_t×ε_f的方式来描述材料的综合性能，这在材料性能对比分析中得到了应用，工程实践中可以作为参考。在材料测试和工程实践中应用比较广泛的是缺口冲击试验。为了统一和对比，人们对冲击试验的试样、冲击方法等规范化，形成了相关的标准文件。以前常用的冲击试样有夏氏V型和梅氏U型缺口试样，如图2-29所示，用冲击试样的冲击吸收功A_K（J）或冲击韧度a_K（J/cm²）作为材料的韧性指标。目前根据GB/T 229—2007，对金属夏比摆锤冲击试验采用的缺口试件、摆锤及支座的尺寸，都做了严格的规定。若试件为U型缺口，则冲击吸收能量记为KU；若采用V型缺口试件，则冲击吸收能量记为KV。但由于规定了摆锤的刀刃半径，所以以往的A_K或a_K（J/cm²）与KU或KV无可比性。

图2-29 冲击试样

a）试样尺寸 b）缺口类型和尺寸

设计中材料的冲击吸收能量是一个参考数据，对于考核材料的韧性以及热加工过程对材料韧性的影响是很方便的，但不能直接作为设计中用于计算发生脆断的载荷。近年来，对冲击试验过程进行研究，用示波器记录了冲击过程的载荷-位移曲线，发现载荷曲线下的积分面积计算值与实测的冲击吸收能量值符合得很好，这对进一步研究冲击试验数据在工程中应用有较大的促进作用。(www.daowen.com)

由于缺口试样冲击试验能比较准确地测定材料的韧性且简单易行，所以至今仍然广泛使用。

由于脆性断裂总是与零件使用温度有关，因此人们对温度对脆性断裂的影响进行了研究。经研究发现，工程上常用的结构钢在一定的温度以下均会产生脆性断裂，即当试验温度低于某一温度T_K时，材料将转变为脆性状态，其冲击吸收能量明显下降，如图2-30所示。这种现象称为冷脆，温度T_K称为材料的韧脆转变温度，或称冷脆转变温度。用材料的韧脆转变温度T_K作为防止脆断发生的安全判据，设计时根据零件的工作温度来选取具有合适韧脆转变温度T_K的材料。

图2-30 冲击吸收能量和试验温度的关系示意图

应当肯定，强度条件并辅之以塑性、冲击韧性和韧脆转变温度的设计方法，对于保证零件正常和可靠运行，确实能起重要作用。但是，对于各种具体工况条件下的零件，却无法计算所需的A、Z、KU（KV）和T_K的值。往往会出现为保证零件安全而对上述指标要求过高的现象，使材料强度水平下降，造成材料浪费。中低强度材料的中小截面零件往往属于这种情况。而对高强度材料的零件及中低强度材料的重型和大型零件，这种方法并不能保证安全可靠。

为了在设计计算中能直接应用材料的韧性指标，人们一直在寻求能够反映脆性断裂发生和裂纹扩展的力学参量。20世纪五六十年代，在Griffith断裂理论的基础上，用弹性力学研究裂纹体的断裂问题，发展成线弹性断裂力学，提出了应力场强度因子K_I的概念，并建立了如下关系：