一断裂

LOGO5.1断裂定义固体材料在力的作用下分成若干部分的现象称为断裂。LOGO5.2断裂的类型及断口特征断裂的过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶段。LOGO5.2.1断裂类型按断裂前后宏观塑变的程度，分为脆性断裂和韧性断裂。按晶体材料断裂时裂纹扩展的途径，分为穿晶断裂和沿晶断裂。按微观断裂机理，分为解理断裂和剪切断裂。按作用力的性质，分为正断和切断。LOGO★材料在静拉伸时的断口可呈现3种情况断裂垂直于最大正应力者叫正断沿着最大切应力方向断开的叫切断中心部分大致为正断，两侧部分为切断，故为混合型断口LOGO5.2.2韧性断裂与脆性断裂韧性断裂是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢，而且要消耗大量塑性变形能。5.2.2.1韧性断裂LOGO1.韧性断裂的断口往往呈暗灰色、纤维状。塑性变形中众多微细纹的不断扩展和相互连接造成的。暗灰色是纤维断口表面对光的反射能力很弱所致。滑移线形貌LOGO＊2.金属零件韧性断裂失效分析(1)断口宏观形貌粗糙,色泽灰暗,呈纤维状;边缘有与零件表面呈45°的剪切唇;断口附近有明显的塑性变形,如残余扭角、挠曲、变粗、缩颈和鼓包等。(2)断口上的微观特征主要是韧窝。LOGO＊3.韧性断裂原因分析与预防金属零件韧性断裂的本质是零件危险截面处的实际应力超过材料的屈服强度所致。因此，下列因素之一均有可能引起金属零件韧性断裂失效。(1)零件所用材料强度不够。(2)零件所承受的实际载荷超过原设计要求。(3)零件在使用中出现了非正常载荷。(4)零件存在偶然的材质或加工缺陷而引起应力集中，使其不能承受正常载荷而导致韧性断裂失效。(5)零件存在不符合技术要求的铸造、锻造、焊接和热处理等热加工缺陷。LOGO脆性断裂是材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形，没有明显的预兆，突然快速的断裂，具有很大的危险性。5.2.2.2脆性断裂LOGO1.易发生脆性断裂的几种材料淬火钢灰铸铁陶瓷玻璃LOGO2.脆性断裂的断口一般与正应力垂直，比较齐平光亮，呈放射状或结晶状。LOGO＊3.脆性断裂的宏观特征(1)断裂处很少或没有宏观塑性变形，碎块断口可以拼合复原。(2)断口平坦，无剪切唇，断口与应力方向垂直。(3)断裂起源于变截面，表面缺陷和内部缺陷等应力集中部位。(4)断面颜色有的较光亮，有的较灰暗。光亮断口是细瓷状，对着光线转动，可见到闪光的小刻面；灰暗断口有时呈粗糙状,有时呈现出粗大晶粒外形。(5)板材构件断口呈人字纹放射线,放射源为裂纹源,其放射方向为裂纹扩展方向。(6)脆性断裂的扩展速率极高,断裂过程在瞬间完成,有时伴有大响声。LOGO如果材料的硬度和强度很高，又处于低温环境，圆形样的拉伸断口断面上有许多放射状条纹，这些条纹汇聚于一个中心，这个中心区域就是裂纹源。断口表面越光滑，放射条纹越细，这是典型的脆断形貌。如板状试样，断裂呈“人”字形花样，“人”字的尖端指向裂纹源，这对于分析压力容器或构件的失效是有帮助的。＊4.人字形花样LOGO＊5.预防脆性断裂失效的措施(1)设计上的措施：①应保证工程构件的工作温度高于所用材料的脆性转变温度,避免出现低温脆断;②结构设计应尽量避免三向应力的工作条件,减少应力集中。(2)制造工艺的措施：①应正确制订和严格执行工艺规程,避免过热、过烧、回火脆、焊接裂纹及淬火裂纹;②热加工后应及时回火,消除内应力,对电镀件应及时而严格地进行除氢处理。(3)使用上的措施：①应严格遵守设计规定的使用条件,如使用环境温度不得低于规定温度;②使用操作应平稳,尽量避免冲击载荷。LOGO5.2.3穿晶断裂与沿晶断裂LOGO5.2.3.1穿晶断裂和沿晶断裂的SEM图穿晶断裂沿晶断裂LOGO5.2.4剪切断裂与解理断裂5.2.3.1剪切断裂定义：剪切断裂是材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂。某些纯金属尤其是单晶体金属可产生纯剪切断裂。断口呈锋利的楔形。LOGO蛇形滑移花样滑移分离的基本特征是:断面呈45°角倾斜;断口附近有明显的塑性变形;滑移分离是在平面应力状态下进行的。涟波花样1.滑移分离断裂滑移分离的主要微观特征是滑移线或滑移带、蛇形花样、涟波花样和延伸区。LOGO2.微孔聚集性断裂微孔形核长大聚合直至断裂形成宏观上呈纤维状，微观上为韧窝的断口。LOGO(a)滑移分离模型(b)在第二相粒子处形核模型3.韧窝形核及扩展模型LOGO韧性断口的SEM照片，可见大量韧窝韧窝形貌图微孔的尺寸主要取决于夹杂物或第二相质点的大小和它们间的距离，也给金属本身的塑性好坏有关。LOGO4.由三种应力状态产生显微孔坑过程及韧窝状示意图b）切应力(c)撕裂韧窝a）垂直应力c）撕裂LOGO＊5.韧窝的描述韧窝的形状韧窝的形状主要取决于所受的应力状态，最基本的韧窝形状有等轴韧窝、撕裂韧窝和剪切韧窝三种。等轴韧窝是在正应力作用下形成的。在正应力的作用下，显微空洞周边均匀增长，断裂之后形成近似圆形的等轴韧窝。LOGO撕裂韧窝是在撕裂应力的作用下形成，常见于尖锐裂纹的前端及平面应变条件下低能撕裂断口上，也呈抛物线形,但在匹配断口上，撕裂韧窝不但形状相似，而且抛物线的凸向也相同。剪切韧窝是在切应力作用下形成的，通常出现在拉伸或冲击断口的剪切唇上，其形状呈抛物线形，匹配断面上抛物线的凸向相反。LOGO5.2.4.2解理断裂解理是指矿物被打击时，常沿一定方向有规则地裂开形成光滑平面的性质。在标本的破裂面上一般看到闪光的断裂面为闪光的平面，即解理面。解理面一般平行于晶体格架中质点最紧密、联结力最强的面。因为垂直这种面的联结力较弱，晶粒易于平行此面破裂。相对来说，面与面之间的联结力最弱。LOGO解理断裂定义：在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂称为解理断裂。解理断裂的断口是极平坦的镜面。具有解理的矿物LOGO1.概述解理断裂断口是由许多大致相当于晶粒大小的解理面集合而成的。这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。在解理刻面内部只从一个解理面发生解理破坏实际上是很少的。在多数情况下，裂纹要跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面，从而在同一刻面内部出现了解理台阶和河流花样。LOGO2.解理台阶(a)裂纹AB向螺位错CD扩展(b)裂纹与螺位错CD交割,形成台阶(a)异号台阶汇合(b)同号台阶汇合LOGO解理小刻面的微观形貌A———台阶B———河流花样3.解理河流花样LOGO根据河流花样的流向可确定微观范围内解理裂纹的扩展方向。当解理裂纹穿过小角度晶界时，将引起河流方向的偏移。当解理裂纹穿越晶界和大角度晶界时，由于两侧解理面方向各异，以及晶界上的大量位错，裂纹不能直接简单穿越，需要重新成核，再沿着新组成的解理面扩展，于是引起台阶与河流的激增。LOGO舌状花样解理舌的形成与解理裂纹沿变形孪晶与基体之间的界面扩展有关。此种变形孪晶是当解理裂纹以很高的速度向前扩展时,在裂纹前端形成的。4.舌状花样舌状花样：解理舌是解理面上的典型特征之一，它的显微形貌为舌状。LOGO5.2.4.3准解理断裂在许多淬火回火钢中，有弥散细小的碳化物质点，它们影响裂纹形成与扩展。当裂纹在晶粒内扩展时．难于严格地沿一定晶体学平面扩展。断裂路径不再与晶粒位向有关，而主要与细小碳化物质点有关。微观形态特征，似解理河流但又非真正解理，故称准解理。准解理与解理的共同点：都是穿晶断裂；有小解理刻面；有台阶或撕裂棱及河流花样。不同点：准解理小刻面不是晶体学解理面。真正解理裂纹常源于晶界，而准解理裂纹则常源于晶内硬质点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样。LOGO准解理裂纹形成机理示意图准解理断面典型形貌1.准解理面准解理断裂是介于解理断裂和韧窝断裂之间的一种过渡断裂形式。准解理的形成过程:首先在不同部位(如回火钢的第二相粒子处),同时产生许多解理裂纹核,然后按解理方式扩展成解理小刻面,最后以塑性方式撕裂,与相邻的解理小刻面相连,形成撕裂棱。LOGO2.准解理断口与解理断口的不同之处(1)准解理断裂起源于晶粒内部的空洞、夹杂物和第二相粒子，而不像解理断裂那样，断裂起源于晶粒边界或相界面上。(2)裂纹传播的途径不同，准解理是由裂源向四周扩展、不连续，而且多是局部扩展。解理裂纹是由晶界向晶内扩展，表现河流走向。LOGO5.3高分子材料的断裂无定型聚合物：裂纹的扩展过程就是银纹的产生、发展的过程。LOGO5.3.1晶态高分子材料的断裂单晶体的断裂取决于应力与分子链的相对取向。晶体受垂直于分子链方向的应力作用晶体受平行于分子链方向的应力作用晶体会发生滑移、孪生和马氏体相变，裂纹沿与分子链平行的方向扩展，形成解理断裂。裂纹穿过分子链，切断共价键。LOGO5.3.2半晶态高分子材料的断裂在Tg温度以上，半晶态高分子材料具有韧性断裂的特征。断裂时已产生塑性变形的无定型区的微纤维束末端将形成空洞。随着塑性变形的继续进行，在空洞或夹杂物旁边的微纤维束产生滑移运动形成微裂纹。微裂纹可通过切断纤维横向生长，也可通过“拔出”一些纤维使得临近纤维末端空洞连接起来生长。LOGO5.4断口分析断口特征三要素：纤维区、放射区、剪切唇剪切唇（链波）放射区（放射线）纤维区（韧窝）LOGO对拉伸试样的宏观断口观察，可看出多数情况下有三个区域。第一个区域在试样的中心位置，叫做纤维区，裂纹首先在该区域形成，该区颜色灰暗，表面有较大的起伏，如山脊状，这表明裂纹在该区扩展时伴有较大的塑性变形，裂纹扩展也较慢；第二个区域为放射区，表面较光亮平坦，有较细的放射状条纹，裂纹在该区扩展较快；接近试样边缘时，应力状态改变了（平面应力状态变为切应力），最后沿着与拉力轴向成40-50°剪切断裂，表面粗糙发深灰色。这称为第三个区域剪切唇。试样塑性的好坏，由这三个区域的比例而定。5.4.1断口分析描述LOGO5.4.2杯锥状断口分析断裂试样的杯状断口LOGO5.4.3断口分析特征如放射区较大，则材料的塑性低，因为这个区域是裂纹快速扩展部分，伴随的塑性变形也小。反之对塑性好的材料，必然表现为纤维区和剪切唇占很大比例，甚至中间的放射区可以消失。影响这三个区比例的主要因素是材料强度和试验温度。LOGO5.4.4脆性断裂与韧性断裂的界限脆性断裂其断口收缩率小于5%。韧性断裂其断口收缩率大于5%。LOGO5.5裂纹的位错模型自学甄纳-斯特罗模型（为错塞积理论）柯垂尔理论（为错反应理论）史密斯理论（脆性第二相开裂理论）LOGO5.6断裂强度＊会断裂强度的计算方法。＊了解断裂强度的裂纹理论，即格里菲斯裂纹理论。学习方式：探讨、自学LOGO5.7理论断裂强度和脆断强度理论5.7.1理论断裂强度晶体的理论强度应由原子间结合力决定，现估算如下：一完整晶体在拉应力作用下，会产生位移。原子间作用力与位移的关系如图。LOGO曲线上的最高点代表晶体的最大结合力，即理论断裂强度。作为一级近似，该曲线可用正弦曲线表示σ=σmsin(2πx/d)（5-1）式中x为原子间位移,d为正弦曲线的波长。如位移很小，则sin(2πx/d)=(2πx/d)，于是σ=σm(2πx/d)（5-2）根据虎克定律，在弹性状态下，σ=Eε=Ex/a0(5-3)式中E为弹性模量；ε为弹性应变；a。为原子间的平衡距离。合并式（5-2）和（5-3），消去x，得σm=λE/2πa0(5-4)LOGO另一方面，晶体脆性断裂时，形成两个新的表面，需要表面形成功2γ，其值应等于释放出的弹性应变能，可用图5-10中曲线下所包围的面积来计算得:σm=（Eγ/a0）1/2(5—6)这就是理想晶体解理断裂的理论断裂强度。可见，在E，a0一定时，σm与表面能γ有关，解理面往往是表面能最小的面，可由此式得到理解。LOGO•如用实际晶体的E，a。，γ值代入式(5-6)计算，例如铁，E=2×105MPa,a0=2.5×10-10m，γ=2J/m2,则σm＝4×104MPa≈E/5。•高强度钢，其强度只相