金屬解理斷裂微觀機(jī)理

目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 斷裂的基本概念 1
1.1.1 不同應(yīng)力狀態(tài)下的斷裂模式 1
1.1.2 解理斷裂 3
1.1.3 解理斷裂的微觀機(jī)理 5
1.2 解理斷裂微觀機(jī)理相關(guān)的基礎(chǔ)理論 6
1.2.1 Griffith裂紋理論 7
1.2.2 線彈性和小范圍屈服斷裂力學(xué) 9
1.2.3 彈塑性斷裂力學(xué) 11
1.2.4 應(yīng)力集中、應(yīng)變集中、三向應(yīng)力度、應(yīng)力強(qiáng)化的概念 14
1.2.5 缺口和預(yù)裂紋尖端前的應(yīng)力和應(yīng)變分布 21
1.3 鋼解理斷裂微觀機(jī)理的綜述 25
1.3.1 解理斷裂的特征 26
1.3.2 解理開裂過程 27
1.3.3 解理斷裂的機(jī)理和準(zhǔn)則 31
1.3.4 解理斷裂的臨界事件 37
參考文獻(xiàn) 49
第2章 研究方法 54
2.1 材料 54
2.2 宏觀力學(xué)實(shí)驗(yàn) 54
2.2.1 拉伸實(shí)驗(yàn) 54
2.2.2 壓縮實(shí)驗(yàn) 56
2.2.3 缺口試樣四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn) 56
2.2.4 夏比V型缺口沖擊實(shí)驗(yàn) 57
2.2.5 裂紋試樣三點(diǎn)彎曲裂紋尖端張開位移實(shí)驗(yàn) 58
2.2.6 加載卸載再加載實(shí)驗(yàn) 58
2.2.7 木同加載速率實(shí)驗(yàn) 59
2.2.8 TiAI合金的拉伸疲勞實(shí)驗(yàn) 59
2.3 微觀實(shí)驗(yàn)和觀察 60
2.3.1 掃描電子顯微鏡下的原位拉伸實(shí)驗(yàn) 60
2.3.2 用金相剖面觀察并確定微觀裂紋起裂區(qū)組織和開裂的臨界事件 60
2.3.3 掃描電鏡下斷口觀察 62
2.3.4 斷口上微觀參數(shù)的測(cè)量 65
2.3.5 起裂源的定位及其與鈍化的缺口尖端或預(yù)裂紋尖端距離的測(cè)量 66
2.3.6 在斷口和穿過解理斷裂起裂源的剖面相交形成的棱上進(jìn)行組織觀察 67
2.3.7 斷口上裂紋擴(kuò)展過程的描繪 67
2.3.8 解理斷裂起裂源第二相顆粒的鑒定 69
2.3.9 透射電子顯微鏡的微觀觀察 69
2.3.10 用電子背散射衍射方法測(cè)量大角度晶界和晶粒尺寸 70
2.4 用有限元方法進(jìn)行計(jì)算和模擬 71
2.5 斷裂塑性應(yīng)變?chǔ)舙c解理斷裂應(yīng)力σf和臨界三向應(yīng)力度Tc的測(cè)量 73
參考文獻(xiàn) 75
第3章 鋼解理斷裂的微觀物理過程 76
3.1 解理斷裂微觀機(jī)理的本質(zhì)內(nèi)容 76
3.1.1 描述完整的解理斷裂過程 76
3.1.2 確認(rèn)解理斷裂過程的臨界事件 76
3.1.3 結(jié)合局部應(yīng)力和局部應(yīng)變的分布定量確定解理斷裂準(zhǔn)則中的驅(qū)動(dòng)力和阻力 77
3.1.4 建立解理斷裂的準(zhǔn)則 77
3.1.5 確定與解理斷裂過程相關(guān)的微觀組織、這些組織的相互作用以及影響 78
3.1.6 為處理解理斷裂的統(tǒng)計(jì)方法建立物理基礎(chǔ) 78
3.2 解理斷裂微觀開裂的整體描述 78
3.2.1 解理斷裂的必要條件和充分條件 79
3.2.2 解理微觀開裂過程的整體描述 80
3.3 裂紋形核 87
3.3.1 裂紋形核在解理微觀開裂過程中的作用 87
3.3.2 裂紋形核的機(jī)理 88
3.3.3 真實(shí)斷裂試樣中觀察到的裂紋形核源的類型 90
3.3.4 裂紋形核的準(zhǔn)則 105
3.4 裂紋擴(kuò)展 105
3.4.1 理論基礎(chǔ) 106
3.4.2 韌脆轉(zhuǎn)變下平臺(tái)溫度區(qū)間出現(xiàn)的解理微裂紋擴(kuò)展的三種模式（三個(gè)子區(qū)間） 109
3.4.3 韌脆轉(zhuǎn)變下平臺(tái)溫度區(qū)間第一個(gè)子區(qū)間（溫度低于 130℃）微裂紋的擴(kuò)展 110
3.4.4 韌脆轉(zhuǎn)變下平臺(tái)溫度區(qū)間第二個(gè)子區(qū)間內(nèi)第二相顆粒尺寸裂紋進(jìn)入基體晶粒的擴(kuò)展（130～80℃） 113
3.4.5 韌脆轉(zhuǎn)變下平臺(tái)溫度區(qū)間第三個(gè)子區(qū)間（ 80～60℃）的第二相顆粒尺寸裂紋進(jìn)入基體晶粒的擴(kuò)展 117
3.4.6 韌脆轉(zhuǎn)變下平臺(tái)溫度區(qū)間第三個(gè)子區(qū)間中韌性快速提升的機(jī)理 121
3.4.7 晶粒尺寸裂紋進(jìn)入相鄰晶粒的擴(kuò)展 122
3.4.8 韌性斷裂至脆性斷裂轉(zhuǎn)變機(jī)理 123
參考文獻(xiàn) 126
第4章 解理斷裂的臨界事件 130
4.1 解理斷裂臨界事件的物理意義 130
4.2 確定解理斷裂臨界事件的方法 132
4.2.1 斷裂試樣或者卸載試樣中殘留裂紋的觀察 132
4.2.2 解理起裂源處微觀組織的觀察 133
4.2.3 建立宏觀韌性參數(shù)和表征微觀組織特征的參數(shù)之間的關(guān)系～ 133
4.2.4 根據(jù)起裂源的位置和最大拉伸正應(yīng)力的位置的相對(duì)關(guān)系確定臨界事件 134
4.2.5 使用Griffith公式判定解理斷裂應(yīng)力σf與關(guān)鍵微觀組元之間的關(guān)系 135
4.2.6 卸載試樣鈍化裂紋尖端附近區(qū)域的觀察 135
4.3 解理斷裂的臨界事件 135
4.3.1 裂紋形核作為臨界事件，其準(zhǔn)則為εp≥εpc 136
4.3.2 第二相顆粒尺寸的裂紋穿過第二相顆粒／晶粒邊界進(jìn)入相鄰晶粒的擴(kuò)展作為臨界事件，其準(zhǔn)則為σyy≥σf(c) 136
4.3.3 晶粒尺寸的裂紋穿過晶粒／晶粒邊界進(jìn)入相鄰晶粒的擴(kuò)展成為臨界事件，其準(zhǔn)則為σyy≥σf(f) 137
4.4 臨界事件的變化 138
4.4.1 臨界事件隨試樣幾何形狀的變化而變化 138
4.4.2 臨界事件隨實(shí)驗(yàn)溫度而變化 149
4.4.3 臨界事件隨預(yù)應(yīng)變?cè)黾佣兓?150
4.4.4 臨界事件隨加載速度增加而變化 154
4.4.5 臨界事件隨解理斷裂應(yīng)力σf的變化而變化 158
4.4.6 臨界事件隨組織的不同而變化 163
參考文獻(xiàn) 163
第5章 解理斷裂準(zhǔn)則 165
5.1 解理斷裂準(zhǔn)則的物理意義 165
5.2 預(yù)裂紋尖端前的應(yīng)力和應(yīng)變分布 166
5.3 預(yù)裂紋試樣中引發(fā)解理斷裂的三個(gè)準(zhǔn)則 167
5.4 缺口試樣中引發(fā)解理斷裂的兩個(gè)臨界準(zhǔn)則 180
5.4.1 缺口根部前的應(yīng)力和應(yīng)變分布 180
5.4.2 缺口試樣引發(fā)解理斷裂的兩個(gè)準(zhǔn)則的確定 180
5.5 斷裂距離Xf 181
5.5.1 Xf的物理意義和確定 181
5.5.2 解理斷裂的最小斷裂距離 184
5.5.3 斷裂距離Xf的變化 186
5.5.4 Xf的測(cè)量值 188
5.6 解理斷裂應(yīng)力σf 189
5.6.1 σf的物理意義 189
5.6.2 拉仲正應(yīng)力σyy(t) 191
5.6.3 σf的測(cè)量 192
5.6.4 σf測(cè)量值的穩(wěn)定性 193
5.6.5 影響σf值的因素 205
5.6.6 σf的測(cè)量值 213
5.7 斷裂塑性應(yīng)變?chǔ)舙c 214
5.7.1 εpc的物理意義 214
5.7.2 影響εpc的因素 215
5.7.3 εpc的測(cè)量值 215
5.8 臨界三向應(yīng)力度Tc 216
5.8.1 Tc的物理意義 216
5.8.2 Tc的測(cè)量值 217
5.9 有效表面能乃 217
5.9.1 γp的物理意義 217
5.9.2 γp的測(cè)量值 218
參考文獻(xiàn) 218
第6章 材料微觀組織對(duì)解理斷裂的影響 222
6.1 晶粒尺寸的影響 223
6.1.1 決定臨界應(yīng)力強(qiáng)化系數(shù)Qc= σf/σy 223
6.1.2 確定解理斷裂的臨界事件 224
6.2 邊界的影響 225
6.3 第二相顆粒的影響 228
6.4 晶粒尺寸和第二相顆粒的綜合作用 231
6.4.1 對(duì)臨界事件的影響 231
6.4.2 對(duì)斷裂距離的影響 239
6.5 微觀組織相成分對(duì)HSLA鋼解理斷裂的影響 240
6.5.1 淬火微觀組織相成分 240
6.5.2 淬火-回火(Q-T)微觀組織相成分 243
6.5.3 正火的微觀組織相成分 244
6.5.4 貝氏體微觀組織相成分 248
參考文獻(xiàn) 251
第7章 宏觀斷裂韌性和解理斷裂微觀機(jī)理的相關(guān)關(guān)系 253
7.1 從解理斷裂微觀機(jī)理的角度來詮釋宏觀斷裂韌性參數(shù)的物理意義 253
7.2 HSLA鋼的宏觀斷裂機(jī)理和斷裂韌性的提高 254
7.2.1 上平臺(tái)轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的斷裂機(jī)理和韌性的提高 255
7.2.2 下平臺(tái)轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的斷裂機(jī)理和韌性的提高 255
7.2.3 在轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的斷裂機(jī)理和韌性的提高 256
7.3 預(yù)裂紋試樣中宏觀韌性的分散性與微觀參數(shù)Xf、σf和εpc臨界值的分散性之間的關(guān)系 258
7.3.1 KIC和因子之間的關(guān)系 260
7.3.2 σf的分散度對(duì)宏觀韌性分散度的影響 262
7.3.3 Xf的分散度對(duì)宏觀韌性分散度的影響 263
7.3.4 εpc的分散度對(duì)宏觀韌性分散度的影響 265
7.3.5 推論 267
7.3.6 在缺口試樣中Xf分散的影響 267
7.4 溫度、晶粒尺寸、加載速率和預(yù)應(yīng)變的輕微變化引起斷裂韌性的陡升 269
7.5 用微觀參數(shù)預(yù)測(cè)整體斷裂概率的統(tǒng)計(jì)模型 271
7.5.1 引言 271
7.5.2 實(shí)驗(yàn) 272
7.5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 273
7.5.4 使用微觀參數(shù)預(yù)測(cè)宏觀斷裂概率的統(tǒng)計(jì)模型 276
7.6 本書提出的解理斷裂微觀物理模型（微觀機(jī)理）的特征 284
7.6.1 HSLA鋼解理斷裂的微觀開裂過程 284
7.6.2 解理斷裂的臨界事件及其變化 284
7.6.3 解理斷裂的三個(gè)準(zhǔn)則 285
7.6.4 解理斷裂應(yīng)力σf的穩(wěn)定性 286
7.6.5 斷裂韌性測(cè)量值的分散性 286
7.6.6 晶粒尺寸的影響 287
參考文獻(xiàn) 287
第8章 特殊案例研究 290
8.1 Popin現(xiàn)象 290
8.2 熱預(yù)應(yīng)力(WPS)的影響 293
8.2.1 實(shí)驗(yàn)和有限元計(jì)算 293
8.2.2 預(yù)應(yīng)力載荷對(duì)預(yù)裂紋試樣表觀韌性的影響 295
8.2.3 預(yù)應(yīng)力載荷對(duì)缺口試樣表觀韌性的影響 300
8.3 多層焊縫金屬的斷裂 308
8.3.1 實(shí)驗(yàn) 308
8.3.2 裂紋形核 311
8.3.3 裂紋起裂區(qū)和韌性測(cè)量值的分散性 311
8.3.4 臨界事件 315
8.3.5 薄弱環(huán)節(jié)對(duì)焊接接頭整體韌性的影響 315
8.3.6 合金元素的影響 319
8.3.7 高強(qiáng)鋼焊接接頭粗晶熱影響區(qū)中測(cè)得反常高的沖擊韌性 319
8.3.8 決定貝氏體母材金屬和焊縫金屬韌性的微觀組織特征 326
8.4 COD和夏比V型沖擊韌性隨奧氏體化溫度變化呈反向關(guān)系的機(jī)制 334
參考文獻(xiàn) 340
第9章 TiAI合金和NiTi記憶合金的脆性斷裂 343
9.1 TiAI合金的實(shí)驗(yàn) 343
9.1.1 材料 343
9.1.2 力學(xué)實(shí)驗(yàn)和試樣 345
9.1.3 原位拉伸實(shí)驗(yàn) 346
9.1.4 金相面的觀察 346
9.1.5 為了建立斷裂擴(kuò)展示意圖進(jìn)行的斷口觀察 347
9.1.6 為鑒別不同斷裂類型進(jìn)行的斷口觀察 350
9.1.7 位錯(cuò)的觀察 350
9.1.8 有限元計(jì)算 351
9.2 微觀開裂過程：TiAl合金中微裂紋的形核和擴(kuò)展 351
9.2.1 微裂紋起裂和擴(kuò)展過程的觀察 351
9.2.2 微裂紋起裂和擴(kuò)展