球墨铸铁和可锻铸铁的断裂韧性的研究.pdf

第 15 卷第 1 期云南工业大学学报 Vol. 15 No. 1
1999 年 Journal of Yunnan Polytechnic University 1999
球墨铸铁和可锻铸铁的断裂韧性的研究①
朱龙
(机械工程学院, 云南工业大学, 昆明, 650051)
摘要用 J 积分方法研究球墨铸铁和可锻铸铁的断裂韧性可以满足其有效性,并对它们的断裂韧性进行比较,
试验结果表明它们的断裂韧性各有特点,在机件设计过程中充分考虑其断裂韧性是十分必要的.
关键词: 球墨铸铁;可锻铸铁;断裂韧性
符号说明
a —裂纹长度, mm Ji —表现启裂韧度( J R 线与钝化线交点处的 J R 值)
△ a —测量裂纹扩展量(简称裂纹扩展量) ,mm J0. 05 — da = 0. 05mm 相应的 J R 值
△ a —J 线与钝化线交点相应的测量裂纹扩展量,mm
0 R J0. 2 — da = 0 ,2mm 相应的 J R 值
da = △a - △a0 —表现裂纹扩展量,mm 3/ 2
KI —I 型应力场强度因子,N/ mm
△—施力点位移
α—线性回归方程系数,N/ mm
J —J 积分,应力应变场强度参量,N/ mm 2
β—线性回归方程系数,N/ mm
前言
机件失效中的断裂失效往往具有突发性和灾难性,是机件破坏中最严重的和最难预防的,所以近年
来,各国科学家一直致力于寻找构件断裂的规律,避免各种恶性事故的发生. 在工程材料方面,铸铁材料
中的球墨铸铁和可锻铸铁由于基体中的碳是以球状或团絮状的石墨形式存在,从而大大提高了铸铁的
综合机械性能. 加之铸铁工艺简单,成本低廉,广泛运用于汽车、管道、机床、机械配件、五金工具等行业.
在现代工程中,当机件完全满足常规力学指标的安全性时,仍然发生断裂破坏,究其原因就是它的
断裂韧度此时不满足安全条件. 因此研究球墨铸铁和可锻铸铁的断裂韧性对实际生产并保证其安全可
靠的工作具有重大意义.
1 实验原理
断裂力学承认材料中存在裂纹(金属内部的缺陷实际就是裂纹源) . 在铸造过程中,球墨铸铁和可锻
铸铁难免有缩孔、缩松、夹渣等缺陷以及铸铁中石墨的存在,都将引发裂纹,这为断裂力学的研究提供了
必要的基本条件.
以前对铸铁的断裂韧性的研究均采用平面应变断裂韧性的方法,该理论是本世纪二十年代英国的
著名科学家 Griffith 提出的弹性能量释放理论 G = 2γs ( Griffith 断裂判据) . Westergaard 在 Griffith 的
基础上提出了应力函数法: KIC = σπa 在平面应变条件下,其有效判据为: KI = KIC . 这种理论对研
究脆性材料的断裂韧性起到了积极有效的作用. 然而它对弹塑性材料是无效的.
由于铸铁材料,无论为何种基体,其内部均有一定数量的铁素体,在球墨铸铁和可锻铸铁中,石墨形
状呈球状或团絮状,这样就减弱了铸铁的脆性,使它成为弹塑性材料(这点在本实验中得到论证) .
在研究弹塑性材料的判据有 COD 理论和 J 积分理论. COD 理论是当裂纹尖端的张开位移 COD (又
①收稿日期:1998 - 06 - 02 ;本文为云南省教委青年教师科研基金