第11讲 断裂类型及物理本质

1、2022-7-31张贵杰张贵杰Tel-Mail： 华北理工华北理工大学金属材料及加工工程系大学金属材料及加工工程系金属塑性变形理论金属塑性变形理论第十一讲第十一讲2022-7-32第六章 金属的断裂 主要内容Main Content 断裂的基本类型及物理本质 影响断裂类型的因素 塑性加工中的各种断裂现象分析 2022-7-336.1 断裂的基本类型及物理本质 断裂的概念断裂的概念 断裂的基本类型断裂的基本类型 脆性断裂脆性断裂 韧性断裂韧性断裂2022-7-346.1.1 断裂的概念 金属的断裂是指金属材料在变形超过其塑金属的断裂是指金属材料在变形超过其塑性极限而呈现

2、完全分开的状态。性极限而呈现完全分开的状态。 材料受力时，原子相对位置发生了改变，材料受力时，原子相对位置发生了改变，当局部变形量超过一定限度时，原于间结当局部变形量超过一定限度时，原于间结合力遭受破坏，使其出现了裂纹，裂纹经合力遭受破坏，使其出现了裂纹，裂纹经过扩展而使金属断开。过扩展而使金属断开。2022-7-35现象：扁担从弹性变形到塑性变形，再到断裂现象：扁担从弹性变形到塑性变形，再到断裂 飞机发动机涡轮叶片从损伤到断裂飞机发动机涡轮叶片从损伤到断裂断裂远比弹塑性失稳、磨损、腐蚀等，更具有危险性断裂远比弹塑性失稳、磨损、腐蚀等，更具有危险性! 2022-7-36压力加工制品的断裂形式压

3、力加工制品的断裂形式 2022-7-372022-7-38 金属塑性的好坏表明了它抑制断裂能力的高低。金属塑性的好坏表明了它抑制断裂能力的高低。 在塑性加工生产中，尤其对塑性较差的材料，断在塑性加工生产中，尤其对塑性较差的材料，断裂常常是引起人们极为关注的问题。加工材料的裂常常是引起人们极为关注的问题。加工材料的表面和内部的裂纹，以至整体性的破坏皆会使成表面和内部的裂纹，以至整体性的破坏皆会使成品率和生产率大大降低。为此，有必要了解断裂品率和生产率大大降低。为此，有必要了解断裂的物理本质及其规律，有效地防止断裂，尽可能的物理本质及其规律，有效地防止断裂，尽可能地发挥金属材料的潜在塑性。地发挥金

4、属材料的潜在塑性。 2022-7-396.1.2 断裂的基本类型 按服役条件分类按服役条件分类 按断裂应变分类按断裂应变分类 按断裂面取向分类按断裂面取向分类 按断口形貌分类按断口形貌分类 按断裂路径分类按断裂路径分类（1）过载断裂）过载断裂 （2）疲劳断裂）疲劳断裂 （3）蠕变断裂）蠕变断裂 （4）环境断裂）环境断裂 （1）韧性断裂）韧性断裂 （2）脆性断裂）脆性断裂 （1）正断）正断 （2）切断）切断 （1)1)沿晶断裂沿晶断裂 （2)2)解理断裂解理断裂 （3)3)微孔聚集型断裂微孔聚集型断裂 （4)4)准解理断裂准解理断裂 （5)5)纯剪切断裂纯剪切断裂（1）沿晶断裂）沿晶断裂 （2）

5、穿晶断裂）穿晶断裂 2022-7-310正断与剪断的宏观与微观形式正断与剪断的宏观与微观形式 2022-7-31120/32022-7-312晶间断裂晶间断裂a）和穿晶断裂）和穿晶断裂b） 2022-7-313断裂机理断裂机理脆性断裂脆性断裂 韧性断裂韧性断裂 1脆性断口脆性断口 2理论断裂强度理论断裂强度 3Griffith裂纹生长理论裂纹生长理论4脆性断裂的位错理论脆性断裂的位错理论1变温引起的韧变温引起的韧-脆转变脆转变 2环境引起的韧环境引起的韧-脆转变脆转变 3影响韧脆转变的因素影响韧脆转变的因素 脆性脆性-韧性转变韧性转变 1韧性断口韧性断口 2微孔成核、长大和聚合微孔成核、长大和

6、聚合 3影响韧性断裂扩展的因素影响韧性断裂扩展的因素 2022-7-3146.1.3 脆性断裂 根据断裂前金属是否呈现有明显的塑性变形，可根据断裂前金属是否呈现有明显的塑性变形，可将断裂分为韧性断裂与脆性断裂两大类。通常以将断裂分为韧性断裂与脆性断裂两大类。通常以单向拉伸时的断面收缩率大于单向拉伸时的断面收缩率大于5%者为韧性断裂，者为韧性断裂，而小于而小于5%者为者为脆性断裂脆性断裂。 脆性断裂在断面外观上没有明显的塑性变形迹象，脆性断裂在断面外观上没有明显的塑性变形迹象，直接由弹性变形状态过渡到断裂，断裂面和拉伸直接由弹性变形状态过渡到断裂，断裂面和拉伸轴接近正交，断口平齐。轴接近正交，断

7、口平齐。 2022-7-315 在单晶体试样中常表现为沿解理面的解理断裂。在单晶体试样中常表现为沿解理面的解理断裂。 在多晶体试样中则可能出现两种情况：在多晶体试样中则可能出现两种情况： 一是裂纹沿解理面横穿晶粒的穿晶断裂，断一是裂纹沿解理面横穿晶粒的穿晶断裂，断口可以看到解理亮面；若晶粒较粗，则可以看到口可以看到解理亮面；若晶粒较粗，则可以看到许多强烈反光的小平面许多强烈反光的小平面(或称刻面或称刻面)，这些小平面，这些小平面就是解理面或晶界面，可叫做晶状断口。就是解理面或晶界面，可叫做晶状断口。 二是裂纹沿晶界的晶间断裂，断口呈颗粒状。二是裂纹沿晶界的晶间断裂，断口呈颗粒状。 资料：资料：

8、 所谓解理面，一般都所谓解理面，一般都是晶面指数比较低的晶面，是晶面指数比较低的晶面，如体心立方的（如体心立方的（100）面。）面。 2022-7-316解理断裂成因：解理断裂成因：原子间结合键遭原子间结合键遭到破坏，沿表面能最小、低指数到破坏，沿表面能最小、低指数的晶面（解理面）劈开而成。的晶面（解理面）劈开而成。 解理断裂特点：解理断裂特点：（1）断口呈河流，扇形或羽毛）断口呈河流，扇形或羽毛状花样，如图示状花样，如图示 螺型位错穿过解理面，遇到第二个螺位螺型位错穿过解理面，遇到第二个螺位错，产生台阶。错，产生台阶。 （2）舌状花样，如图示）舌状花样，如图示 解理裂纹与孪晶相遇时，便沿孪晶

9、面发解理裂纹与孪晶相遇时，便沿孪晶面发生局部二次解理，二次解理面与主解理面生局部二次解理，二次解理面与主解理面之间的连接部分断裂，形成舌状花样之间的连接部分断裂，形成舌状花样 2022-7-317沿晶断裂特点：沿晶断裂特点：在断面上可看到在断面上可看到晶粒轮廓线或多边体晶粒的截面晶粒轮廓线或多边体晶粒的截面图，如图示。有时仍可看到河流图，如图示。有时仍可看到河流或扇形花样。或扇形花样。 沿晶断裂成因：沿晶断裂成因：晶粒边界的结晶粒边界的结合强度远比晶内要低，脆性裂合强度远比晶内要低，脆性裂纹就会择优在晶界形核，并沿纹就会择优在晶界形核，并沿晶界扩展。晶界扩展。晶界存在连续分布的脆性第二相晶界存

10、在连续分布的脆性第二相 微量有害杂质元素在晶界上偏聚微量有害杂质元素在晶界上偏聚由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力腐由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力腐 蚀、应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。蚀、应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。 2022-7-318理论断裂强度理论断裂强度 理论断裂强度是指完整晶体在正应力作用下沿其理论断裂强度是指完整晶体在正应力作用下沿其一晶面拉断的强度。如图所示，此强度就是两相一晶面拉断的强度。如图所示，此强度就是两相邻原子面在拉应力邻原子面在拉应力s s作用下克服原子间键合力作作用下克服原子间键合力作用，使原子面分开的应力。用，使原子面分开的应力。

11、 2022-7-319 由外力抵抗原子间结合力所做的功等于产生断裂由外力抵抗原子间结合力所做的功等于产生断裂新表面的表面能，可以求得理论断裂强度为：新表面的表面能，可以求得理论断裂强度为： 式中式中 a断裂面间的原子间距；断裂面间的原子间距； g g表面能；表面能； E弹性模量。弹性模量。 2022-7-320 对于铁，可以估算理论断裂强度对于铁，可以估算理论断裂强度s smE/10。这个。这个数值是很高的，实际的断裂强度比这个值低很多，数值是很高的，实际的断裂强度比这个值低很多，只是它的只是它的1/1001/1000。只有毫无缺陷的晶须才。只有毫无缺陷的晶须才能近似达到理论断裂强度。这一悬殊

12、差别的存在，能近似达到理论断裂强度。这一悬殊差别的存在，是因为材料内部存在有各种缺陷的缘故。是因为材料内部存在有各种缺陷的缘故。 2022-7-321Griffith裂纹生长理论裂纹生长理论 为了解释实际断裂强度和理论断裂强度的差别，为了解释实际断裂强度和理论断裂强度的差别，早在早在1920年就提出了这样的设想：由于材料中已年就提出了这样的设想：由于材料中已有现成裂纹存在，在裂纹尖端会引起强大的应力有现成裂纹存在，在裂纹尖端会引起强大的应力集中。在外加平均应力小于理论断裂强度时，裂集中。在外加平均应力小于理论断裂强度时，裂纹尖端已达到理论断裂强度，因而引起裂纹的急纹尖端已达到理论断裂强度，因而

13、引起裂纹的急剧扩展，使实际断裂强度大为降低。由于裂纹长剧扩展，使实际断裂强度大为降低。由于裂纹长度的不同，所引起应力集中的程度也不同，对于度的不同，所引起应力集中的程度也不同，对于一定尺寸的裂纹就有一个临界应力一定尺寸的裂纹就有一个临界应力s sc。当外加应。当外加应力超过力超过s sc时，裂纹才迅速扩大，导致断裂。时，裂纹才迅速扩大，导致断裂。2022-7-322 Griffith从能量条件导出了临界应力从能量条件导出了临界应力s sc值的大小。值的大小。此能量条件为：裂纹扩展所降低的弹性能恰好足此能量条件为：裂纹扩展所降低的弹性能恰好足以供给表面能的增加。以供给表面能的增加。由此求得裂纹扩

14、展的临界由此求得裂纹扩展的临界应力为：应力为： 此式即为此式即为Griffith公式，它表明了裂纹传播的临公式，它表明了裂纹传播的临界应力界应力s sc和裂纹长度和裂纹长度C的平方根成反比。的平方根成反比。 2022-7-323 Griffith公式与理论断裂强度公式比较，可知公式与理论断裂强度公式比较，可知 Griffith公式的物理意义在于：裂纹两端所引起的公式的物理意义在于：裂纹两端所引起的应力集中，相当将外力放大了应力集中，相当将外力放大了(C/a)1/2倍，使局部倍，使局部区域达到了理论断裂强度区域达到了理论断裂强度s sm，而导致断裂。或者，而导致断裂。或者说，当裂纹两端的应力集中

15、程度是外力应力的说，当裂纹两端的应力集中程度是外力应力的(C/a)1/2倍时，裂纹两端的应力便达到了理论断裂倍时，裂纹两端的应力便达到了理论断裂强度强度s sm ，从而导致断裂。由此可见，从而导致断裂。由此可见， Griffith理理论可以说明实际断裂强度和理论断裂强度间的差论可以说明实际断裂强度和理论断裂强度间的差异。异。 2022-7-324裂纹形核脆性断裂的位错理论裂纹形核脆性断裂的位错理论 金属发生断裂，先要形成微裂纹。这些微裂纹主金属发生断裂，先要形成微裂纹。这些微裂纹主要来自两个方面：要来自两个方面： 一是材料内部原有的，如实际金属材料内部一是材料内部原有的，如实际金属材料内部的气

16、孔、夹杂、微裂纹等缺陷；的气孔、夹杂、微裂纹等缺陷； 二是在塑性变形过程中，由于位错的运动和二是在塑性变形过程中，由于位错的运动和塞积等原因而使裂纹形核。塞积等原因而使裂纹形核。 随着变形的发展导致裂纹不断长大，当裂纹长大随着变形的发展导致裂纹不断长大，当裂纹长大到一定尺寸后，便失稳扩展，直至最终断裂。到一定尺寸后，便失稳扩展，直至最终断裂。 2022-7-325 位错塞积理论位错塞积理论 位错反应理论位错反应理论 位错墙侧移理论位错墙侧移理论 位错销毁理论位错销毁理论2022-7-326位错塞积理论位错塞积理论 位错在运动过程中，遇到了障碍（如晶界、相界位错在运动过程中，遇到了障碍（如晶界、

17、相界面等）而被塞积，在位错塞积群前端就会引起应面等）而被塞积，在位错塞积群前端就会引起应力集中，若外加切应力为力集中，若外加切应力为t t，塞积位错个数为，塞积位错个数为n，此处应力集中为此处应力集中为nt t，这就说明此处的应力集中比，这就说明此处的应力集中比外加切应力大外加切应力大n倍，塞积位错越多，应力集中程倍，塞积位错越多，应力集中程度越大。当此应力大于界面结合力或脆性第二相度越大。当此应力大于界面结合力或脆性第二相或夹杂物本身的结合力时，就会在界面或脆性相或夹杂物本身的结合力时，就会在界面或脆性相中形成裂纹核。中形成裂纹核。 2022-7-327位错塞积引起裂口胚芽示意图位错塞积引起

18、裂口胚芽示意图 2022-7-328位错反应理论位错反应理论 在相交的滑移面上，由于位错反应发生了同号位在相交的滑移面上，由于位错反应发生了同号位错的聚合，便形成了微裂纹。在体心立方中，两错的聚合，便形成了微裂纹。在体心立方中，两位错相遇反应的结果，可在解理面上形成不易滑位错相遇反应的结果，可在解理面上形成不易滑移的移的001刃型位错，刃型位错的合并即是体心立刃型位错，刃型位错的合并即是体心立方的解理面（方的解理面（001）面上形成解理裂纹。）面上形成解理裂纹。 2022-7-329位错反应形成裂纹示意图位错反应形成裂纹示意图 2022-7-330位错墙侧移理论位错墙侧移理论 由于刃型位错的垂

19、直排列构成了位错墙。同时引由于刃型位错的垂直排列构成了位错墙。同时引起了滑移面的弯折。当在适当的外力作用下，晶起了滑移面的弯折。当在适当的外力作用下，晶体发生滑移，就会使位错墙发生侧移，而促使裂体发生滑移，就会使位错墙发生侧移，而促使裂纹在滑移面上生成。这一理论可以说明，密排六纹在滑移面上生成。这一理论可以说明，密排六方金属沿滑移面断裂的原因。有人已观察到，在方金属沿滑移面断裂的原因。有人已观察到，在锌中由于滑移面的弯折所形成的裂纹。锌中由于滑移面的弯折所形成的裂纹。2022-7-331位错墙侧移使裂口形核位错墙侧移使裂口形核2022-7-332位错销毁理论位错销毁理论 在两个相距为在两个相距

20、为h的平行滑移面上，存在有异号刃的平行滑移面上，存在有异号刃型位错。在外力作用下位错发生相对运动，若型位错。在外力作用下位错发生相对运动，若h10个原子间距时，它们相互接近后，就会彼此个原子间距时，它们相互接近后，就会彼此合并而消毁。此时便在中心处形成小孔隙，随着合并而消毁。此时便在中心处形成小孔隙，随着滑移的进行，孔隙逐渐扩大，形成长条形空洞。滑移的进行，孔隙逐渐扩大，形成长条形空洞。当两排位错数目不等时，多余位错并入空洞，会当两排位错数目不等时，多余位错并入空洞，会引起强大的应力集中，而形成断裂源。引起强大的应力集中，而形成断裂源。2022-7-333由不同号刃型位错群消毁而形成由不同号刃

21、型位错群消毁而形成裂口胚芽的示意图裂口胚芽的示意图2022-7-3346.1.5 韧性断裂韧性断裂 韧性断裂在断裂前金属经受了较大的塑性韧性断裂在断裂前金属经受了较大的塑性变形，其断口呈纤维状，灰暗无光。变形，其断口呈纤维状，灰暗无光。 韧性断裂主要是穿晶断裂，如果晶界处有韧性断裂主要是穿晶断裂，如果晶界处有夹杂物或沉淀物聚集，则也会发生晶间断夹杂物或沉淀物聚集，则也会发生晶间断裂。裂。 2011-10-27-32022-7-335某些单晶体某些单晶体 高纯金属多晶体高纯金属多晶体 拉伸时可沿滑移面分离而导致剪切断拉伸时可沿滑移面分离而导致剪切断裂，如图裂，如图 (a)所示。这种韧断过程和所示

22、。这种韧断过程和空洞的形核长大无关，故在断口上看空洞的形核长大无关，故在断口上看不到韧窝。不到韧窝。 拉伸产生缩颈后，试样中心三向应力拉伸产生缩颈后，试样中心三向应力区空洞不能形核长大，故通过不断缩区空洞不能形核长大，故通过不断缩颈使试样变得很细颈使试样变得很细(圆柱试样或薄板圆柱试样或薄板试样试样)，最终断裂时断口接近一个点，最终断裂时断口接近一个点或一条线，如图或一条线，如图(b)所示。所示。 2022-7-336韧性断口韧性断口杯锥状宏观断口杯锥状宏观断口光滑圆柱拉伸试样光滑圆柱拉伸试样 放射区放射区 纤维区纤维区 剪切唇剪切唇 断口呈纤维状，断口呈纤维状，如图示如图示 材料屈服后就会出

23、现缩颈，由于应力集中，导致空洞在夹材料屈服后就会出现缩颈，由于应力集中，导致空洞在夹杂或第二相边界处形核、长大和连接。在试样中心形成很多小杂或第二相边界处形核、长大和连接。在试样中心形成很多小裂纹，它们扩展并互相连接就形成锯齿状的纤维区。中心裂纹裂纹，它们扩展并互相连接就形成锯齿状的纤维区。中心裂纹向四周放射状的快速扩展就形成效射区。当裂纹快速扩展到试向四周放射状的快速扩展就形成效射区。当裂纹快速扩展到试样表面附近时，由于试样剩余厚度很小，故变为平面应力状态，样表面附近时，由于试样剩余厚度很小，故变为平面应力状态，从而剩余的表面部分剪切断裂，断裂面沿最大剪应力面，故和从而剩余的表面部分剪切断裂

24、，断裂面沿最大剪应力面，故和拉伸轴成拉伸轴成45的剪切唇。的剪切唇。 2022-7-337韧性断口韧性断口韧窝断口韧窝断口空洞形核、长大并连接就导致韧断，空洞形核、长大并连接就导致韧断，在断口上就显示出韧窝结构在断口上就显示出韧窝结构实际材料存在夹杂、碳化物或第实际材料存在夹杂、碳化物或第二相，空洞择优在这些粒子处形二相，空洞择优在这些粒子处形核。微空洞也可在基体上形核。核。微空洞也可在基体上形核。成核粒子的大小及分布成核粒子的大小及分布应力大小、温度、变形速度等外界因素应力大小、温度、变形速度等外界因素材料的形变能力材料的形变能力韧窝的形状、韧窝的形状、大小和深浅的大小和深浅的影响因素影响因

25、素 一般说来，韧窝断口是韧断的标志，但也有例外。一般说来，韧窝断口是韧断的标志，但也有例外。例如例如A1-Fe-Mo以及含以及含SiC的的A1合金，断裂应变很小，合金，断裂应变很小，属于脆断，但微观断口由韧窝构成。属于脆断，但微观断口由韧窝构成。 2022-7-338微孔成核、长大和聚合微孔成核、长大和聚合 微孔成核微孔成核很脆的夹杂物很脆的夹杂物本身坚实与基体本身坚实与基体结合牢的强化相结合牢的强化相在不大的应力作用下，夹在不大的应力作用下，夹杂物粒子便与基体脱开，杂物粒子便与基体脱开，或本身裂开而成为微孔或本身裂开而成为微孔是位错塞积引起的应力集中，是位错塞积引起的应力集中，或在高应变条件

26、下，第二相或在高应变条件下，第二相与基体塑性变形不协调而萌与基体塑性变形不协调而萌生微孔的。生微孔的。第二相粒子第二相粒子2022-7-339 微孔长大微孔长大 位错源不断激发新的位错源不断激发新的位错，新的位错，新的位错并入微孔，微孔就不断长大位错并入微孔，微孔就不断长大 若干位错合并成微孔若干位错合并成微孔，图图 (d) 领先的位错环向界面领先的位错环向界面推进，图推进，图(c) 位错在质点两边塞积起位错在质点两边塞积起来，与质点内的镜像力来，与质点内的镜像力相平衡相平衡，图图 (b) 位错线运动遇到第二相质点时，在位错线运动遇到第二相质点时，在其周围形成位错环，图其周围形成位错环，图 (

27、a) 位位错错长长大大模模型型2022-7-340 微孔聚合微孔聚合 裂纹尖端与裂纹尖端与微孔、微孔微孔、微孔与微孔间产与微孔间产生局部滑移生局部滑移 局部变形量大，产生了快速剪切裂局部变形量大，产生了快速剪切裂开。微孔聚合速度快，消耗的能量开。微孔聚合速度快，消耗的能量也较少，所以韧性差。也较少，所以韧性差。 正常聚合正常聚合 过程过程微孔长大后出现微孔长大后出现 “ “内颈缩内颈缩”，使承载面积减，使承载面积减少而应力增加，起了少而应力增加，起了“几何软化几何软化”作用。促进作用。促进变形的进一步发展，加速微孔的长大，直至聚变形的进一步发展，加速微孔的长大，直至聚合。在较大应力下，微孔继续长大，直至其边合。在较大应力下，微孔继续长大，直至其边缘连在一起，聚合成裂纹。缘连在一起，聚合成裂纹。 变形均匀的，速度较慢，消耗的能变形均匀的，速度较慢，消耗的能量较多，韧性较好。基体的形变强量较多，韧性较好。基体的形变强化指数越化指数越高，微孔长大直至聚合的高，微孔长大直至聚合的