材料断裂韧性的优化措施

传统工程设计理论认为，零件的最大工作应力Rr0.2小于材料的许用应力[R]（通常[R]≤Rr0.2/n，n为安全系数）时是安全可靠的。然而，某些高强度材料零件和中、低强度材料制造的大型件往往在工作应力远低于材料的屈服强度时就发生脆性断裂甚至引起灾难性的破坏事故。例如，20世纪50年代，美国北极星导弹的固体燃料发动机壳体，采用屈服强度为1400N/mm2的超高强度钢制造，设计时的工作应力远低于材料的屈服强度，但发射点火后不久，就发生了爆炸。这种在低于材料屈服强度时发生的脆性断裂称为低应力脆断。

研究表明，造成低应力脆断的根本原因是材料中宏观裂纹的扩展。上述北极星导弹发动机壳体的爆炸就是在破坏处存在有小于1mm的裂纹引起的。事实上，由于材料冶炼和零件的加工、使用等原因，材料中不可避免地存在着既存或后生的微小宏观裂纹。这些裂纹可能是原材料生产过程中的冶金缺陷（如气孔、缩孔、非金属夹杂物等）在使用过程中发展成的裂纹；也可能是加工过程中产生的裂纹（如各种热处理裂纹、焊接裂纹等）；或是在使用过程中产生的裂纹（如疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹等）。在外力作用下，这些裂纹会发生扩展，当裂纹长度达到某一临界尺寸时，就会迅速失稳扩展，导致发生低应力脆断。断裂韧性就是表征材料抵抗裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。

研究表明，由于裂纹的存在，在外力作用下，裂纹尖端必定会产生应力集中。按照断裂力学理论，裂纹尖端附近的实际应力值取决于零件上所施加的名义工作应力R、其内的裂纹半长口（单位为mm）及与裂纹尖端的距离等因素。为了表征裂纹尖端所形成的应力场的强弱程度，引入了应力场强度因子KI的概念。其计算公式为(www.xing528.com)

式中，Y为零件中裂纹的几何形状因子；KI（单位为N·mm-2·m1/2或MN·m-3/2）值越大，表明裂纹尖端的应力场越强。当KI达到某一临界值KIC时，零件内裂纹将发生快速失稳扩展而出现低应力脆性断裂；而当KI＜KIC时，零件在设计寿命内安全可靠。KIC即为断裂韧性，可通过试验测定。它也是一个对材料成分组织结构极为敏感的力学性能指标。常用工程材料中，金属材料的KIC值最高，复合材料次之，高分子材料和陶瓷最低。断裂韧性在工程中的应用可以概括为以下3个方面：一是设计，包括结构设计和材料选择，可以根据材料的断裂韧性，计算结构的许用应力，针对要求的承载量，设计结构的形状和尺寸，可以根据结构的承载要求、可能出现的裂纹类型，计算可能的最大应力强度因子，依据材料的断裂韧性进行选材；二是校核，可以根据结构要求的承载量、材料的断裂韧性，计算材料的临界裂纹尺寸，并与实测的裂纹尺寸相比较，校核结构的安全性，判断材料的脆断倾向；三是材料开发，可以根据对断裂韧性的影响因素，有针对性地设计材料的组织结构，开发新材料。