1如高強度鋼、超高強度鋼的機件，中、低強度鋼的大型機件常常在工作應力并不高，甚至遠低于屈服極限的情況下，發生脆性斷裂現象，這就是所謂的低應力脆斷。低應力脆斷是由于宏觀裂紋的存在引起的。但裂紋的存在是很難避免的，可以在材料的生產和機件的加工過程中產生，如冶金缺陷、鍛造裂紋、焊接裂紋、淬火裂紋等等，也可以在使用過程中產生，如疲勞裂紋、腐蝕裂紋等。正是裂紋的存在破壞了材料和構件的連續性和均勻性，使得傳統的設計方法無法定量計算裂紋體的應力和應變。第1頁/共39頁2經典的強度理論是在不考慮裂紋的萌生和擴展的條件下進行強度計算的，認為斷裂是瞬時發生的。實際上無論哪種斷裂都有裂紋萌生、擴展直至斷裂的過程，因此，斷裂在很大程度上決定于裂紋萌生抗力和擴展抗力，而不是總決定于用斷面尺寸計算的名義斷裂應力和斷裂應變。顯然，需要發展新的強度理論，解決低應力脆斷的問題。斷裂力學正是在這種背景下發展起來的一門新興斷裂強度科學。第2頁/共39頁3斷裂力學研究裂紋尖端的應力、應變和應變能的分布情況，建立描述裂紋擴展的新的力學參量、斷裂判據和對應的材料力學性能指標-斷裂韌度，以此對機件進行設計和校核。本章將以斷裂力學的基本原理為基礎，簡要介紹材料斷裂韌度的意義、影響因素及應用。第3頁/共39頁4§

4-1線彈性條件下的斷裂韌性線彈性斷裂力學認為在脆性斷裂過程中，裂紋體各部分的應力和應變處于線彈性階段，只有裂紋尖端極小區域處于塑性變形階段。它處理問題有兩種方法：一種是應力應變分析方法，研究裂紋尖端附近的應力應變場，提出應力場強度因子及對應的斷裂韌度和K判據；另一種是能量分析方法，研究裂紋擴展時系統能量的變化，提出能量釋放率及對應的斷裂韌度和G判據。第4頁/共39頁5§

4-1線彈性條件下的斷裂韌性一、裂紋擴展的基本方式

根據外加應力的類型及其與裂紋擴展面的取向關系，裂紋擴展的基本方式有3種，如圖4-l所示。裂紋擴展的基本方式（a）張開型(I型)（b）滑開型(II型)（c）撕開型（III型）

第5頁/共39頁61．張開型(Ⅰ型)裂紋擴展拉應力垂直作用于裂紋面，裂紋沿作用力方向張開，沿裂紋面擴展。2．滑開型(Ⅱ型)裂紋擴展切應力平行作用于裂紋面，并且與裂紋前沿線垂直，裂紋沿裂紋面平行滑開擴展。3．撕開型(Ⅲ型)裂紋擴展切應力平行作用于裂紋面，并且與裂紋線平行，裂紋沿裂紋面撕開擴展。第6頁/共39頁7實際裂紋的擴展過程并不局限于這3種形式，往往是它們的組合，如I-Ⅱ、I-Ⅲ、Ⅱ-Ⅲ型的復合形式。在這些裂紋的不同擴展形式中，以I型裂紋擴展最危險，最容易引起脆性斷裂。所以在研究裂紋體的脆性斷裂問題時，總是以這種裂紋為對象。第7頁/共39頁8§

4-1線彈性條件下的斷裂韌性二、裂紋尖端的應力場及應力場強度因子KI

由于裂紋擴展總是從其尖端開始向前進行的，所以應該分析裂紋尖端的應力應變狀態，建立裂紋擴展的力學條件。設有一承受均勻拉應力的無限大板，含有長為2a的I型穿透裂紋，如圖4-2所示。第8頁/共39頁9§

4-1線彈性條件下的斷裂韌性二、裂紋尖端的應力場及應力場強度因子KI

其尖端附近(r，θ)處應力、應變和位移分量可以近似地表達如下。應力分量為：第9頁/共39頁10§

4-1線彈性條件下的斷裂韌性二、裂紋尖端的應力場及應力場強度因子K1

裂紋尖端任意一點的應力、應變和位移分量取決于該點的坐標(r，θ)、材料的彈性模數以及參量KI

。KI可用下式表示。式中：Y為裂紋形狀系數，取決于裂紋的類型。

KI的腳標表示I型裂紋，同理，KⅡ、KⅢ表示Ⅱ型和Ⅲ型裂紋的應力強度因子。第10頁/共39頁11三、斷裂韌度KIc和斷裂K判據K1是描述裂紋尖端應力場強度的一個力學參量。單位為MPa·m1/2或KN·m-3/2，當應力σ和裂紋尺寸a單獨或同時增大時，KⅠ和裂紋尖端的各應力分量也隨之增大。當應力σ或裂紋尺寸a增大到臨界值時，也就是在裂紋尖端足夠大的范圍內，應力達到了材料的斷裂強度，裂紋便失穩擴展而導致材料的斷裂，這時KⅠ也達到了一個臨界值，這個臨界或失穩狀態的KⅠ記為KⅠc或KC，稱之為斷裂韌度。第11頁/共39頁12材料的KIC或Kc越高，則裂紋體斷裂時的應力或裂紋尺寸就越大，表明越難斷裂。所以，KIC和Kc表示材料抵抗斷裂的能力。KIC為平面應變斷裂韌度，表示材料在平面應變狀態下抵抗裂紋失穩擴展的能力；而Kc為平面應力斷裂韌度，表示材料在平面應力狀態下抵抗裂紋失穩擴展的能力。顯然，同一材料的Kc＞KIc。第12頁/共39頁13KⅠ和KⅠc是兩個不同的概念，KⅠ是一個力學參量，表示裂紋體中裂紋尖端的應力應變場強度的大小，它決定于外加應力、試樣尺寸和裂紋類型，而和材料無關。但KⅠc是材料的力學性能指標，它決定于材料的成分、組織結構等內在因素，而與外加應力及試樣尺寸等外在因素無關。第13頁/共39頁14

根據應力場強度因子KⅠ和斷裂韌度KⅠc的相對大小，可以建立裂紋失穩擴展脆斷的斷裂K判據，即

KI≥K1c

裂紋體在受力時，只要滿足上述條件，就會發生脆性斷裂。反之，即使存在裂紋，也不會發生斷裂，這種情況稱為破損安全。第14頁/共39頁15四、裂紋擴展能量釋放率GI驅使裂紋擴展的動力是彈性能的釋放率，即令GI即為最早的斷裂力學參量，單位為J/mm2或kN/mm。稱為裂紋擴展的能量釋放率。上式是平面應力的能量釋放率表達式。第15頁/共39頁16

對于平面應變，GI的表達式為：GI和KI相似，也是應力σ和裂紋尺寸a的復合參量，是一個力學參量。第16頁/共39頁17五、斷裂韌度GIc和斷裂G判據隨著σ和a的單獨或共同增大，都會使GⅠ增大，當GⅠ增大到某一臨界值GⅠc，滿足：時，裂紋便失穩擴展而斷裂。GIc也稱為斷裂韌度，它表示材料阻止裂紋失穩擴展時單位面積所消耗的能量。第17頁/共39頁18根據GⅠ和GⅠc的大小，也可以建立裂紋失穩擴展的力學條件，即斷裂G判據：GⅠGⅠc第18頁/共39頁19§

4-3影響材料斷裂韌度的因素一、化學成分、組織結構對斷裂韌度的影響

對于金屬材料、非金屬材料、高分子材料和復合材料，化學成分、基體相的結構和尺寸、第二相的大小和分布都將影響其斷裂韌度，并且影響的方式和結果既有共同點，也有差異之處。除金屬材料外，對其他材料的斷裂韌度的研究還比較少。第19頁/共39頁201．化學成分的影響對于金屬材料，化學成分對斷裂韌度的影響類似于對沖擊韌度的影響。其大致規律是：細化晶粒的合金元素因提高強度和塑性，可使斷裂韌度提高；強烈固溶強化的合金元素因大大降低塑性而使斷裂韌度降低，并且隨合金元素的濃度的提高，降低的作用更加明顯；第20頁/共39頁21形成金屬間化合物并呈第二相析出的合金元素，因降低塑性有利于裂紋擴展而使斷裂韌度降低。對于陶瓷材料，提高材料強度的元素，都將提高斷裂韌度。對于高分子材料，增強結合鍵的元素都將提高斷裂韌度。第21頁/共39頁222．基體相結構和晶粒尺寸的影響基體相的晶體結構不同，材料發生塑性變形的難易和斷裂的機理不同，斷裂韌度發生變化。基體相的晶體結構易于發生塑性變形，產生韌性斷裂機制，材料的斷裂韌度就高。第22頁/共39頁23鋼鐵材料的基體可以是面心立方固溶體，也可以是體心立方固溶體，面心立方固溶體容易發生滑移塑性變形而不產生解理斷裂，并且形變硬化指數較高，其斷裂韌度較高，奧氏體鋼的斷裂韌度高于鐵素體鋼和馬氏體鋼。對于陶瓷材料，可以通過改變晶體類型，調整斷裂韌度的高低。基體的晶粒尺寸也是影響斷裂韌度的一個重要因素。一般來說，細化晶粒既可以提高強度，又可以提高塑性，斷裂韌度也相應的得到提高。第23頁/共39頁243．夾雜和第二相的影響對于金屬材料，非金屬夾雜物和第二相的存在對斷裂韌度的影響可以歸納為：非金屬夾雜物往往使斷裂韌度降低；脆性第二相隨著體積分數的增加，使得斷裂韌度降低；當韌性第二相的形態和數量適當時，可以提高材料的斷裂韌度。第24頁/共39頁25非金屬夾雜物和脆性第二相存在于裂紋尖端的應力場中時，本身的脆性使其容易形成微裂紋，而且它們易于在晶界或相界偏聚，降低界面結合能，使界面易于開裂，這些微裂紋與主裂紋連接加速了裂紋的擴展，或者使裂紋沿晶擴展，導致沿晶斷裂，降低斷裂韌度，如圖4-11所示。第25頁/共39頁26第二相的形貌、尺寸和分布不同，將導致裂紋的擴展途徑不同、消耗的能量不同，從而影響斷裂韌度，如碳化物呈粒狀彌散分布時的斷裂韌度就高于呈網狀連續分布時。尤其是對于韌性第二相，其塑性變形可以松弛裂紋尖端的應力集中，降低裂紋擴展速率，提高斷裂韌度，所以，只要韌性第二相的形貌和數量合適，材料的斷裂韌度就可提高。

對于陶瓷材料和復合材料，目前常利用適當的第二相提高其斷裂韌度，第二相可以是添加的，也可以是在成型時自蔓延生成的。如在SiC、SiN陶瓷中添加碳纖維，或加入非晶碳，燒結時自蔓延生成碳晶須，可以使斷裂韌度提高。第26頁/共39頁27對于陶瓷材料和復合材料，目前常利用適當的第二相提高其斷裂韌度，第二相可以是添加的，也可以是在成型時自蔓延生成的。如在SiC、SiN陶瓷中添加碳纖維，或加入非晶碳，燒結時自蔓延生成碳晶須，可以使斷裂韌度提高。第27頁/共39頁284．顯微組織的影響顯微組織的類型和亞結構將影響材料的斷裂韌度。如鋼鐵材料中，相同強度條件下，低碳鋼中的回火馬氏體的斷裂韌度高于貝氏體，而在高碳鋼中，回火馬氏體的斷裂韌度高于上貝氏體，但低于下貝氏體。這是由于低碳鋼中，回火馬氏體呈板條狀，而高碳鋼中，回火馬氏體呈針狀，上貝氏體由貝氏體鐵素體和片層間斷續分布的碳化物組成，下貝氏體由貝氏體鐵素體和其中彌散分布的碳化物組成。第28頁/共39頁29板條馬氏體主要是位錯亞結構，具有較高的強度和塑性，裂紋擴展阻力較大，呈韌性斷裂，因而斷裂韌度較高；針狀馬氏體主要是孿晶亞結構，硬度高而脆性大，裂紋擴展阻力小，呈準解理或解理斷裂，因而斷裂韌度較低。第29頁/共39頁30金屬材料通過一些特殊的熱處理工藝，可以改變其組織，從而提高斷裂韌度：亞溫淬火超高溫淬火形變熱處理§

4-3影響材料斷裂韌度的因素二、特殊改性處理對斷裂韌度的影響第30頁/共39頁311.亞溫淬火亞溫淬火是指亞共析鋼在雙相區不完全奧氏體化后淬火的熱處理工藝，通過控制預處理工藝和亞溫淬火的奧氏體化溫度可以獲得不同形態和數量的未溶鐵素體加馬氏體的復相組織，由于晶粒的細化、相界面積的增加、單位面積雜質濃度的降低、鐵素體對裂紋尖端應力集中的松弛作用、裂紋沿相界面擴展途徑的延長等，使得強度和韌性得到提高。第31頁/共39頁322.超高溫淬火對于中碳合金結構鋼，采用超高溫淬火，雖然奧氏體晶粒顯著粗化，塑性和沖擊吸收功降低，但斷裂韌度提高。超高溫淬火使KIc提高的原因可能是：①馬氏體形態由孿晶型變為位錯型，使斷裂機理由準解理變為微孔聚集型；②在馬氏體板條束間存在10-20nm的殘余奧氏體薄膜，且很穩定，可阻止裂紋擴展；③碳化物及夾雜物能溶入奧氏體，減少了微裂紋形成源。第32頁/共39頁333.形變熱處理形變熱處理根據其形變的溫度可以分為高溫形變熱處理和低溫形變熱處理，由于溫度的不同，材料的組織和結構發生不同的變化，使得其性能不同。高溫形變熱處理由于動態再結晶，可以細化奧氏體晶粒，因而細化了淬火后的馬氏體，使強度和韌性都提高。低溫形變熱處理除了細化奧氏體晶粒外，還可增加位錯密度，促進合金碳化物彌散沉淀，降低奧氏體含碳且和增加細小板條馬氏體的數量，因而提高強度和韌性。低溫形變熱處理除了細化奧氏體晶粒外，還可增加位錯密度，促進合金碳化物彌散沉淀，降低奧氏體含碳且和增加細小板條馬氏體的數量，因而提高強度和韌性。

第33頁/共39頁341.溫度對于大多數材料，溫度的降低通常會降低斷裂韌度，大多數結構鋼就是如此。但是，不同強度等級的鋼材，變化趨勢有所不同。一般中、低強度鋼都有明顯的韌脆轉變現象：在韌脆轉變溫度以上，發生韌性斷裂，KIc較高；而在韌脆轉變溫度以下，發生脆性斷裂，KIc較低。隨著材料強度水平的提高，KIc隨溫度變化趨勢逐漸緩和，溫度對斷裂韌度的影響減弱。三、外界因素對斷裂韌度的影響第34頁/共39頁352.應變速率應變速率對斷裂韌度的影響類似于溫度。增加應變速率相當于降低溫度，也可使KIc下降。一般認為應變速率每增