高强钢断裂韧性与裂纹扩展机制研究

古妮娜

（兰州工业学院机电工程学院，甘肃 兰州 730050）

1 高强钢概述

人们对钢材料的应用有着悠久的历史，从20世纪初开始，全球的钢铁产量逐年增加，有效推动了工业的发展。而且钢材料的价格也较为低廉，它拥有丰富的原材料，再加上优异的力学性能，使得钢材料的应用范围不断扩大。所以，钢材料一直是国民经济的重要支柱产业。一些特殊的行业，对结构件的性能有着更高的要求，需要材料满足特定的使用寿命，同时也要具备优良的承载能力，例如，在核电、交通运输与航空航天等领域，需要优质的钢材料，因此在这一大环境下，高强钢出现在人们的生活中，它具有优异的抗疲劳性能，能够承载更大的负荷，而且疲劳寿命也较长，是工程结构件中必不可少的一部分[1]。

对于钢材而言，在使用前要综合考虑其断裂韧性与裂纹扩展机制，因为材料韧性越低，就更容易发生脆性断裂，这样就会造成结构件失效的问题。而且从大量的实际问题来看，钢结构件的应力脆断一般是由表面或者内部的裂纹引起的，当出现裂纹时，就会改变材料的内部应力分布，整体的连续性受到影响。因此为了有效分析高强钢的整体性能，通常会从断裂韧性与裂纹扩展入手。

2 高强钢的断裂韧性

断裂韧性是评价工程材料的关键指标，因为从当前的发展来看，工程材料的结构都趋向于高强度和高韧性，如果材料本身的韧性不足，就会影响到制作成结构件的使用性能。因此会通过结构件损伤容限设计来进行断裂韧性的判断。结合相关的研究成果，金属材料的断裂韧性主要和试样的厚度、裂纹长度、试样的宽度以及材料的屈服强度有关。在具体的实验中，会将材料进行简单的热处理，通过淬火和回火来获得高强钢，这样就能更为简单的进行测试，同时判断不同因素的影响。

通过具体的实验可以得出，淬火高强钢的拉伸性能较强，抗拉强度甚至能够超过1900兆帕，但是相应的延伸率较低，约为10%左右。而且随着回火温度的不断升高，高强钢的抗拉强度会逐渐降低，但是延伸率与回火温度并没有直接的关系。然而，高强钢的断裂韧性却和回火温度相关，其断裂韧性会随着回火温度的升高而增加。一般而言，高强钢的断裂韧性会集中在35-120MPam1/2，其抗拉强度则分布在1300-2000MPa之间。高强刚的断裂韧性和冲击韧性会随着各类因素的变化而出现较为相似的变化趋势，因为两者都遵循最低能量密度的原理[2]。但是高强钢的断裂任性与冲击韧性也存在不同之处，主要是由于两者的能量消耗方式不同，断裂韧性是通过裂纹扩展来实现能量的消耗，而冲击韧性则是通过裂纹的萌生来消耗能量。

总体而言，高强钢的断裂韧性会明显高于普通钢的结构，所以在承受载荷或者能量冲击时，高强钢能够更好的适应环境变化，而本身不会出现断裂以及裂纹等情况。也正是因为这一原因，使得高强钢能够更好的适用于多种环境。例如，在高铁的轴承及飞机的起落架上，钢铁结构件会承受较大的能量冲击，如果材料的断裂韧性较低，则会因为外部能量而产生裂纹，不仅降低结构件的使用寿命，而且会带来极大的安全隐患。

3 高强钢的裂纹扩展机制

断裂韧性主要取决于材料的塑性变形能力，但是材料的裂纹扩展机制却和其本身的晶界强度、晶界取向以及晶粒尺寸有着直接的关系。因为在裂纹扩展的过程中，会伴随着能量的消耗，这也是材料在承受载荷或冲击时的主要反应。在分析材料的裂纹扩展机制时，需要用到三维成像光路，通过多个投影仪的曝光来实现整体变化的记录。从具体的实验结果看出，随着高强钢断裂韧性的提高，其断裂特征会发生明显的变化，而且裂纹的扩展行为有着一定的区别，这是因为不同的断裂韧性会带来裂纹尖端附近的应力竞争关系，而这时的裂纹主要是通过理解断裂的方式来实现裂纹的失稳扩展。高强钢的裂纹扩展机制主要分为连续裂纹扩展和交替裂纹扩展两种形式，不同的扩展形式与高强钢的断裂韧性有着直接关系。例如，低断裂韧性的高强钢主要是以裂纹跳跃的形式进行裂纹扩展，而高韧性高强钢的裂纹扩展则体现出连续性[3]。

金属结构件最为常见的失效方式就是疲劳，因为在循环的载荷作用下，材料的抗拉强度会发生变化，这时产生疲劳断裂失效的现象。因此，对于特殊的工程结构件而言，要细致的分析其疲劳裂纹扩展的机制，这是因为结构加内部的裂纹难以避免，所以要通过裂纹扩展形式来判断其承受载荷时的应变能力，这样就能有效的评估结构是否能够满足工程的实际需求[4]。从目前的实际情况来看，随着高强钢断裂韧性的增加，其裂纹扩展的均匀性有了明显的提高，而且断裂面更为粗糙。而高强钢裂纹扩展均匀性的提高则证明其抗疲劳裂纹扩展的能力较强，这是因为均匀性的裂纹扩展延长了裂纹的扩展距离，更加有效的消除能量冲击[5]。

4 结语

对于特殊的工业领域而言，在进行结构件选材时，要进行综合考虑，为了有效判断材料是否满足需求，通常会分析其疲劳裂纹扩展及断裂韧性，而且通过这些指标，能够有效判断结构件的设计寿命及抗疲劳能力。在目前的实际工业生产中，高强钢的造价较为低廉，而且原材料十分丰富，所以在当前的工程结构件中较为常用。本文重点探究高强高断裂韧性的不同特性，细致分析了高强刚断裂任性的变化特点，而且有效结合了高强钢裂纹扩展机制，希望通过该研究给高强钢断裂韧性及扩展机制的相关研究提供一定的参考。