【正文】 而在同樣的拉伸應(yīng)力作用下， 應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子 KI 比原來(lái)提高了 。 (213) 用式 (213)的 ae代替式 (28)的 a， 即 KI=Yσ ae ， 則可以用線彈性斷裂力學(xué)的判據(jù) KI≥ KIC解釋裂尖區(qū)小范圍屈服的斷裂問(wèn)題。這時(shí)裂端區(qū)已大范圍屈服，不再適用線彈性斷裂力學(xué)，必須采用彈塑性斷裂力學(xué)的判據(jù)來(lái)解決問(wèn)題。這時(shí)只有當(dāng)構(gòu)件厚度尺寸很大時(shí)，一般認(rèn)為板厚 B ≥ (KIC/σs)2，即 d為 rP的 25倍左右(如厚壁容器 )，構(gòu)件內(nèi)部裂紋尖端塑性區(qū)相對(duì)尺寸才比較小，這時(shí)通過(guò)對(duì)塑性區(qū)進(jìn)行修正，可應(yīng)用線彈性斷裂判據(jù)解決問(wèn)題。 只有 rp/a非常小，用線彈性斷裂判據(jù)才是合理的。 對(duì)于實(shí)際構(gòu)件，由于從表而到中心的約束不一樣，即使內(nèi)部呈平面應(yīng)變狀態(tài)，其表面也總是處在平面應(yīng)力狀態(tài)。 對(duì)于 I型裂紋端部的塑性區(qū)大小表達(dá)式如下， rp是 θ的函數(shù)。發(fā)生塑性變形的區(qū)域，稱為塑性區(qū)。設(shè)計(jì)構(gòu)件時(shí)選擇 KIC高的材料，或通過(guò)工藝處理提高材料的 KIC。 ④ 若能檢出或從經(jīng)驗(yàn)得出裂紋擴(kuò)展速率，可計(jì)算出構(gòu)件的安全壽命，并制訂出合理的裂紋檢測(cè)周期。 ② 計(jì)算構(gòu)件在服役條件下的最大裂紋容限，對(duì)構(gòu)件做出安全評(píng)估。按照這個(gè)判據(jù)可以解決工程結(jié)構(gòu)很多實(shí)際問(wèn)題。 2IC )(?YKac ? e．脆性斷裂判據(jù)及工程應(yīng)用 按線彈性力學(xué)分析，當(dāng) I型裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子 KI因?yàn)閼?yīng)力增大或是裂紋增大使其數(shù)值超過(guò)材料抵抗斷裂的臨界值 KIC時(shí)，裂紋會(huì)迅速擴(kuò)展而導(dǎo)致構(gòu)件斷裂 。 因此、當(dāng)構(gòu)件中裂紋的形狀和大小一定時(shí) (即 a和 Y一定 )， 如果該材料的斷裂韌性 KIC 值大，則由裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展使構(gòu)件脆斷所需的外應(yīng)力 σc 也高，即構(gòu)件愈不容易發(fā)生低應(yīng)力脆斷 ，反之，如構(gòu)件在工作應(yīng)力下脆斷，這時(shí)構(gòu)件內(nèi)的裂紋長(zhǎng)度必須大于或 等于式 (29)所確定的臨界 。 式 (29)表明，如用預(yù)制裂紋試樣 (a和 Y已知 )在空氣中加載，測(cè)出裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力 σc，代人式 (29)就可測(cè)得此材料的 KIC值（材料平面應(yīng)變斷裂韌度 KIC的測(cè)量參考 GB 4161）。如裂紋長(zhǎng)度不變，通過(guò) σ增大到 σ= σc， KI增大而達(dá)到裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界狀態(tài)時(shí)， σc屬斷裂應(yīng)力，式 (29)中的 a指原始裂紋尺寸 a0。 d．臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子 KIC KI和外加應(yīng)力及裂紋長(zhǎng)度有關(guān)，當(dāng) KI大到足以使裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，從而導(dǎo)致試樣或構(gòu)件斷裂時(shí)，就稱為臨界狀態(tài)。式 (26)是針對(duì)無(wú)限大板中心貫穿裂紋推導(dǎo)出來(lái)的。在裂紋尖端擴(kuò)展線 (即 x軸 )上， θ=0，sinθ=0，式 (26)變?yōu)? b．張開(kāi)型裂紋尖端附近的二向應(yīng)力場(chǎng)方程 c．應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子 KI 對(duì)于裂紋端部任意一點(diǎn) A(r,θ)．該點(diǎn)的應(yīng)力分量完全由 KI所決定。 斷裂力學(xué)分為線彈性斷裂力學(xué)與彈塑性斷裂力學(xué) ，前者解決具有圖 226(a)所示關(guān)系的脆性斷裂；后者解決具有圖 226(b)所示關(guān)系的韌性斷裂。為構(gòu)件的安全設(shè)計(jì)、定量或半定量地估計(jì)含裂紋構(gòu)件的壽命、失效分析、選材規(guī)范乃至研制新材料提供了更切合實(shí)際的理論基礎(chǔ)。前者是含裂紋體的構(gòu)件在外力作用下裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力，它必然與構(gòu)件受外載引起的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)及環(huán)境作用有關(guān)，也與原有裂紋的性質(zhì)及尺寸有關(guān)；后者是制造該構(gòu)件材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，具有特定組織結(jié)構(gòu)、性能和質(zhì)量的材料， 其抵抗裂紋擴(kuò)展的能力應(yīng)該是一個(gè)常數(shù)。 裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展，通常由裂紋端點(diǎn)開(kāi)始，裂端區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度大小與裂紋的穩(wěn)定性密切相關(guān)，當(dāng)裂端表征應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度的參量達(dá)到臨界值時(shí)，裂紋迅速擴(kuò)展，至構(gòu)件斷裂。當(dāng)這個(gè)安全系數(shù)取值未能包含以經(jīng)驗(yàn)取值的因素出現(xiàn)時(shí)，事故就可能發(fā)生。為了保證構(gòu)件的安全，傳統(tǒng)強(qiáng)度計(jì)算方法采用了較高的安全系數(shù)。但因脆性材料不可能由單向拉伸試驗(yàn)結(jié)果得到材料發(fā)生屈服的極限應(yīng)力，所以，在按此強(qiáng)度理論作強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，公式中的 [σ]也不能用脆性材料在單向拉伸時(shí)的許用應(yīng)力值。但有時(shí)也可采用 最大切應(yīng)力理論 ，這是因?yàn)樽畲笄袘?yīng)力理論的物理概念較為直觀，且按此理論所計(jì)算結(jié)果也偏于安全。 對(duì)于像低碳鋼這一類(lèi)的 塑性材料 ，在除了 三向拉伸應(yīng)力狀態(tài) 以外的各種復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，材料都會(huì)發(fā)生屈服現(xiàn)象。 ② 不論是脆性材料或塑性材料，在三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)下，都會(huì)發(fā)生脆性斷裂，因此宜采用最大拉應(yīng)力理論 。 ① 對(duì)于脆性材料，在單向及兩向拉伸應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)采用最大拉應(yīng)力理論 。 按某一個(gè)強(qiáng)度理論的相當(dāng)應(yīng)力對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度校核， 一方面要保證所用的強(qiáng)度理論與在該種應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生的失效形式相適應(yīng)，另一方面要求采用的 [σ] 也應(yīng)與該失效形式的極限應(yīng)力相符合， 這兩個(gè)條件若有一個(gè)不能 滿足 ，某種強(qiáng)度理論的應(yīng)用就失掉依據(jù)。 第四強(qiáng)度理輪實(shí)際上也是一種塑性屈服判據(jù)，而不是斷裂判據(jù)。即認(rèn)為無(wú)論構(gòu)件處在什么應(yīng)力狀態(tài)下，只要形狀改變比能達(dá)到材料在單向拉伸時(shí)發(fā)生屈服應(yīng)力相應(yīng)的形狀改變比能，材料就發(fā)生屈服，從而引起構(gòu)件失效。這一理論能圓滿地解釋塑性材料出現(xiàn)塑性變形的條件和現(xiàn)象。即不論它是單向應(yīng)力狀態(tài)或是復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，只要單元體中的最大切應(yīng)力 ηmax達(dá)到在單向拉伸下發(fā)生塑性屈服時(shí)的極限切應(yīng)力時(shí)，材料就將發(fā)生塑性屈服而引起構(gòu)件失效。 c． 最大切應(yīng)力理論 (第三強(qiáng)度理論 ) 對(duì)于塑性好的材料，當(dāng)作用在構(gòu)件上的外力過(guò)大時(shí)，其危險(xiǎn)點(diǎn)處的材料就會(huì)沿最大切應(yīng)力所在的截面滑移而產(chǎn)生屈服，從而引起構(gòu)件失效。所以， 第二強(qiáng)度理論對(duì)塑性材料 是不適用的 。 但是必須注意， 第二強(qiáng)度理論公式 中所用的 [σ]是材料在單向拉伸時(shí)的許用拉 應(yīng) 力，這只對(duì)于在單向拉伸時(shí)沿橫截面發(fā)生脆斷失效的材料才適用。 σ1μ (σ2+σ3)≤ [σ] 第 二強(qiáng)度理論能很好地解釋脆性材料受軸向壓縮時(shí)，沿縱向發(fā)生的斷裂失效現(xiàn)象 ，這無(wú)疑是因?yàn)樽畲罄瓚?yīng)變發(fā)生于橫向的緣故。 因此這一理論認(rèn)為 ，決定材料發(fā)生斷裂失效的主要因素是單元體中的最大拉應(yīng)變 ε1。 但這個(gè)理論沒(méi)有考慮到其他兩個(gè)主應(yīng)力對(duì)材料斷裂失效的影響 ，而且對(duì)于單向壓縮 、 三向壓縮等應(yīng)力狀態(tài)也無(wú)法應(yīng)用 。 的螺旋曲面；甚至在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，其斷裂面也是發(fā)生在最大拉應(yīng)力的截面上。 將拉伸強(qiáng)度極限 σb除以安全系數(shù)，得到許用應(yīng)力 [σ]， 于是按第一強(qiáng)度理論建立的強(qiáng)度條件是 σ1≤ [σ] 試驗(yàn)與實(shí)踐證明， 這一理論與鑄鐵、石料、混凝土等脆件材料的失效現(xiàn)象相符合 。 (1)強(qiáng)度理論 a．最大拉應(yīng)力理論 (第一強(qiáng)度理論 ) 脆性材料的失效大多數(shù)是由拉應(yīng)力作用造成的斷裂 。其失效往往是由危險(xiǎn)點(diǎn)處的最大正應(yīng)力、最大線應(yīng)變、最大切應(yīng)力或形狀改變比能等因素起主導(dǎo)作用。 構(gòu)件強(qiáng)度條件的建立依據(jù)強(qiáng)度理論 。 強(qiáng)度被定義為抵抗外力使構(gòu)件失效的能力 。 導(dǎo)致淬裂的原因： (1)原材料已有缺陷； (2)原始組織不良； (3)夾雜物； (4)淬火溫度不當(dāng)； (5)淬火時(shí)冷卻不當(dāng)； (6)機(jī)械加工缺陷； (7)不及時(shí)回火 。 另一方面 ，鋼件在組織轉(zhuǎn)變時(shí)比體積發(fā)生變化，比如奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)比體積增大。 鋼鐵熱處理產(chǎn)生的組織缺陷 內(nèi)應(yīng)力來(lái)源有兩個(gè)方面： 一方面 由于冷卻過(guò)程中零件表面與中心冷卻速度不同、其體積收縮在表面與中心也就不一樣。 層狀撕裂主要發(fā)生在屈服強(qiáng)度較高的低合金高強(qiáng)鋼 (或調(diào)質(zhì)鋼 )的厚板結(jié)構(gòu)，如采油平臺(tái)、厚壁容器、潛艇等，且材質(zhì)含有不同程度的夾雜物。 d．層狀撕裂 屬低溫開(kāi)裂，撕裂溫度不超過(guò) 400℃ 。 某些材料焊接時(shí)，在比較低的溫度下， 由于收縮應(yīng)變超過(guò)了材料本身的塑性儲(chǔ)備而產(chǎn)生的裂紋稱為低塑性脆化裂紋。 焊接馬氏體類(lèi)不銹 鋼、工具鋼，以及異種鋼等均可能出現(xiàn)這種淬硬脆化 裂紋。 ②淬硬脆化裂紋 (淬火裂紋 )。冷裂紋主要發(fā)生在低合金鋼、中合金鋼和高碳鋼的熱影響區(qū)。 再熱裂紋與熱裂紋雖然都是沿晶界開(kāi)裂，但是再熱裂紋產(chǎn)生的本質(zhì)與熱裂紋根本不同， 再熱裂紋只在一定的溫度區(qū)間 (約 550～ 650℃ )敏感，而熱裂紋是發(fā)生在固相線附近。這種裂紋是在重新加熱 (熱處理 )過(guò)程中產(chǎn)生的，故稱“再熱裂紋”，又稱“消除應(yīng)力處理裂紋”，國(guó)外簡(jiǎn)稱“雙裂紋” (即 Stress Relief Cracking)。這種裂紋多發(fā)生在純金屬或單相奧氏體合金的焊縫中或近縫區(qū)。 高溫液化裂紋 在焊接熱循環(huán)峰值溫度作用下，母材近縫區(qū)和多層焊縫的層間金屬中，由于含有低熔共晶組成物 (如硫、磷、硅、鎳等 )面被重新熔化，在收縮應(yīng)力作用下，沿奧氏體晶間發(fā)生開(kāi)裂。 結(jié)晶裂紋 焊縫在結(jié)晶過(guò)程中，固相線附近由于凝固金屬收縮時(shí)，殘余液相不足，致使沿晶界開(kāi)裂，故稱結(jié)晶裂紋。 ⅲ . 串狀或球狀硫化物對(duì) ψ和 Akv均不利，就對(duì)短橫試樣的危害而言，串狀比球狀危害更嚴(yán)重。其中斷裂韌性隨 s含量增加而降低，具有明顯的規(guī)律性。 危害性最大的夾雜物是來(lái)源于爐渣和耐火材料的外來(lái)氧化物。由于夾雜物與鋼基體熱收縮的差別，裂紋在交界面處產(chǎn)生。 b 夾雜物引起應(yīng)力集中 夾雜物的熱膨脹系數(shù)越小，形成的拉應(yīng)力越大，對(duì)鋼的危害性越大。 (2)夾雜物對(duì)鋼性能的影響 大量試驗(yàn)事實(shí)說(shuō)明夾雜物對(duì)鋼的強(qiáng)度影響較小，對(duì)鋼的韌性危害較大，其危害程度又隨鋼的強(qiáng)度的增高而增加。夾雜物與鋼基體之間的交界面處結(jié)合很好 ，產(chǎn)生裂紋的傾向性較小。 鋼中鋁硅鈣夾雜物具有較高的熔點(diǎn)和硬度，當(dāng)壓力加工變形量增大時(shí)，鋁硅鈣被壓碎并沿著加工方向呈串鏈狀分布，嚴(yán)重地破壞了鋼基體均勻的連續(xù)性。Al2O3 、 CaO a 脆性?shī)A雜物 一般指那些不具有塑性變形能力的簡(jiǎn)單氧化物 (如 Al2OCr2O ZrO2等 )、 雙氧化物 (如 FeO e. 分層 由于非金屬夾雜、未焊合的內(nèi)裂紋、殘余縮孔、氣孔等原因，使剪切后的鋼材斷面呈黑線或黑帶，將鋼材分離成兩層或多層的現(xiàn)象，稱為分層。因?yàn)榻Y(jié)疤容易造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生，大大地影響彈簧的壽命和安全性。 若結(jié)疤存在于板材上，尤其是在薄板上，則不僅能成為板材腐蝕的中心，在沖制時(shí)還會(huì)因此產(chǎn)生裂紋。這些凹坑是不深的，一般只有 2～ 3mm。 對(duì)于壓力容器來(lái)說(shuō) ，表面是不允許有嚴(yán)重的劃痕存在的，否則會(huì)成為使用過(guò)程中發(fā)生事故的起點(diǎn)。 b．劃痕 在生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中，鋼材表面受到機(jī)械刮傷形成的溝痕，稱劃痕，也稱刮傷或擦傷。 a 折疊 折疊通常是由于材料表面在前一道鍛、軋中所產(chǎn)生的 尖角或耳子 ，在隨后的鍛、軋時(shí)壓入金屬本身而形成的。因此鍛、軋的鋼件隨后 應(yīng)安排去除脫碳層的切削加工。 脫碳層的硬度、強(qiáng)度較低，受力時(shí)易開(kāi)裂而成為裂源。 b. 網(wǎng)絡(luò)狀碳化物及帶狀組織 對(duì)于工具鋼，鍛造和軋制的目的不但是毛坯成形，更重要的是使其內(nèi)部的碳化物碎化和分布均勻。 魏氏體組織因其組織粗大而使材料脆性增加，強(qiáng)度下降。這種形貌稱為魏氏體組織。 因此，具有白點(diǎn)的鋼材一般是不能使用的。 通常，具有白點(diǎn)的鋼材縱向抗拉強(qiáng)度與彈性極限降低得并不多，但伸長(zhǎng)率則顯著降低，尤其是斷面收縮率與沖擊韌性降低得更多，有時(shí)可能接近于零。奧氏體鋼及萊氏體鋼中，從未發(fā)現(xiàn)過(guò)白點(diǎn)；鑄鋼中也有可能發(fā)現(xiàn)白點(diǎn)，但極為罕見(jiàn)；焊接工件的熔焊金屬中偶爾也會(huì)產(chǎn)生白點(diǎn)。 在經(jīng)侵蝕后的橫向截面上，呈現(xiàn)較多短小的不連續(xù)的發(fā)絲狀裂縫；而在縱向斷面上會(huì)發(fā)現(xiàn)表面光滑的、銀白色的圓形或橢圓形的斑點(diǎn)，這種缺陷稱為 白點(diǎn) 。 ② 當(dāng)鑄錠表面存在著氣泡時(shí)，在熱鍛加熱時(shí)它們可能被氧化，以致在隨后的鍛壓過(guò)程中不能焊合而形成細(xì)紋或裂縫。若此時(shí)金屬已完全凝固， 則剩下的氣體不易逸出有一部分就包容在還處于塑性狀態(tài)的金屬中，于是形成了氣孔，這種氣孔稱為氣泡。 如果冷卻越緩慢 ，隨著溫度降低初生晶體數(shù)量的增加越緩慢，則晶體在溶液中能自由浮沉的溫度范圍越大，因而 比重偏析也越強(qiáng)烈 。 晶體與余下的溶液之間的密度差越大，比重偏析越大。 ③比重偏析 在金屬冷凝過(guò)程中，如果析出的晶體與余下的溶液兩者密度不同時(shí)，這些晶體便傾向于在溶液中下沉或上浮。結(jié)果就 必然導(dǎo)致外層區(qū)域