复旦材料失效分析课件第2章材料的断裂失效形式与机理

2.1材料失效形式2.2载荷的作用形式2.3安全设计准则2.4断口分析2.5硬度2.6冲击韧性2.7疲劳应力2.8蠕变应力2.9断裂韧性2.10金属的失效模式与失效机理的关系第二章材料的断裂失效形式与机理2.1材料失效形式任何构件是由材料组成的，而材料的失效形式（模式）与载荷方式、环境条件有关系。在载荷作用下，若构件的应力超过屈服强度或抗拉强度，就发生塑性大变形、导致截面分离而断裂；若构件含有裂纹并且裂纹快速扩展，则发生低应力的脆性断裂。尽管材料的失效形式多样，但可以分为五大类：断裂（fracture）、腐蚀（corrosion）、磨损（wear）、畸变（distortion）和衰减（attenuation）。确定材料的失效模式和起因，需要区分断裂、畸变、腐蚀、磨损、衰减等不同的损伤形式。●第二章材料的断裂失效形式与机理图2-1大型运输船的脆性断裂（1952年12月）●原因：船体对接焊缝因水流波动发生开裂，随后裂纹发生疲劳扩展而断裂2.1材料失效形式断裂模式下的重大失效案例：●图2-2“挑战者”号升空时爆炸（1986年1月28日）原因:“挑战者”号固态火箭助推器O型橡胶密封圈因存在不明缺陷、导致燃料泄漏而爆炸（a）地面升空时刻（b）升空中爆炸2.1材料失效形式●图2-3“哥伦比亚”号返回时爆炸（2003年2月1日）原因：“哥伦比亚”号升空时，坠落的保温层泡沫塑料碎片撞击机翼左侧形成两条裂纹，返回地面进入大气层时因摩擦产生高温，导致内部铝合金机翼熔化而断裂（a）地面升空时刻（b）机翼上的裂纹（c）返回时解体爆炸2.1材料失效形式●2.2载荷作用形式材料的变形与载荷(F)的作用方式有关。构件上作用的载荷共有五种形式：拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转。图2-4载荷的作用形式第二章材料的断裂失效形式与机理力学性能是材料在载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。性能指标主要有：图2-5材料的力学性能指标2.2.1力学性能第二章材料的断裂失效形式与机理2.2.2材料的拉伸变形在拉伸应力应变图中，横坐标和纵坐标分别表示材料的应变ε(strain)和应力σ(stress)。（a）应力应变曲线（b）拉伸试验装置图2-6碳钢材料的拉伸应力-应变曲线第二章材料的断裂失效形式与机理●材料在载荷作用下发生形状和尺寸的变化叫变形。弹性变形：载荷去处后能够恢复的变形；塑性变形：载荷去处后不能恢复的变形。。●拉伸-位移曲线上的特征点与特征线OeA线:弹性变形阶段AC线:屈服变形阶段CB线:塑性变形阶段Bk线：失稳断裂阶段e点：弹性应力点A点：屈服应力最大点C点：屈服变形结束点B点：最大应力点k点:断裂点图2-7拉伸-位移曲线第二章材料的断裂失效形式与机理通过拉伸试验，可以测得材料的五个性能参数：弹性模量:E=σ/ε（MPa）σ=Eε（应力应变关系）屈服强度:σs=σ0.2=Fs/A0（MPa）抗拉强度：σb=Fb/A0（MPa）(2-1)延伸率：δ=∆L/L0（∆L=L-L0）断面收缩率：ψ=∆A/A0（∆A=A0-A）其中，L0、A0分别表示试样变形前标距长度和横截面面积；L、A分别表示试样断裂后标距拉伸长度和断口处的横截面面积。。第二章材料的断裂失效形式与机理2.2.3材料的剪切变形当材料受到剪力(S)作用时，剪应力τ(shearstress)和剪应变γ(shearstrain)有如下的关系：τ=S/A（MPa）τ=Gγ（MPa）γ=tanθ＝a/h(2-2)G=E/2(1+ν)（MPa）其中,G为剪切模量，θ为剪切角，h为剪切高度，ν为材料泊松系数ν=∆d/∆L。图2-8材料的剪切变形第二章材料的断裂失效形式与机理2.2.4典型材料的应力应变曲线图2-9典型材料的拉伸曲线第二章材料的断裂失效形式与机理2.3设计安全准则1.变形准则（deformationcriterion）构件的截面在载荷作用下发生弹性变形。载荷过大时产生过量的弹性变形、甚至发生翘曲，最终失去设计规定的功能。因此，构件的弹性应变必须限制在设计规定的范围内：F/AE=ε＜[ε](2-3)其中：[ε]是许用弹性应变，它是弹性应变除以安全系数ns的许可应变（allowablestrain）。第二章材料的断裂失效形式与机理2.刚度准则（rigiditycriterion）刚度准则要求构件在载荷作用下弹性变形量不超过允许的规定值，主要指挠曲、扭曲等弹性变形量。●畸变（distortion）是指构件发生过量弹性变形而失去结构稳定性的一种失效形式，既涉及材料内部的弹性变形，也涉及外部的结构系统的变形。畸变是满足材料强度的前提下，因弹性变形过大导致结构失去稳定性，从而不能达到设计规定的功能。许多转动件、薄壁件等构件有时会发生这种特殊的失效现象。第二章材料的断裂失效形式与机理刚度准则的一般表述式是：δi＜[δi]θi＜[θi]（2-4）φi＜[φi]式中，i=x,y,z；δi,θi,φi分别是构件的挠度、转角和扭角；[δi]、[θi]、[φi]分别是对应变量下除以各自的安全系数值所允许的挠度、转角和扭角。●解决方法增强构件刚度(rigidity)的方式主要有：增大材料的弹性模量和构件的横截面面积，改变构件的横截面形状，优化结构系统的连接方式和位置。注意：刚度反映构件的宏观变形行为，弹性模量反映材料的微观变形行为。yy,第二章材料的断裂失效形式与机理3.强度准则（strengthcriterion）当材料承受的应力小于许用应力[σ](allowablestress)时,构件是安全的，否则是不安全的。●强度设计准则:σ＜[σ](2-5)σs/ns[σ]=σb/nb其中，[σ]取二者中的最小者，ns、nb分别为设计时屈服强度和抗拉强度的安全系数，分别取1.5和3。●解决方法提高材料强度等级，如碳钢更换为低合金钢或降低外加载荷或改变应力集中位置等。第二章材料的断裂失效形式与机理2.4断口分析（fractography）金属材料在载荷作用下，其断口形貌与表面变形有关，一般分为二种：脆性断裂和韧性断裂。1.脆性断裂（brittlefracture）脆性断裂的断口表面在断裂前几乎没有塑性变形，外观上是齐平式形貌，微观上是解理形态。（a）宏观形态（b）解理形态图2-10脆性断口第二章材料的断裂失效形式与机理2.韧性断裂（ductilefracture）韧性断口有明显的塑性变形，断裂前有预兆，外观上如杯锥形形貌，微观上是韧窝形态。（a）宏观形态（b）微观韧窝形态图2-1１韧性断口第二章材料的断裂失效形式与机理3.断口分析内容断口分析一般涉及宏观分析和微观分析。（1）宏观分析用肉眼、放大镜或体视显微镜对断口进行直接观察，依据断口的外观形貌，初步确定失效模式和断裂源，为深入分析和判明失效原因提供依据。（2）微观分析采用多种分析仪器对断口进行观察和分析。一般采用扫描电镜(SEM)和能谱仪（EDS），观察断口的微观形态，确定材料成分，为后续深度分析比如表面分析如XPS、AES、SIMS等指明方向，厘清失效机理。第二章材料的断裂失效形式与机理●材料抵抗表面局部变形的能力叫硬度材料的硬度与抗拉强度、弹性模量等有一定的关联度，对材料的加工、磨损都有重要的影响。测试方法常有三种：压痕法、回跳法和刻痕法。1.布氏硬度HB（Brinellhardness）布氏硬度是用一定载荷P，将淬火钢球压头压入被测材料表面，保持一定时间后卸载，根据压入的直径d的压痕面积A（图2-12）来获得。计算式为:HB=P/A=2P/πD(D-(D2-d2)1/2)(2-6)2.5硬度（hardness）第二章材料的断裂失效形式与机理HB主要用于退火状态下的钢铁、铸铁、有色金属及一些特殊非金属材料，适用于HB450的金属材料。(a)压头压痕（b）布氏硬度仪图2-12布氏硬度测定第二章材料的断裂失效形式与机理●材料的布氏硬度HB与材料的抗拉强度b之间还存在以下的经验估算式：低碳钢:b≈3.6HB高碳钢：b≈3.4HB灰铸铁：b≈1.0HB或b≈0.6(HB-40)第二章材料的断裂失效形式与机理例如，布氏硬度记为200HB10/1000/30。这表示直径为10mm的钢球，在1000kgf作用下保持30s后测得的硬度为200。2.洛氏硬度HR（Rockwellhardness）洛氏硬度是用规定的压力，将金刚石圆锥体压头压入材料的表面，测量压痕深度h来换算(图2-13)：HR=(K-h)/0.002（无量纲）(2-7)规定每0.002mm为一个单位的洛氏硬度，可以通过查表而求得。(a)压头压痕（b）洛氏硬度仪图2-13洛氏硬度测定第二章材料的断裂失效形式与机理根据压头和载荷的大小，洛氏硬度分为HRC、HRB、HRA三种类型(表2-1)。洛氏硬度可以直读，操作方便，适用广泛，可测量低硬度和高硬度的金属材料。但洛氏硬度载荷大，标尺不统一，不适用于测定硬而脆的薄层。薄层材料一般采用维氏硬度测定。K0.20.260.2第二章材料的断裂失效形式与机理表2-1三种类型的洛氏硬度值及应用3.维氏硬度HV（Vickershardness）维氏硬度是用两对对面体夹角均为136°的金刚石四面体菱形压头来测定。它是通过测量压头压入部分的对角线长度d(图2-14)来计算的。HV＝1.8544P/d2(2-8)（a）压头压痕（b）压痕形状（c）维氏硬度仪图2-14维氏硬度试验示意图第二章材料的断裂失效形式与机理布氏、洛氏、维氏这三种硬度的测定法，压头载荷大、面积大，一般适用于测定金属材料的硬度值，一般只能测定金属材料显微组织的平均硬度值，不适合测定微区范围的材料硬度:比如，薄模、偏析、微相、扩散深度等。因此，需要发展出一种能精细测定微区范围内材料硬度的测定方法。第二章材料的断裂失效形式与机理4.小载荷显微硬度（smallloadhardness）（1）维氏显微硬度（Vickersmicro-hardness）维氏显微硬度,简称显微硬度,是测量陶瓷和金属合金某一微区的硬度值，如图2-15所示。显微硬度的压头形状与维氏硬度一样，只是体积小、载荷小，小到仅有几十克至几百克,。例如，10g、50g、100g、200g。其压痕长度以微米表示，计算公式为：HVP＝1854.4P/d2(2-9)其中，P是g，d是μm。第二章材料的断裂失效形式与机理（a）显微硬度压痕（b）显微硬度仪图2-15合金相的显微硬度测定例如，HV50＝900表示外加压力为50g下的显微硬度值为900或表示为900HV0.05。第二章材料的断裂失效形式与机理表2-2常见陶瓷材料的显微硬度与熔点由于显微硬度的压痕小，故被测材料要做成金相试样。因此，它适合于陶瓷材料的硬度测定，见表2-2。第二章材料的断裂失效形式与机理（2）努氏硬度（Knoop’shardness）努氏硬度是从显微硬度发展而来的。它的压头形状是金刚石材料制成的长棱形体，两个长棱夹角为172.5°，两个短棱夹角为130°，长短对角线长度之比L/W为7.11倍。其计算值为:HK＝1.451P/L2(2-10)其中，L为压痕的对角线长度(μm)，K为Knoop的缩写,P为载荷（N）,其值在0.4903-19.61N之间。努氏硬度精度高，适用于无机材料，尤其是先进陶瓷材料，硬度的测量比维氏硬度更为精确些，但样品的表面光清洁度要求较高。第二章材料的断裂失效形式与机理第二章材料的断裂失效形式与机理（3）邵氏硬度（Shorehardness）使用硬度计，在规定的试验条件下用标准弹簧压力将硬度计的压针压入试样，以压入深度转换为硬度，由硬度计读出邵氏值HS。HS分为邵氏A和邵氏D。邵氏A适用于软塑料，如橡胶、泡沫塑料等；邵氏D适用硬塑料如聚碳酸酯（PC）、尼龙（PA）等。图2-16邵氏硬度仪A和D的压头形状（4）莫氏硬度（Mohshardness）●陶瓷及矿物材料常用的划痕硬度称为莫氏硬度。它表示硬度从小到大的排列顺序，即后面的材料可以划破前面材料的表面。莫氏硬度以前仅分为10级，1级最小，10级最硬。硬度的排序为：1.滑石，2.石膏，3.方解石，4.萤石，5.磷灰石，6