金属材料的断裂韧度参考幻灯片
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金属的裂韧度KIC
一、断裂韧度KIC与常规力学性能指标之间的关系 二、影响断裂韧度KIC的因素 三、高压容器承载能力计算 四、高压壳体的热处理工艺选择 五、大型转轴断裂分析 六、超高强度和中低强度钢的脆断倾向分析 七、高强度钢和球墨铸铁的脆断倾向分析 八、J积分及断裂韧度JIC 九、裂纹尖端张开位移（CTOD）及断裂韧度δc
CB
1 Y
KⅠc a
1.1
KⅠc a
1.28 47 MPa 976 MPa
1.1 0.001
说明会产生脆性断裂，因而不安全。
下面比较KI与来选择材料KIC 0.2
对于材料A：
由于 1400 0.82 0.2 1700
必需考虑塑性区的修正
K
＝
I
1.1 a 2 0.212( / 0.2 )2
第二是校核：
根据结构要求的承载能力、材料的断裂韧度，计算材料 的临界裂纹尺寸，与实测的裂纹尺寸相比较，校核结构 的安全性，判断材料的脆断倾向。
第三是材料开发：
根据对断裂韧度的影响因素，有针对性地设计材料的组 织结构，开发新材料
安全校核
例1：有一大型圆筒式容器由高强度钢焊接而成，如图
4-16所示。钢板厚度t=5mm，圆筒内径D=1500mm；所用 材料的σ0.2=1800MPa，KIC=62MPa·m1/2。
第二，脆性第二相随着体积分数的增加，使得断裂韧度降低。
第三，韧性第二相当其形态和数量适当时，可以提高材料的断 裂韧度。
影响断裂韧度KIC的因素
要求：少，小，匀，圆（球）。 措施：冶金质量的控制、添加稀土改性夹杂物、合 理选择热处理工艺。
4、显微组织对的影响 (1) 板条M的KIC>孪晶M的KIC。 (2) KIC(回火索氏体)>KIC(回火屈氏体)>KIC(回火马氏体) (3) 上B：KIC ↓；下B：KIC ↑。 KIC(B下)≈KIC(M板条)>KIC(B上) (4) A的KIC>M的KIC，所以残余A为韧性相，使KIC↑。
* -临界断裂应变 f
2、解理或沿晶脆性断裂
特尔曼等人提出:当裂纹尖端某一特征距离内的应力达到材料解理断 裂强度σC,裂纹就失稳扩展,产生脆性断裂.
取特征距离为晶粒直径的两倍(2d)
K IC
2.9
S
[exp(
C S
1)
1]1/ 2
•
1/ 0
2
ρ0 裂纹尖端曲率半径
KIC
[( c )(1n)/2
高压容器承载能力计算
10材科（2）班 1030250043 韩敏
断裂K判据应用案例
第一是设计：包括结构设计和材料选择．
✓ 根据材料的断裂韧度，计算结构的许用应力， ✓ 针对要求的承载量，设计结构的形状和尺寸； ✓ 根据结构的承载要求、可能出现的裂纹类型，计算最
大应力强度因子，依据材料的断裂韧度进行选材。
当a/c=0.6时，查表可得Φ2=1.62，将有关数据代入上式，得：
K
＝
I
1.11400 3.14 0.001 1.62 0.212 (1400/1700)2
71(
M
P
a
m
1 2
)
KI＜KIC 说明使用材料A不会发生脆性断裂，可以选用。
对于材料B：
由于 1400 0.67 0.2 2100
AKVKIC
KIC AKV
tK2 tK1 t0 t
影响断裂韧度KIC的因素
10材科（2）班 1030250047 盛振栋
影响断裂韧度KIC的因素
(一)材料的成分，组织对KIC的影响(内因)
1、化学成分的影响
(1) C% ↑， KIC ↓。
(2) 细化晶粒的合金元素，KIC提高。
晶粒细化
强度提高，塑性提高
影响断裂韧度KIC的因素
3、钢中夹杂物和第二相对KIC的影响。 钢中夹杂物和某些第二相，其韧性比基体材料要差，称
脆性相。由于其本身脆裂或再相界面开裂而形成微孔，微孔和 主裂纹连接使裂纹扩展，从而降低KIc。
影响程度与夹杂物或第二相的类型，形状，大小，数量 及分布有关。一般可归纳如下：
第一，非金属夹杂物往往使断裂韧度降低。
章新洋 10材料科学（2班） 学号：1030250060
（一）断裂韧度与强度、塑性之间的关系
1、韧性断裂模型
克拉夫特提出韧断模型：认为具有第二相质点而又均匀分布的两相合金， 裂纹在基体相中扩展时，将要受到第二相质点间距( dT)的影响。
塑性区应变为ey
σy
σS
y
KI 2r
dT
塑性区应变为ey
ey
(2)晶粒大小
一般而言，晶粒越细，KIC越高。
晶粒细小
n和σc越大
KIwenku.baidu.com提高
措施：合金化(加入Al，Ti，V，Zr，Nb)；冷热加工(如
控制轧制)；热处理(如循环热处理)，均可使晶粒细化，从而
提高强韧性。
例外：如超高温淬火。尽管组织粗大，但由于在超高温 淬火时，组织中含有较多的残余奥氏体，对韧性有利，在两者 的联合作用下，使KIC提高。
• 金相分析：
•
疲劳裂纹源处的硫化物夹杂级别较高，该处是薄弱
区。
• 受力分析：
• σ=σ外+σ内=25MPa+120MPa=145MPa
• 表面环状裂纹为浅长表面半椭圆裂纹， αc＝185mm；
ac
1 Y2
K IC
C
2
Y≈1.95
KIC=120MPa·m1/2
ac
1 1.952
120 2 145
影响断裂韧度KIC的因素
总的来说，使材料的强度、塑性提高的或者使裂纹扩 展阻力增加的因素都能使材料的KIC提高。
要注意的是要考虑某个因素对KIC综合影响，不能仅考 虑因素的片面作用。 如强烈固溶强化的元素Si、P，虽然 能够增强材料的强度，但是严重降低材料的塑性。两个因 素的综合结果使KIC下降。
时经61次摇炉炼钢后发生低应力脆断。其断口示意图如图414所示，该轴材料为40Cr钢，经调质处理后常规力学性能指 标完全合格，σ0.2=600MPa，σb=860 MPa，AKU=38J，δ=8%。 现用断裂力学分析其失效原因。
断口分析：
该轴为疲劳断裂，裂纹源在圆角 处，形成深度达185mm的疲劳扩展 区，相当于一个αc＝185mm的表面 环状裂纹。
s
根据此式，求得断裂应力 的计算式为
KⅠc
c
3.8a 0.212KⅠc
2 0.2
因 a/c =0.6，查表得 父爱=1.28。将有关数值代入上式
后，得 :
1.28 78
MPa 1532MPa
CA 3.8 0.001 0.21278 17002
对于材料B:
由于 =1400/2100=0.67，不必考虑塑性区的修正，则有: 0.2
影响断裂韧度KIC的因素
A钢KIC > P钢KIC 、M钢KIC
应用实例：超高强度奥氏体钢又称相变诱发塑性钢—— 断裂韧性极高
添加大量Ni、Mn元素获得奥氏体钢。 *室温温加工后产生大量的位错和沉淀，强度大 大提高。 *裂纹前端存在应力集中，可诱发马氏体，切变 中消耗大量能量——提高断裂韧性
影响断裂韧度KIC的因素
不必考虑塑性区的修正
K
＝1.1
I
a
同样查表可得Φ2=1.62，将有关数据代入上式，得：
K
＝1.11400 3.14
I
1.62
0.001
68(MPa
m
1 2
)
由此可见，KI＞KIC，说明使用材料B会发生脆性断裂，不 可选用。
高强钢容器水爆断裂失效分析
• 解题思路简介
• 1、确定裂纹处的应力状态
•
2、根据K判据估算裂纹处的脆断应力
KIC提高
(3) 强烈固溶强化元素明显降低KIC。
强烈固溶
强度增加，塑性降低
KIC降低（综合影响）
(4) 形成金属间化合物并呈第二相析出的元素，降低KIC。
金属间化合物(σ相和Loves相)
降低塑性
KIC降低
影响断裂韧度KIC的因素
（4）瓷材料，提高材料强度的组元，都将提高断裂韧度。 （5）对于高分子材料，增强结合键的元素都将提高断裂韧 度。
高压壳体的热处理工艺选择
有一火箭壳体承受很高的工作压力，其周向工作拉
应力σ=1400MPa。采用超高强度钢制造，焊接后往往 发现有纵向表面半椭圆裂纹 (a=lmm,a/c=0.6) 。现有两 种材料，其性能如下:
(A) 0.2
=1700MPa,
KⅠc 78MPa m1 2
；
(B) 0.2
=2100MPa,
1030250060 章新洋 1030250047 盛振栋 1030250043 韩敏 1030250050 姬天亮 1030250038 阮冬祥 1030250033 邓雄文 1030250057 李天杭 1030250001 贾金斗 1030250056 邵利超
断裂韧度与常规力学性能指标之间 的关系
评定钢铁材料的韧脆性
1030250033 10材科2班
邓雄文
评定钢铁材料的韧脆性
➢ 断裂韧度KIC ➢ 断裂应力σc ➢ 临界裂纹尺寸ac
表面半椭圆裂纹
K I Y a Y=2
ac
0.25
KIC
2
1. 超高强度钢的脆断倾向
• 这类刚强度很高， σ0.2≥1400MPa 主要用于宇航事业，典型材料有D6AC超
高强度合金结构钢 、18Ni、40CrNiMo等
超高强度钢，材料的断裂韧度往往较低。 如 18Ni 马氏体时效钢，当σ0.2=1700MPa时 KIC=78MPa·m1/2
y
E
KI
E 2r
σy
σS
y
KI 2r
r=dT时
dT
ey E
KI
2dT
ey=eb=n时
KⅠ = KⅠC
KIC En 2dT
钢中夹杂物对KⅠC影响.夹杂物越多,间距越小, KⅠC越小.
1
KIC
(E
ys
* f
XC
)2
KIC
(E
*
ys f
Xc )1/ 2
n-应变硬化指数
Xc-特征距离,第二相质点间的平均距离 σys-屈服强度
•
3、是否要对塑性区修正
•
4、仿前例做出判断
例3：有一化工合成塔，直径为D=3200mm ，工作压力
p=6MPa，选用材料为σ0.2=1200MPa，KIC=58MPa·m1/2，厚 度t=16mm。制作过程中，经探伤发现在纵焊缝中，存在一 纵向椭圆裂纹，2a=4mm， 2c=6mm。试校核该合成塔能否 安全运行。
当a/c=0.9/3=0.3时，查附录表得Φ=1.10，将有数值代 入上式得
显然， σ ＜σc，不会发生爆破，可以正常工作。
还可以用什么方法进行计算？
高压壳体的热处理工艺选择
10材科（2）班 1030250050 姬天亮
断裂K判据应用案例
一、高压容器承载能力的计算 二、高压壳体的热处理工艺选择 三、高强钢容器水爆断裂失效分析
KⅠc
47MPa m1 2
。
问从断裂力学角度考虑，应选用哪种材料为妥?
现分别求得两种材料的断裂应力 和 。
对于材料A:
CA
CB
由于
0.2
=1400/1700=0.82，所以必须考虑塑性区修
正问题。 因 Y 1.1 的修正值:
将其代入（4-16），可得 KⅠ
KⅠ
1.1 a
2 0.212 2
KI 600
3.14 1.74
0.002
s in 2
90
0.0022 0.0032
cos2
1/ 4
90
44(MPa
m1/ 2
)
KI＜KIC，说明不会发生脆性断裂，该合成塔可以安全使用。
大型转轴断裂分析
10材科2 阮冬祥 1030250038
失效分析
例4：某冶金厂大型纯氧顶吹转炉的转动机械主轴，在工作
/(
) ]X (1n)/ 2 1/ 2
ys
c
n-应变硬化指数
Xc-特征距离,2~3个晶粒尺寸
（二）断裂韧度与冲击韧度之间的关系
静力韧度、冲击韧度、断裂韧度
度量材料韧性的指标
应力集中程度、应力状态、加载速率
茹尔夫对中、高强度钢试验得到：
K IC 0.79[ 0.2 ( AKV 0.01 0.2 )1/ 2 ] MPa.m1/2
焊接后发现焊缝表面有纵向半 椭圆裂纹，尺寸为2c=6mm， a=0.9mm。试问该容器能否在 p=6MPa的压力下正常工作？
根据材料力学，裂纹所受垂直拉应力为：
将有关数据代入上式得
由于 900 0.5 0.2 1800
不必考虑塑性区的修正
c
1 Y
K IC a
对于表面半椭圆裂纹， Y＝1.1 /
0.180(m)
180(mm)
这就是按断裂力学算得的转轴低应力脆断的临界裂纹 尺寸。和实际断口分析的185mm相比，比较吻合， 说明分析正确。
• 由此可见，对于中、低强度钢，尽管其临 界裂纹尺寸很大，但对于大型机件来说， 这样大的裂纹（如疲劳裂纹）仍然可以容 纳得下，因而会产生低应力脆断，而且断 裂应力很低，远低于材料的屈服强度。
2、基体相结构和晶粒大小的影响
(1)基体相结构
一般来说，基体相晶体结构易于发生塑性变形，产生韧性断裂，材 料的断裂韧度就高。
如钢铁材料，基体可以是面心立方固溶体，也可以是体心立方固溶 体。面心立方固溶体容易发生滑移塑性变形而不产生解理断裂，并且形
变硬化指数n较高，其断裂韧度较高。
A钢KIC > P钢KIC 、M钢KIC
一、断裂韧度KIC与常规力学性能指标之间的关系 二、影响断裂韧度KIC的因素 三、高压容器承载能力计算 四、高压壳体的热处理工艺选择 五、大型转轴断裂分析 六、超高强度和中低强度钢的脆断倾向分析 七、高强度钢和球墨铸铁的脆断倾向分析 八、J积分及断裂韧度JIC 九、裂纹尖端张开位移（CTOD）及断裂韧度δc
CB
1 Y
KⅠc a
1.1
KⅠc a
1.28 47 MPa 976 MPa
1.1 0.001
说明会产生脆性断裂，因而不安全。
下面比较KI与来选择材料KIC 0.2
对于材料A：
由于 1400 0.82 0.2 1700
必需考虑塑性区的修正
K
＝
I
1.1 a 2 0.212( / 0.2 )2
第二是校核：
根据结构要求的承载能力、材料的断裂韧度，计算材料 的临界裂纹尺寸，与实测的裂纹尺寸相比较，校核结构 的安全性，判断材料的脆断倾向。
第三是材料开发：
根据对断裂韧度的影响因素，有针对性地设计材料的组 织结构，开发新材料
安全校核
例1：有一大型圆筒式容器由高强度钢焊接而成，如图
4-16所示。钢板厚度t=5mm，圆筒内径D=1500mm；所用 材料的σ0.2=1800MPa，KIC=62MPa·m1/2。
第二，脆性第二相随着体积分数的增加，使得断裂韧度降低。
第三，韧性第二相当其形态和数量适当时，可以提高材料的断 裂韧度。
影响断裂韧度KIC的因素
要求：少，小，匀，圆（球）。 措施：冶金质量的控制、添加稀土改性夹杂物、合 理选择热处理工艺。
4、显微组织对的影响 (1) 板条M的KIC>孪晶M的KIC。 (2) KIC(回火索氏体)>KIC(回火屈氏体)>KIC(回火马氏体) (3) 上B：KIC ↓；下B：KIC ↑。 KIC(B下)≈KIC(M板条)>KIC(B上) (4) A的KIC>M的KIC，所以残余A为韧性相，使KIC↑。
* -临界断裂应变 f
2、解理或沿晶脆性断裂
特尔曼等人提出:当裂纹尖端某一特征距离内的应力达到材料解理断 裂强度σC,裂纹就失稳扩展,产生脆性断裂.
取特征距离为晶粒直径的两倍(2d)
K IC
2.9
S
[exp(
C S
1)
1]1/ 2
•
1/ 0
2
ρ0 裂纹尖端曲率半径
KIC
[( c )(1n)/2
高压容器承载能力计算
10材科（2）班 1030250043 韩敏
断裂K判据应用案例
第一是设计：包括结构设计和材料选择．
✓ 根据材料的断裂韧度，计算结构的许用应力， ✓ 针对要求的承载量，设计结构的形状和尺寸； ✓ 根据结构的承载要求、可能出现的裂纹类型，计算最
大应力强度因子，依据材料的断裂韧度进行选材。
当a/c=0.6时，查表可得Φ2=1.62，将有关数据代入上式，得：
K
＝
I
1.11400 3.14 0.001 1.62 0.212 (1400/1700)2
71(
M
P
a
m
1 2
)
KI＜KIC 说明使用材料A不会发生脆性断裂，可以选用。
对于材料B：
由于 1400 0.67 0.2 2100
AKVKIC
KIC AKV
tK2 tK1 t0 t
影响断裂韧度KIC的因素
10材科（2）班 1030250047 盛振栋
影响断裂韧度KIC的因素
(一)材料的成分，组织对KIC的影响(内因)
1、化学成分的影响
(1) C% ↑， KIC ↓。
(2) 细化晶粒的合金元素，KIC提高。
晶粒细化
强度提高，塑性提高
影响断裂韧度KIC的因素
3、钢中夹杂物和第二相对KIC的影响。 钢中夹杂物和某些第二相，其韧性比基体材料要差，称
脆性相。由于其本身脆裂或再相界面开裂而形成微孔，微孔和 主裂纹连接使裂纹扩展，从而降低KIc。
影响程度与夹杂物或第二相的类型，形状，大小，数量 及分布有关。一般可归纳如下：
第一，非金属夹杂物往往使断裂韧度降低。
章新洋 10材料科学（2班） 学号：1030250060
（一）断裂韧度与强度、塑性之间的关系
1、韧性断裂模型
克拉夫特提出韧断模型：认为具有第二相质点而又均匀分布的两相合金， 裂纹在基体相中扩展时，将要受到第二相质点间距( dT)的影响。
塑性区应变为ey
σy
σS
y
KI 2r
dT
塑性区应变为ey
ey
(2)晶粒大小
一般而言，晶粒越细，KIC越高。
晶粒细小
n和σc越大
KIwenku.baidu.com提高
措施：合金化(加入Al，Ti，V，Zr，Nb)；冷热加工(如
控制轧制)；热处理(如循环热处理)，均可使晶粒细化，从而
提高强韧性。
例外：如超高温淬火。尽管组织粗大，但由于在超高温 淬火时，组织中含有较多的残余奥氏体，对韧性有利，在两者 的联合作用下，使KIC提高。
• 金相分析：
•
疲劳裂纹源处的硫化物夹杂级别较高，该处是薄弱
区。
• 受力分析：
• σ=σ外+σ内=25MPa+120MPa=145MPa
• 表面环状裂纹为浅长表面半椭圆裂纹， αc＝185mm；
ac
1 Y2
K IC
C
2
Y≈1.95
KIC=120MPa·m1/2
ac
1 1.952
120 2 145
影响断裂韧度KIC的因素
总的来说，使材料的强度、塑性提高的或者使裂纹扩 展阻力增加的因素都能使材料的KIC提高。
要注意的是要考虑某个因素对KIC综合影响，不能仅考 虑因素的片面作用。 如强烈固溶强化的元素Si、P，虽然 能够增强材料的强度，但是严重降低材料的塑性。两个因 素的综合结果使KIC下降。
时经61次摇炉炼钢后发生低应力脆断。其断口示意图如图414所示，该轴材料为40Cr钢，经调质处理后常规力学性能指 标完全合格，σ0.2=600MPa，σb=860 MPa，AKU=38J，δ=8%。 现用断裂力学分析其失效原因。
断口分析：
该轴为疲劳断裂，裂纹源在圆角 处，形成深度达185mm的疲劳扩展 区，相当于一个αc＝185mm的表面 环状裂纹。
s
根据此式，求得断裂应力 的计算式为
KⅠc
c
3.8a 0.212KⅠc
2 0.2
因 a/c =0.6，查表得 父爱=1.28。将有关数值代入上式
后，得 :
1.28 78
MPa 1532MPa
CA 3.8 0.001 0.21278 17002
对于材料B:
由于 =1400/2100=0.67，不必考虑塑性区的修正，则有: 0.2
影响断裂韧度KIC的因素
A钢KIC > P钢KIC 、M钢KIC
应用实例：超高强度奥氏体钢又称相变诱发塑性钢—— 断裂韧性极高
添加大量Ni、Mn元素获得奥氏体钢。 *室温温加工后产生大量的位错和沉淀，强度大 大提高。 *裂纹前端存在应力集中，可诱发马氏体，切变 中消耗大量能量——提高断裂韧性
影响断裂韧度KIC的因素
不必考虑塑性区的修正
K
＝1.1
I
a
同样查表可得Φ2=1.62，将有关数据代入上式，得：
K
＝1.11400 3.14
I
1.62
0.001
68(MPa
m
1 2
)
由此可见，KI＞KIC，说明使用材料B会发生脆性断裂，不 可选用。
高强钢容器水爆断裂失效分析
• 解题思路简介
• 1、确定裂纹处的应力状态
•
2、根据K判据估算裂纹处的脆断应力
KIC提高
(3) 强烈固溶强化元素明显降低KIC。
强烈固溶
强度增加，塑性降低
KIC降低（综合影响）
(4) 形成金属间化合物并呈第二相析出的元素，降低KIC。
金属间化合物(σ相和Loves相)
降低塑性
KIC降低
影响断裂韧度KIC的因素
（4）瓷材料，提高材料强度的组元，都将提高断裂韧度。 （5）对于高分子材料，增强结合键的元素都将提高断裂韧 度。
高压壳体的热处理工艺选择
有一火箭壳体承受很高的工作压力，其周向工作拉
应力σ=1400MPa。采用超高强度钢制造，焊接后往往 发现有纵向表面半椭圆裂纹 (a=lmm,a/c=0.6) 。现有两 种材料，其性能如下:
(A) 0.2
=1700MPa,
KⅠc 78MPa m1 2
；
(B) 0.2
=2100MPa,
1030250060 章新洋 1030250047 盛振栋 1030250043 韩敏 1030250050 姬天亮 1030250038 阮冬祥 1030250033 邓雄文 1030250057 李天杭 1030250001 贾金斗 1030250056 邵利超
断裂韧度与常规力学性能指标之间 的关系
评定钢铁材料的韧脆性
1030250033 10材科2班
邓雄文
评定钢铁材料的韧脆性
➢ 断裂韧度KIC ➢ 断裂应力σc ➢ 临界裂纹尺寸ac
表面半椭圆裂纹
K I Y a Y=2
ac
0.25
KIC
2
1. 超高强度钢的脆断倾向
• 这类刚强度很高， σ0.2≥1400MPa 主要用于宇航事业，典型材料有D6AC超
高强度合金结构钢 、18Ni、40CrNiMo等
超高强度钢，材料的断裂韧度往往较低。 如 18Ni 马氏体时效钢，当σ0.2=1700MPa时 KIC=78MPa·m1/2
y
E
KI
E 2r
σy
σS
y
KI 2r
r=dT时
dT
ey E
KI
2dT
ey=eb=n时
KⅠ = KⅠC
KIC En 2dT
钢中夹杂物对KⅠC影响.夹杂物越多,间距越小, KⅠC越小.
1
KIC
(E
ys
* f
XC
)2
KIC
(E
*
ys f
Xc )1/ 2
n-应变硬化指数
Xc-特征距离,第二相质点间的平均距离 σys-屈服强度
•
3、是否要对塑性区修正
•
4、仿前例做出判断
例3：有一化工合成塔，直径为D=3200mm ，工作压力
p=6MPa，选用材料为σ0.2=1200MPa，KIC=58MPa·m1/2，厚 度t=16mm。制作过程中，经探伤发现在纵焊缝中，存在一 纵向椭圆裂纹，2a=4mm， 2c=6mm。试校核该合成塔能否 安全运行。
当a/c=0.9/3=0.3时，查附录表得Φ=1.10，将有数值代 入上式得
显然， σ ＜σc，不会发生爆破，可以正常工作。
还可以用什么方法进行计算？
高压壳体的热处理工艺选择
10材科（2）班 1030250050 姬天亮
断裂K判据应用案例
一、高压容器承载能力的计算 二、高压壳体的热处理工艺选择 三、高强钢容器水爆断裂失效分析
KⅠc
47MPa m1 2
。
问从断裂力学角度考虑，应选用哪种材料为妥?
现分别求得两种材料的断裂应力 和 。
对于材料A:
CA
CB
由于
0.2
=1400/1700=0.82，所以必须考虑塑性区修
正问题。 因 Y 1.1 的修正值:
将其代入（4-16），可得 KⅠ
KⅠ
1.1 a
2 0.212 2
KI 600
3.14 1.74
0.002
s in 2
90
0.0022 0.0032
cos2
1/ 4
90
44(MPa
m1/ 2
)
KI＜KIC，说明不会发生脆性断裂，该合成塔可以安全使用。
大型转轴断裂分析
10材科2 阮冬祥 1030250038
失效分析
例4：某冶金厂大型纯氧顶吹转炉的转动机械主轴，在工作
/(
) ]X (1n)/ 2 1/ 2
ys
c
n-应变硬化指数
Xc-特征距离,2~3个晶粒尺寸
（二）断裂韧度与冲击韧度之间的关系
静力韧度、冲击韧度、断裂韧度
度量材料韧性的指标
应力集中程度、应力状态、加载速率
茹尔夫对中、高强度钢试验得到：
K IC 0.79[ 0.2 ( AKV 0.01 0.2 )1/ 2 ] MPa.m1/2
焊接后发现焊缝表面有纵向半 椭圆裂纹，尺寸为2c=6mm， a=0.9mm。试问该容器能否在 p=6MPa的压力下正常工作？
根据材料力学，裂纹所受垂直拉应力为：
将有关数据代入上式得
由于 900 0.5 0.2 1800
不必考虑塑性区的修正
c
1 Y
K IC a
对于表面半椭圆裂纹， Y＝1.1 /
0.180(m)
180(mm)
这就是按断裂力学算得的转轴低应力脆断的临界裂纹 尺寸。和实际断口分析的185mm相比，比较吻合， 说明分析正确。
• 由此可见，对于中、低强度钢，尽管其临 界裂纹尺寸很大，但对于大型机件来说， 这样大的裂纹（如疲劳裂纹）仍然可以容 纳得下，因而会产生低应力脆断，而且断 裂应力很低，远低于材料的屈服强度。
2、基体相结构和晶粒大小的影响
(1)基体相结构
一般来说，基体相晶体结构易于发生塑性变形，产生韧性断裂，材 料的断裂韧度就高。
如钢铁材料，基体可以是面心立方固溶体，也可以是体心立方固溶 体。面心立方固溶体容易发生滑移塑性变形而不产生解理断裂，并且形
变硬化指数n较高，其断裂韧度较高。
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