高強鋼斷裂韌性與裂紋擴展機制研究

古妮娜

（蘭州工業學院機電工程學院，甘肅 蘭州 730050）

1 高強鋼概述

人們對鋼材料的應用有著悠久的歷史，從20世紀初開始，全球的鋼鐵產量逐年增加，有效推動了工業的發展。而且鋼材料的價格也較為低廉，它擁有豐富的原材料，再加上優異的力學性能，使得鋼材料的應用范圍不斷擴大。所以，鋼材料一直是國民經濟的重要支柱產業。一些特殊的行業，對結構件的性能有著更高的要求，需要材料滿足特定的使用壽命，同時也要具備優良的承載能力，例如，在核電、交通運輸與航空航天等領域，需要優質的鋼材料，因此在這一大環境下，高強鋼出現在人們的生活中，它具有優異的抗疲勞性能，能夠承載更大的負荷，而且疲勞壽命也較長，是工程結構件中必不可少的一部分[1]。

對于鋼材而言，在使用前要綜合考慮其斷裂韌性與裂紋擴展機制，因為材料韌性越低，就更容易發生脆性斷裂，這樣就會造成結構件失效的問題。而且從大量的實際問題來看，鋼結構件的應力脆斷一般是由表面或者內部的裂紋引起的，當出現裂紋時，就會改變材料的內部應力分布，整體的連續性受到影響。因此為了有效分析高強鋼的整體性能，通常會從斷裂韌性與裂紋擴展入手。

2 高強鋼的斷裂韌性

斷裂韌性是評價工程材料的關鍵指標，因為從當前的發展來看，工程材料的結構都趨向于高強度和高韌性，如果材料本身的韌性不足，就會影響到制作成結構件的使用性能。因此會通過結構件損傷容限設計來進行斷裂韌性的判斷。結合相關的研究成果，金屬材料的斷裂韌性主要和試樣的厚度、裂紋長度、試樣的寬度以及材料的屈服強度有關。在具體的實驗中，會將材料進行簡單的熱處理，通過淬火和回火來獲得高強鋼，這樣就能更為簡單的進行測試，同時判斷不同因素的影響。

通過具體的實驗可以得出，淬火高強鋼的拉伸性能較強，抗拉強度甚至能夠超過1900兆帕，但是相應的延伸率較低，約為10%左右。而且隨著回火溫度的不斷升高，高強鋼的抗拉強度會逐漸降低，但是延伸率與回火溫度并沒有直接的關系。然而，高強鋼的斷裂韌性卻和回火溫度相關，其斷裂韌性會隨著回火溫度的升高而增加。一般而言，高強鋼的斷裂韌性會集中在35-120MPam1/2，其抗拉強度則分布在1300-2000MPa之間。高強剛的斷裂韌性和沖擊韌性會隨著各類因素的變化而出現較為相似的變化趨勢，因為兩者都遵循最低能量密度的原理[2]。但是高強鋼的斷裂任性與沖擊韌性也存在不同之處，主要是由于兩者的能量消耗方式不同，斷裂韌性是通過裂紋擴展來實現能量的消耗，而沖擊韌性則是通過裂紋的萌生來消耗能量。

總體而言，高強鋼的斷裂韌性會明顯高于普通鋼的結構，所以在承受載荷或者能量沖擊時，高強鋼能夠更好的適應環境變化，而本身不會出現斷裂以及裂紋等情況。也正是因為這一原因，使得高強鋼能夠更好的適用于多種環境。例如，在高鐵的軸承及飛機的起落架上，鋼鐵結構件會承受較大的能量沖擊，如果材料的斷裂韌性較低，則會因為外部能量而產生裂紋，不僅降低結構件的使用壽命，而且會帶來極大的安全隱患。

3 高強鋼的裂紋擴展機制

斷裂韌性主要取決于材料的塑性變形能力，但是材料的裂紋擴展機制卻和其本身的晶界強度、晶界取向以及晶粒尺寸有著直接的關系。因為在裂紋擴展的過程中，會伴隨著能量的消耗，這也是材料在承受載荷或沖擊時的主要反應。在分析材料的裂紋擴展機制時，需要用到三維成像光路，通過多個投影儀的曝光來實現整體變化的記錄。從具體的實驗結果看出，隨著高強鋼斷裂韌性的提高，其斷裂特征會發生明顯的變化，而且裂紋的擴展行為有著一定的區別，這是因為不同的斷裂韌性會帶來裂紋尖端附近的應力競爭關系，而這時的裂紋主要是通過理解斷裂的方式來實現裂紋的失穩擴展。高強鋼的裂紋擴展機制主要分為連續裂紋擴展和交替裂紋擴展兩種形式，不同的擴展形式與高強鋼的斷裂韌性有著直接關系。例如，低斷裂韌性的高強鋼主要是以裂紋跳躍的形式進行裂紋擴展，而高韌性高強鋼的裂紋擴展則體現出連續性[3]。

金屬結構件最為常見的失效方式就是疲勞，因為在循環的載荷作用下，材料的抗拉強度會發生變化，這時產生疲勞斷裂失效的現象。因此，對于特殊的工程結構件而言，要細致的分析其疲勞裂紋擴展的機制，這是因為結構加內部的裂紋難以避免，所以要通過裂紋擴展形式來判斷其承受載荷時的應變能力，這樣就能有效的評估結構是否能夠滿足工程的實際需求[4]。從目前的實際情況來看，隨著高強鋼斷裂韌性的增加，其裂紋擴展的均勻性有了明顯的提高，而且斷裂面更為粗糙。而高強鋼裂紋擴展均勻性的提高則證明其抗疲勞裂紋擴展的能力較強，這是因為均勻性的裂紋擴展延長了裂紋的擴展距離，更加有效的消除能量沖擊[5]。

4 結語

對于特殊的工業領域而言，在進行結構件選材時，要進行綜合考慮，為了有效判斷材料是否滿足需求，通常會分析其疲勞裂紋擴展及斷裂韌性，而且通過這些指標，能夠有效判斷結構件的設計壽命及抗疲勞能力。在目前的實際工業生產中，高強鋼的造價較為低廉，而且原材料十分豐富，所以在當前的工程結構件中較為常用。本文重點探究高強高斷裂韌性的不同特性，細致分析了高強剛斷裂任性的變化特點，而且有效結合了高強鋼裂紋擴展機制，希望通過該研究給高強鋼斷裂韌性及擴展機制的相關研究提供一定的參考。