古妮娜

（蘭州工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

1 高強(qiáng)鋼概述

人們對(duì)鋼材料的應(yīng)用有著悠久的歷史，從20世紀(jì)初開(kāi)始，全球的鋼鐵產(chǎn)量逐年增加，有效推動(dòng)了工業(yè)的發(fā)展。而且鋼材料的價(jià)格也較為低廉，它擁有豐富的原材料，再加上優(yōu)異的力學(xué)性能，使得鋼材料的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。所以，鋼材料一直是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)。一些特殊的行業(yè)，對(duì)結(jié)構(gòu)件的性能有著更高的要求，需要材料滿(mǎn)足特定的使用壽命，同時(shí)也要具備優(yōu)良的承載能力，例如，在核電、交通運(yùn)輸與航空航天等領(lǐng)域，需要優(yōu)質(zhì)的鋼材料，因此在這一大環(huán)境下，高強(qiáng)鋼出現(xiàn)在人們的生活中，它具有優(yōu)異的抗疲勞性能，能夠承載更大的負(fù)荷，而且疲勞壽命也較長(zhǎng)，是工程結(jié)構(gòu)件中必不可少的一部分[1]。

對(duì)于鋼材而言，在使用前要綜合考慮其斷裂韌性與裂紋擴(kuò)展機(jī)制，因?yàn)椴牧享g性越低，就更容易發(fā)生脆性斷裂，這樣就會(huì)造成結(jié)構(gòu)件失效的問(wèn)題。而且從大量的實(shí)際問(wèn)題來(lái)看，鋼結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力脆斷一般是由表面或者內(nèi)部的裂紋引起的，當(dāng)出現(xiàn)裂紋時(shí)，就會(huì)改變材料的內(nèi)部應(yīng)力分布，整體的連續(xù)性受到影響。因此為了有效分析高強(qiáng)鋼的整體性能，通常會(huì)從斷裂韌性與裂紋擴(kuò)展入手。

2 高強(qiáng)鋼的斷裂韌性

斷裂韌性是評(píng)價(jià)工程材料的關(guān)鍵指標(biāo)，因?yàn)閺漠?dāng)前的發(fā)展來(lái)看，工程材料的結(jié)構(gòu)都趨向于高強(qiáng)度和高韌性，如果材料本身的韌性不足，就會(huì)影響到制作成結(jié)構(gòu)件的使用性能。因此會(huì)通過(guò)結(jié)構(gòu)件損傷容限設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行斷裂韌性的判斷。結(jié)合相關(guān)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(zhǎng)度、試樣的寬度以及材料的屈服強(qiáng)度有關(guān)。在具體的實(shí)驗(yàn)中，會(huì)將材料進(jìn)行簡(jiǎn)單的熱處理，通過(guò)淬火和回火來(lái)獲得高強(qiáng)鋼，這樣就能更為簡(jiǎn)單的進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)判斷不同因素的影響。

通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)可以得出，淬火高強(qiáng)鋼的拉伸性能較強(qiáng)，抗拉強(qiáng)度甚至能夠超過(guò)1900兆帕，但是相應(yīng)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(qiáng)鋼的抗拉強(qiáng)度會(huì)逐漸降低，但是延伸率與回火溫度并沒(méi)有直接的關(guān)系。然而，高強(qiáng)鋼的斷裂韌性卻和回火溫度相關(guān)，其斷裂韌性會(huì)隨著回火溫度的升高而增加。一般而言，高強(qiáng)鋼的斷裂韌性會(huì)集中在35-120MPam1/2，其抗拉強(qiáng)度則分布在1300-2000MPa之間。高強(qiáng)剛的斷裂韌性和沖擊韌性會(huì)隨著各類(lèi)因素的變化而出現(xiàn)較為相似的變化趨勢(shì)，因?yàn)閮烧叨甲裱畹湍芰棵芏鹊脑韀2]。但是高強(qiáng)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(guò)裂紋擴(kuò)展來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的消耗，而沖擊韌性則是通過(guò)裂紋的萌生來(lái)消耗能量。

總體而言，高強(qiáng)鋼的斷裂韌性會(huì)明顯高于普通鋼的結(jié)構(gòu)，所以在承受載荷或者能量沖擊時(shí)，高強(qiáng)鋼能夠更好的適應(yīng)環(huán)境變化，而本身不會(huì)出現(xiàn)斷裂以及裂紋等情況。也正是因?yàn)檫@一原因，使得高強(qiáng)鋼能夠更好的適用于多種環(huán)境。例如，在高鐵的軸承及飛機(jī)的起落架上，鋼鐵結(jié)構(gòu)件會(huì)承受較大的能量沖擊，如果材料的斷裂韌性較低，則會(huì)因?yàn)橥獠磕芰慷a(chǎn)生裂紋，不僅降低結(jié)構(gòu)件的使用壽命，而且會(huì)帶來(lái)極大的安全隱患。

3 高強(qiáng)鋼的裂紋擴(kuò)展機(jī)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(kuò)展機(jī)制卻和其本身的晶界強(qiáng)度、晶界取向以及晶粒尺寸有著直接的關(guān)系。因?yàn)樵诹鸭y擴(kuò)展的過(guò)程中，會(huì)伴隨著能量的消耗，這也是材料在承受載荷或沖擊時(shí)的主要反應(yīng)。在分析材料的裂紋擴(kuò)展機(jī)制時(shí)，需要用到三維成像光路，通過(guò)多個(gè)投影儀的曝光來(lái)實(shí)現(xiàn)整體變化的記錄。從具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，隨著高強(qiáng)鋼斷裂韌性的提高，其斷裂特征會(huì)發(fā)生明顯的變化，而且裂紋的擴(kuò)展行為有著一定的區(qū)別，這是因?yàn)椴煌臄嗔秧g性會(huì)帶來(lái)裂紋尖端附近的應(yīng)力競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，而這時(shí)的裂紋主要是通過(guò)理解斷裂的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展。高強(qiáng)鋼的裂紋擴(kuò)展機(jī)制主要分為連續(xù)裂紋擴(kuò)展和交替裂紋擴(kuò)展兩種形式，不同的擴(kuò)展形式與高強(qiáng)鋼的斷裂韌性有著直接關(guān)系。例如，低斷裂韌性的高強(qiáng)鋼主要是以裂紋跳躍的形式進(jìn)行裂紋擴(kuò)展，而高韌性高強(qiáng)鋼的裂紋擴(kuò)展則體現(xiàn)出連續(xù)性[3]。

金屬結(jié)構(gòu)件最為常見(jiàn)的失效方式就是疲勞，因?yàn)樵谘h(huán)的載荷作用下，材料的抗拉強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，這時(shí)產(chǎn)生疲勞斷裂失效的現(xiàn)象。因此，對(duì)于特殊的工程結(jié)構(gòu)件而言，要細(xì)致的分析其疲勞裂紋擴(kuò)展的機(jī)制，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)加內(nèi)部的裂紋難以避免，所以要通過(guò)裂紋擴(kuò)展形式來(lái)判斷其承受載荷時(shí)的應(yīng)變能力，這樣就能有效的評(píng)估結(jié)構(gòu)是否能夠滿(mǎn)足工程的實(shí)際需求[4]。從目前的實(shí)際情況來(lái)看，隨著高強(qiáng)鋼斷裂韌性的增加，其裂紋擴(kuò)展的均勻性有了明顯的提高，而且斷裂面更為粗糙。而高強(qiáng)鋼裂紋擴(kuò)展均勻性的提高則證明其抗疲勞裂紋擴(kuò)展的能力較強(qiáng)，這是因?yàn)榫鶆蛐缘牧鸭y擴(kuò)展延長(zhǎng)了裂紋的擴(kuò)展距離，更加有效的消除能量沖擊[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于特殊的工業(yè)領(lǐng)域而言，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)件選材時(shí)，要進(jìn)行綜合考慮，為了有效判斷材料是否滿(mǎn)足需求，通常會(huì)分析其疲勞裂紋擴(kuò)展及斷裂韌性，而且通過(guò)這些指標(biāo)，能夠有效判斷結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)壽命及抗疲勞能力。在目前的實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，高強(qiáng)鋼的造價(jià)較為低廉，而且原材料十分豐富，所以在當(dāng)前的工程結(jié)構(gòu)件中較為常用。本文重點(diǎn)探究高強(qiáng)高斷裂韌性的不同特性，細(xì)致分析了高強(qiáng)剛斷裂任性的變化特點(diǎn)，而且有效結(jié)合了高強(qiáng)鋼裂紋擴(kuò)展機(jī)制，希望通過(guò)該研究給高強(qiáng)鋼斷裂韌性及擴(kuò)展機(jī)制的相關(guān)研究提供一定的參考。