金属材料的断裂和断裂韧性

4金属材料的断裂和断裂韧性现代设计与分析研究所何雪浤14金属材料的断裂和断裂韧性工程构件的主要失效形式断裂、弹塑性失稳、磨损、腐蚀等断裂的不同形式疲劳断裂、蠕变断裂、应力腐蚀或腐蚀疲劳断裂等室温环境下单向加载时的金属断裂断裂类型：脆性断裂、韧性断裂断裂过程与微观机制断裂的基本理论

韧－脆转化区分依据：断裂前是否发生明显的宏观塑性变形；断裂前是否明显地吸收了能量24金属材料的断裂和断裂韧性4.1脆性断裂

4.2延性断裂

4.3脆性—韧性转变4.4线弹性条件下的断裂韧性4.5影响断裂韧性的因素4.6金属的韧化4.7弹塑性条件下断裂韧性的概述复习思考题34.1脆性断裂脆性断裂的宏观特征断裂前无明显的塑性变形，吸收的能量很少，而裂纹的扩展速度往往很快，几近音速，故脆性断裂前无明显的征兆可寻，且断裂是突然发生的，因而往往引起严重的后果。在工程应用中，一般把Ψk<5％定为脆性断裂，Ψk=5％定为准脆性断裂，Ψ

k

>5％定为韧性断裂。材料处于脆性状态还是韧状态并不是固定不变的，往往因材质、应力状态和环境等因素而相互转化。常见的脆性断裂有解理断裂和晶间断裂。44.1.1解理断裂解理断裂是材料在拉应力的作用下，由于原子间结合键遭到破坏，严格地沿一定的结晶学平面（即所谓“解理面”）劈开而造成的。解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指数的晶面。解理断口的宏观形貌是较为平坦的、发亮的结晶状断面。在电子显微镜下，解理断口的特征是河流状花样。河流状花样是由解理台阶的侧面汇合而形成的。“河流”的流向与裂纹扩展方向一致。在通过扭曲晶界或大角度晶界时，由于相邻晶粒内解理面的位向差很大，裂纹在晶界受阻，裂纹尖端的高应变能激发了在晶界另一侧面的解理裂纹成核，即出现了新的河流花样，而且往往数量大增。解理断裂的另一个微观特征是舌状花样，它是解理裂纹沿孪晶界扩展而留下的舌状凸台或凹坑。5一些金属的解理面6解理断口的河流花样（箭头所指为扩展方向）7裂纹扩展和河流方向8裂纹穿过大角度晶界的解理河流花样9解理断口的舌状花样104.1.2准解理断裂准解理断裂多在马氏体回火钢中出现，回火产物中细小的碳化物质点影响裂纹的产生和扩展。准解理断裂时，其解理面除（001）面外，还有（110）、（112）等晶面。准解理断裂的解理小平面间有明显的撕裂棱。其微观形貌中，出现大量短而弯曲的撕裂棱，河流花样已不十分明显。撕裂棱是由一些单独形核的裂纹相互连接而形成的。11准解理断口12撕裂棱的形成过程示意图13准解理断裂和解理断裂的主要不同点准解理裂纹常起源于晶内硬质点，向四周放射状地扩展，而解理裂纹则自晶界一侧向另一侧延伸；准解理断口有许多撕裂棱；准解理断口上局部区域出现韧窝，是解理与微孔聚合的混合型断裂。但准解理断裂的主要机制仍是解理。其宏观表现是脆性的。所以，常将准解理断裂归入脆性断裂。144.1.3沿晶断裂沿晶断裂是裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂。沿晶断裂发生的主要原因晶界存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；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。例：钢的高温回火脆性是微量有害元素P，Sb，As，Sn等偏聚于晶界，降低了晶界原子间的结合力，从而大大降低了裂纹沿晶界扩展的抗力，导致沿晶断裂。15沿晶糕断裂呆断口珠形貌164.耕2.躬1延性富断裂资特征堵及过择程延性喘断裂冒的微鼓观特演征是韧窝备形貌。在扇电子兰显微况镜下桶，可遵以看宵到断天口由征许多闪凹进个或凸张出的之微坑耍组成妻。在您微坑获中可离以发狐现有禁第二慨相粒掘子。一般滋情况锡下，齐断口千具有韧窝捷形貌的构哈件，诞其宏扁观断劝裂是灭韧性求的，断口涝的宏弄观形局貌大透多呈屑纤维谨状。延性蔬断裂导的过伐程是菊：“险微孔访形核—微孔亏长大——微孔霉聚合山”三图部曲雾。微越孔聚愉合有三种没不同树的模饿式。韧窝凉的形状急因应僵力状诉态而行异。如涝在正醉应力疤作用做下，狼韧窝县是等饰轴形舞的；主在扭敏载荷济作用顷下，悄韧窝沿被拉落长为师椭圆欧形。微观吨上的颈延性集断裂眯（其献特征将为微捡孔聚由合、沸韧窝苏形貌航），奸往往茶与宏亏观上捕的韧续性断拦裂（研断裂岗前有吗较大梅的宏宾观塑之性变锹形）达相联舅系，瓜但并饼无严撤格的估对应妨关系桌。17延性相断裂青断口坛形貌——韧窝18剪切唉裂纹储一般谱沿滑哲移线用发生.高强旗度钢漠常发酱生这领种模贺式的建微孔骂聚合饮，其厨韧性汗较“津正常秆的”既微孔紫聚合屑模式陆要差筐。微孔旱聚合余的三筝种形器式（a）正性常的趟微孔铁聚合极；（b）快锈速剪奖切断誉开；寄（c）大羊片夹遇杂相蜜连内颈凡缩剪切纸裂纹夹杂微孔碗成核仪源：旅第二醉相粒蜓子。在应睬力作互用下沾，基熔体和摧第二出相粒滚子的呆界面配脱开孩，或耻第二絮相粒果子本面身开胖裂，牧于是坊出现牢微孔孤。材料盏内部盼本身亭存在胁着大话片的弦夹杂旧，微子孔通尸过脆辜弱的慕夹杂桃连成旱裂纹助。这是蹈不合辩格材跌料出您现的竹一种骄缺陷19不同宣韧窝慢形式(a世)等轴梁韧窝(b踩)抛物蕉线型悦韧窝(c殖)拉长纹型韧脏窝204.肉2.迎2影响地延性鄙断裂遍扩展收的因拍素1第二久相粒蚂子第二最相粒遇子分糖为两箭大类粥，一抹类是夹杂半物，如遍钢中钞的Mn煮S，它言很脆锁，在肾不大晃的应曲力作蝇用下捧，这菠些夹允杂物寨粒子霸便与滋基体破脱开坦，或转本身铃裂开踢而成掉为微寺孔；呢另一糖类是强化士相，如振钢中刊的弥悔散碳踢化物订、铝揪合金嫁中的摧弥散悬强化饮相，慢它们械本身范比较键坚实缝，与掉基体搁结合笛也牢洪，是妈位错姻塞积或引起捉的应弱力集百中，匀或在挠高应尸变条厕件下艳，第碗二相共与基斩体塑肠性变迈形不轰协调上而萌跟生微污孔的金。随第叠二相摇体积叉分数为的增充加，欠钢的纠韧性垃都下赏降，墨硫化袋物比壳碳化半物的影响要明悄显得窜多。2基体振的形号变强损化基体艇的形河变强嘉化指数枝越大，则馆塑性粱变形密后的而强化钢越强风烈，沈其结镰果是管各处澡均匀币的变太形。康微孔暗长大迁后的笑聚合盐，将压按正听常模捧式进重行，韧性爪好；相飘反地羽，如飞果基腰体的形变顺强化劣指数驾小，则控变形剃容易乌局部阔化，既较易夕出现绘快速倦剪切推裂开刷。这沙种聚洞合模略式韧性结低。21第二扔相对摆断裂僚应变景的影剧响224.馅3脆性—韧性裙转变构件龄或材座料的塔韧性泥或脆处性并骂不是音固定植不变她的，舒除了桃材料鸦本身止的组织震结构有很坐大影孤响外央，还坡取决汽于应力鸟状态，温度和加载慎速率等等膏。与反其说灾某一喝材料榜本质朝是脆援性的原或韧扫性的槐，还仇不如惭说该城材料腐是处计于脆违性状棉态或翁韧性沫状态稿。234.伸3.敢1应力仁状态偿、柔就度系弦数与锤破坏慕形式切应风力促恭进塑屡性变废形，旅对韧暴性有少利；短拉应浸力促刊进断猪裂，座不利腐于韧剂性。柔度厅系数连（软镇性系珠数）α值愈粱大，蜡应力奶状态侄愈“贫柔”捡，愈龄易变欺形而敌较不泪易开词裂，气即愈姻易处晋于韧承性状旷态。α值愈融小，需则相母反，教愈易专倾向正脆性神断裂24某一神材料迫的力关学状葵态图正断屈服切断弹性康变形吹区弹塑性变形区切断正断254.核3.晌2温度绒和加凶载速毯率的下影响温度截对韧萍脆转励变影响延显著，这茶是由逗于温撒度对仁正断春强度润影响烟不大零，而喷对屈闻服强剃度影狗响甚诊大蜘。随着睬温度但升高恶，断末裂应晓力变拖化不普大，住而屈进服强狡度变白化很候大，σc和σs交点醉就是韧—脆转需变温保度，低险于此辫温度逮是无培屈服格的断童裂，悄即脆你断；猪高于仗此温阻度是斤韧断叛。提高界加载门速率照起着败与温积度相卷反的木作用。加迫载速复率提该高，舌容易禾激发湖解理失断裂奸，即萍使是络微孔锻聚合挺的延绘性断真裂机沿理，被微孔遍聚合狱的模或式也绳只能锣是快冤速剪笔切裂帖开，巡寿因而芳增加昆了脆蔑性倾萄向。26碳含述量对麻钢冲申击转呜变温衬度的觉影响27脆性向韧性继转变聚示意止图284.旁3.周3材料众微观置结构早的影牲响（1）晶格制类型宇的影都响面心挠立方历晶格席的金册属，掠一般坟不出穿现解到理断困裂，疏也没丛有韧—脆转累变温仍度，屿其韧错性可炮以维立持到坐低温较。体心妻立方母晶格涂的金锻属，涝韧脆沈转变懂受温之度及园加载农速率戏的影汪响很居大，雄因为筑在低面温和侦高加唯载速乓率下月，它劈燕们易比发生折孪晶迎，也毕容易析激发厉解理诵断裂购。（2）成分留的影咏响微量遮的氧被、氮胞以及夏间隙另原子丢溶于乔体心乐立方辆晶格拨中会立阻碍灵滑移兵，促宰进其亭脆性孕。钢中恋含碳捕量增商加，获塑性起抗力猴增加振。合金捏元素夜的影谊响比典较复杂。（3）晶粒福大小旗的影财响晶粒宏细化胶既提互高了注材料躁的强吴度，粉又提杨高了交它的邻塑性茫和韧岩性，与还降躬低了顷韧脆雀转变悼温度搬。（4）第二卸相粒容子的巨影响细小功的第阀二相障粒子亦有利察于降姿低韧狼脆转茂变温猛度。29合金获元素贱对钢禾冲击决韧性灵转变弹温度倍的影继响30断裂龄力学丈和断葡裂韧至性为防跃止裂临纹体摇的低内应力蜘脆断去，不挨得不店对其揪强度——断裂熟抗力刮进行戏研究挂，从讲而形忠成了舌断裂悼力学即这样津一个趣新学旗科。断裂鸡力学驾的研炕究内西容包品括裂航纹尖顷端的秘应力把和应研变分滋析；墓建立奥新的阴断裂晨判据县；断午裂力暮学参位量的悬计算锹与实口验测殿定，桃其中棒包括箩材料蔑的力播学性头能新议指标——断裂杠韧性征及其血测定誉，断组裂机刘制和膝提高纳材料病断裂块韧性还的途慨径等时。断裂芦力学脆用于射构件咸的安预全性板评估扯或断决裂控耳制设现计，雷是对休静强坝度设称计的轧重大雹发展乌和补罗充，唱具有破重大午的工扔程应僻用意兵义。断裂制力学殿的发庸展经初历了脏从线盲弹性蔬断裂汇力学蛛到弹束塑性便断裂事力学群的阶卵段。314.混4线弹这性条格件下舅的断布裂韧傲性4.认4.油1三种央断裂克的类倦型张开芹型(I)滑开哪型(Ⅱ)撕开族型(Ⅲ)32三种煤基本迎断裂董类型浓的实元例33叶轮总中的I型裂因纹34联接暂螺栓石中的II型裂谎纹354.抽4.轧2应力馒强度习因子KI和断眼裂韧插性KIc裂纹泽尖端喷应力驱应变射场分隐析得挥裂纹卵尖端辛应力娇场的葡一般仅表达悲式：中心织贯穿题裂纹弃无限昌大板364.竭4.茎2应力氧强度悦因子KI和断训裂韧潮性KIc应力绑强度膛因子应力悄强度另因子姜的临抱界值是材就料本籍身的固有是属性37断裂比韧性枕随板繁厚的谜变化38一些毁工程晚材料妨在常当温下君的KIc值394.价4.汽2应力喊强度帐因子KI和断秤裂韧桌性KIc脆性冤断裂骂的K准则:KI和KIc的物尘理意叼义KI：应键力强托度因漂子，煌计算铸得到浙。KIc：断裂览韧性缺：材激料抵分抗脆素性断府裂的现能力。KIc的试贤验获壳得平面便应变晚断裂韵韧性404.高4.辩3裂纹洗扩展妥的能尾量释律放率GI和断益裂韧柄性GIc分析傍原理信：能序量法应变启能释蒜放率裂纹戒扩展蓄需要雁吸收呼的能宫量率扩展稳定临界裂纹蛛临界扰条件那：G准则41K与G的关危系42K准则艳的工杀程应夏用K准则:临界泽应力临界宪裂纹桑长度43K准则状的工萄程应狂用应用顶场合僚：已知晕应力颠，求盯临界些裂纹煮长度驼；已知倡裂纹期长度例，求垮临界窗应力难（剩伐余强涨度）盲。应用链步骤槽：通过扫无损咱检测黄，确因定裂竹纹a的长良度及贤位置眯；对缺意陷进宫行分愈析，株计算编或查梯表得偶到应碑力强灵度因途子K的表宜达式肠；通过克试验彼或查难表，惰确定欲材料侵的平袋面应拨变断营裂韧搭性KIc值；根据K准则戏，进叉行断亮裂力艰学分迎析，担确定窑临界民裂纹光长度ac或临塞界应兆力（索剩余盖强度亮）值样。44工程乏应用萝实例19焦50年，定美国无北极病星导弄弹发有动机桐壳体沿发生心爆炸恶事件典。已顶知壳它体材舟料为D6角GC高强轨度钢匀，色，查～娘，传贞统检念验合痕格，钱水压没实验呆时爆女炸，田破坏双应力牺为化。材币料的轧断裂挥韧性洒为和～匪，胀试分皆析其驼低应屿力脆苏断的勿原因滨。45工程氧应用界实例应力住分析周向妹应力再和轴滋向应乳力图46工程舞应用肝实例传统钟强度些分析未超劈燕过许阳用应沙力，绝强度果合格雾。断裂哗分析临界磨裂纹答长度0.轰36嫂mm，易漏看检。改进责措施选用KIc较高浓的材帮料，帐提高辱临界饼裂纹忧长度虎，确薄保检瓣出率策。474.桥4.厕4平面辣应变誓断裂赞韧性桶的测括定1.试样容及其火制备用于灰测定KIc的标准鱼试样主要偶采用押三点件弯曲屿和紧撞凑拉区伸试婆样。为引范发裂女纹，笛可先市用线届切割忙加工朋宽度≤0.沾13管mm的切均口，蛮然后厌用高村频疲稳劳试招验机羡预制外长度>1皮.3鬼mm的疲园劳裂就纹。疲劳温预制皇中的Kma愁x应小惊于0.厅6KIc，特虑别是墨在最罩终达震到要气求裂贞纹长聪度时删，应皇尽量基减小钻负荷分，以雁保证准裂纹雅有足只够的巴尖锐算度。48两种帜典型哥的断拔裂韧贸性试叫样（a）三占点弯南曲色（b）紧泡凑拉繁伸494.介4.葵4平面搞应变对断裂橡韧性逝的测颗定2.测试倒设备熊和方鲜法测试作的装殖置如图偷所示僻。测扎试时旗，通四过载扔荷传征感器佩和位窑移传泊感器瞎以及雕动态困电阻筝应变得仪和宇函数肥记录剖仪，技连续电记录级负荷F和裂耍纹嘴超张开添位移v，从今而得刮到F—棚v曲线乘。由刷此曲蚂线如坡果能旱定出膏临界然载荷Fc以及弦由断量口上完测定粗的裂肝纹长呜度a，代学入确各定的KIc计算请公式枝，就傅可以云求得桥材料荡的断粪裂韧领性KIc值。50KIc测试躲装置忍系统514.绒5影响醒断裂薪韧性塌的因型素1.材料盯的组限织和篇结构（1）晶斧粒尺哲寸晶粒仍愈细批，晶似界所鲜占比返例愈顺大，躺裂纹识尖端永附近本从产歉生一韵定尺非寸的漠塑性哭区到腾裂纹庙扩展厅所消途耗的樱能量百也愈宋大，尝因此KIc也愈退高。红一般赶说来康，细化尼晶粒坊是使孟强度短和韧垫性同诉时提棉高的猫有效脑手段。（2）夹杆杂和锹第二宗相钢中乒的夹杂德物，如销硫化货物、草氧化纹物等梨往往粥偏析荒于晶抄界，缺导致留晶界搜弱化专，增眼大沿抽晶断秋裂的有倾向妇，而勿在晶房诚内分窗布的栏杂质红则常育常起棋着缺近陷源哥的作湾用。稻所有云这些板都使材饮料的KIc值下看降。至于脆性该第二宅相，如逗随碳骂含量柳的增听加，士渗碳姑体增柳多，盲强度绘提高踩，但KIc值急剧吗下降。夹杂骗物和董第二移相的麻形状奖对KIc值也埋有很潮大影滩响晋。回火病脆性观也是盯引起迫钢的挖断裂榴韧性残大幅要度下迁降的虾重要置因素变。524.铜5影响滑断裂领韧性敌的因枯素（3）组灾织结永构通过