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文档简介

1、第4章材料的断裂,4.1断裂分类和宏观断裂特征4.2断裂强度4.3脆性断裂4.4延性断裂4.6缺口效应4.7材料的低温脆性。断裂是一种非常复杂的材料行为,它不仅发生在高应力和高应变下,而且发生在低应力和无明显塑性变形的情况下。因此,在不同的力学、物理和化学环境中,会有不同的断裂形式,如静载荷断裂、冲击断裂和冷变形断裂。断裂研究的主要目的是防止断裂,保证在役构件的安全。机械和工程部件有三种主要的失效形式:磨损、腐蚀和断裂。4.1裂缝分类和宏观裂缝特征。首先,根据断裂前的塑性变形将断裂分类:脆性断裂;韧性断裂按裂纹扩展路径分类:穿晶断裂;根据断裂机理,沿晶断裂分为解理断裂;微孔聚集断裂;纯剪切断裂

2、根据断裂面的方向分为:正断裂;切断实际断裂是非常复杂的,这往往不是一个单一的机制,而是多个机制的混合断裂。韧性断裂和脆性断裂、韧性断裂:断裂前有明显的宏观塑性变形,断裂是一个缓慢的撕裂过程,在裂纹扩展过程中不断消耗能量;脆性断裂:断裂前无明显塑性变形,无明显迹象,危害极大。实际上,金属的脆性断裂和韧性断裂之间没有明显的界限。一般规定,面积收缩小于5的是脆性断裂,而面积收缩大于5的是韧性材料。穿晶断裂和晶间断裂,穿晶断裂:裂纹穿过晶内(韧性或脆性断裂)晶间断裂:裂纹沿晶界扩展(多为脆性断裂)。晶间断裂的原因是:晶界上的一薄层连续或不连续的脆性第二相和夹杂物破坏了晶界的连续性;或者杂质元素向晶界集

3、中。剪切断裂:在剪应力作用下,沿滑动面分离引起的滑动面分离断裂。纯剪切断裂:完全由滑移流变引起的断裂(如纯金属,尤其是单晶);微孔聚集断裂:在一定条件下(如低温等),由微孔成核和生长聚合引起的分离(如普通金属材料的解理断裂)。),当施加的法向应力达到一定值时,金属材料将沿着某一晶面(解理面)以极快的速度产生穿晶断裂和脆性断裂。解理断裂在bcc和hcp金属中很常见。解理面通常是低折射率晶面或表面能最低的晶面,例如,bcc金属的解理面为(100)。纯剪切断裂、微孔聚集断裂、解理断裂和正断裂:断裂垂直于最大正应力;切割:宏观断裂的方向平行于最大剪应力的方向。注:正常断裂不一定是脆性断裂,也可能有明显

4、的塑性变形。而且切割必须是韧性断裂。正向断裂和切割、2。断口宏观特征,宏观断口:肉眼或放大镜观察20次以下的断口;显微断裂:用光学显微镜或扫描电子显微镜观察的断裂。宏观韧性断裂(拉伸试样),材料断裂的实际情况往往比较复杂,宏观断裂形态可能与微观断裂特征不完全一致。因此,宏观韧脆断裂不能与微观韧脆断裂机制相混淆。宏观脆性断裂、杯锥断裂、纤维区:在样品中心,裂纹首先在该区域形成,该区域颜色较暗,表面波动较大。当裂纹在该区域扩展时,伴随着较大的塑性变形,裂纹扩展缓慢;剪切唇:当接近试样边缘时,应力状态发生变化(平面应力状态),最终沿与拉伸轴向成45的剪切角断裂,表面光滑。辐射区:表面光洁平整,有细小

5、的放射状条纹,裂纹在此区域迅速扩展;断裂特征的三个要素:纤维区f、辐射区r、剪切唇s、杯状断裂的形成:a .颈缩导致三维应力,塑性变形难以进行,颈缩中心真应力;b .样品中心的第二相颗粒如夹杂物破碎或颗粒与基体分离;c .微孔生长时形成微裂纹,早期微裂纹末端有较大的塑性变形;剪切变形区和横向裂纹在该区长大,并与其他裂纹连接形成锯齿状纤维区;边缘剪切断裂。辐射面积大,材料的塑性低。脆性断裂的纤维面积很小,几乎没有剪切唇。对于塑性好的材料,纤维面积和剪切唇占很大比例,甚至中间的辐射面积也可以消失。三个断裂区域的形状、大小和相对位置与样品的形状和大小、材料性质、测试温度、加载速率和应力状态有关。样品

6、的塑性取决于三个区域的比率:平板样品,4.2断裂强度,1。晶体的理论断裂强度和原子间的距离随着应力的增加而增加。在某一点上,应力克服了原子间的作用力,并达到最大值,即理论断裂强度m。从原子间的结合力开始,当原子间的结合力被克服时,材料断裂。其中e是弹性模量。A0是原子间的平衡距离。=msin (2x/),=m (2x/),=e=ex/A0,m=e/2a0,如果晶体在弹性状态下被破坏,并且位移x很小,那么根据胡克定律,在弹性状态下,作为一阶近似,曲线可以用正弦曲线来表示,其中x是原子间位移,并且是正弦曲线。这是理想晶体脆性(解理)断裂的理论断裂强度。可以看出,m与表面能s有关,解理面通常是具有最

7、小表面能的面,这可以通过这个公式来理解。在断裂过程中,必须提供足够的能量来形成两个新的表面。如果材料的单位表面能为S,即断裂形成中外力消耗的能量至少等于2S:并且M=E/2A0、公式的应用:例如,E=2105 MPa,a0=2.510-10 m,并且s=1 J/m2的铁,那么m28.3 GPa。目前,最高强度钢约为4500兆帕,即实际材料的断裂强度比理论值低13个数量级。实际材料不是完整的晶体,也就是说,基本假设是不正确的。实际材料中总是存在各种不连续的因素,如缺陷和裂纹,缺陷引起的应力集中对断裂的影响不可忽视。到了晋代,刘周在刘子深的歧异中作了这样的总结。“墙的倒塌一定是由于它的缝隙;这把剑

8、的毁灭是由于文。蚯蚓穿过堤岸时可以漂过一个城市。它的意思是:墙因为裂缝而倒塌,剑因为裂缝而折断,小蚯蚓刺穿了堤坝,这将使它倒塌并淹没城市。1)格里菲斯发现新拉制的玻璃棒的弯曲强度为6GPa;而在空气中放置几个小时后,强度下降到0.4 GPa。原因是表面裂纹是由于大气腐蚀形成的。2) Yoffie等人用温水溶解氯化钠表面的缺陷,强度从5兆帕提高到1.6103兆帕,提高了300多倍。有些人把石英玻璃纤维分成几种不同的长度。当测量其强度时,发现当长度为12厘米时,强度为275兆帕;当长度为0.6厘米时,强度可达760兆帕。这是因为样本很长,包含危险裂缝的机会增加了。4)块体材料和晶须材料的强度:铁-

9、铜冶金熔化材料:300兆帕140兆帕,晶须:35000兆帕28000兆帕,实验证据:2)材料的实际断裂强度(格里菲斯理论),固体材料中存在裂纹,导致实际断裂强度和理论强度之间至少有一个数量级的差异。为了解决裂纹体的断裂强度问题,格里菲斯于1921年从能量平衡的角度研究了陶瓷、玻璃等脆性材料的断裂问题。格里菲斯假设有裂缝想象一个单位厚度的无限宽的薄板,在施加拉伸应力后两端固定,并与外界隔绝。格里菲斯裂纹模型,形成新表面所需的表面能为:UE=-2a2/e。如果切割长度为2a的裂纹,弹性能将从最初弹性张紧的板中释放出来。根据弹性理论,释放的弹性能为:W=4as,板的单位体积弹性能为2/2e;整个系统

10、的能量变化为:UE w=4as-2a2/e,(UE w)/a=4s-22a/e=0。从图中可以看出,当裂纹增长到2ac时,如果它再次增长,系统的总能量将减少。从能量的角度来看,裂纹长度的连续增长将是一个自发的过程,这时的临界状态为:裂纹失稳扩展的临界应力为:格里菲斯公式中,C是裂纹板的实际断裂强度,它与裂纹尺寸的平方根成反比。系统能量随裂纹半长而变化,当裂纹长度不变时,裂纹会不稳定地扩展。当拉应力不变时,临界裂纹为:a 2ac,裂纹自动扩展并断裂;A2ac,无断裂发生。(在理论断裂强度公式中用a/2代替a0成为格里菲斯公式。格里菲斯公式适用于脆性材料,如陶瓷、玻璃和超高强度钢。对于厚板,格里菲

11、斯理论的前提是材料中存在裂纹,但不涉及裂纹的来源。对于没有裂纹的金属,格里菲斯的理论不能解释它们实际强度低的原因。后来,根据这种金属断裂前的塑性变形,提出了位错积累和反应理论。当裂纹延伸到格里菲斯裂纹长度时,将发生断裂。对于塑性材料,由于裂纹尖端有较大的塑性变形,并吸收了大量的变形功,这部分变形功是裂纹扩展的主要阻力,因此格里菲斯公式修正如下:式中,P为单位面积裂纹表面吸收的塑性变形功,2sp为有效表面能。一般来说,p比表面能大几个数量级。上述公式是塑性金属材料的断裂准则。格里菲斯-奥罗万-欧文公式,思考问题:1。薄板中有一条3毫米长的裂纹,a0=3*10-8毫米,所以试着找出脆性断裂中的断裂

12、应力c(让th=E/10=2*105兆帕)。2.有一种材料的E=2*1011 N/m2,s=8n/m。试着计算这种材料在7*107 N/m2拉力下的临界裂纹长度。从理论上讲,脆性断裂的宏观特征是断裂前不发生塑性变形,但裂纹扩展速度很快,接近声速。脆性断裂前无明显迹象,断裂发生突然,往往造成严重后果。因此,应该防止脆性断裂。4.3脆性断裂,脆性断裂的两种主要机制:解理断裂和晶间断裂。解理断裂:实验结果表明,解理断裂虽然是典型的脆性断裂,但解理裂纹的形成与材料的塑性变形有关,塑性变形是位错运动的结果。因此,为了探讨解理裂纹的产生,许多学者用位错理论来解释解理裂纹的形成机理。(1)脆性断裂机理,(1

13、) Zener-nast理论(位错堆积理论),解理面,滑移面,70.5,Jenner Zener-Stroh认为,在剪应力作用下,滑移面上的边缘位错运动遇到障碍(晶界或第二相粒子),导致位错堆积,此时堆积头的应力集中不能通过塑性变形。解理裂纹,面心立方有许多滑移系,很少的塞组和很少的应力集中,所以解理裂纹不容易形成。解理裂纹形成机理:裂纹形成的有效剪应力必须满足以下关系:裂纹扩展和解理断裂的条件是所施加的正应力达到临界应力c:其中g是剪切模量,Ky是霍尔-佩特奇关系中的钉扎常数。从上述公式可以看出,晶粒尺寸越小,断裂应力越高,材料的脆性越低。(2) Cottrell理论(位错反应理论),在bc

14、c晶体中,有两个相交的滑移面和(101)与解理面(001)相交,以及三个平面的交线现有的位错群在010轴上相遇并产生以下反应:固定位错,这是一个能量减少的过程,因此裂纹成核是自动的,但是对于面心立方,有类似的位错反应,但它不是一个能量减少的过程,因此面心立方没有这样的裂纹成核机制。(3)史密斯理论(脆性第二相开裂理论),碳化物开裂的力学条件:碳化物裂纹扩展成铁素体的力学条件:c0是碳化物的厚度。考虑到微观组织不均匀所造成的影响,史密斯提出低碳钢晶界碳化物开裂导致解理裂纹的理论:铁素体中的位错源在剪应力作用下开始,位错运动在晶界碳化物处受阻,在塞状沉积物头部形成塞状沉积物。(1)解理断裂,是穿晶

15、脆性断裂。由于多晶的不同取向,解理断裂后形成许多以晶粒尺寸为单位的不规则取向的“小面”,在强光照射下出现金属闪光,在宏观上常被称为“晶体”断裂。劈理断层有三个微观特征:劈理台阶、河型和舌型。当在两个不同高度的平行解理面上延伸的解理裂纹相交时,形成解理台阶。形成它有两种方式:通过解理裂纹和螺旋位错的相交;由二次分裂或撕裂形成。解理台阶、解理裂纹与螺旋位错相交形成台阶,河流模式是判断解理断裂是否发生的重要微观基础。“河流”的流向与裂纹扩展方向一致,因此解理裂纹的扩展方向可以根据“河流”的流向来确定,断裂源可以根据“河流”的反方向来寻找。当不同的步骤相遇时,它们相互抵消,当相同的步骤相遇时,它们融合

16、并成长。当汇流台阶足够高时,将形成河流模式。河流型,类似于延伸的小舌,是舌形凸台,沿孪晶界扩展的解理裂纹留下的凹坑。准解理和解理的区别在于,真正的解理裂纹通常源自晶界,而准解理裂纹通常源自晶内硬点,形成源自晶体中某一点的放射状河流图案。准解理不是独立的断裂机制,而是解理断裂的变体。(2)具有微观形态特征的准解理断裂被称为准解理断裂,因为它看似解理河流,但实际上并未解理。当裂纹在晶体中扩展时,很难严格沿某一晶面扩展,准解理面不是晶体解理面。(3)沿晶断裂是一种脆性断裂,裂纹沿晶界扩展,其特征是结晶糖形态。裂纹的扩展总是沿着原子结合力最弱的区域。一般来说,晶界不会开裂。由于某些原因,晶间断裂将不可

17、避免地降低晶界之间的结合强度。原因如下:脆性第二相连续分布在晶界处,微量有害杂质元素集中在晶界处,受到氢脆、应力腐蚀、应力和高温共同作用等环境介质的破坏。晶间断裂的断裂形态,4.4韧性断裂,(1)纯剪切断裂一些纯金属,特别是单晶金属,在断裂过程中不产生孔洞和新的界面,位错只能从表面释放,而断裂取决于样品的横截面积减小到0,因此断裂为尖楔形,面积收缩几乎为100。(1)韧性断裂机制;(2)微孔聚集韧性断裂,实际金属中总是存在第二相粒子,这是微孔成核的来源。微孔成核过程:微孔聚集韧性断裂:微孔成核生长并聚合断裂。韧性断裂的微观特征是韧窝形态。电镜下可见断口由许多凹凸不平的微坑组成,微坑中有第二相粒子。等轴酒窝,2。韧性断裂的微观特征,1。夹杂物或第二相颗粒尺寸小且分布密集,形成小且多的凹坑图案;尺寸大,分布变化小,形成一个大的酒窝图案;

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