材料力学性能第一章3a

第五节断裂

断裂－固体材料在力的作用下分成几个部分

的现象。

断裂的危害？（与其它失效方式比较）

彻底失效一、断裂的类型及宏观断口特征

断裂的分类有很多种：

1、按照断裂前有无明显的塑性变形分为：韧性

断裂(ductile

fracture)

、脆性断裂(brittle

fracture)。

2

、按晶体材料断裂时裂纹扩展的途径分为：穿

晶断裂、沿晶断裂。

1第五节断裂

3、按照微观断裂机理分为：解理断裂、剪切

断裂（纯剪切断裂、微孔聚集型断裂）。4、按作用力的性质和断裂面的取向分为，正

断、切断。

断裂过程包括裂纹形成和裂纹扩展。

断裂的表面－断口，可提供断裂原因、条

件、断裂机理等信息，在失效分析及材料

科学研究中很重要。

23第五节断裂正断混合断切断第五节断裂

1

韧性断裂与脆性断裂

韧性断裂定义——断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑变的断裂过程。

韧性断裂特点——断裂过程较慢，消耗大量的塑性变形能。

断口的特征——纤维状（众多细微裂纹不断扩展和相互连接造成）、暗灰色（纤维状断口对光的反射能力很弱）

。

4第五节断裂韧性断裂断口

5第五节断裂韧性断裂断口

6第五节断裂

典型断口的宏观特征——一般包括三个区域：纤维区、放射区和剪切唇区。

断

口

特

征

三

要

素

7第五节断裂

脆性断裂定义——断裂前及断裂过程中基本上不产生明显宏观塑变的断裂过程。

脆性断裂特点——没有明显预兆，裂纹的扩展速度往往很快，具有很大的危险性。

断口的特征——断口一般与正应力垂直，宏观上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。

89第五节断裂第五节断裂容易发生韧性断裂的材料——塑性较好的金属材料和高分子材料。容易发生脆性断裂的材料——淬火钢、灰铸铁、陶瓷、玻璃。

10第五节断裂2

穿晶断裂与沿晶断裂

穿晶断裂与沿晶断裂示意图

11第五节断裂

穿晶断裂定义——断裂过程中裂纹穿过晶粒内部的断裂过程。

穿晶断裂特点——可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。

断口的特征——穿晶断裂的微观机理有多种，所以断口的特征也很复杂，除了典型的韧窝和解理花样外还有多种混合断口如准解理，疲劳断口等。

12第五节断裂

沿晶断裂定义——断裂过程中裂纹沿晶界扩展的断裂过程。

沿晶断裂特点——绝大多数为脆性断裂。

断口的特征——一般呈结晶状（冰糖状）。

沿晶断裂的原因大致有：①晶界存在连续分布的脆性第二相，②微量有害杂质元素在晶界上偏聚，③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。

13第五节断裂沿晶断裂

14第五节断裂

容易发生沿晶断裂的材料－晶界上存在断续或连续脆性第二相薄层的合金、高温下晶界结合力较弱的金属、共价键陶瓷等。

容易发生穿晶断裂的材料－大部分塑性较好的金属材料和离子键结合的陶瓷材料。

15第五节断裂3

剪切断裂与解理断裂

剪切断裂与解理断裂是两种不同的微观断裂方式，是材料断裂的两种重要机理。剪切断裂：

材料在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂。

可分为纯剪切断裂和微孔聚集型断裂。

1617第五节断裂断裂

断口呈锋利的楔形（单晶体材料）纯剪切断口呈刀尖型（多晶体材料的完全韧性断裂）第五节断裂

微孔聚集型断裂——是韧性断裂的普遍方式。

No

断裂过程包括微孔的形核（第二相碎裂与基体界面脱离）、长大（大量位错进入微孔）、聚合（相邻微孔连接部分内缩颈的断裂形成微裂纹）直至断裂（微裂纹在尖端应力集中作用下与主裂纹连通）。微孔也可产生于晶界，或孪晶带等处，只是相对地说微孔萌生较迟些。

18第五节断裂

形核

长大

聚合微孔长大聚合示意图

19第五节断裂微孔聚集型断裂断口的特征——宏观上常呈暗灰色、

纤维状，微观上则为大量的韧窝。韧窝大小取决与第二相的大小及间距，一般来说间距小，韧窝也小。韧窝的深度取决与材料的塑性好坏，一般来说，塑性好，韧窝较深。

20第五节断裂典型的韧窝微观形貌断口SEM照片

2122第五节断裂三种应力状态下的韧窝形态a)等轴韧窝b)拉长韧窝c)撕裂韧窝23第五节断裂a)等轴韧窝c)撕裂韧窝三种应力状态

动画

b)拉长韧窝第五节断裂解理断裂的特点：1

主裂纹清晰；2

晶粒内无变形；3

裂纹多萌生于晶界；

24表面能最小的晶面，且往往是低指数的晶面。

解理断裂定义——在正应力的作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面？发生的脆性穿晶断裂称为解理断裂。第五节断裂解理断裂的微观断口应该是极平坦的镜面，但是实际的解理断口是由许多大致相当于晶粒大小的解理面集合而成的。这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。断口的特征——解理台阶、河流花样和舌状花样。

2526第五节断裂成台阶解理裂纹与螺位错相交形

二次解理和撕裂形成台阶(a)次生解理

(b)撕裂第五节断裂

当汇合台阶足够高时，便形成河流花样

‘‘河流”的流向与裂纹的扩展方向一致河流花样是判断是否为解理断裂的重要微观依据

27第五节断裂

扭转晶界和大角度晶界

两侧解理面方向各异

河流花样(a)船用钢板

(b)LiF晶体

28第五节断裂

它是由于解理裂纹

沿孪晶界扩展留下

的舌头状凹坑或凸

台，故在匹配断口

上“舌头”为黑白对

应的。舌状花样

29第五节断裂解理面解理方向

孪晶面孪生方向解理舌形成示意图

30第五节断裂

准解理断裂定义——是微孔聚合与解理断裂两种微观断裂机理的混合。

准解理断裂的特点——主裂纹走向不清晰，晶粒内部有许多撕裂棱（变形大），裂纹多萌生于晶粒内部。

断口的特征——准解理小刻面不是晶体学解理面，裂纹源于晶内硬质点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样。

31第五节断裂准解理断口

32第五节断裂

4

高分子材料的断裂

Tg温度(玻璃转变温度）以上为韧性断裂，以下

为脆性断裂。非晶态高分子材料的断裂过程——银纹产生和发展的过程。（与金属微孔聚合型断裂机理相似）晶态高分子材料的断裂过程——应力垂直于分子链方向；应力平行与分子链方向。

33第五节断裂5

陶瓷材料的断裂

陶瓷材料的断裂过程都是以其内部或表面存

在的缺陷为起点而发生的。缺陷的存在是概

率性的。当内部缺陷成为断裂原因时，随试

样体积增加，缺陷存在的概率增加，材料强

度下降；表面缺陷成为断裂源时，随表面积

增加，缺陷存在概率也增加，材料强度也下

降。

34第五节断裂因加工产生的表面伤痕与氮化铝AlN强度的关系

35第五节断裂解理是陶瓷材料的主要断裂机理，而且很容易从穿晶解理转变成沿晶断裂。陶瓷材料的断裂是以各种缺陷为裂纹源，在一定拉伸应力作用下，其最薄弱环节处的微小裂纹扩展，当裂纹尺寸达到临界值时陶瓷瞬时脆断。

36第五节断裂6

断口分析

宏观、微观断口的特征可以提供给我们一些有用的信息：裂纹萌生与扩展的起因、断裂经历及方式，有助于对断裂的原因、条件及影响因素做出正确判断。常用于新材料研制、失效（事故）分析等工程应用中。

37第五节断裂

典型断口的宏观特征——一般包括三个区域：纤维区、放射区和剪切唇区。

断

口

特

征

三

要

素

3839第五节断裂纤维区－由微孔聚合机理形成，微观断口特征为韧窝。裂纹首先在该区域形成，该区颜色灰暗，表面有较大的起伏，如山脊状，这表明裂纹在该区扩展时伴有较大的塑性变形，裂纹扩展较慢。第五节断裂

形核

长大

聚合微孔长大聚合示意图

40第五节断裂当裂纹达到某一临界尺寸后，产生更大的应力集中裂纹以低能量撕裂的方式快速扩展，形成放射区。放射区－可以是微孔聚合形成的撕裂棱，微观特征为韧窝，也可以是解理断裂。放射区表面较纤维区光亮平坦，有较细的放射状条纹，裂纹在该区扩展较快。

41第五节断裂

o

属于切断型断裂，微观为韧性断裂特征。3个区域的形态、大小和相对位置，因试样形状、尺寸和材料的性能以及实验温度、加载速率和受力状态不同而变化。一般说来，材料强度提高、塑性降低，则放射区比例增大；试样尺寸加大，放射区明显增大，而纤维