第一章机械零件失效形式及其抗力指标第2节零件在静载和冲击载荷下的断裂第1讲断裂的基本概念第三章钢的热处理工程中发生的断裂螺杆断裂桥梁
断裂齿轮断齿冷冲模具的断裂第三章钢的热处理一、断裂的基本概念1 断裂：物体在外力作用下分成两个或者两个以上部分的现象。2 静载荷
和冲击载荷加载速率或者材料应变速率冲击载荷：应变速率：102—104?s-1甚至更高应变速率：10-5—10-3?s-1静载
荷：第三章钢的热处理3 断裂的分类韧性断裂断裂前发生明显的塑性变形的断裂断裂前不发生明显的塑性变形的断裂脆性断裂低碳钢拉伸，韧性
断裂杯锥状断口灰铸铁拉伸脆性断裂，断口平齐脆性断裂的危害大!第三章钢的热处理断裂过程外力材料（试样）在外力作用下形成裂纹材料中
原有的缺陷（微孔、微裂纹）作为现成裂纹形成裂纹a0裂纹形成外力外力亚稳扩展：裂纹扩展与塑性变形同时进行，变形停止，裂纹扩展停
止(a材料中传播的速度断裂(失稳扩展)断裂第三章钢的热处理韧性断裂：裂纹形成、亚稳扩展、失稳扩展（断裂）脆性断裂：裂纹形成、失稳扩展（
断裂）断裂发生条件材料中的裂纹长度a达到临界裂纹长度ac，发生断裂第一章机械零件失效形式及其抗力指标第2节零件在静载和冲击载
荷下的断裂第2讲冲击韧性与断裂韧性第三章钢的热处理一 材料的韧性裂纹长度a达到临界裂纹长度ac，发生断裂ac取决于材料的韧性
韧性：表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，材料强度和塑性的综合表现。冲击韧性和断裂韧性二 冲击韧性及其指标1冲击韧性
材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力。材料在冲击载荷下脆性断裂倾向第三章钢的热处理2冲击试验与衡量指标10冲击韧性通
过冲击试验测试。带缺口的三点弯曲试样101055V型缺口U型缺口10开缺口55摆锤在冲断试样中失去的能量就是破坏试样所
作的功。冲击吸收功(J):Ak=g（H1-H2）冲击韧度ak：(ak＝Ak/Sk)（J/cm2）冲击吸收
功可以反映材料韧性好坏。Ak值高，材料的韧性好。冲击吸收功对组织、成分敏感，可以通过热处理、合金化改变冲击吸收功。H1H2冲击
试验示意图摆锤冲击试验前后位置分别是H1和H2第三章钢的热处理3材料冲击吸收功随温度的变化韧脆转变：温度较高时冲击吸收功高，
温度降低到某一特定温度以下，冲击吸收功急剧降低，材料变为脆性断裂的现象。室温将AK-T曲线上冲击吸收功急剧变化的温度定义为
韧脆转变温度Tk。三种钢的冲击韧性随温度的变化材料的工作温度必须高于材料的韧脆转变温度为低温构件选材提供依据T工作>TK为工
件选材满足第三章钢的热处理防止零件断裂?足够的强度：安全系数k（k>1），工作应力[?]?零件工作温度高于材料韧脆转
变温度?一定的冲击韧性（Ak）第三章钢的热处理二十世纪初期工程上发生特殊断裂问题:低应力脆性断裂工程构件断裂应力低于材料的
屈服强度。增加材料强度（增加安全系数）零件实际断裂应力更低油轮在港口断裂:《纽约时报》断裂力学给出了解答，提出了材料的断裂韧性
的性能第一章机械零件失效形式及其抗力指标第2节零件在静载和冲击载荷下的断裂第3讲 断裂韧性第三章钢的热处理一 断裂韧性及其指
标1传统抗断裂设计遇到的挑战！对于特定构件和材料，单方面提高的安全系数并不能保证零件安全！表明近代多起重大工程事故什么原因？实
际使用的材料存在缺陷/微裂纹受到外力，裂纹尖端产生应力集中第三章钢的热处理应力集中导致裂纹尖端的应力远高于外加应力?max
>?研究零构件裂纹存在时应力状态以及对断裂的影响断裂力学的主要内容第三章钢的热处理2 脆性断裂的判据（1）裂纹尖端应力
场强度因子（KI）对于裂纹尖端附近任一点P，应力参数计算如下P裂纹r?K1? ?cos?(1?sin?)2
212?r裂纹尖端K1? ?cos?(1?sin?)2 2（平面应力）2张开型裂纹（I型裂纹）工程上最危险的裂纹
2?r?3 ?0?3??(?1??2)（平面应变）如果P点的位置确定，决定P点应力值大小的只有参数KI，
计算公式如下：KI???Y aKI:称为应力场强度因子，反映裂纹尖端应力场强度大小的参数。?是外加应力，a是裂纹半长，
Y是零件中裂纹的几何形状因子第三章钢的热处理裂纹尖端应力场强度因子KI,反映裂纹尖端应力场强弱程度KI ???Y a对
于给定形状的零件，形状因子Y确定，裂纹尖端某一确定位置的应力场强度因子取决于外加应力值和裂纹长度。裂纹在外力作用下不断扩展，
外力恒定，但是裂纹长度增加，裂纹尖端应力场强度因子增加。显然，裂纹尖端应力场强度因子不能无限增加。P裂纹r?应力场强度因子存在
一个临界值，当外力作用下裂纹尖端的应力场强度因子K大于这个临界值时，构件发生脆性断裂。裂纹尖端这个临界值称为断裂韧度，记为K
IC，衡量材料断裂韧性的指标。第三章钢的热处理(2)断裂韧性及衡量指标：断裂韧度KIC断裂韧性：材料抵抗脆性断裂（裂纹失稳
扩展）的能力。断裂韧度含义：是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，反映材料断裂韧性的优劣。 单位：MPa·m1/2
或者MN·m-3/2。断裂韧度用于零构件抵抗脆性断裂的设计。零构件发生脆性断裂K ?K安全判据IIC脆性断裂
判据KI?KIc 零构件安全思考问题：零件中存在裂纹，是否可以安全使用？第三章钢的热处理断裂韧度KIC在零件设计中的
应用第一种情况：确定零件的安全性情况：为零件选择了某种材料，材料的断裂韧度为KIC，经过检测，发现零件中有微裂纹，最大尺寸为
2a，构件的工作应力?，此构件是否安全?计算裂纹尖端应力场强度因子KI ???Y aKI?KIc零构件安全满足KI?
KIC零构件发生脆性断裂满足第三章钢的热处理第二种情况：确定构件安全工作的应力情况：为零件选择了某种材料，断裂韧性为KI
C,经过检测，发现零件中有微裂纹，最大尺寸为2a，请确定构件安全工作应力?范围?KI?KIc安全判据计算裂纹尖端应力场
强度因子，带入安全判据KI?Y??? a ?KIcKIc??安全工作的应力范围Y? a零件安全工作允许承受的
应力范围小于这个值第三章钢的热处理第三种情况：零件中允许的最大缺陷尺寸实际情况：已知零件所选择材料的断裂韧性KIC，零件
承受的工作应力?，在保证零件不发生脆性断裂的情况下，请确定构件中允许的裂纹尺寸？课后独立完成第三章钢的热处理（3）断裂韧性应
用场合断裂韧度KIC主要用于高强度钢或者超高强度钢制造的飞机、导弹和火箭的零件，或者是用中低强度钢制造的大型气轮机转子、大型
发电机转子等情况。断裂韧度KIC可以通过热处理和加入合金元素改变。常用工程材料的断裂韧度KIC用这个表给出第三章钢的热处理高
分子陶瓷材料纯金属合金复合材料第一章机械零件失效形式及其抗力指标第2节零件在静载和冲击载荷下的断裂第4讲影响脆性断裂的因素
第三章钢的热处理问题：脆性材料能发生塑性变形吗？拉伸拉伸试验中发生脆性断裂铸铁压缩试验中发生明显的塑性变形压缩第三章
钢的热处理一 影响脆性断裂的因素?21 加载方式与应力状态软性系数材料内部各点的应力状态可以用三个主应力来表示。?1?3最大切
应力 ??1(? ?? )2max13?max??1??(?2??3)最大正应力应力状态软性系数（?）
???max?1??3??max2[?1??(?2??3）]第三章钢的热处理2应力状态软性系
数与材料变形断裂的关系材料容易产生塑性变形，发生韧性断裂?越大，最大切应力分量越大，应力状态越软材料不容易产生塑性变形，容易发
生脆性断裂?越小，最大切应力分量越小，应力状态越硬应力状态软性系数强烈依赖于加载方式三向不等拉伸（0.1）单向拉伸（0.5）
扭转（0.8）二向等压缩（1）单向压缩（2）三向不等压缩（4）应力状态软性系数降低应力状态变软某种材料的力学状态图第
三章钢的热处理以实线代表的材料为例红线：在单向拉伸载荷下材料先屈服再断裂，发生韧性断裂蓝线：在三向不等拉伸载荷下材料没有发生
屈服而断裂，发生脆性断裂。实线、虚线分别代表不同的材料在扭转、单向压缩、侧压这几种载荷下，这种材料都发生韧性断裂。?s:材料剪切
屈服强度?k:材料剪切断裂的强度?k:材料正应力作用下的断裂（正断裂）的强度判断材料的断裂类型韧性断裂：载荷线首先与剪切屈服强度
线相交，然后与断裂线相交脆性断裂：载荷线没有与剪切屈服强度线相交，直接与断裂线相交第三章钢的热处理3温度和加载速度温度的影响
断裂强度屈服强度应力降低温度、增加加载速度，都增加材料脆性断裂的倾向。降低温度增加了材料的屈服强度，使塑性变形困难。容易发生脆
性断裂TkT1T2 温度断裂强度增加加载速度，增加屈服强度，而且提高材料韧脆转变温度，相当于增加了脆性断裂的倾向不同加载速度下
屈服强度对温度的变化第三章钢的热处理4应力集中和零件尺寸应力集中缺口根部为三向拉应力状态降低应力状态软性系数零件尺大
零件中心为三向拉应力状态应力集中和零件尺寸大易导致零件脆性断裂第三章钢的热处理总结(1)材料的断裂分为：韧性断裂和脆性断裂
(2)材料的韧性指标：冲击吸收功（冲击韧度）、材料韧脆转变温度和断裂韧度KIC，都用于评价材料韧性的好坏；断裂韧度KI
C可用于材料抵抗低应力脆性断裂的设计。(3)材料的以上韧性指标均可用合金化和热处理等方法改变。第三章钢的热处理材料强度、塑性、韧性的关系一般规律：材料的强度与塑性、韧性是此消彼长的关系(a)(b)强度—断裂韧性强度—塑性材料科学家正在寻求能同时提高强度、塑性或者强度、断裂韧性的途径（微观组织设计、合金成分），已经取得一些突破第三章钢的热处理粗晶与纳米晶混合使纯铜的强度与塑性同时提高KLu,etal.Scinece(2011)纳米颗粒强化的钼合金强度与塑性同时提高GLiu,etal.Naturemater.(2013) |
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