材料成型金属学Chat.6-1 金属的断裂2.ppt

1、Chapter 6 Fracture of Metals 金属的断裂,货船 cargo ship,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plastic deformation 加工材料出现表面/内部裂纹整体破断 surface/ internal cracks in working materials integral failure. 轧制rolling ,挤压extrusion,拉拔drawing, 锻造forging. 成品率/生产率. the rate of finished products and production rate,We

2、concern about fracture for two reasons. One is cracks destructive effect, the other one is that fracture is related to materials formability . (1)破坏； (2)成形性。,In this chapter ,we will analyze the physical essence and laws of fracture. 断裂的物理本质/规律,Definition of fracture 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。

3、 When metallic material deformation forereach its plastic limit , it will divide completely. Then the interatomic force is damaged.,related subjects,断裂力学 fracture mechanics - macroscopic Stress field 应力场 Strain field 应变场 Fracture criterion 断裂判据,断裂物理 fracture physics - microscopic Fracture mechanism

4、断裂机制 Microstructure 组织,6.1断裂的基本类型 Basic types of fracture 根据断裂前金属是否有明显的塑性变形可分为According to whether the metal has obvious plastic deformation before fracture, it can be sorted as following : brittle fracture 脆性断裂5%,按断裂面相对作用力的取向关系可分为According to the orientation relationship between fracture and acting

5、 force 正断 normal failure against to 1 剪断 shearing failure along the direction of maximum shear,从微观上按照裂纹的走向可分为 According to crack trend in microscopic view transgranular fracture 穿晶断裂/晶间 intergranular fracture 沿晶 grain晶粒,多晶材料沿晶界发生的断裂 Fracture along grain-boundary in polycrystal material,- 沿晶韧性断裂晶界弱化,

6、- 沿晶脆性断裂 intergranular precipitated brittle continuous film 沿晶析出脆性连续膜,裂纹穿过晶粒内部crack cross the interior of grain 穿晶脆性断裂 high speed , low temperature and stress concentration. along some crystal plane-cleavage plane 解理面 穿晶韧性断裂 micropore coalescence 微孔聚合,6.2 脆性断裂 brittlefracture,材料塑性变形能力很低，裂纹尖端的应力集中不能因

7、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 theoretical fracture strength 完整晶体在正应力作用下沿某一晶面拉断的强度。 Under the tensile force, two adjacent atomic planes overcome interatomic bonding force, and separate into the two atomic planes. 两相邻原子面在拉力作用下，克

8、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(Youngs modulus) a1

9、0dyn/cm2 103erg/cm2 310-8cm,实际金属强度 铝合金 300600MPa 低碳微合金钢 400500MPa 合金钢1000MPa,6.2.2 Griffith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 elastic energy surface energy 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

10、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(Youngs modulus) a10dyn/cm2 103erg/cm2 310-8cm,实际金属强度 铝合金 200300MPa 低碳钢400-500MPa 合金钢1000MPa,6.2.2 Griffith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

11、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 elastic energy surface energy 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,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

12、应变能plastic strain energy Q: P P+-,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,Mobile dislocations meet some obstacles, then stress concentration ocurrs .When the stress becomes greater than interatomic bonding force , cracks nucleate, propagate, finally lead to fracture . 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

13、合力时，裂纹开始形核，裂纹长大导致断裂。,Nucleation mechanisms 形核机制 1).位错塞积 dislocation pile-up 晶界:相界 = n,2)位错反应dislocation reaction 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）a001 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。,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：

14、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。,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 ductile fracture 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str

15、ain hardening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 cup and cone fracture surface。 微观形态:韧窝dimple 原因：多起源于空洞cavity。,单相金属 single phase 熔炼时混入夹杂物 inclusion 多相合金 multi-phase 难变形第二相粒子second-phase particle。,应力状态stress state微观形貌 microsco

16、pic morphology (a)2=3 ：等轴韧窝 equiaxial dimple (b)剪应力：抛物线形韧窝 反向拉长parabolic dimple ,inverse elongated (c)撕裂应力：抛物线状 同向 tear stress ,parabolic,韧性断裂特点: Characteristics of ductile fracture (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

17、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),Fracture surface,拉拔细玻璃丝（0.5mm） 16006300MPa 在空气中静置几小时 140350MPa,空气腐蚀 表面形成裂纹 Corrosion in air surface cracks,“尺寸效应”size effect,0.02mm 700MPa 0.005mm 2800MPa 1m 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functio

18、n of surface energy,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delayed fracture。,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 / face defects - 空位 vacancy - 位错 dislocations - 界面 boundary - 堆垛层错 stacking fault - 挛晶 twins,Ultimate and Fracture Stren