东北大材料成型金属学课件06金属的断裂

Chapter6

FractureofMetals

金属的断裂

货船

cargoship问题的提出：构件失效、灾难性的后果

bridge桥梁

挤压制品的周期裂纹塑性成形plasticdeformation

加工材料出现表面/内部裂纹→整体破断surface/internalcracksinworkingmaterials→integralfailure.轧制rolling,挤压extrusion,拉拔drawing,锻造forging.

成品率/生产率↓.therateoffinishedproductsandproductionrate

Weconcernaboutfracturefortworeasons.Oneiscrack’sdestructiveeffect,theotheroneisthatfractureisrelatedtomaterial’s

formability.(1)破坏；(2)成形性。Inthischapter,wewillanalyzethephysicalessenceandlawsoffracture.

断裂的物理本质/规律Definitionoffracture

断裂－金属材料在变形超过其塑性极限—完全分开.原子间结合力遭受破坏。

Whenmetallicmaterialdeformationforereachitsplasticlimit,itwilldividecompletely.Thentheinteratomicforceisdamaged.

relatedsubjects断裂力学

fracturemechanics-macroscopicStressfield应力场Strainfield应变场Fracturecriterion断裂判据断裂物理

fracturephysics-microscopic

Fracturemechanism断裂机制Microstructure组织

6.1断裂的基本类型

Basictypesoffracture

根据断裂前金属是否有明显的塑性变形可分为Accordingtowhetherthemetalhasobviousplasticdeformationbeforefracture,itcanbesortedasfollowing:

brittlefracture脆性断裂ψ<5%ductilefracture韧性断裂

ψ>5%按断裂面相对作用力的取向关系可分为Accordingtotheorientationrelationshipbetweenfractureandactingforce正断normalfailureagainsttoσ1

剪断shearingfailurealongthedirectionofmaximumshear宏观断裂微观断裂正断与剪断的宏观与微观形式从微观上按照裂纹的走向可分为

Accordingtocracktrendinmicroscopicview

transgranularfracture穿晶断裂/晶间~

intergranularfracture沿晶~grain晶粒

穿晶断裂沿晶断裂多晶材料沿晶界发生的断裂

Fracturealonggrain-boundaryinpolycrystalmaterial

-沿晶韧性断裂－晶界弱化

-沿晶脆性断裂intergranularprecipitatedbrittlecontinuousfilm－沿晶析出脆性连续膜裂纹穿过晶粒内部crackcrosstheinteriorofgrain穿晶脆性断裂

highspeed,lowtemperatureandstressconcentration.alongsomecrystalplane---cleavageplane解理面穿晶韧性断裂

micropore

coalescence微孔聚合

6.2脆性断裂

brittle fracture

材料塑性变形能力很低，裂纹尖端的应力集中不能因塑性变形而松弛。解理断裂：金属在一定条件下（低温/高速/强的应力集中），当应力达到一定值，快速沿一定的结晶平面（解理面）而发生的变形。例：低碳钢-沿铁素体{100}

密排六方{0001}6.2.1理论断裂强度theoreticalfracturestrength

完整晶体在正应力作用下沿某一晶面拉断的强度。

Underthetensileforce,twoadjacentatomicplanesovercomeinteratomicbondingforce,andseparateintothetwoatomicplanes.

两相邻原子面在拉力σ作用下，克服原子间键合力作用，使原子面分开的应力。完整晶体拉断示意图mn为断裂面的迹线；a表示原子面间距

原子间作用模型：原子间作用力与位移间的关系满足正弦规律

(1-1)

---将原子拉开所需的最大应力，即断裂理论强度。

晶体中的内聚力与原子间距的关系原子间作用模型：原子间作用力与位移间的关系满足正弦规律

(1-1)---将原子拉开所需的最大应力，即断裂理论强度

(1-2)断裂后出现两个新的断裂面，表面能为2 外力抵抗原子间结合力做的功=产生断裂新面的表面能

(1-3)

将替换由虎克定律

将(1-1)对x求导(1-4)

在正弦曲线初期

E(Young’smodulus)γa

10″dyn/cm2103erg/cm2 3×10-8cm

实际金属强度铝合金300~600MPa

低碳微合金钢400~500MPa

合金钢~1000MPa6.2.2Griffith裂纹理论

基点: 材料中已存在裂纹crack

在裂纹尖端引起应力集中，在外加应力小于理论断裂强度时裂纹扩展，实际断裂强度大大降低。能量平衡裂纹 →

弹性能↓表面能↑

elasticenergysurfaceenergy

释放的弹性能 弹性能密度裂纹体积

原子间作用模型：原子间作用力与位移间的关系满足正弦规律

(1-1)

---将原子拉开所需的最大应力，即断裂理论强度。

晶体中的内聚力与原子间距的关系原子间作用模型：原子间作用力与位移间的关系满足正弦规律

(1-1)---将原子拉开所需的最大应力，即断裂理论强度

(1-2)断裂后出现两个新的断裂面，表面能为2 外力抵抗原子间结合力做的功=产生断裂新面的表面能

(1-3)

将替换由虎克定律

将(1-1)对x求导(1-4)

在正弦曲线初期

E(Young’smodulus)γa

10″dyn/cm2103erg/cm2 3×10-8cm

实际金属强度铝合金～200－300MPa

低碳钢～400-500MPa 合金钢～1000MPa6.2.2Griffith裂纹理论

基点: 材料中已存在裂纹crack

在裂纹尖端引起应力集中，在外加应力小于理论断裂强度时裂纹扩展，实际断裂强度大大降低。能量平衡裂纹 →

弹性能↓表面能↑

elasticenergysurfaceenergy

释放的弹性能 弹性能密度裂纹体积 基点: 材料中已存在裂纹crack

在一块大的平板上的穿透裂纹形成新表面的功U2能量变化U1+U2释放的弹性能U12Ck能量t裂纹生长时能量变化示意图

增加的表面能

—Griffith公式在正应力作用下只有弹性能的减少>表面能的增加→裂纹扩展

Griffith公式物理意义： 裂纹两端引起的应力集中，相当将外力放大了倍，使局部达到了理论断裂强度.比较理论断裂强度公式

修正modification:伴随一定的塑性变形,裂纹的形核和传播与局部塑性变密切相关.Orowan

考虑塑性变形能

P-断口表面附近的塑性应变能plasticstrainenergyQ: ①P>>γ②P + -裂纹形核原始材料－无大裂纹裂纹由塑性变形产生塑性变形－应力集中－裂纹

Mobiledislocationsmeetsomeobstacles,thenstressconcentrationocurrs.Whenthestressbecomesgreaterthaninteratomicbondingforce,cracksnucleate,propagate,finallyleadtofracture.

运动的位错遇到了某种障碍,就产生了应力集中,应力大到可以破坏原子间的键合力时，裂纹开始形核，裂纹长大导致断裂。Nucleationmechanisms

形核机制1).位错塞积dislocationpile-up

晶界:相界τ’=nτ

位错塞积引起裂口胚芽示意图2)位错反应 dislocationreaction

在两相交的滑移面上,由于位错反应发生了同号位错的聚合便产生了微裂纹。在体心立方b.c.c的(101)面上发生如下位错反应:

＋a/2（111）＝a[001]

生成的新位错为不滑动刃型位错，其柏氏矢量⊥（001）解理面，形成了解理裂纹。

(101)(101)(001)

(1)(2)位错反应形成裂纹示意图(1)两个滑移带上位错的聚合；(2)形成裂口解理断裂cleavage穿晶脆性断裂：在一定条件下（低温高速及应力集中），当应力达到一定值，快速沿一定的结晶面（解理面）而发生的断裂。例：低碳钢发生解理断裂时，常沿铁素体[100]晶面发生。密排六方[0001]解理面：原子间距最大、原子结合键最弱的晶面。3)位错墙側移理论刃形位错垂直排列→位错墙→滑移面弯折→外力作用→晶体滑移→位错墙側移→滑移面上生成裂纹.

可说明密排六方hcp金属沿滑移面断裂的原因。位错墙侧移使裂口成核4)位错销毁理论

异号刃型位错→相对运动→彼此合并而消毁→孔隙→裂纹

6.3韧性断裂ductilefracture材料经明显的变形后发生的断裂称为韧性断裂。

纯剪切断裂：由于连续的切变或滑移引起的

高纯金属韧窝断裂：由于微空洞的形成、长大和聚集引起

面心立方金属、低强度合金结构钢拉伸时以“颈缩”

necking为先导,当应变硬化strainhardening产生的强度增加不足以补偿截面积的减少时,产生集中变形,出现“细颈”。细颈中心承受三向拉应力,显微空洞cavity首先在此形成,随后长大聚合成裂纹,最终在细颈边缘处,沿与拉伸轴45。方向被剪断,形成“杯锥”断口cupandconefracturesurface。

微观形态:韧窝dimple

原因：多起源于空洞cavity。单相金属singlephase←熔炼时混入夹杂物inclusion多相合金multi-phase←难变形第二相粒子second-phaseparticle。应力状态stressstate→微观形貌microscopicmorphology(a)σ2=σ3

：等轴韧窝

equiaxialdimple(b)剪应力τ：抛物线形韧窝反向拉长parabolicdimple,inverseelongated(c)撕裂应力：抛物线状同向tearstress,parabolic,

韧性断裂特点: Characteristicsofductilefracture

(1)断裂前发生较大塑性变形→高能量吸收过程.(2)裂纹产生nucleation→扩展propagation.→聚合coalescence.

生成新裂纹→多裂纹源

(3)裂纹扩展临界应力>裂纹形核应力→缓慢过程裂纹尖端的应力集中可通过塑性变形松弛-减缓/终止裂纹的扩展.塑性变形:裂纹的扩展/疗复-相反过程-是否发生断裂取决于两者的速度.疗复:回复/再结晶/固态相变/强静水压力Discussion

(a)(b)(c)Fracturesurface拉拔细玻璃丝（0.5mm）

1600～6300MPa

在空气中静置几小时140～350MPa空气腐蚀→表面形成裂纹Corrosioninair→surfacecracks“尺寸效应”

sizeeffect

0.02mm700MPa0.005mm2800MPa1μm→理论断裂强度尺寸越小，试样内存在着达到临界尺寸的裂纹的几率越小。表面能的作用

functionofsurfaceenergy玻璃在极小的应力作用下并不马上破坏，但可以发生延迟断裂delayedfracture。原因：开始表面裂纹太小，达不到断裂判据的裂纹临界尺寸。由于表面吸附降低了表面能，当达到断裂判据时就会发生突然的断裂。云母在空气中的断裂强度是在真空中的1/3空气中的吸附作用→

云母的表面能4500erg/mm→400erg/mm强度↓材料内部实际存在缺陷

point/line/facedefects -空位vacancy -位错dislocations -界面boundary -堆垛层错stackingfault -挛晶

twinsUltimate

and

Fracture

StrengthsQ:比较脆性断裂＆韧性断裂时的抗拉强度＆断裂强度Forbrittlematerial,theultimateandfracturestrengthscoincide.Foraductilematerial,theultimatestrengthishigherthanthefracturestrength(ascomputedwithconventionalstressandstrainformulas).truestressBrittle脆性BondruptureDiamond,silicates,alumina,mica,boron,carbidesandnitridesSemibrittle

韧/脆性Bondrupture,dislocationmobilityNaCl,ioniccrystals,hexagonalclosepackedmetals,majorityofbody-centeredcubicmetals,glassypolymersDuctile

materials

韧性

Dislocationmobility

Face-centeredcubicmetals,somebodycenteredcubicmetals6.4影响断裂类型的因素

塑性脆性在一定条件下发生转变.

例:钨室温/脆性高温/塑性拉伸/脆性 静水压/塑性

影响转变的因素：变形温度deformationtemperature/变形速度deformationvelocity/应力状态stressstate/组织结构microstructure等.

从韧性断裂到脆性断裂的转变温度称为韧脆转变温度Tc

※韧-脆转变温度

Ductile-brittletransitiontemperature(DBTT)解释:

T对断裂应力σf/屈服强度σs影响不同T↓对σf影响不大,对σs影响显著T>Tc.σf>σs

ductileT<Tc.σf<σsbrittle

将试件水平放置于试验机支座上，缺口位于冲击相背方向。冲击试验：摆锤法冲击时将具有一定质量G的摆锤举至具有一定高度H1的位置，使其获得一定位能GH1，释放摆锤冲断试件后摆锤的剩余能量为GH2，则摆锤冲断试件失去的位能为GH1-GH2，此即为试件变形和断裂所吸收的功，称为冲击吸收功，以AK表示，单位为J。系列冲击实验：分别在低温、室温和高温下进行时可以得到一系列冲击值AK，将这些冲击值与所对应的实验温度在直角坐标系中标出，然后用光滑曲线将这些实验数据连接起来

实验材料的冲击韧性与实验温度的关系曲线。

韧脆转变温度冲击值为完全韧性断裂与完全脆性断裂试样冲击值的平均值时的温度；以冲击试样断口上开始出现脆性特征或断口上出现50％脆断面积时的温度。

应变速率的影响

Effectofstainrate

έ↑,σs↑,σf

影响不大，因此存在一个临界变形速度έc

，高于此值便产生脆性断裂。变形速度的提高相当于变形温度降低的效果。

Question(1)

对于一定的材料,韧脆转变温度Tc越高,表明该材料脆性趋势越大还是越小?

(2)应力状态对韧脆转变温度的影响？（3）晶粒尺寸对韧脆转变温度的影响？影响因素influencefactor应力状态stressstate

拉应力tensilestress↑Tc↑ 应变速率strainrate έ↑Tc↑化学成分/组织chemicalcomposition d↓Tc↓晶粒细化grainrefining

韧性－材料塑性变形和断裂全过程中吸收能量的能力，是强度和塑性的综合体现。

stress高碳弹簧钢低碳结构钢strain冲击功/冲击韧性

ak=

Ak/F0

Ak—冲断试样消耗的功；

F0—试样缺口处截面积。

教材图6－18截面收缩率图6－21，22，24吸收功、冲击功

影响因素：不同金属、晶粒度、变形速度、应力状态、缺口、碳含量、热处理状态。

例：合金成分、组织性能之间的关系实验材料－碳锰钢实验钢的化学成分(mass,%)Chemicalcompositionofthetestedsteel

实验钢力学性能试样编号FT/℃CT/℃σs/MPaσb/MPaδ5(%)σs/σb1.1#850550-570338.7569.1340.602.1#345.0566.3350.613.1#361.9585.9360.623.2#800550-570384.4606.7320.633.3#40010441.6646.4290.68终轧温度降低

850℃800℃3.12.11.1锰含量逐渐升高

0.8%1.2%3.23.33卷取温度降低550℃400℃

冲击实验结果终轧温度：850

℃卷取温度：550-570

℃-60℃-65℃2.1#Mn%=1.03.1#Mn%=1.2

6.5塑性变形中的断裂

fractureinplasticworking

主要原因：不均匀变形inhomogeneousdeformation

其他原因:

铸锭质量ingotquality(疏松pore偏析segregation粗大晶粒coarsegrains),过热overheating,过烧overburning裂纹模式crackingmodes:

表面裂纹surfacecrack

中心裂纹centerburst1fractureinforging锻造自由锻造锻造时的表面开裂

饼材bulging镦粗upset→表面存在摩擦→

单鼓形single-bulging→侧面周向σθ（+）

T↑↑晶间断裂intergranularfracture

裂纹方向⊥周向拉应力；

T↓穿晶断裂transgranularfracture

裂纹方向与最大主应力成45°.锻制钛合金饼材镦粗upset鼓形bulging

Prevention:reducingthecircumferentialtensilestressσθ

↓周向应力

Measures措施:(1)↓contactfriction减小摩擦↑finish光洁度

effectuallubrication润滑

(2)采用凹形模模壁对工件的横向压缩，使σθ

减少

(a)软垫先变形，产生径向流动radialflow；

侧面呈凹形concave(b)继续压缩，工件压缩，凹形变平直；

(c)继续压缩，呈鼓形与未加软垫相比，凸度convexity↓，σθ

↓

(3)软垫cushion

缓冲变形(4)活动套环和包套，增加三向压应力防止裂纹。要求套环塑性好，变形抗力较大。例:中航一集团621所

TiAl

金属间化合物intermetallics

强度高、塑性差高温下应用－飞机涡轮盘

1050℃

等温锻造 isothermalforging

模具加热 950℃

包套

45#钢

锻造时的内部裂纹

.平锤头flathammer锻压方坯squarebillet

A难变形区三向压应力沿对角线方向金属剧烈错动翻转90°压缩

相反方向错动反复错动→

疲劳开裂fatigue平锤头锻压圆坯roundbillet

无外端→双鼓形(a)

措施：采用槽形和弧形锤头，

减少坯料中心处的水平拉应力，增大压应力。

2fractureinrolling轧制

轧板时的表面开裂－凹形辊concaveroll易出现中部周期裂纹centerperiodiccrack。

－平辊轧制flatrollrolling

易产生边部周期裂纹edgeperiodiccrack，还可导致板材端头中央劈裂split。Waviness

波浪Edgecracking

边裂

ZippercracksA