大连理工大学材料强度学作业03

内容小结(断裂)1不同的断裂机制材料在不同的外部条件（载荷、温度、腐蚀环境等）下表现出不同的断裂方式:(1).室温下韧性断裂和脆性断裂;(2).高温下蠕变断裂;(3).循环载荷作用下疲劳断裂;(4).腐蚀环境和应力共同作用下应力腐蚀开裂2断裂理论2.1理论断裂强度—格里菲斯断裂理论理论断裂强度：完整晶体在正应力作用下沿垂直于应力轴的原子面拉断时的应力称为理论断裂强度，公式2/1dEm其中E弹性模量，表面能，d解离面间距。格里菲斯断裂理论(Griffith,A.A.)认为理论断裂强度与实际断裂强度的巨大差异是因为材料中存在微裂纹，对于给定尺寸的裂纹存在一个临界应力。裂纹失稳扩展的临界应力2/1aEc其中，a裂纹长度。材料断裂过程不是原子面之间的分离，而是通过裂纹的扩展实现的。Orowan修正：基于一般金属材料不存在脆性断裂，断裂前总要发生或多或少的塑性变形，故修正为2/1(2aEpe其中，e表面能，p塑性变形功。格里菲斯理论首次将裂纹引入断裂问题，使人们认识到裂纹在材料断裂中的重要作用，从而引发了断裂力学这一学科的发展。2.2线弹性断裂力学基础裂纹体断裂强度下降并不是因为横截面积减小引起的平均应力的升高（这一效应可以忽略不计），而是因为裂纹尖端应力集中，从而引发断裂力学研究裂尖应力集中及其相关问题裂纹分类：(1).Ⅰ型裂纹或张开型裂纹(2).Ⅱ型裂纹或滑开型裂纹(3).Ⅲ型裂纹或撕开型裂纹。断裂韧性：裂纹失稳扩展的临界状态的应力场强度因子IcK，即ccIcaYK其中，c和ca是临界状态的应力及裂纹尺寸。断裂韧性的工程意义：(1).已知裂纹，利用KIc确定构件的承载能力；IccKYa(2).已知工作应力，利用KIc确定构件允许存在的最大裂纹长度；2IccKaY(3).已知裂纹长度和工作应力，可将断裂韧性作为选材的依据。IKYa2.3塑性区修正裂纹前端屈服区大小,平面应变平面应力其中syssysysIcKr222120屈服引起的应力松弛平面应变平面应力其中，syssysysIKR2212，应力松弛后塑性区增大一倍。屈服区外应力分布计算中，引入有效裂纹长度yraa*，则aYKI*，故有在裂纹延长线上)(,)()(2*RrRrrrKsyyIy,2.4裂纹扩展的能量率裂纹扩展单位面积所消耗的总能量，亦称为裂纹扩展阻力peR2；（1）恒力条件下，裂纹扩展力PIaEG，即等于应变能改变率（增加率）；（2）恒位移条件下，aEGI，称为应变能释放率（下降率）。裂纹失稳扩展的临界应变能改变率IcG，是材料抵抗裂纹失稳扩展的抗力，亦称材料的断裂韧性。裂纹扩展单位面积所释放的能量平面应变平面应力EKvEKGIII222)1(；失稳扩展的临界状态平面应变平面应力EKvEKGIcIcIc222)1(。裂纹失稳扩展条件为aRaGRGII。解决弹塑性裂纹体的断裂问题的应用理论以J积分理论和裂纹顶端张开位移（COD）理论为主。3疲劳裂纹扩展裂纹萌生位置：（1）驻留滑移带（PSB）和基体间的界面处；（2）冶金缺陷处；疲劳裂纹容易在熔渣、气泡、夹杂、锻造皱皮、折叠等冶金及加工缺陷处萌生。（3）拉应力作用下的材料表面。疲劳裂纹扩展的不同区段：（1）I区：初始段thKK，，不扩展；thKK，裂纹扩展慢；（2）II区：主要段裂纹亚稳扩展，是决定疲劳裂纹扩展寿命的主要段；（3）III区：最后段裂纹失稳扩展。疲劳裂纹扩展的微观过程的两个阶段：a、当裂纹尺寸小于几个晶粒直径时，变形局限于单滑移系统，疲劳裂纹沿主滑移面向前扩展。近门槛疲劳区（A区）相对应。断口呈现解理小平面。b、疲劳裂纹扩展的宏观路径大体上垂直于拉伸载荷轴，B区相对应。疲劳裂纹扩展第二阶段最显著的特征是断口中的疲劳条纹花样。疲劳裂纹的形成机制是钝化再锐化的过程，依据这个过程，应力循环一个周期，在断口上留下一条疲劳条带，裂纹向前扩展一个条带的距离。裂纹扩展速率dNdaK，在裂纹扩展的B区(Paris区)nKCdNda)(，式中，c、n为材料常数，与材料、应力比、环境等有关。影响疲劳裂纹扩展速率的因素：（1）应力比r↑，曲线向左上方移动；（2）过载峰适当过载反而有益；（3）显微组织对I、III区的da/dN影响比较明显；晶粒粗大，△Kth值越高；韧性相可使△Kth↑；（4）温度温度升高，速率增加，扩展模式改变。4蠕变断裂蠕变断裂的研究方法:(1).微观方法（蠕变空洞的形核、长大）(2).宏观方法（蠕变裂纹扩展—断裂力学方法）(3).细观方法（蠕变损伤力学）(4).经验、模拟方法（对大量实验数据的分析、拟合）蠕变断裂时空洞、微裂纹的形核，长大直至断裂。空洞长大的基本过程:空位在晶界上形成并沿晶界扩散到空洞，空洞吸收空位而长大；同时原子从空洞表面扩散到晶界并沉积在晶界上。原子沉积使晶界两边的晶粒产生位移（蠕变变形）；空位到达空洞后沿空洞表面相南北极方向扩散，空洞的形状与晶界扩散与表面扩散速度相对大小；空洞长大到相邻空洞相互连接就会使晶界分离，即断裂空洞形核采用古典形核理论解释，在空洞长大的模型有Hull-Rimmer模型、Speight-Harris模型、Rice模型。蠕变损伤理论：Kachanov和Rabotnov蠕变损伤理论蠕变延性断裂寿命：假设试样内部不产生任何损伤，拉伸变形导致试样横截面积的连续减小直至断裂。蠕变寿命的预测方法：破坏试验法——持久受命外推法；非破坏预测方法：根据组织预测寿命：模拟工况，数值计算法；预测的可靠性问题。5断裂物理(侧重于断口分析)断裂的分类：按断裂前塑性变形情况：韧（延）性断裂和脆性断裂；按微观机制：微孔聚集型断裂（韧性）和解理断裂（脆性）；按裂纹扩展路径：穿晶断裂（韧、脆）和沿晶断裂（常温下脆性，高温下韧性）；按受力状况和环境：蠕变断裂－高温（韧性）；疲劳断裂－交变载荷（脆性）；应力腐蚀断裂－拉应力＋特定腐蚀介质（脆性）。韧性断裂包括：纯剪切断裂和韧窝断裂两种形式韧窝断裂过程：（1）变形到一定程度后产生颈缩，此后变形集中在缩颈附近；（2）颈缩的形成引入三向应力状态，在等静张力的作用下在夹杂物处形成微空洞；（3）这些空洞逐渐汇集成一个裂纹并沿着垂直于拉伸方向的方向扩展，最终导致断裂。宏观断口特征：杯锥状断口下存在纤维区，辐射区，剪切唇；纤维状断口呈现灰暗，细小凹凸不平。微观（高倍）断口：具有韧窝状特征，在韧窝底部常可以观察到夹杂物或第二相粒子。解理断裂：裂纹沿着一定的晶体学平面扩展而导致的脆性断裂；解理面通常是密排面，因为密排面的面间距最大，原子间结合力最小；面心立方金属一般不发生解理断裂。解理断口的特征：低倍下呈现结晶状；高倍下呈现河流花样，舌状花样。沿晶断裂：常温、低温下沿晶断裂时脆性断裂；断口成冰糖状；成因：脆性第二相沿晶界连续分布As，Sn，Sb，P等有害元素分布于晶界（回火脆性）；环境因素：腐蚀，氢脆，应力腐蚀开裂。高温沿晶断裂：高温蠕变中在较低应力下发生---晶界空洞形核与长大或在较高应力下发生楔形裂纹形核与长大，这两种情况都属于韧性断裂。疲劳断口：呈现疲劳源、疲劳区和瞬断区三个区域。其中，疲劳源是裂纹的发源地；疲劳区是裂纹亚稳扩展形成的，其宏观特征是：断口比较光滑且分布有贝纹线；瞬断区是裂纹最后失稳扩展形成的区域。随着应力的不断循环，裂纹扩展达到临界尺寸时就发生了失稳扩展导致断裂。应力腐蚀开裂（SCC，stresscorrosioncracking）：拉应力与腐蚀介质的共同作用使材料发生脆性断裂。产生条件(同时具备)：(1)材料中存在拉应力，拉应力愈大，断裂时间愈短。SCC所需拉应力一般低于材料的屈服强度;(2)只有特定的腐蚀介质和特定的合金组合才能引发SCC。一种合金在特定介质中发生SCC，而在其他介质中可能不发生SCC;SCC的材料因素化学成分：纯金属虽然也有SCC倾向，但与同金属为基的合金相比对SCC的敏感性要小。材料强度：同一合金系中的合金对SCC的敏感性随金属强度的增加而增加。裂纹扩展路径：SCC可以是穿晶的也可以是沿晶的。而两种裂纹的宏观路径总是垂直于拉应力分量。在SCC条件下裂纹随时间逐渐扩展：第I阶段，经过一段孕育期，KI刚超过KISCC后裂纹突然加速发展；第II阶段与KI关系不大，因为它主要是由电化学过程起控制作用；第III阶段，裂纹长度已接近脆断的临界尺寸，随KI增大da/dt又速增加，直到失稳断裂。应力腐蚀开裂机制：氢致开裂模型、钝化膜破坏模型、表面膜引发开裂模型和局部表面塑性模型。