金属材料的断裂韧性
金属材料的断裂韧性
作者：文彬羽　陈丁华
来源：《科技传播》2013年第01期
        摘要　不同的金属材料的断裂韧性是不一样的，对不同金属材料的断裂韧性进行研究并出影响的因素对提高金属材料断裂韧性具有非常重要的意义。根据影响金属材料断裂韧性因素的不用，可以总体上概括为两个部分的因素，分别是金属材料外部因素和金属材料内部因素，本文分别就影响金属材料的外部因素和内部因素综合进行分析，以得出影响金属材料动态断裂韧性的因素。
        关键词　金属材料；失效；断裂韧性；影响因素
        中图分类号TG14 文献标识码A 文章编号　1674-6708（2013）82-0057-02
        0　引言
        随着现代社会经济的不断发展，对金属材料的使用也大大的增加，在工程构件设计和使用的过程中，最为严重的就是金属材料的断裂，金属材料一旦发生断裂就会发生生产安全事故，
同时也会造成一定的经济损失。通过对以往发生的大量的金属材料的断裂事件的分析，得出构件的低应力脆断是由宏观裂纹扩展引起的，其中最为主要的是金属材料的断裂纹，裂纹一般是在金属加工和生产的过程中引起的[1]。
        根据影响金属材料断裂韧性因素的不用，可以总体上概括为两个部分的因素，分别是金属材料外部因素和金属材料内部因素，本文分别就影响金属材料的外部因素和内部因素综合进行分析，以得出影响金属材料动态断裂韧性的因素。
        1　影响金属材料断裂韧性的外部因素
        1.1　几何因素的影响
        几何因素是影响金属材料断裂韧性的一个最为重要的外部因素。几何因素主要包括两个方面的内容，分别是试样厚度和试样取向等因素，下面对这两个因素进行分析：
        1）试样厚度
        目前在对金属材料的断裂韧性进行研究的过程中发现，不同厚度的金属材料会对会对裂
纹前端的应力约束产生较大的影响，同样也会对金属材料的断裂韧性有一定的影响，所以我们分别用不同厚度的同一个金属材料进行断裂韧性的实验，在实验的过程中发现厚试样的断裂韧性值明显的比薄试样的断裂韧性值要低，换而言之，不同厚度的金属材料，其自身的断裂韧性也不同，厚度也是影响金属材料断裂韧性的一个重要的因素[2]。
        2）试样的取向
        在对金属材料进行取样测试的时候，试样的去向业余金属材料的断裂韧性之间存在着一定的联系，如果我们取样的金属材料裂纹面与金属材料裂纹的扩展方向一致，那么金属材料的断裂韧性就会明显的降低。如果我们取样的金属材料裂纹面与金属材料裂纹的扩展方向相反或者有一定的偏差，那么金属材料的断裂韧性就会较别的有所提高[3]。
        1.2　加载速率的影响
        加载速率与金属材料的断裂韧性有一定的影响，它们之间的联系通常可以用应变速率来进行表示，如果对金属材料的应变速率进行增加的话，那么金属材料相应的断裂韧性就会有所降低。但是，如果应变速率很大，而且形成局部温度升高的绝热状态时，形变热量来不及散开，材料的断裂韧性值会出现回升。
        1.3　温度的影响
        金属材料的断裂韧性之所以会发生变化，是因为金属材料本身的内部损伤或者内部结构的缓慢变化而引起的，内部金属粒子的空位浓度的变化直接导致了金属材料的损伤。国内有一些研究文献表明，空位的迁移运动也就一定，空位聚合形成空穴的动力一定。因此裂纹尖端空位浓度越高，形成空穴的几率也就越大，就比较容易导致断裂。由基本的物理学知识可以得知，给定一个材料，其本身受热多少的变化也会影响到金属材料的韧性，金属材料本身的断裂韧性会随着温度的升高而降低。金属材料本身具有一个温度适应变化的范围，一旦外界的温度逾越了这个范围，就会对金属材料的断裂韧性产生一定的影响，由此我们可以推断出金属材料的断裂韧性和温度有着很大的关系。
        由上图可以得知，金属材料的断裂韧性会随着温度的变化而变化，当金属的温度达到一定的温度以后，金属材料的断裂韧性对比系数会随着温度的继续升高而下降，且下降的幅度很明显。
        2　影响金属材料断裂韧性的内部因素
        2.1　组织结构的影响
        1）马氏体
        金属材料内部的马氏体也是影响金属材料断裂韧性的一个重要的内部因素。金属材料的淬火马氏体在回火后获得回火马氏体，在马氏体不出现回火脆性的情况下，回火温度和强度的变化会对整个金属材料的产生很大的影响，随着回火温度的提高，强度逐渐下降，塑性和韧性逐渐升高。因此，通过这些实验我们可以得出通过淬火、回火获得回火马氏体后，金属材料的组织综合力学性能能达到一个最好的水平，同时这也使得即材料的屈服强度和断裂韧性值都得到较大的提高[4]。
        2）贝氏体
        金属材料内部的贝氏体一般有三种不同的类型，分别是无碳贝氏体（针状铁素体）、上贝氏体和下贝氏体。通常金属材料通过加热后，其内部的贝氏体会变成魏氏体，这使得金属材料的断裂韧性有了很大的降低[4]。
        3）奥氏体
        奥氏体本身的韧性比马氏体要高出很多，所以如果在金属材料的马氏体上残留一定的奥
氏体时，也就相当于提高了金属材料的断裂韧性。
        2.2　碳含量的影响
        金属材料内部碳元素的含量（碳含量）也会对金属材料的断裂韧性产生一定的影响，一种比较常见的现象是在高强度钢材的生产过程中降低碳元素的含量，以提高金属材料的断裂韧性，以便达到强化的目的[4]。
        2.3　合金元素的影响
        板条马氏体的形成有利于断裂韧性的提高。在钢中，合金元素主要通过对钢组织结构的影响来影响断裂韧性，不同种类的合金元素含量的多少是可以直接影响金属材料的断裂韧性的。在相同的作用强度下，位错型马氏体的断裂韧性比孪晶型马氏体高得多，这样一来，含位错型马氏体较多的金属材料，其本身的断裂韧性就会越高。在金属材料中，不同的合金元素之间会产生很多的作用，这些影响到金属材料的复杂性。
        2.4　晶粒尺寸的影响
韧性断裂
        金属材料中的晶粒尺寸的大小也会影响金属材料本身的断裂韧性，通过科学实验可以发现，晶粒越小，其晶粒总体所占的面积就会越大，这样一来，裂纹就有拥有更加复杂错综的结构，如果想要使这种复杂的晶界失去稳定性，就需要获使用更多的外界能量，因此，细化晶粒不但利于提高材料的强度，还能提高材料的断裂韧性。
        3　结论
        本文对影响金属材料的断裂韧性进行了综合的分析，分别对影响金属材料断裂韧性的内外部因素进行了综合的分析，得出了一定的结论，以期对日后的研究提供一些理论依据。
        参考文献
        [1]李鹤林，冯耀荣.石油钻柱失效分析及预防措施.石油机械，1990，18（8）：38-44.
        [2]练章华，骆发前，龚建文，钟水清.塔里木油田钻杆刺漏原因分析[J].钻采工艺，2003，26（6）：62-64.
        [3]Lv　S　L，Luo　F　Q，etc.Cause　Analysis　on　Drilling　Pipe　Wash　out　
and　Preventive　Measure　[J].Oil　Field　Equipment.2006，35（supplement）：12-16.
        [4]郭海清，马永安.井斜对钻具影响理论在轮古13井钻具刺漏原因分析中的应用[J].钻采工艺，2003，26（3）：1-4.

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