脆性骨折和韧性骨折:定义,机制,差异

裂缝可以定义为材料的分离成两个或更多个部分。材料的失败可以涉及两个机制中的任何一种;韧性骨折或脆性骨折。金属中的这两个裂缝机制都是不同的,彼此不同。在本文中,我们将详细探讨这两个故障机制。

什么是脆性骨折或脆性衰竭?

脆性骨折是突然和快速的金属衰竭,其中材料显示很少或没有塑性菌株。这是在没有任何警告的情况下快速失败的特点。产生的裂缝迅速传播,材料突然塌陷。

脆性骨折是当对材料进行材料的温度时发生的条件,使其更易于弹性,因此更脆。材料变形的潜力取决于对这些低温进行的材料类型。一些材料,例如碳和低合金钢在低温下变脆,因此易于损坏范围从裂缝到碎片或崩解的设备。

当材料变脆时,后果可能非常严重。如果脆性材料受冲击或等效冲击(Ex。快速加压),这种组合可能导致某些条件下的灾难性失败。

什么是韧性骨折或韧性衰竭?

韧性骨折是在骨折之前表现出大量塑性变形的材料衰竭。延性骨折过程缓慢并在最终分离前赋予足够的警告。通常,大量的塑料流动在骨折面附近浓缩。

在一段时间内发生韧性裂缝,通常发生在屈服应力之后,其中脆性骨折快,并且可以在低应力水平下比延展性裂缝发生。这就是为什么延髓骨折被认为是比脆性骨折更好。参见图1.如下,下面解释裂缝机制。应力应变曲线下的区域代表失败前的吸收能量。显然,脆性失效所需的能量非常小于延性衰竭。

脆性Vs韧性骨折
图1:脆性Vs韧性骨折

脆性断裂机制

上面所示的脆性断裂机制称为脆性切割骨折。这发生在具有高应变硬化速率和相对低的切割强度的金属中。

如果条件发生变化,某些条件下的延性材料可能变脆。这种情况是温度的影响。在环境温度和低温下,许多工业用材料表现出韧性骨折和升高的温度和脆性骨折。低于其脆性的材料脆弱的过渡温度称为延展性的脆性和上述延展性(NDT)温度。该温度不是恒定的,但根据现有的机械和热处理以及杂质元素的性质和量而变化。它由Izod或Charpy Impact测试决定。在高于NDT温度的温度下,在骨折之前将发生一些塑性变形

随着延展性的增加,NDT降低。因此,总是优选增加延展性。影响延性的参数是:

  • 晶粒尺寸:小粒度提高延展性,粒度通过热处理控制。
  • 合金元件:添加合金元素可以降低粒度,从而降低脆性将NDT转化为较低的温度。

脆性材料应避免循环应力。因此,不应从脆性材料设计具有热和压力循环的系统。

脆性骨折的原因

主要关注脆性骨折或脆性失败的是,在某些条件下发生在屈服强度低于屈服强度的情况下发生。这种条件是存在缺陷或裂缝。脆性骨折通常通过制造的产品或制造结构中存在的缺陷或通过在服务期间产生的缺陷引发。这些基本上是应力集中器,可以采取的形式。

  • 由自由表面方向的突然变化突出的不连续性,通常是断裂引发剂。示例:锋利的鱼片,角落,孔,螺纹,花键,键槽,凹痕,凿子或划痕。
  • 圈,折叠,薄片,大型夹杂物,锻造爆破,叠片和不期望的谷物。
  • 在熔化,脱氧,晶粒精炼和铸造操作期间引入的偏析,夹杂物,不期望的微观结构,孔隙率,撕裂,裂缝或表面不连续性。
  • 加工,淬火,疲劳,氢脆,液态金属脆化或应力腐蚀产生的裂缝。
  • 残余应力。

由于这种裂缝以极快的速度繁殖,通常发生脆性骨折。粒径较小,温度较高,压力较低,倾向于减轻裂纹启动。相反,晶粒尺寸较大,温度较低,应力较高的抗裂纹繁殖。有一种应力水平,称为下部断裂传播应力,下面的裂缝不会在任何温度下繁殖。随着温度的增加,裂缝繁殖需要更高的应力。裂缝骤停曲线定义了温度与裂缝传播所需的应力之间的关系。

骨折韧性

传播预先存在的裂缝所需的应力量由断裂韧性表示,这取决于以下各种因素:

  • 金属组成
  • 金属温度
  • 晶体结构变形的程度
  • 金属粒度
  • 金属结晶形式
  • 缺陷

参考图1.如下图2表示在各种应力​​和温度下为各种缺陷尺寸的钢的断裂引发曲线。

各种缺陷尺寸的骨折启动曲线
图2:各种缺陷尺寸的断裂起始曲线

从上述曲线,显而易见的是,为了避免脆性断裂工作温度应保持高于NDT温度。保持高于FTE温度的工作温度(钢的NDT + 60°F)将确保更大的安全性。

格里菲斯脆性骨折理论

考虑长度L的薄板L具有长度2c的直接裂纹,如图3所示。上曲线显示了用于长度2c的非延伸裂缝的力偏转曲线。对于长度2(C +ΔC)的非延伸裂缝,曲线将是下曲线。这两条曲线之间的区域表示释放的能量以将裂缝从2C到2(C +ΔC)延伸。

Griffith脆性骨折理论的解释
图3:脆性骨折的Griffith理论的说明

利用弹性理论格里菲斯表明,在2ΔC裂纹生长期间每单位厚度释放的能量是

因此,临界压力与C成反比½。因此,缺陷越小,σ的值越大c。 Griffith理论适用于每种脆性材料,如玻璃,在没有任何塑性变形的情况下发生故障。当有一些与之相关的塑性变形时
裂缝延伸,我们必须添加塑料工作γp 消耗在使表面到表面能量术语γs to obtain σc as shown below:

上述等式形成了现代骨折力学的起点。

延性骨折机制

延性骨折或延性故障(图4)通常在下面提到的步骤以下:

(a)缩颈
(b)形成微脂糖
(c)微脂糖的聚结,形成裂缝
(d)通过剪切变形裂纹传播
(e)骨折

韧性骨折机制
图4:韧性骨折机制

脆性骨折vs韧性骨折

从上述讨论中,显然脆性骨折和韧性骨折机制是完全不同的。以下提供了脆性和韧性骨折之间的主要差异:

脆性骨折/脆性失败韧性骨折/韧性衰竭
可忽略不计的塑性变形相当大的塑性变形。
没有任何警告的快速快速失效缓慢的过程,有足够的警告
快速裂缝传播缓慢裂缝传播
脆性骨折可能出现在屈服强度以下延展性衰竭通常发生高于屈服强度。
在脆性骨折中,裂缝繁殖垂直于施加的应力。 裂缝繁殖以施加的应力为45度。
裂解衰竭杯子锥体失效
对失败的能源要求较少失败所需的能量是完全高的
可能会闯入几件闯入两块
脆性骨折vs韧性骨折
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Anup Kumar Dey

我是一名机械工程师转向管道工程师。目前,我在一名高级管道压力工程师中工作。我对博客非常激烈,总是试图做独特的事情。本网站是我对博客世界的第一个冒险,目的是与世界各地的其他管道工程联系起来。

2 thoughts on “脆性骨折和韧性骨折:定义,机制,差异

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    Zoran Tunic.管道材料腐蚀工程师。

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