低应力脆断与材料的断裂韧性

有时候设计中我们使用了强度较好的材料，留的安全系数也足够高，可是产品在实际中却发生了断裂。这是什么原因呢？如果你也有类似的困惑，或许我们应该来了解一下断裂力学以及材料的断裂韧性。在常规的设计中，我们通常认为只要应力小于许用应力，便不会有什么问题。这种传统的强度设计理论是建立在材料连续均匀和各向同性这两个基本假设的基础上的，即假设工程结构元件是无宏观裂纹的连续体。事实上，工程元件中存在裂纹是不可避免的。有些裂纹是材料本身就有的，材料在冶炼、铸造、焊接及热处理等加工过程中都可能产生裂纹；有些裂纹则是工程元件在使用过程中产生的，材料内部的夹杂物、空位和位错在外力作用下均可演变成裂纹材料的真实情况与基本假设的差异，注定了传统强度理论的局限性，这也是断裂力学之所以诞生的原因。当部件中存在裂纹时，裂纹直接相联系的局部区域的应力将重新分布。尽管整个截面上的平均应力较小，但上述局部区域的应力却可能很大，这种局部区域的应力状态成了裂纹扩展并导致工程元件断裂的控制性因素。自从20世纪初期低应力断裂现象被发现以来，断裂力学得到了广泛的发展，目前主要有三种判断准则，也即1957年G.R. Irwin提出的以应力强度因子为参量的裂纹扩展准则，1965年英国A.A.Wells提出的在大范围屈服以至全面屈服条件下的裂纹张开位移理论(COD法)和1968年美国的J.R.Rice在能量平衡方法基础上提出的J积分断裂准则。具体的理论这里不展开了，大家感兴趣的可以自行网上了解。今天我们就以“应力强度因子”为例，为大家构建一个初步的印象。假设有一无限大板，含有一长为2a的中心穿透裂纹，在无限远处作用有均布的双向拉应力。如下图所示。如果我们研究裂纹尖端附近任意点P(r, θ)的应力就会发现，当r趋向于0时，无论平均应力如何小，裂纹尖端各应力分量均趋于无穷大（公式就不给大家罗列了），按照经典强度理论单纯用应力大小来判断受载的裂纹体是否破坏，显然与实际情况不符。如何解决？应力场强度因子K就应运而生了。K是决定应力场强弱的一个复合力学参量，综合反映了外加应力、裂纹长度对裂纹尖端应力场强度的影响。当外加应力或裂纹长度单独或共同增大时, K随之增大。当K增大到临界值时，也就是说裂纹尖端足够大的范围内应力达到了材料的断裂强度，裂纹便失稳扩展而导致断。上面提到的这个临界值，也即材料的断裂韧度，通常以断裂韧性KC来表达，表示材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。KC值与试样厚度有关，当试样厚度增，使裂纹尖端达到平面应变状态时，断裂韧度趋于一个稳定的最低值，就是K1C。K1C与试样尺寸和载荷无关，只与材料的组织结构和成分有关，国内一些结构针对不同材料测试的K1C值见下表。我们从上表中可以看到，一些高强度钢、铸铁件和铝合金件其断裂韧性较低，也就意味着它们更容易受到内部裂纹缺陷的影响。所以大家会遇到这样一种情况，你用QT400和别人用QT800做的同样部件，虽然两者材料强度差异较大，可能最终的疲劳寿命差异并不大，这个一些国外学者针对球墨铸铁已经做过一些相关的研究。OK，最终我们做个简单的总结，对于中、低强度材料制造的中小型结构件，其工作应力较低，断裂韧度较高，能导致脆性断裂的裂纹尺寸是很大的（也即对内部裂纹缺陷大小的容许度较高），因此一般不会发生低应力脆性断裂，设计时只要满足传统的强度条件即可。对于高强度、超高强度材料制造的工程结构元件及中、低强度材料制造的大型焊接件和大型铸造件，由于它们要么断裂韧性低，要么更容易产生制造缺陷，必须考虑低应力脆性断裂问题。