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第1章 绪论1

1.1 断裂的基本概念1

1.1.1 不同应力状态下的断裂模式1

1.1.2 解理断裂3

1.1.3 解理断裂的微观机理5

1.2 解理断裂微观机理相关的基础理论6

1.2.1 Griffith裂纹理论7

1.2.2 线弹性和小范围屈服断裂力学9

1.2.3 弹塑性断裂力学11

1.2.4 应力集中、应变集中、三向应力度、应力强化的概念14

1.2.5 缺口和预裂纹尖端前的应力和应变分布21

1.3 钢解理断裂微观机理的综述25

1.3.1 解理断裂的特征26

1.3.2 解理开裂过程27

1.3.3 解理断裂的机理和准则31

1.3.4 解理断裂的临界事件37

参考文献49

第2章 研究方法54

2.1 材料54

2.2 宏观力学实验54

2.2.1 拉伸实验54

2.2.2 压缩实验56

2.2.3 缺口试样四点弯曲实验56

2.2.4 夏比V型缺口冲击实验57

2.2.5 裂纹试样三点弯曲裂纹尖端张开位移实验58

2.2.6 加载—卸载—再加载实验58

2.2.7 不同加载速率实验59

2.2.8 TiAl合金的拉伸疲劳实验59

2.3 微观实验和观察60

2.3.1 扫描电子显微镜下的原位拉伸实验60

2.3.2 用金相剖面观察并确定微观裂纹起裂区组织和开裂的临界事件60

2.3.3 扫描电镜下断口观察62

2.3.4 断口上微观参数的测量65

2.3.5 起裂源的定位及其与钝化的缺口尖端或预裂纹尖端距离的测量66

2.3.6 在断口和穿过解理断裂起裂源的剖面相交形成的棱上进行组织观察67

2.3.7 断口上裂纹扩展过程的描绘67

2.3.8 解理断裂起裂源第二相颗粒的鉴定69

2.3.9 透射电子显微镜的微观观察69

2.3.10 用电子背散射衍射方法测量大角度晶界和晶粒尺寸70

2.4 用有限元方法进行计算和模拟71

2.5 断裂塑性应变εpc、解理断裂应力σf和临界三向应力度Tc的测量73

参考文献75

第3章 钢解理断裂的微观物理过程76

3.1 解理断裂微观机理的本质内容76

3.1.1 描述完整的解理断裂过程76

3.1.2 确认解理断裂过程的临界事件76

3.1.3 结合局部应力和局部应变的分布定量确定解理断裂准则中的驱动力和阻力77

3.1.4 建立解理断裂的准则77

3.1.5 确定与解理断裂过程相关的微观组织、这些组织的相互作用以及影响78

3.1.6 为处理解理断裂的统计方法建立物理基础78

3.2 解理断裂微观开裂的整体描述78

3.2.1 解理断裂的必要条件和充分条件79

3.2.2 解理微观开裂过程的整体描述80

3.3 裂纹形核87

3.3.1 裂纹形核在解理微观开裂过程中的作用87

3.3.2 裂纹形核的机理88

3.3.3 真实断裂试样中观察到的裂纹形核源的类型90

3.3.4 裂纹形核的准则105

3.4 裂纹扩展105

3.4.1 理论基础106

3.4.2 韧脆转变下平台温度区间出现的解理微裂纹扩展的三种模式（三个子区间）109

3.4.3 韧脆转变下平台温度区间第一个子区间（温度低于－130℃）微裂纹的扩展110

3.4.4 韧脆转变下平台温度区间第二个子区间内第二相颗粒尺寸裂纹进入基体晶粒的扩展（－130～－80℃）113

3.4.5 韧脆转变下平台温度区间第三个子区间（－80～－60℃）的第二相颗粒尺寸裂纹进入基体晶粒的扩展117

3.4.6 韧脆转变下平台温度区间第三个子区间中韧性快速提升的机理121

3.4.7 晶粒尺寸裂纹进入相邻晶粒的扩展122

3.4.8 韧性断裂至脆性断裂转变机理123

参考文献126

第4章 解理断裂的临界事件130

4.1 解理断裂临界事件的物理意义130

4.2 确定解理断裂临界事件的方法132

4.2.1 断裂试样或者卸载试样中残留裂纹的观察132

4.2.2 解理起裂源处微观组织的观察133

4.2.3 建立宏观韧性参数和表征微观组织特征的参数之间的关系133

4.2.4 根据起裂源的位置和最大拉伸正应力的位置的相对关系确定临界事件134

4.2.5 使用Griffith公式判定解理断裂应力σf与关键微观组元之间的关系135

4.2.6 卸载试样钝化裂纹尖端附近区域的观察135

4.3 解理断裂的临界事件135

4.3.1 裂纹形核作为临界事件，其准则为ε≥εpcp136

4.3.2 第二相颗粒尺寸的裂纹穿过第二相颗粒／晶粒边界进入相邻晶粒的扩展作为临界事件，其准则为σyy≥σf（c）136

4.3.3 晶粒尺寸的裂纹穿过晶粒／晶粒边界进入相邻晶粒的扩展成为临界事件，其准则为σyy≥σf（f）137

4.4 临界事件的变化138

4.4.1 临界事件随试样几何形状的变化而变化138

4.4.2 临界事件随实验温度而变化149

4.4.3 临界事件随预应变增加而变化150

4.4.4 临界事件随加载速度增加而变化154

4.4.5 临界事件随解理断裂应力σf的变化而变化158

4.4.6 临界事件随组织的不同而变化163

参考文献163

第5章 解理断裂准则165

5.1 解理断裂准则的物理意义165

5.2 预裂纹尖端前的应力和应变分布166

5.3 预裂纹试样中引发解理断裂的三个准则167

5.4 缺口试样中引发解理断裂的两个临界准则180

5.4.1 缺口根部前的应力和应变分布180

5.4.2 缺口试样引发解理断裂的两个准则的确定180

5.5 断裂距离Xf181

5.5.1 Xf的物理意义和确定181

5.5.2 解理断裂的最小断裂距离184

5.5.3 断裂距离Xf的变化186

5.5.4 Xf的测量值188

5.6 解理断裂应力σf189

5.6.1 σf的物理意义189

5.6.2 拉伸正应力σyy（t）191

5.6.3 σf的测量192

5.6.4 σf测量值的稳定性193

5.6.5 影响σf值的因素205

5.6.6 σf的测量值213

5.7 断裂塑性应变εpc214

5.7.1 εpc的物理意义214

5.7.2 影响εpc的因素215

5.7.3 εpc的测量值215

5.8 临界三向应力度Tc216

5.8.1 Tc的物理意义216

5.8.2 Tc的测量值217

5.9 有效表面能γp217

5.9.1 γp的物理意义217

5.9.2 γp的测量值218

参考文献218

第6章 材料微观组织对解理断裂的影响222

6.1 晶粒尺寸的影响223

6.1.1 决定临界应力强化系数Qc＝σf／σy223

6.1.2 确定解理断裂的临界事件224

6.2 边界的影响225

6.3 第二相颗粒的影响228

6.4 晶粒尺寸和第二相颗粒的综合作用231

6.4.1 对临界事件的影响231

6.4.2 对断裂距离的影响239

6.5 微观组织相成分对HSLA钢解理断裂的影响240

6.5.1 淬火微观组织相成分240

6.5.2 淬火-回火（Q-T）微观组织相成分243

6.5.3 正火的微观组织相成分244

6.5.4 贝氏体微观组织相成分248

参考文献251

第7章 宏观断裂韧性和解理断裂微观机理的相关关系253

7.1 从解理断裂微观机理的角度来诠释宏观断裂韧性参数的物理意义253

7.2 HSLA钢的宏观断裂机理和断裂韧性的提高254

7.2.1 上平台转变温度区间的断裂机理和韧性的提高255

7.2.2 下平台转变温度区间的断裂机理和韧性的提高255

7.2.3 在转变温度区间的断裂机理和韧性的提高256

7.3 预裂纹试样中宏观韧性的分散性与微观参数Xf、σf和εpc临界值的分散性之间的关系258

7.3.1 KIc和因子F＝Xf1／2｛σf（1＋n）／2n／σy（1-n）／2n｝之间的关系260

7.3.2 σf的分散度对宏观韧性分散度的影响262

7.3.3 Xf的分散度对宏观韧性分散度的影响263

7.3.4 εpc的分散度对宏观韧性分散度的影响265

7.3.5 推论267

7.3.6 在缺口试样中Xf分散的影响267

7.4 温度、晶粒尺寸、加载速率和预应变的轻微变化引起断裂韧性的陡升269

7.5 用微观参数预测整体断裂概率的统计模型271

7.5.1 引言271

7.5.2 实验272

7.5.3 实验结果273

7.5.4 使用微观参数预测宏观断裂概率的统计模型276

7.6 本书提出的解理断裂微观物理模型（微观机理）的特征284

7.6.1 HSLA钢解理断裂的微观开裂过程284

7.6.2 解理断裂的临界事件及其变化284

7.6.3 解理断裂的三个准则285

7.6.4 解理断裂应力σf的稳定性286

7.6.5 断裂韧性测量值的分散性286

7.6.6 晶粒尺寸的影响287

参考文献287

第8章 特殊案例研究290

8.1 Pop-in现象290

8.2 热预应力（WPS）的影响293

8.2.1 实验和有限元计算293

8.2.2 预应力载荷对预裂纹试样表观韧性的影响295

8.2.3 预应力载荷对缺口试样表观韧性的影响300

8.3 多层焊缝金属的断裂308

8.3.1 实验308

8.3.2 裂纹形核311

8.3.3 裂纹起裂区和韧性测量值的分散性311

8.3.4 临界事件315

8.3.5 薄弱环节对焊接接头整体韧性的影响315

8.3.6 合金元素的影响319

8.3.7 高强钢焊接接头粗晶热影响区中测得反常高的冲击韧性319

8.3.8 决定贝氏体母材金属和焊缝金属韧性的微观组织特征326

8.4 CODD和夏比V型冲击韧性随奥氏体化温度变化呈反向关系的机制334

参考文献340

第9章 TiAI合金和NiTi记忆合金的脆性断裂343

9.1 TiAl合金的实验343

9.1.1 材料343

9.1.2 力学实验和试样345

9.1.3 原位拉伸实验346

9.1.4 金相面的观察346

9.1.5 为了建立断裂扩展示意图进行的断口观察347

9.1.6 为鉴别不同断裂类型进行的断口观察350

9.1.7 位错的观察350

9.1.8 有限元计算351

9.2 微观开裂过程：TiAl合金中微裂纹的形核和扩展351

9.2.1 微裂纹起裂和扩展过程的观察351

9.2.2 微裂纹起裂和扩展的机理355

9.3 TiAl合金试样的宏观断裂机理363

9.3.1 临界裂纹引发的宏观断裂363

9.3.2 损伤积累引起的宏观断裂371

9.4 TiAl合金的韧化机理373

9.4.1 外加载荷随着裂纹长度的扩展而增加的原因373

9.4.2 韧化的主要微观机理379

9.4.3 拉伸强度和缺口韧性对晶粒尺寸相反的依存关系的机理383

9.5 损伤对TiAl合金宏观断裂的影响386

9.5.1 微裂纹损伤引起的体积效应386

9.5.2 微裂纹损伤引起的面积效应390

9.5.3 加载速率对微裂纹损伤的影响390

9.6 TiAl合金的压缩断裂机理394

9.6.1 拉伸性能和压缩性能之间的不同394

9.6.2 压缩实验中的裂纹起裂和扩展行为395

9.6.3 裂纹损伤对压缩断裂行为和拉伸断裂行为的影响396

9.6.4 压缩试样的断裂机理400

9.7 NiTi形状记忆合金脆性断裂的微观机理403

9.7.1 实验404

9.7.2 扫描电镜原位拉伸实验观察到的微观断裂机理407

9.7.3 断口观察410

参考文献411

术语解释414

索引419