谈塑性变形与断裂的关系

谈塑性变形与断裂的关系 塑性变形是断裂的基础，断裂是塑性变形的最终结果。0引言塑性变形指的是永不可恢复的变形，其具体的机制包括位错滑移、挛生、晶界滑动、扩散性蠕变。其中一般情况下位错滑移起主要作用，挛生多发生在低温、高应变速率时滑移系少的材料中，而晶界滑动与扩散性蠕变一般在高温下发生。断裂指材料在应力的作用下分离两个或多个部分的现象。如若有上文四种机制的作用，我们便可认为材料发生了塑性变形，因此，讨论塑性变形与断裂的关系就可转化为讨论各种不同断裂的机理与塑性变形机制的关系，以明确塑性变形在断裂中的作用，阐明他们之间的必然联系。本文核心论点为：塑性变形是断裂的基础，断裂是塑性变形的必然结果。接下来讨论以下从八个具有不同断裂机理的断裂，以阐明塑性变形与断裂的关系，论证塑性变形是断裂的基础，断裂是塑性变形的最终结果。1延性断裂延性断裂是指在断裂过程中，塑性变形起主导作用的断裂形式，包括切离和微孔聚集型断裂。首先来看切离断裂，单晶体在拉伸塑性变形中只有一个滑移系统开动（如hcp中只沿基面滑移的情况），试样将沿着滑移面分离，对于多晶体，多滑移系统同时动作，协调变形，试样将经过均匀变形和颈缩等阶段，变形至颈部截面积为零时断裂，形成尖锥状的断口。切离断裂是位错无限发展的结果，位错运动贯穿切离断裂的始终，没有位错不断滑移，就不可能发生切离断裂。由微孔的形核、长大聚合而导致的断裂叫做微孔聚集型断裂，微孔形成的机制共有三种，分别为空位扩散机制、强化相脱粘机制与强化相碎裂机制。空位的形成是由于位错割阶的非保守运动而产生的，空位的扩散聚集成为微孔，其过程是通过位错的运动。而强化相脱粘机制与强化相碎裂机制是由于强化相在材料中阻碍滑移，使得强化相前方位错塞积，应力集中，当应力大于强化相强度或者强化相与基体的结合强度时，就导致了强化相本身的折断或者脱离，也即在此处产生了微孔。而微孔的长大与连接也是塑性变形的结果：微孔间的材料形成“内颈缩”并随位错运动越来越细，内颈缩断裂，使得微孔与最近微孔相连，微孔不断聚合导致裂纹扩展，最终断裂。可见微孔聚集断裂从微孔的形成到微孔的聚合，均伴随着位错的运动，是塑性变形导致的结果，因此，塑性变形是微孔聚集断裂的前提。2解理断裂解理断裂指在主应力（拉应力）作用下，由于原子键的破断而产生的沿某一个解理晶面，通常为表面能最低的晶面的快速破断过程。金属材料在切应力的作用下局部发生变形时某一滑移面上的位错开始启动。位错在滑移面上向滑移方向前进，当在滑移时遇到障碍物即发生塞积。从而引起应力集中，应力不能使邻近的晶粒屈服时，则在某一晶面上，产生最大拉应力，当最大拉应力达到理论断裂强度时便会产生解理裂纹。因此，需要经过位错的运动塞积才能产生解理裂纹，故塑性变形是解理断裂的前提，是产生解理裂纹的必要条件。3准解理断裂准解理断裂介于解理断裂和韧窝断裂之间，它是两种机制的混合。其小刻面不是晶体学解理面，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

解理断裂常在回火马氏体的一个区间出现或在回火贝氏体中出现，碳化物沿晶面析出，阻碍了晶内的位错运动，位错塞积导致应力集中，造成了开裂，最后以塑性方式撕裂。准解理断裂裂纹的产生与扩展，都依赖位错运动，因此，塑性变形是准解理断裂的前提。4沿晶断裂沿晶断裂指裂纹在晶界处形成并沿着晶界扩展的断裂形式。沿晶断裂一般是在各种碳化物或者第二相在晶界偏聚或者由于其他原因弱化晶界，阻碍晶界的协调变形能力，使得在塑性变形中，随着塑性变形的进行，在三叉晶界处以及晶界弯折处应力容易集中，从而导致裂纹沿着晶界萌生开裂。塑性变形积累到晶界不能协调变形的程度，是发生沿晶断裂的前提，因此，塑性变形是沿晶断裂的必要条件。5疲劳断裂疲劳指应变循环幅度主要限制在弹性范围内，在不大于材料屈服极限的交变载荷作用下，循环一定次数后金属结构发生的断裂现象称为疲劳断裂。裂纹的形成可用Cottrell与Hull模型表示，当两个滑移系交替动作时，在一个循环周期之后，便可形成一个基础带和一个侵入沟。随着循环周次增加，基础带更凸起，侵入沟更凹进即形成了微裂纹。疲劳裂纹的扩展可以用Laird模型说明（P124）。由两个模型可见，裂纹的萌生需要滑移系不断交替运动，而裂纹的扩展在拉应力作用下，位错滑移的不断进行与滑移方向的不断改变下完成的。因此，塑性变形是高周疲劳断裂前提，没有塑性变形，就不可能发生疲劳断裂。6应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂指在外力和环境介质共同作用下导致的断裂。常见断裂机理有保护膜原理，原理大致如下：UiyerotcorrasionproductCracking<4UiyerotcorrasionproductCracking<4protectivelayer；Tunneling/proceeds应力使滑移面上的位错开始运动，时在保护膜下的新鲜金属露出，由于新鲜金属的腐蚀电位比保护膜较低，因此发生了腐蚀，当腐蚀面积增大时，表面又长出了钝化膜，腐蚀停止。腐蚀坑出由于应力集中，在此处由于滑移容易导致氧化膜再次破裂，又造成了腐蚀。其实质是氧化