低應力脆斷與材料的斷裂韌性

有時候設計中我們使用了強度較好的材料，留的安全系數也足夠高，可是產品在實際中卻發生了斷裂。這是什么原因呢？如果你也有類似的困惑，或許我們應該來了解一下斷裂力學以及材料的斷裂韌性。在常規的設計中，我們通常認為只要應力小于許用應力，便不會有什么問題。這種傳統的強度設計理論是建立在材料連續均勻和各向同性這兩個基本假設的基礎上的，即假設工程結構元件是無宏觀裂紋的連續體。事實上，工程元件中存在裂紋是不可避免的。有些裂紋是材料本身就有的，材料在冶煉、鑄造、焊接及熱處理等加工過程中都可能產生裂紋；有些裂紋則是工程元件在使用過程中產生的，材料內部的夾雜物、空位和位錯在外力作用下均可演變成裂紋材料的真實情況與基本假設的差異，注定了傳統強度理論的局限性，這也是斷裂力學之所以誕生的原因。當部件中存在裂紋時，裂紋直接相聯系的局部區域的應力將重新分布。盡管整個截面上的平均應力較小，但上述局部區域的應力卻可能很大，這種局部區域的應力狀態成了裂紋擴展并導致工程元件斷裂的控制性因素。自從20世紀初期低應力斷裂現象被發現以來，斷裂力學得到了廣泛的發展，目前主要有三種判斷準則，也即1957年G.R. Irwin提出的以應力強度因子為參量的裂紋擴展準則，1965年英國A.A.Wells提出的在大范圍屈服以至全面屈服條件下的裂紋張開位移理論(COD法)和1968年美國的J.R.Rice在能量平衡方法基礎上提出的J積分斷裂準則。具體的理論這里不展開了，大家感興趣的可以自行網上了解。今天我們就以“應力強度因子”為例，為大家構建一個初步的印象。假設有一無限大板，含有一長為2a的中心穿透裂紋，在無限遠處作用有均布的雙向拉應力。如下圖所示。如果我們研究裂紋尖端附近任意點P(r, θ)的應力就會發現，當r趨向于0時，無論平均應力如何小，裂紋尖端各應力分量均趨于無窮大（公式就不給大家羅列了），按照經典強度理論單純用應力大小來判斷受載的裂紋體是否破壞，顯然與實際情況不符。如何解決？應力場強度因子K就應運而生了。K是決定應力場強弱的一個復合力學參量，綜合反映了外加應力、裂紋長度對裂紋尖端應力場強度的影響。當外加應力或裂紋長度單獨或共同增大時, K隨之增大。當K增大到臨界值時，也就是說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斷。上面提到的這個臨界值，也即材料的斷裂韌度，通常以斷裂韌性KC來表達，表示材料抵抗裂紋失穩擴展的能力。KC值與試樣厚度有關，當試樣厚度增，使裂紋尖端達到平面應變狀態時，斷裂韌度趨于一個穩定的最低值，就是K1C。K1C與試樣尺寸和載荷無關，只與材料的組織結構和成分有關，國內一些結構針對不同材料測試的K1C值見下表。我們從上表中可以看到，一些高強度鋼、鑄鐵件和鋁合金件其斷裂韌性較低，也就意味著它們更容易受到內部裂紋缺陷的影響。所以大家會遇到這樣一種情況，你用QT400和別人用QT800做的同樣部件，雖然兩者材料強度差異較大，可能最終的疲勞壽命差異并不大，這個一些國外學者針對球墨鑄鐵已經做過一些相關的研究。OK，最終我們做個簡單的總結，對于中、低強度材料制造的中小型結構件，其工作應力較低，斷裂韌度較高，能導致脆性斷裂的裂紋尺寸是很大的（也即對內部裂紋缺陷大小的容許度較高），因此一般不會發生低應力脆性斷裂，設計時只要滿足傳統的強度條件即可。對于高強度、超高強度材料制造的工程結構元件及中、低強度材料制造的大型焊接件和大型鑄造件，由于它們要么斷裂韌性低，要么更容易產生制造缺陷，必須考慮低應力脆性斷裂問題。