《金属的断裂》课件

《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’sformability.(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microporecoalescence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strainha