第四章-材料的断裂..ppt

1、第四章材料的断裂、断裂是工程零件的重要故障形式之一，比磨损、腐蚀等故障形式更具危险性。 材料发生的任何破坏过程都包括裂纹形成、发展两个阶段，裂纹形成是材料塑性变形的结果。 研究材料的破坏特征、破坏机制、破坏力学条件及其影响因素，对构件的安全设计、材料选定和故障分析具有重要意义。 4.1从理论断裂强度、宏观力学分析的角度来看，对于材料的强度，一个面临着完整晶体沿原子面正断的理论断裂强度和实际材料的断裂强度为什么有很大差异的两个重要问题。 第二，对于有初始缺陷的实际结晶(主要是裂纹体)，破坏时依赖于什么参数，破坏强度具有什么意义？ 理论破坏强度(P45 )根据由弹性变形的二原子模型给出的原子内结合

2、力和原子间距离的变化的关系，可以得到结晶沿某晶面分离产生纯弹性正断的理论破坏强度：金属结晶的纯弹性正断的理论破坏强度由三个材料常数决定。 例：纯铁的理论破坏强度为40000MPa，经过一系列的强化，实际的破坏强度也几乎为2000 MPa左右。 问题是？ 钢的实际破坏强度比理论破坏强度小一位数以上。 在一般的工程材料中，实际的断裂强度也只有理论断裂强度的1/1001/1000。 只有微细几乎没有缺陷的金属晶须和碳纤维的实际断裂强度接近其理论断裂强度。 实际材料中一定存在结晶缺陷，其破坏问题应该是含有缺陷的物体的破坏问题，被认为是裂纹体的破坏问题。 Griffith理论的起点：假设实际材料存在裂纹

3、，名义应力低时，裂纹尖端的局部应力已达到高数值(达到理论破坏强度)，裂纹迅速发展，导致材料脆性破坏。 4.2裂纹体的破坏强度-Griffith规范，Griffith规范，如图所示，设置一定厚度的无限宽的平板，先受到均匀的拉伸应力弹性伸长后，固定两端形成隔离系统。 并且，如果在该平板上打开长度为垂直于拉伸应力的2a的裂纹，则平板内的总能量为，开放的弹性应变能：裂纹的新表面消耗的能量：系统总能量：根据弹性理论计算，裂纹处于临界失稳状态的能量平衡条件，来破坏该裂纹体著名的Griffith标准)是：Griffith平板及其裂缝的能量变化：Griffith公式所解释的问题(例如a=0.1mm )。 Gr

4、iffith指南的重要意义是为脆性破坏提出了新的标准。 该公式显示，理想脆性材料中的裂纹失稳传播(即破坏)是由远处的施加应力和裂纹长度的平方根之积和材料常数控制的。 对于给出的理想脆性材料，e是一定的，因此Griffith在能量平衡的意义上给出了理想脆性破坏的必要条件。 也就是说，Griffith破坏基准：龟裂压曲发展(破坏)达到一定的阈值时发生。 根据以上讨论，Griffith理论分析仅限于完全脆性的情况，但是实际上，大部分金属材料在断裂前和断裂过程中，裂尖部会塑性变形，裂尖部会钝化。 因此，在实际的金属材料中，有必要修正Griffith破坏标准。 在Griffith理论提出的30年后，Or

5、owan通过对金属材料裂纹扩展的研究，指出裂纹扩展前前端附近会产生塑性区域。 因此，提供裂纹扩展的能量不仅用于形成新表面所需的表面能，还用于引起塑性区域的塑性变形所需的塑性功。 由此，塑性功p与表面能一起成为龟裂发展的阻力。 在Orowan中修改后，材料的破坏强度或材料的宏破坏类型因分类方法而异。 断裂根据断裂前是否发生明显的塑性变形，分为韧性断裂和脆性断裂。能够平滑地延长样品的截面收缩率的以5%为界。 断裂可以根据断裂面的方向和力的方式分为正断和切断。 4.3材料的宏观破坏类型和力学状态图，典型的被破坏的宏观破坏口(不同破坏形式下的意义)，1 .宏观正判：剖面宏观地垂直于样品的轴向(载荷方向

6、)出现。 但是，微观上并不一定是与晶面垂直的正断(劈开)。 剪切型断裂，有形成韧带的可能性。 2 .宏观切断：截面在宏观上与试样的轴向(负荷方向)大致一致。 韧性断裂的宏观断口形态，通常是具有一定塑性的材料，在拉伸实验时发生一定程度的颈缩，宏观断裂或与宏观断裂混合的断裂发生。 发生的断裂被认为是韧性断裂。 断口(形态)一般为韧性破坏的宏观断口，1 .纤维区：缩颈后，由于试样心部应力最大，裂缝从试样心部开始。 实际上，样品的中心部分最初出现了明显的微空洞(细孔和微裂纹)，然后生长聚集形成了锯齿状纤维的切断口。 通常，立体地呈环状。 2 .辐射区：环状纤维区发展到一定尺寸(临界裂纹尺寸)后，裂纹迅

7、速发展(压曲发展)形成辐射区。 宏观上是正断，微观上不是正断(劈开)。 与纤维区不同，辐射区是裂纹达到临界尺寸后，迅速被低能撕裂的结果。 3 .剪切唇：放射区形成后，样品的装载面积只剩下最外侧的环状面积，最后被拉伸应力的剪切应力切断，形成剪切唇。 形成韧性破坏(圆锥状)的切口，拉伸力作用于光滑的圆柱试料，产生缩颈时的试料的应力状态也从一个方向向三个方向变化，中心部的轴向应力最大。 由于中心的三方向拉伸应力，塑性变形难以进行，其中的夹杂物和第二相质点自身破裂，夹杂物和基质界面脱离而形成细孔。 微孔继续生长和聚合形成微裂纹。 反复进行微裂纹的形成、发展过程，就形成了锯齿状的纤维区域。 龟裂达到临界

8、尺寸后迅速扩大，形成放射线图案特征的放射区。 放射线平行于龟裂发展方向，垂直于龟裂前端(每一瞬间)的轮廓线，朝向龟裂源。 最后用拉伸应力的剪切应力切断，形成与拉伸轴形成45的杯状或锥形的剪切唇。 杯锥形切口形成模式图，脆性破坏的宏观切口形态，脆性破坏切口的放射状图案脆性破坏切口的人文字纹，圆柱状拉伸试样：与切口正应力垂直，切口平坦，有光泽。 截面上的放射状条纹集中在中心，该中心区域是裂缝源。 板状矩形截面拉伸试样：“人”纹的放射方向与龟裂发展方向平行，但其前端指向龟裂源。 总结了裂缝源、宏观破坏类型和特征，宏观破坏的分类根据破坏前的塑性变形程度和破坏过程中吸收的能量大小可以将破坏分为韧性破坏和

9、脆性破坏两种类型。 根据宏观切口是垂直于最大正应力还是平行于最大正应力，也可以分为正断和切断两种方式。 1 .宏观韧性断裂一般来说，典型的光滑圆柱试样的宏观韧性断裂的断口呈杯锥形。 由纤维区(裂纹发生)、放射区(裂纹快速发展)和剪切唇区(剪切断裂)三部分构成。 通常，韧性破坏是缓慢发展、能耗高的断裂过程，是结构构件故障的主要形式之一。 2 .宏观脆性破坏与韧性破坏相反，脆性破坏的宏观破坏口平坦有光泽，由与主应力垂直的纤维区、放射区、剪切唇三部分构成，但主要是放射区，特别是剪切唇几乎看不到，在切断口中所占的比例极小。 脆性破坏的情况下，放射花纹也是由材料的剪切变形形成的，但与韧性破坏不同，是急速

10、以低能量被撕裂的结果。 材料越脆，放射线越细。如果材料处于非常脆的状态(单纯的劈开或粒间破坏)，放射线就会消失。 晶粒粗的话，在劈开的切口处可以看到很多强光反射小平面(结晶生长面)。 这些小平面实质上是一个晶粒内的解理面。 解理断裂和晶体断裂(晶间断裂)是脆性断裂的重要形式。 在施工过程中，脆性破坏是毁灭性的破坏。 3、材料脆性或韧性的相对工程材料的韧性取决于内表面和外表面两个因素。 内在因素：主要是材料的塑性和强度。 比如纯铁和玻璃。 前者塑性优异，强度高，通常呈现韧性破坏，后者塑性差，强度低时，一般显示脆性破坏。 特别是在冲击条件下。 外在因素：主要是温度、负荷速度和应力状态(负荷方式)等

11、。 例如，在相同的灰铸铁材料样品上，进行了拉伸和硬度(相当于侧压)的实验结果显示，前者脆性破坏，后者只按压痕不破坏。 因此，工程材料的韧性和脆性是相对的，没有绝对的脆性和韧性材料。 力学状态图、力学状态图是将两种强度理论(最大剪切应力理论和最大正应力理论)、材料性能(剪切阻力、剪切阻力、正剪切阻力)、载荷方式(应力状态)、破坏类型和方式相结合来表现材料力学特征的图形。 如图所示，力学状态图根据、三个力性指标被分成弹性变形区域、弹塑性变形区域、断裂区域三个区域。1 .单轴拉伸载荷时，正断式的韧性被破坏。 2 .扭转载荷时，切断式的韧性被破坏。 3 .三向不均匀拉伸(例如切口拉伸)时，正断式脆性破

12、坏。 因此，可以利用力学状态图描述材料的破坏趋势。 材料力学状态图、温度对力学状态图的影响，温度和负载速度对通常材料的影响很大，但影响小。 温度下降、增大，单轴拉伸时材料从正断式韧性破坏转变为正断式脆性破坏。 这表示，材料从室温变为某个低温时，会发生从韧性破坏到脆性破坏的转移，即冷脆转移。 力学状态图是定性分析材料破坏问题的有用方法。 根据、温度对断裂图的影响、4.4断裂的微观机制和形态特征，裂纹扩展的根晶间断裂和结晶贯通断裂1 .晶间断裂(沿结晶断裂):指裂纹沿晶界发展。 切口的基本特征：呈冰糖状形态，显示出多晶体各晶粒多面体的特征(晶粒立体感强)。 但是，如果晶粒小，冰糖状的特征就不明显，

13、通常呈晶状。 破坏机制：通常在晶界存在脆性凝结相，高温晶界变弱，在腐蚀环境下晶界最先被腐蚀等原因导致晶界脆化和弱化。 2 .晶体破坏：指裂纹沿着晶体内(贯通晶粒)发展。 穿晶破坏因不同的微观破坏机理而具有不同的微观破坏形态特征，主要有劈开、微孔凝聚、准劈开等。 一般来说，从宏观上看，沿着结晶的破坏多为脆性破坏，但沿着结晶的破坏可以是脆性破坏，也可以是韧性破坏。 微观断裂机构的解理断裂和剪切断裂1 .解理断裂：通过拉伸应力，沿着一定的晶面分离的断裂。 分离的晶面称为解理面。 一般来说，劈开破坏是脆性破坏，但脆性破坏并不一定是劈开破坏，劈开破坏也是在某种程度上发生塑性变形后发生的，所以劈开破坏和脆

14、性破坏并不完全相等。 这是因为解理面一般为低指数晶面，低指数晶面一般表面能低，理论破坏强度最低，优先发生破坏。 通常，体心立方和密列六方金属容易发生劈开破坏，但面心立方金属只在特殊情况下发生。 解理断裂的微观形态特征相对于理想的单晶，解理断裂是完全沿单一晶面的分离，其解理断裂是没有特征的理想平面。但是，在实际的结晶中，由于缺陷的存在，破坏并不是沿着单一的晶面解理，而是沿着平行的晶面的组解理，从而在平行于不同高度的解理面之间形成解理台阶。 从垂直截面来看，台阶汇合形成了河流图案，这是解理断裂的最主要的微观特征。 2、孔聚合剪切断裂一般为韧性断裂，分为孔聚合型剪切断裂和纯剪切断裂两种。 后者主要出

15、现在单晶和高纯度金属中。 前者是在一般的金属材料中出现的形式。 微观特征：主要是韧带。 通常，仔细观察微观切断的韧带的内部，观察到的韧带只不过是微观空洞的一半，对应的切断的韧带一定有对应的韧带，在两者的底部至少有一个夹杂物粒子存在。 另外，韧带也能在晶界、双晶晶界和相界形成核，在这种情况下，韧带可能没有第二相粒子。 细孔聚合断裂(韧巢形成)的过程中，通常可以看到钢中存在非金属夹杂物等异相。 因此，韧带的形成与异相粒子有关。 如果在外力的作用下产生塑性变形，异相会阻碍母材的滑动，在异相和母材的滑动面的边界引起应力集中，当应力集中达到异相和母材界面的结合强度、异相自身的强度时，两者的界面脱离、异相

16、自身会被破坏，从而形成龟裂(细孔)，并不断扩大， 最后使夹杂物间的母材金属产生“内颈收缩”，颈收缩达到一定程度后，母材金属会被撕裂或剪切破坏，导致空洞连接，形成韧带的切断形态。 细孔核的示意图，细孔的生长和连接，影响韧带形成的因素，韧带的形成位置、形状、大小和浓淡受多种因素的影响，大致可分为三个方面。 一是成核粒子的大小和分布，二是材料的塑性变形能力，特别是变形硬化能力，三是外部因素(包括应力的大小、应力状态、温度、变形速度等)。 固件孔的形状主要取决于应力状态和应力与截面的相对取向。 如图所示，正应力与细孔平面垂直，细孔在该平面上向各方向生长的倾向相同时，形成等轴的凹部(图a )，若切断应力

17、与细孔截面平行，则细孔因切断应力而伸长，断裂时形成的凹部一定是抛物线状，在对应的截面上.如果细孔不均匀地伸长，或在弯曲负荷的拉伸应力的作用下，在切断口也形成伸长的抛物线状韧带，但对应的断面的抛物线方向相同，指的是龟裂源(图c )。 不同应力状态下的韧性窝形态，3 .准解理：指解理和细孔聚合破坏的混合。 微观特征：有放射状的河流花纹，也有强韧的巢，小平面内和小平面之间有裂缝。 与解理的主要差异：准解理的断裂从破坏小的平面内部开始，逐渐变大，与最后被撕裂的棱相连，另一方面，解理龟裂从断裂侧开始，向相反侧扩展，直至断裂。 准解理是通过解理台阶和裂纹棱混合解理和细孔聚合两种破坏机制，两者没有明确的区分。 注意：细孔聚合剪切断裂必然存在韧带，微观断裂有韧带断裂，宏观上不一定是韧性断裂。 宏观脆性破坏即使在局部区域也发生塑性变形，具有显示韧带特征的微观切口的形态。 因此，细孔聚合剪切破坏和韧性破坏并不完全相等。 因此，在分析破坏故障时，必须将宏观和微观结合起来，做出正确的判断。 总结了材料的破坏类型及其特征，导出了理论破坏强