中科大金属的断裂课件

Chaptor6

FractureofMetals

金属的断裂

cargoship货船问题的提出：构件失效、灾难性的后果

挤压制品的周期裂纹Plasticdeformation塑性成形

surface/internalcracksinworkingmaterials→integralfailure.

加工材料出现表面/内部裂纹→整体破断

Thishappensinrolling轧制,extrusion挤压,drawing拉拔,forging锻造andsoon.

Itwilllargelyreducetherateoffinishedproductsandproductionrate成品率/生产率↓.Weconcernaboutfracturefortworeasons.Oneiscrack’sdestructiveeffect,theotheroneisthatfractureisrelatedtomaterial’sformability.(1)破坏；(2)成形性。Inthischapter,wewillanalyzethephysicalessenceandlawsoffracture.

断裂的物理本质/规律Definitionoffracture

Whenmetallicmaterialdeformationforereachitsplasticlimit,itwilldividecompletely.Thentheinteratomicforceisdamaged.

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。

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

6.1Basictypesoffracture

断裂的基本类型Accordingtowhetherthemetalhasobviousplasticdeformationbeforefracture,itcanbesortedasfollowing:

根据断裂前金属是否有明显的塑性变形可分为brittlefracture脆性断裂ψ<5%ductilefracture韧性断裂

ψ>5%Accordingtotheorientationrelationshipbetweenfractureandactingforce按断裂面相对作用力的取向关系可分为normalfailure正断againsttoσ1shearingfailure剪断alongthedirectionofmaximumshear宏观断裂微观断裂正断与剪断的宏观与微观形式

Accordingtocracktrendinmicroscopicview

从微观上按照裂纹的走向可分为

transgranularfracture穿晶断裂/晶间~

intergranularfracture沿晶~grain晶粒

穿晶断裂沿晶断裂Fracturealonggrain-boundaryinpolycrystalmaterial

多晶材料沿晶界发生的断裂

-沿晶韧性断裂－晶界弱化,出现韧窝dimple

-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

lowspeed,hightemperatureandstressconcentration.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。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。

Underthepullingforce,theforcewhichcanhelptwoadjacentatomicplanesovercomeinteratomicbondingforce,andseparatethetwoatomicplanes.

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 3×10-8c

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 + -

6.2.3.Cracknucleation裂纹形核

Therearegenerallynolargecracksinoriginalmaterials.Manyexperimentsshowthatcracksaregeneratedbyplasticdeformation.Anyheterogeneityinamaterialthatproducesastressconcentrationcannucleatecracks.Forexample,steps,striations,holes,andsoonactasstressraisersonapparentlyperfectsurface.Intheinteriorofthematerial,therecanexistvoids,airbubbles,second-phaseparticles,etc.Cracksnucleationwilloccuratthesedefects，wheretheconditionswouldbemostfavorable.

heterogeneity不均匀性striation条纹stressconcentration应力集中nucleation形核裂纹的形核

Mobiledislocationsmeetsomeobstacles,thenappearstressconcentration.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:

＋（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。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cupandconefracture

surface,

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。弥散相dispersedphasesVerysmallparticles(1to20nm)-carbidesofelements;Particlesofintermediatesize(50-500nm)-alloyelementcompounds(carbides,nitrides,carbo-nitrides)insteels/Al2O3inaluminumandThO2inNickle/precipitateparticlesobtainedbyappropriateheattreatmentinAl-Cu-Mgsystem;

Inclusionsoflargesize(ontheorderofmillimeters)-oxidesandsulfidesCarbideNitrideOxideSulfideprecipitate

Inclusions

碳化物氮化物氧化物硫化物杂质沉淀空洞的形成Thesecond-phaseparticlesarebrittle/thematrixisductile,theformerwillnotbeabletoaccommodatethelargeplasticstrainsofthematrix,andconsequently,thesebrittleparticleswillbreakintheverybeginningofplasticdeformation;Theparticle/matrixinterfaceisveryweak,interfacialseparationwilloccur.Microcavities

（微空洞）arenucleated.stressstate应力状态→microscopicmorphology微观形貌

(a)σ2=σ3equiaxialdimple等轴韧窝

(b)τparabolicdimple,inverseelongated抛物线形韧窝反向拉长

(c)tearstress,parabolic,撕裂应力抛物线状同向 Charactersofductilefracture韧性断裂特点:

(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Discussion(a)(b)(c)FracturesurfaceUltimate

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).truestress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。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

twinsBrittle脆性BondruptureDiamond,silicates,alumina,mica,boron,carbidesandnitridesSemibrittle

Bondrupture,dislocationmobilityNaCl,ioniccrystals,hexagonalclosepackedmetals,majorityofbody-centeredcubicmetals,glassypolymersDuctile

materials

韧性

Dislocationmobility

Face-centeredcubicmetals,somebodypcenteredcubicmetals6.4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脆性转变温度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>σsductileT<Tc.σf<σsbrittle

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。

晶粒尺寸的影响Theductile-brittletransitiontemperatureofmaterialsissignificantlyaffectedbygrainsize.Thereductioningrainsizecausesareductionintheductile-to-brittletransitiontemperature.

⑵influencefactor影响因素应力状态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

解理断裂趋势－韧性/脆性断裂？Thetendencyforacleavagefractureincreaseswithanincreaseinthestrainrateoradecreaseinthetesttemperatureofamaterial.

cleavagefracture解理断裂

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%=1.26.5fractureinplasticworking

塑性变形中的断裂Majorreason：inhomogeneousdeformation

不均匀变形otherreasons:ingotquality(pore疏松segregation偏析coarsegrains粗大晶粒),overheating过热,overburning过烧Crackingmodes:

表面裂纹surfacecrack

中心裂纹centerburst

6.5.1fractureinforging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°.

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，变形抗力大。例:625所

TiAl

金属间化合物intermetallics

强度高、塑性差高温下应用

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。

6.5.2fractureinrolling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

ZippercracksAlligatoring

鳄裂措施measures良好辊形goodrollshape.坯