低合金钢在不同低温下解理断裂机理的研究

摘要

本文对三种微观组织（细晶细碳化物、细晶粗碳化物、粗晶粗碳化物）的16MnR钢三点弯曲预裂纹试样的解理断裂进行了详细地研究。通过断口观察及细观临界参数值的测量；起裂源性质的分析比较；在不同温度下的塑性裂纹稳态扩展长度与断裂韧性的关系；裂尖前端的应力、应变和三向应力度分布的计算以及原始裂尖处小裂纹开裂和扩展的模拟等系列工作，得出以下主要结论： （1）细晶细碳化物比细晶粗碳化物和粗晶粗碳化物组织材料的韧脆转变温度低，断裂韧性高。对预裂纹试样而言，碳化物尺寸对韧脆转变温度和断裂韧性值有显著的影响，而晶粒尺寸对韧脆转变温度和断裂韧性值的影响不显著。在韧脆转变温度区，断裂韧性值的分散是由于塑性裂纹稳态扩展长度的波动，而长度的波动是由塑性裂纹尖端宽度在其扩展过程中的随机波动加上组织中薄弱环节（如Fe3C、TiN及MnS等）随机分布所引起的。（2）在韧脆转变温度区，三点弯曲试样受载时，首先产生延伸区随后产生塑性裂纹。由于单位延伸区和塑性裂纹的扩展能量不依存于温度，所以断裂韧性主要决定于解理裂纹起裂时延伸区宽度（SZW）和塑性裂纹的长度（SCL）。在预裂纹三点弯曲实验中，韧脆转变温度区的断裂能量主要消耗在裂纹尖端的钝化与塑性裂纹扩展中。韧脆转变低温区，裂纹尖端在钝化过程中吸收大量能量从而韧性陡升。因此，在韧脆转温度区断裂韧度由延伸区、塑性裂纹的扩展阻力和脆性解理发生的迟早决定。在韧脆转变低温区和下平台温度区，COD值与SZW+SCL成正比关系，断裂韧度可用塑性裂纹稳态扩展长度来度量。（3）在解理断裂过程中，微裂纹的形核是决定解理断裂的关键之一。对热处理获得的三种微观组织的16MnR钢在较大的低温范围（-30℃～-150℃）内确定了以下不同的解理起裂源：晶界碳化物开裂、夹杂物开裂、较大的碳化物界面分离、球状碳化物与铁素体基体分离、晶粒边界开裂。通过断口观察发现在韧脆转变陡升的温度区细晶细碳化物和细晶粗碳化物组织的起裂源特征发生突变：是较大的夹杂物（TiN）开裂；而在下平台温度区细晶粗碳化物、粗晶粗碳化物组织的起裂源特征主要是晶界碳化物起裂。反映了细晶组织的韧性陡升与夹杂物开裂有关，粗碳化物组织的断裂韧性与碳化物有关。

目录

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第一章绪论

1.1课题意义

1.2.宏观断裂力学的发展

1.2.1宏观断裂力学进展

1.2.2 Griffith裂纹理论

1.2.3 COD和J积分理论

1.3解理断裂的细观表征

1.3.1解理断裂判据及细观断裂应力

1.3.2韧脆转变机理的细观表征

1.4韧脆转变的微观机理

1.4.1韧脆转变的位错理论

1.4.2韧脆判据

1.5.创新性设想

第二章实验和计算方法

2.1实验材料

2.2试样制备

2.2.1取样方式

2.2.2标准拉伸试样

2.2.3三点弯曲试样

2.3宏观力学试验

2.3.1标准拉伸试验

2.3.2三点弯曲COD试验

2.4三点弯曲断口观察

2.4.1断口观察

2.4.2断口特征细观参数测量

2.5有限元计算

2.5.1计算的目的和意义

2.5.2有限单元法的基本原理

2.5.3 ABAQUS简介

2.6细观断裂力学参数的测量

第三章实验结果

3.1拉伸实验结果

3.2 COD试验结果

3.3断口观察结果

3.3.1三点弯曲断口

3.3.2三点弯曲断口细观参数测量结果

3.4有限元计算结果

第四章韧脆转变低温区断裂韧性分析

4.1组织对韧脆转变温度的影响

4.2温度对断裂韧性的影响

4.2.1延伸区及塑性裂纹扩展区的的形成

4.2.2韧脆转变低温区韧性陡升的探讨

4.3塑性裂纹稳态扩展的进一步讨论

4.4韧脆转变区韧性值产生分散的原因

4.5小结

第五章解理起裂源的性质

5.1不同温度下的解理起裂源

5.1.1晶界碳化物开裂

5.1.2夹杂物开裂

5.1.3较大的碳化物界面分离

5.1.4球状碳化物与铁素体基体分离

5.1.5晶粒边界

5.2不同组织结构的解理起裂特征

5.2.1细晶细碳化物解理起裂源特征

5.2.2细晶粗碳化物解理起裂源特征

5.2.3粗晶粗碳化物解理起裂源特征

5.3解理起裂源到塑性裂纹尖端的距离Xf

5.4塑性裂纹稳定扩展转变为解理断裂的机制

5.5关于MnS夹杂对解理的影响

5.6小结

主要结论

参考文献

致 谢

附录