材料力学第一章(三) 材料的断裂优秀课件

1 第一章 材料在单向静拉伸载荷下的力学性能 材料的断裂 主讲人 刘桂武江苏大学材料学院 Email gwliu76 电话材料力学性能 3 10 2011刘桂武 材料科学与工程学院 10 01 2010 2 1 材料的断裂理论2 材料的断裂类型 第一章 三 知识要点 3 10 2011刘桂武 材料科学与工程学院 10 01 2010 3 一 基本概念 1 断裂 fracture 物体在外力作用下产生裂纹以至断开的现象 2 韧性断裂 ductilefracture 延性断裂 是材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂 如断口呈纤维状 灰暗色 断裂面平行于最大切应力 并与主应力成45o角 3 脆性断裂 brittlefracture 突然发生的断裂 未发生较明显的塑性变形 断口平齐而光亮 断裂面与正应力垂直 3 10 2011刘桂武 材料科学与工程学院 10 01 2010 4 一 基本概念 4 穿晶断裂 transgranularfracture 裂纹穿过晶内 5 沿晶断裂 intergranularfracture 裂纹沿晶界扩展 6 剪切断裂 剪断 shearfracture 在切应力作用下沿滑移面 实际 分离而造成的滑移面分离断裂 滑断 纯剪切断裂 单晶 微孔聚集型断裂 有孔材料 7 解理断裂 cleavagefracture 在一定条件下 如低温 当外加应力达到一定数值后 以极快速率 一般为脆性断裂 沿着一定晶体学平面 理论上 产生的穿晶断裂 与大理石断裂类似 解理面一般是低指数晶面或表面能最低的界面 3 10 2011刘桂武 材料科学与工程学院 10 01 2010 5 一 基本概念 8 正断型断裂 normalfault 断裂面取向垂直于最大正压力 max方向 9 切断型断裂 shearfault 断裂面取向平行于最大切压力 max方向 与最大正压力方向约成45oC 10 理论断裂强度 Theoreticalfracturestrength 在外加正应力作用下 将晶体的两个原子面沿着垂直于外力方向拉断所需的应力 3 10 2011刘桂武 材料科学与工程学院 10 01 2010 6 二 知识点 3 10 2011刘桂武 材料科学与工程学院 10 01 2010 7 断裂类型及其特征 3 10 2011刘桂武 材料科学与工程学院 10 01 2010 8 3 10 2011刘桂武 材料科学与工程学院 10 01 2010 9 1 解理裂纹的形成与扩展 观察解理断口发现 断口附近仍然有少量塑性变形 事实上 绝对脆性断裂是不存在的 可以想像 裂纹形成必然与塑性变形有关 这对单晶体金属和多晶体金属都是正确的 而金属材料的塑性变形是位错运动的反映 因此裂纹形成可能与位错运动有关 这就是裂纹形成的位错理论考虑问题的出发点 龙门石窟解理面 裂纹形成 塑性变形 位错运动 3 10 2011刘桂武 材料科学与工程学院 10 01 2010 10 2 几种裂纹形成理论 1 甄纳 斯特罗 G Zener A N Stroh 位错塞积理论G Zener 在滑移面上的切应力作用下 刃型位错在晶界前受阻并互相靠近形成位错塞积 当切应力达到某一临界值时 塞积头处的位错互相挤紧聚合而成为一高为nb 长为r的楔形裂纹 或孔洞位错 核心思想 位错塞积形成解理裂纹 A N Stroh 如果塞积头处的应力集中不能为塑性变形所松弛 则塞积头处的最大拉应力 fmax能够等于理论断裂强度而形成裂纹 解理断裂过程 通过塑性变形形成裂纹 裂纹在同一晶粒内初期长大 以及越过晶界向相邻晶粒扩展三个阶段 解理裂纹扩展基本方式 a 解理方式 裂纹扩展速度较快 脆性材料在低温下试验 b 先在裂纹前沿 尖端 形成一些微裂纹或微孔 而后通过塑性撕裂方式互相联结 开始时裂纹扩展速度比较缓慢 但到达临界状态时也迅速扩展而产生脆性断裂 3 10 2011刘桂武 材料科学与工程学院 10 01 2010 11 c 裂纹长度相当于长度d的裂纹扩展时的临界应力 或断裂强度G 切变模量 s 表面能d 晶粒直径ky 钉扎常数 位错被钉扎越强 ky越大 越容易出现解理断裂 裂纹解理断裂扩展临界条件 判据 对位错塞积和位错反应理论均适用 3 10 2011刘桂武 材料科学与工程学院 10 01 2010 12 3 史密斯理论 碳化物开裂模型 铁素体中的位错源在切应力作用下开动 位错运动至晶界碳化物处受阻而形成塞积 在塞积头处拉应力作用下使碳化物开裂 2 柯垂耳 A H Cottrell 位错反应理论 该理论是A H Cottrell为解释晶内解理与bcc晶体中的解理而提出的 柯垂耳提出的位错反应是降低能量的过程 因而裂纹成核是自动进行的 两种解理裂纹形成模型共同点 裂纹形核前均需有塑性变形 位错运动受阻 在一定条件下便会形成裂纹 3 10 2011刘桂武 材料科学与工程学院 10 01 2010 13 3 解理断裂微观断口形貌 解理断裂是沿特定界面发生的脆性穿晶断裂 断裂断口是由许多大致相当于晶粒大小的解理面集合而成 这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面 在解理刻面内部只从一个解理面发生解理破坏实际上是很少的 多数情况下裂纹要跨越若干个相互平等的 而且位于不同高度的解理面 从而在同一刻面内部出现了解理台阶和河流花样 解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交形成的 其形式方式 通过解理裂纹与螺型位错相交形成 或通过二次解理或撕裂形成 解理台阶 河流花样 还有舌状花样是解理断裂的基本微观特征 1 解理断裂 3 10 2011刘桂武 材料科学与工程学院 10 01 2010 14 解理台阶 河流花样 舌状花样 舌状花样 解理台阶 河流花样 3 10 2011刘桂武 材料科学与工程学院 10 01 2010 15 当裂纹在晶粒内扩展时 难于严格地沿一定晶体学平面扩展 断裂路径不再与晶粒位向有关 而主要与细小碳化物质点有关 其微观形态特征 似解理河流但又非真正解理 故称准解理准解理与解理的共同点 都是穿晶断裂 有小解理刻面 有台阶或撕裂棱及河流花样 不同点 小刻面 起源不同 准解理小刻面不是晶体学解理面 真正解理裂纹常源于晶界 而准解理裂纹则常源于晶内硬质点 形成从晶内某点发源的放射状河流花样 准解理不是一种独立的断裂机制 而是解理断裂的变种 2 准解理 准解理断口 3 10 2011刘桂武 材料科学与工程学院 10 01 2010 16 4 理论断裂强度 决定材料强度的最基本因素是分子间结合力 原子间结合越高 则弹性模量 熔点就越高 理论断裂强度 在外加正应力作用下 将晶体的两个原子面沿着垂直于外力方向拉断所需的应力 代表晶体在弹性状态下的最大结合力 即理论断裂强度 3 10 2011刘桂武 材料科学与工程学院 10 01 2010 17 正弦曲线 若原子位移很小 则 弹性条件下的胡克定律 当原子位移很小时 原子间平衡距离 3 10 2011刘桂武 材料科学与工程学院 10 01 2010 18 由于形成单位裂纹表面外力所做的功等于 x曲线下所包围的面积 则 而晶体脆性断裂时所消耗的功 两个新表面的表面能 s 则 上页推导出来的 理想晶体脆性 解理 断裂的理论断裂强度 3 10 2011刘桂武 材料科学与工程学院 10 01 2010 19 6 断裂强度的裂纹理论 Griffith公式 为了解释玻璃 陶瓷等脆性材料断裂强度的理论值和实际值的巨大差异 A A Griffith 1921年 根据断裂中系统能量平衡 还有应力平衡 原理 计算出裂纹自动扩展时的应力值 即计算了裂纹体的强度 能量平衡原理 由于存在裂纹 前提 系统的弹性能降低 势必与因存在裂纹而增加的表面能相平衡 如果弹性能降低足以满足表面能增加之需要时 即弹性能除了转化为表面能 弹性能还应该会转化为机械能 动能 裂纹就会失稳扩展 引起脆性破坏 3 10 2011刘桂武 材料科学与工程学院 10 01 2010 20 单位面积的弹性能 2 2E a为裂纹半长度 系统释放的弹性能 弹性理论计算 如果在板的中心预制一垂直于应力 长度为2a的裂纹 右图 则原来弹性拉紧的平板就要释放弹性能 裂纹形成时产生新表面需要提供的表面能 平衡条件 则裂纹失稳扩展的临界应力 Griffith公式 无限宽薄板受拉应力 3 10 2011刘桂武 材料科学与工程学院 10 01 2010 21 7 断裂理论的意义 金属材料屈服时产生解理断裂的判据 屈服强度与晶粒尺寸 直径 关系 考虑应力状态对裂纹的影响 甄纳 斯特罗位错塞积理论 屈服时产生的解理断裂 应力状态参数 3 10 2011刘桂武 材料科学与工程学院 10 01 2010 22 所以要降低脆性倾向 即提高断裂强度 应提高G s和q 降低 i d和ky 1 通过调整材料受应力状态 如将金属材料改拉为扭 以增大切应力与正应力比值 q值 2 添加弥散分布的第二相 合金元素 使晶粒细化 降低钉扎效应 3 尽可能远离腐蚀 应力等外环境 避免腐蚀或应力诱导裂纹扩展 4 通过晶须或纤维增韧机制 阻碍裂纹扩展 c 断裂强度G 切变模量 s 表面能q 应力状态参数 i 位错