本篇文章給大傢談談平麵應變斷裂韌度，以及平麵應變斷裂韌性的知識點，希望對各位有所幫助，不要忘了收藏本站喔。
文章詳情介紹：
地球上韌性最高的材料
在材料科學領域，科學家在設計結構材料時，會希望牠們既要有強度（意味著能抵抗永久變形），又要有延性和抗斷裂性（意味著高度可鍛性）。通常情況下，最終得到的材料會是這些性質之間的壹種折中方案。
然而，近日，科學家卻似乎找到了壹種“魚和熊掌兼得”的材料。壹組研究團隊在研究壹種由鉻、鈷和鎳構成的金屬合金CrCoNi時，測量到了有史以來材料中的最高韌性。
這種金屬不僅具有極高的延性以及令人印象深刻的強度，而且隨著不斷冷卻，其強度和延性可以不斷提高。這也與現有的其他大多數材料恰好相反。團隊在《科學》上發表了、這項研究，描述了他們破紀錄的發現。
高熵合金
CrCoNi是被稱為高熵合金（HEA）的壹類金屬的壹個子集。如今使用的所有合金，都是以壹種元素為主，同時添加少量的其他元素。但HEA則不同，牠們是由每壹種組成元素等量混合而成的。這類平衡的原子配方，似乎賦予了其中壹些材料在受壓時具有極高強度和延性的組合，牠們共同構成了所謂的“韌性”。
自從HEA在大約20年前被首次開發以來，牠壹直是壹個熱門研究領域，但直到最近，才有了在極端測試中把材料推向極限所需的技術。
這種材料在接近液氦溫度（約零下253℃）時的韌性可以高達500Mpa-Sqrt(m)。這是壹種常用的韌性單位，作為對比，以相同的單位衡量，壹塊矽的韌性是1，客機的鋁制機身約為35 ，而壹些最好的鋼的韌性大約是100。因此，500絕對是個驚人的數字。
近十年前，團隊已經開始對CrCoNi和另壹種還含有錳和鐵的合金CrMnFeCoNi進行實驗。他們製作了這些合金的樣品，然後將這些材料降低到液氮溫度（約零下196℃），發現了驚人的強度和韌性。
他們立即想用液氦溫度範圍內進行進壹步測試，但直到多年的等待之後，才終於有了能夠實現這類實驗的技術。
窺視晶體
許多固體物質，包括金屬，都以晶體形式存在，具有被稱為晶胞的重復三維原子模式，這些晶胞構成了壹種更大的結構，也就是晶格。材料的強度和韌性也是來自晶格的物理特性。
沒有晶體是完美的，所以材料中的晶胞不可避免地會包含壹些“缺陷”，壹類突出的例子就是位錯，也就是未變形的晶格與變形的晶格交接的邊界處。當力被施加到材料上時（比如折彎壹把金屬勺子），形狀的改變是通過位錯在晶格中移動來完成的。位錯越容易移動，材料就越軟。
但是，如果位錯的移動被晶格不規則形式中的障礙所阻擋，就需要更大的力才能移動位錯中的原子，這樣壹來，材料的強度就變得更高了。反過來說，障礙物通常會讓材料更脆，也就是容易開裂。
團隊使用中子衍射、電子背散射衍射和透射電子顯微鏡，檢查了在室溫和20K下斷裂的CrCoNi樣品的晶格結構。（在測量強度和延性時，原始金屬樣本被拉至斷裂，而在斷裂韌性測試中，在拉伸樣本之前，故意在樣本中引入壹處尖角裂紋，然後測量裂紋生長所需的應力。）
這些技術產生的圖像和原子圖譜顯示，這種合金的韌性是由壹組三個位錯障礙造成的，當力施加在材料上，這些障礙會以特定的順序生效。
首先，移動的位錯導致晶體的壹些區域從平行平麵上的其他區域滑開。這種運動使晶胞的層發生位移，從而讓牠們的模式在垂直於滑動的方向上不再匹配，形成了壹種障礙。
對金屬的進壹步作用力產生了壹種被稱為納米孿晶的現象，其中晶格的區域形成了壹種鏡像對稱，中間帶有壹個邊界。
最後，如果力繼續作用在金屬上，註入係統的能量就會改變晶胞本身的排列，CrCoNi原子從麵心立方晶體轉變成了另壹種被稱為六方密堆積的排列。
這壹連串的原子相互作用，確保了金屬不斷流動，但也不斷遇到來自障礙物的新抗力，這些抗力遠遠超過了大多數材料因應變而斷裂的程度。所以，當材料被拉伸時，這些機制以這種神奇的順序發生，帶來了這些真正巨大的特性。
這些掃描電子顯微圖像顯示了（A）CrMnFeCoNi和（B）CrCoNi合金的晶粒結構和晶格方向。(C)和(D)分別顯示了CrCoNi在293K和20K下的斷裂實例。（圖／Robert Ritchie, Berkeley Lab）
CrMnFeCoNi合金也在液氦溫度下進行了測試，表現同樣令人印象深刻，但並沒有達到與更簡單的CrCoNi合金壹樣的韌性。
鍛造新產品
團隊的新發現，加上近期有關HEA的其他研究，可能會讓材料科學界重新思考物理特性如何產生性能的長期觀唸。
冶金學傢認為，壹種材料的結構決定了牠的性能，但CrCoNi的結構就是人們所能想到的最簡單的，牠僅僅是晶粒。但當牠變形時，結構卻變得非常復雜，這種轉變有助於解釋牠對斷裂的特殊抗力。
現在，科學家對CrCoNi合金的內部運作有了更好的了解，牠和其他HEA離特殊應用又近了壹步。
儘管這些材料的製造成本很高，但在極端環境中仍有用武之地，比如深空的低溫環境。團隊也在研究如何製造由更豐富、更便宜的元素製成的合金，使其具有類似的特性。
參考來源：
https://newscenter.lbl.gov/2022/12/08/say-hello-to-the-toughest-material-on-earth/
封麵圖&首圖：Robert Ritchie, Berkeley Lab
脆性斷裂典型案例：低合金超高強度鋼螺釘斷裂
30CrMnSiNi2A是廣泛應用於我國航空航天製造的低合金超高強度鋼，是壹種綜合性能優良的結構材料。該鋼在30CrMnSiA鋼的基礎上提高了錳和鉻含量，並添加了1.4%~1.8%的鎳（質量分數），使其淬透性得到明顯提高。經過熱處理後可獲得高的強度、塑性和韌性，良好的抗疲勞性和斷裂韌度，低的裂紋擴展速率，因而適合製造高強度的連接件、軸類零件以及起落架等重要受力結構件。但30CrMnSiNi2A鋼等溫熱處理制度較為嚴苛，不合理的熱處理制度無法發揮材料性能，在使用過程中容易發生脆性斷裂。
某型號固體火箭發動機燃燒室殼體尾端采用法蘭連接結構連接後封頭，該燃燒室殼體進行水壓爆破試驗時，升壓至16MPa時（設計要求爆破壓力≥17.4MPa），首個螺釘從第壹扣螺紋處發生斷裂，繼續升壓至16.6MPa時，所有螺釘斷裂，燃燒室殼體後封頭脫落，連接失效（見圖1）。
圖1 水壓失效斷裂螺釘殘骸
該發動機燃燒室殼體，螺釘材料為30CrMnSiNi2A鋼，規格為M10×1，工藝過程為：原材料復驗→粗加工→半精加工→精加工成形→等溫淬火→無損檢測→表面達克羅處理。加工過程中無涉氫環節。設計要求常溫下抗拉強度為1550MPa。
本文對斷裂螺釘及同批次生產的螺釘進行了失效仿真、拉伸和沖擊試驗，並對斷裂螺釘斷口及拉伸、沖擊試樣斷口進行檢測和分析，對螺釘金相組織進行了檢測及分析。綜合以上試驗及測試結果確定了螺釘斷裂性質，明確了螺釘斷裂原因。
1 螺釘失效仿真
對法蘭連接結構進行仿真驗證，建立模型對法蘭連接結構進行分析和計算，計算出螺釘在16MPa內壓載荷下螺釘受力情況。
由應力雲圖（見圖2）可以看出，螺釘最大等效應力為1534MPa，出現位置為第壹扣螺紋底部，在塑性應變雲圖（見圖3）中，最大塑性應變為6.6%，綜合以上兩個結果，螺釘在承力時，第壹扣應力最大，但是應力主要集中在螺釘表面，螺釘心部應力較小，為發生塑性應變。
圖2 螺釘等效應力雲圖
圖3 螺釘塑性應變雲圖
從安全係數雲圖（見圖4）中可以得出，螺釘大部分結構安全係數高於3，第壹扣螺紋附件安全係數在1~1.7，螺釘連接可靠，結構設計合理。水壓失效螺釘實際斷裂模型與仿真結果導向壹致，起始斷裂位置在螺釘第壹扣螺紋處。
圖4 螺釘安全係數雲圖
2 斷口觀測及分析
2.1 螺釘斷口宏觀觀測
螺釘斷裂位於第壹扣螺紋處。螺釘斷裂宏觀特性觀察：斷口呈暗灰色，斷口平齊，斷麵可見放射性棱線，棱線聚集的壹端為裂紋的起點處，斷口附近無明顯塑性變形（見圖5）。
圖5 螺釘斷口宏觀照片
2.2 螺釘斷口微觀觀察
采用掃描電鏡對斷口進行微觀觀察，如圖6所示。通過對螺釘斷口微觀觀察，能夠看出，螺釘斷麵出現大量高密度短而彎曲的撕裂棱線，高倍照片中能夠看到大量的小平麵及二次裂紋，可以判斷斷口為準解理斷口。掃描斷口未發現明顯“雞爪痕”，且螺釘加工過程無涉氫環節，氫脆可能性較小。
圖6 螺釘斷口微觀照片
2.3 螺釘性能測試
對加工完成的螺釘及同爐拉伸試樣進行了單軸拉伸和沖擊試驗，單軸拉伸試驗測量了螺釘最大軸向拉力及材料抗拉強度和伸長率，沖擊試驗測量了材料韌性性能。最終試驗測試結果表明，螺釘抗拉強度及伸長率滿足標準要求，沖擊吸收能量低於標準要求，材料性能按照標準QJ 2142—1991《超高強度鋼的熱處理》執行，測試結果見表1~表3。
表1 螺釘最大拉力結果
表2 試驗單軸拉伸試樣結果
表3 沖擊吸收能量結果
2.4 螺釘金相分析
對發生斷裂的螺釘和單軸拉伸後的螺釘進行了材料金相分析。通過對結果照片觀察能夠看出，斷裂螺釘組織以闆條狀馬氏體為主，相界上析出大量碳化物，如圖7所示。
圖7 螺釘斷口微觀照片
3 螺釘狀態分析及改進
3.1 螺釘冷加工狀態
采用顯微鏡對失效螺釘同批產品螺紋進行了放大，並進行了測繪，計算了螺釘的牙形角和螺紋底徑，結果見表4。
表4 螺紋結構尺寸檢測
螺釘螺紋測繪照片及對比照片如圖8所示。
圖8 螺紋牙形
螺紋采用專用通止規檢測，生產過程中未辦理不合格品審理單。
3.2 螺釘熱加工狀態
螺釘熱處理工藝制度為：900℃保溫40min；等溫淬火210℃保溫15min；補充回火300℃保溫60min，空冷。
通過對螺釘斷口、金相及性能測試分析能夠看出，螺釘熱處理工藝制度不合理，等溫淬火時間短，馬氏體向下貝氏體轉變不充分，補充回火過程中可能存在控溫超溫現象，相界上析出大量碳化物，最終導致螺釘材料韌性降低，未能滿足標準要求。
3.3 螺釘熱加工狀態改進
針對上述原因，在重新校核爐溫的基礎上，對螺釘熱處理工藝制度進行了調整。調整後的熱處理制度如下：900℃保溫10min；等溫淬火300～330℃保溫60min。
熱處理制度調整後對螺釘材料進行了沖擊測試，結果見表5。
表5 沖擊吸收能量結果
通過調整熱處理工藝制度，延長等溫淬火保溫時間，增強馬氏體向下貝氏體的轉變，能夠明顯看出沖擊吸收能量提高。
3.4 螺釘水壓驗證試驗
將熱處理工藝制度改進後生產的螺釘安裝在燃燒室殼體上，重新進行了水壓爆破試驗，按照正常狀態裝配後。水壓升壓至16MPa、保壓45s後，持續升壓至殼體爆破。殼體爆破後，螺釘無斷裂或鬆動等情況，滿足使用要求。
4 分析與討論
4.1 螺釘斷裂性質分析
從螺釘斷口宏觀觀察結果來看，根據文獻中關於脆性斷口的特徵，該螺釘斷口附近無明顯塑性變形，斷口比較平齊，放射性花樣。斷口微觀觀察結果表明，斷口表面大量分布短而彎曲的棱線，小平麵的應力集中，沖擊吸收能量低於標準要求，金相檢測表明在相界上有大量碳化物析出。根據文獻中對脆性斷裂特徵的描述，水壓爆破試驗中斷裂的螺釘為脆性斷裂。
4.2 斷裂原因分析
零件發生脆性斷裂的原因可分為內部原因和外部原因。
內部原因：
①體心立方結構金屬具有較差的塑性，容易發生脆性斷裂。
②元素如碳、氮等含量增大時，鋼的脆性增大。
③材料加工過程引起內部組織變化，如有害元素的偏聚、脆性相的析出，以及回火脆性過熱過燒等。
④晶粒度對材料脆性也有重大影響，晶粒粗大會導致材料韌性下降。
外部原因：
①零件受力。當零件上存在應力集中時，往往會導致局部材料超過應力極限，發生脆性斷裂。
②使用溫度是重要條件。當使用溫度低於脆性轉變溫度時，材料會發生脆性斷裂。
③應變率的影響。當材料應變率提高時，滑移難以進行，材料會發生脆性斷裂。
④潮濕、熔鹽、腐蝕性介質環境都可能引起脆性斷裂。
根據電子顯微鏡和斷口宏觀觀察結果，斷裂螺釘斷口呈現脆性斷口特徵。
通過金相檢測結果顯示，熱處理完成後，在晶界和相界大量析出碳化物，碳化物存在於晶界和相界上時會使滑移難度增大，軸向拉力增大，引起抗拉強度提高、韌性下降，形成回火脆性。
通過對螺釘設計狀態的校核能夠看出，本批螺釘沖擊吸收能量較低，不滿足標準要求。改進熱處理工藝制度後，提高螺釘材料沖擊吸收能量，螺釘能夠發揮可靠的連接性能。通過前後兩次水壓爆破試驗結果對比，螺釘材料韌性差是螺釘發生斷裂的主要原因。
5 結束語
1）螺釘斷裂為脆性斷裂。
2）熱處理工藝參數設定不合理是造成螺釘脆性斷裂的主要原因。
3）通過保證熱處理爐控溫精度，調整熱處理工藝制度，延長等溫淬火保溫時間，增強馬氏體向下貝氏體的轉變，減小晶界和相界碳化物的析出，可以提高螺釘等溫淬火後的韌性，防止其發生脆性斷裂。